中科院院士周孝信:这是电力系统发生巨变的40年

作者: 时间:2018-12-06 【 】 【关闭

  改革开放40年来,我国电力系统无论在系统规模、装机容量、技术水平还是安全运行水平等方面,都发生了巨大的变化,取得了显著的进步。日前,记者就此采访了中国科学院院士、中国电科院名誉院长周孝信。

  从孤立分散到交直流互联大电网

  周孝信表示,8年前,他做过一个关于世界电力系统发展阶段的调研,研究发现世界电网的发展大体上可以划分为三代。第一代电网主要在1950年之前,主要特点是小机组(不超过10万千瓦)、低电压(不超过220千伏)、小系统(省级及以下电网)。第二代电网是在1950年到上世纪末,得益于经济和技术的发展,第二代电网在第一代的基础上实现转型升级,特点是大机组(达到百万千瓦级别)、超高压和特高压、大型交直流互联电网的出现。在这一阶段,通过对远方水电的开发推动大型电网的发展,是各国的普遍共性。进入21世纪后,世界各国由于对化石能源枯竭的预期和环境恶化的关注,开始倡导发展新能源,第三代电网的发展进程也由此开启。其特点是骨干电源与分布式电源结合、主干电网和局部电网结合、可再生能源逐步替代化石能源、综合能源系统和电网智能化等。

  周孝信认为,我国电网的发展历程和世界电网的整体发展历程类似,只是我国电网发展相对滞后。1949年新中国成立以后,虽然我国也开始发展自己的水电系统,但那时规模还比较小,除东北电网外基本上都局限在省级电网的范围内。直到上世纪70年代,我国才真正意义上进入第二代电网。

  1969年投运的刘家峡水电站装机容量122.5万千瓦,是当时我国装机容量最大的水电站。由于当时甘肃省内消纳能力有限,刘家峡发出的水电需要在整个西北地区(新疆除外)范围内消纳。所以,在电压等级上,需要将输电电压从220千伏升至330千伏,线路途径500多千米,将刘家峡的水电送到西安地区。在此线路的基础上,形成了包括陕西、甘肃、青海在内的我国第一个跨省大型电网。这也标志着我国基于330千伏超高压输电的区域电网正式形成。

  在当时极为困难的条件下,我国依靠国内科研力量独立自主研发并成功应用了330千伏输电技术和装备,为500千伏、750千伏输电技术研发应用提供了技术和人才的基础。改革开放后,我国在330千伏输电技术的基础上研究500千伏输电技术,并结合国外先进技术的引进消化,于1981年投产我国第一条500千伏输电线路——平武线(平顶山到武汉)。此后,基于500千伏交流输电技术的华中、东北等电网的网架建设陆续起步,全国各大区域电网逐步形成。

  除交流输电外,在我国第二代电网的发展过程中,直流输电得到快速发展。1979到1980年,水电部派遣一个包括周孝信在内的20多人的科研团队到加拿大魁北克水电局学习。当时加拿大的直流输电技术和工程建设都很先进,而国内的研究力量薄弱,电网中直流输电工程应用方面还是空白。他在学习期间搜集了一些国外直流输电系统的资料带回国内,并按国内要求提出了初步的直流输电仿真分析模型,为未来的直流输电工程研究做准备。

  周孝信介绍,从1985年开始,以中国电科院为主,相关单位集中力量研究国外先进的直流输电技术,配合我国第一个引进消化技术和装备的直流输电工程(1989~1990年投产的葛洲坝—上海±500千伏直流输电工程),开展了大量的技术消化和调试工作。

  通过该工程,我国初步掌握了直流输电工程的系统研究和分析方法,在自主研发的电力系统分析综合程序中增加了直流输电系统模型分析功能,并通过直流输电工程的现场调试得到验证,成功应用于该直流输电工程投产后的调度运行和后续工程的研究中。

  上世纪90年代初,南方电网建成了第一条交流500千伏输电工程——天生桥—广州±500千伏直流输电工程,开启了南方电网大规模西电东送的进程。1993年元旦,周孝信和电科院调试人员都没有回家过节,一直在工程现场调试。

  2000年年底,随着天生桥一、二级水电站全面投产发电,天生桥至广州±500千伏直流输变电工程单极投产,国内首个交直流并联混合输电系统由此诞生。中国电科院全面介入了该系统的研究和现场调试,经过不懈努力,攻克了交直流并联电网运行控制关键技术,支撑了电网由纯交流向交直流并联系统的发展。

  2009年和2010年,我国首条1000千伏特高压交流输电线路工程和±800千伏特高压直流输电工程相继投产。中国电科院紧密配合公司、规划设计研究单位、装备制造企业,做了大量试验研究和工程调试工作,掌握了特高压交流和直流输电技术,为实现电网升级和装备国产化,推动我国电气装备制造业的发展作出了突出贡献。

  现在,我国已形成完整的交直流电压系列,拥有成熟的标准和设备体系,在特高压输电技术方面达到了世界领先水平。

  我国电网进入构建新一代电力系统的新阶段

  周孝信认为,当前,电网发展已进入第三代,即构建新一代电力系统的新阶段,面临着全新的问题和挑战。

  第三代电网最主要的特点是可再生能源在电力系统中的比例不断提高。我国提出,到2050年,全国电量的60%以上要靠包括可再生能源在内的非化石能源提供。我国的电力系统需要适应这一发展趋势,努力研究怎样消纳高比例的可再生能源,将弃风、弃光和弃水电量限制在合理水平。

  第二个特点是随着可再生能源接入和直流输电的发展,电网中电力电子装备的比例不断提高。我国已经建成10余项特高压直流输电工程,“西电东送”的规模很大,电力电子装备替代了大量的传统电磁装备,发挥着输送、分配和接纳可再生能源的作用。但同时,由于大规模的直流输电和分布式发电进入电力系统,给电力系统的运行、控制带来相当大的挑战。其中,电力电子装备使整个系统的惯量减小了,抵抗扰动的能力减弱,会带来一定的安全隐患,现在正在加紧研究解决之中。

  第三是要构建一个多能互补的综合能源电力系统。为了更多消纳可再生能源,提高能源综合利用效率,建立多能互补的综合能源电力系统势在必行。其包括用户侧和电源侧两方面。在用户侧实现多种类型能源的综合利用,通过综合能源服务中心等形式,为客户提供综合能源服务,在充实改善服务内容和质量的同时,提高能源利用效率。在电源侧,特别是西部可再生能源基地,发展多能互补,通过水电、风电、太阳能热发电以及火电灵活调节等不同特性电源的协同互补,平抑可再生能源出力的间歇性和波动性,使得输出的电能更稳定。结合西部更大规模可再生能源基地的建设,发展电力的就地消纳以及转化为可贮存、可运输的气体、液体燃料(通过电制氢、制甲烷等)也是未来的重要选项。

  第四是成为信息物理融合的智能电力系统。在未来电力系统可再生能源占优的需求背景下,在智能电网和综合能源系统、互联网和人工智能技术快速发展和普及的基础上,能源互联网、能源物联网理念和技术推动未来电网发展为信息物理融合的智慧能源电力系统的步伐不断加快。利用发达的网络信息技术促进可再生能源的消纳,提高能源利用效率和服务客户水平的需求,都将达到前所未有的高度。

  推动技术创新 构建更加清洁智能的综合能源电力系统

  周孝信表示,未来将构建的是更加清洁、智能的综合能源电力系统,在构建新一代电力系统中,有几大关键技术将发挥重要作用。

  一是高效低成本可再生能源发电技术。近年来,光伏发电、陆上风电快速发展,不久的将来都要实现平价上网。这一方面要依靠科学研究和产业技术的进步,不断提高发电效率,降低设备成本,还要克服一些体制机制障碍,更充分地发挥电力市场交易的作用,促进可再生能源的消纳。

  二是高效低成本长寿命储能技术。要实现可再生能源大规模发展,高效低成本长寿命储能作为一种配合,是非常关键的。当前,除抽水蓄能以外,其他技术还没有成熟到可以大规模应用的程度。磷酸铁锂电池储能的技术进步很快,成本也大幅度降低。在国家政策引导下,其商业化应用的前景显现。2018年以来用户侧和电网侧配置电池储能的意愿明显增加。为了尽快实现其规模化应用的目标,当前要继续加强研发力度,不断提高相关性能、降低成本。其他类型的储能,如储热、压缩空气储能、太阳能热发电等,都在开展相关研究和示范应用,我们期待着些技术的不断进步和突破。

  三是高可靠性低损耗电力电子技术。在这方面,期望大容量柔性直流输电装备的核心部件——IGBT能够早日实现国产品的批量应用。要进一步加大新一代电力电子器件如基于宽禁带半导体碳化硅器件的研发力度,早日实现耐高电压、耐高温性能强,体积小,安全性可靠性高的电力电子装备在电网中应用,使新一代电力系统中柔性直流输电、可再生能源接入电网的可靠性和效率更高。

  四是新一代人工智能技术。碍于技术发展,以前有些事想做却做不了,比如做电力系统稳定的快速在线分析。现在电网规模这么大,只凭人的经验去分析海量数据已经不够了,准确性、快速性都跟不上。现在就设想能不能用人工智能解决这个问题,以加快电力系统在线分析和控制的速度。

  此外,还有一些新型输电方式正在研究中,比如超导输电、既能输液态天然气又能输电的输能管线等。

  加强科研攻关 为电力系统发展贡献重要技术和解决方案

  周孝信说,在改革开放和社会经济发展的进程中,中国电科院为我国电力系统的发展作了非常突出的贡献。40年来,中国电科院在我国电力系统发展的不同阶段提供了基础性和共性的关键技术和研究手段,在一系列电力系统重大工程实践的关键时刻贡献了相关技术和解决方案。

  以电系统仿真分析技术和电力电子应用技术为例。电力系统仿真分析技术是电网规划设计、调度运行都离不开的技术支撑。我国电力系统纵横几千千米,连接千家万户,其中包含各种设备,这样大规模的人造系统,如果想实现有效控制和故障处理,必须事先做好充分预案和在线分析。通过大型电力系统仿真软件的自主研发和引进国外相关软件的消化和吸收,目前在电力系统规划、设计、调度运行方面的应用软件都实现了自主可控。

  中国电科院在此领域有十分强大的科研开发团队,先后研制了大型电力系统分析软件和大电网全数字实时仿真装置等先进手段,建成国家电网仿真中心和数据中心,形成世界上功能最强的电网仿真体系。相关成果先后获得1985年和2009年国家科技进步一等奖。

  从离线分析到在线分析,从物理模拟到全数字仿真,中国电科院除具备研究开发电力系统分析应用软件的能力外,也具有全方位分析解决电力系统技术难题、支持电网安全稳定运行的能力。多年来,为电网规划设计和调度运行提供强有力技术支持,为我国电网的发展和持续安全稳定运行作出了突出的贡献。

  电力电子装备在电力系统的应用,是中国电科院率先在公司系统内倡导的研究和发展方向。

  自上世纪90年代起,从试验研究、装备制造、工程承接到人才培养,中国电科院在电力电子应用领域各环节中都做了大量开创性工作。从早期的无功补偿装备研制和应用,到220千伏和500千伏超高压输电可控串补等灵活交流输电系统研究和装备研制,以及高压和特高压直流输电、柔性直流输电技术研究和装备研制,还有近期开展的风电太阳能电力电子装备接入电网和直流电网研究,都在行业内起到了先导作用,为我国电网中发展电力电子技术和装备奠定了坚实的基础。



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