“双碳”目标下电力转型发展之路2021

清华大学Eltas “能源创新青年论坛”第五期 “双碳”自标下电力转型发展之路（规划篇） 面向碳中和目标的中国电力系统 技术发展方向思考 清华大学电机系 清华四川能源互联网研究院智慧能源研究中心 张宁副教授 2021年5月23日 清華大学Elals CHALLENGES AHEAD 碳达峰碳中和自标为电力系统带来的挑战 高比例可再生能源电力系统的挑战 清华大学Eltals EnergyintelligenceLsboratory智慰施源实验室 30 现状 25风电2.8亿 《可再生能源发展高比例场景》 2030年风电12亿，光伏10亿 《可再生能源发展高比例场景》 2050年风电24亿，光伏27亿 20光伏2.5亿 装机容量/亿千瓦 1.5十三五规划 10风电2.5亿 光伏1.5亿 气候雄心峰会： 2030年风电+光伏12亿 风电(Wind) 年份太阳能发电(PV&CSP) 2030 2050 非水可再生能源电量占比%含水电可再生能源电量占比% 统计年份容量/干瓦整体局部整体局部 2020 风2.8亿；光2.5亿：水3.7亿 9.54 20 27.76 90 基本方案 高方案 风光12亿：水4亿 风12亿：光10亿；水4.4亿 >16>30 >30>50 >33>50 >40>60 基本方案 风10亿光10亿水5亿 >25 >50 >40 >60 高方案 风24亿；光27亿；水5.5亿 >60 >90 >80 >95 3 高上比例可再生能源井网的挑战 可再生能源能量渗透率 清华大学Eltals Energy.lntelligenceLsboratory智慧能源实验室 挑战解决方案 季节性不平衡 可再生能源 电力过剩低惯性或 无惯性 季节性储能 PtoX 碳捕集电厂 极端/双向系统 配电网阻塞潮流模式 爬坡资源继电保护 极高 （50%~100%） 综合能源虚拟同步技术能源路由器 系统 新型储能装置 容量充裕度稀缺 锂电池 压缩空气 飞轮储能 系统调频 高储冷、储热、液流电池超级电容 传输线路阻塞 运行场景 (30%~50%) 储气光热发电可控负荷需求侧响应 多样化 次同步振荡奔风弃光 智能家居 生物质能 系统调峰灵活调度/市场 电动汽车 （最小负荷问题） 低/高电压火电灵活性区减简互联HVACHVDC 灵活性资源备用穿越改造 抽水蓄能 稀缺充裕度 (10%~30%) 精准预测灵活性发电天然气柴油 规划运行稳定/暂态低中高 时间尺度成本 挑战：电力系统固有灵活性能够消纳一定量的间歇性可再生能源（电量渗透率10%左右），进入中比例、高比例以及极高比例后，系统在稳定控制、运行、规划等不同时间尺度将面临多重挑战。 解决方案：不同比例下，针对不同问题，有相应的解决措施，每一种解决措施都不是“包打天 下的”需要不同措施之间的协同，不同措施也有不同的成本。 高比例可再生能源并网的解决方案 清茅大学 Eltas EnergyintelligenceLsboratory智慧能源实验室 惯性稳定控制 柔性交流与直流控制设备电能质量 高低电压穿越改造故障穿越 控制策略创新宽频域振荡问题 同步调相机 广域测量系统低惯性与调频稳定与保护 灵活性发电、灵活性改造 市场改进继电保护特性改变 预测技术 时间电力电量平衡需求响应调峰 储能极端潮流模式 市场组织 经济安全运行 空间电力电量平衡 跨区电力传输大发电力过剩 综合能源系统长距离输电需求/线路阻塞 光热运行场景多样化电力系统规划与发展 多样化清洁能源电力生物质能电量季节性不平衡 地热能 海洋能 备用充裕度与设备利用率 核能分布式新能源与配电网发展 碳捕集电厂 5 清华大学Eltals 40000 35000 1Jan-14Jan CHPgeneratiomWindpowaThemalgenerationPumpStorage(Genaration) PumpStorage(Pumping)-+--Load(Origimal)Load(withpump) 30000 25000 MW)pEO 20000 15000 10000 5000 Date 电力系统运行方式变化趋势 高比例可再生能源电力系统的挑战 清茅大学Eltals EnergyIntelligenceLsboratory 电力系统运行方式多样化：源端和荷端存在较大的不确定性，电力系统的运行方式将更加多样化、分散化、差异化 可再生能源大规模集群并网 可再生能源高渗透率分散接入 电力系统形态发生巨大变化 源端强波动性和随机性输配电系统规划与运行特将发 生根本性变化： 用电侧含源负荷：不确定性及交互性多样化、分散化、差异化 电力系统运行方式大数据分析 电力系统运行方式大数据分析框架 清华大学 Eltas EnergyIntelligenceLabaratory智能源实验室 电力系统生产所有机组出力所有节点负荷所有线路潮流 运行模拟电力系统全年365个日运行运行方式向量 电力系统运行降维、异常数据辨识 数据预处理 电力系统合理运行状态 电力系统运行KmeansDBSCAN等算法电力系统典型运行状态 状态聚类分析 电力系统运行 T-SNE、主成分分析 主成分1主成分2 状态降维2D用于可视化的运行状态向量 量化指标 量化评价并电力系统运行状态可视化及量化 得到结论 8 电力系统运行方式大数据分析 运行模拟框架 清华大学 Eltas EnergyIntelligenceLsboratory智慧能源实验室 长期时间维度（年）中期时间维度（月/周）短期时间维度(日)每个时段 水电水电 可再生能源机组机组 出力运行模拟月优周优 化化逐日运行模拟 （全时段安全约考虑预测误差 机组检修计划安排 抽蓄抽蓄 库容库容 月优周优 束根据实时新能 机组组合）源出力数据 进行滚动调度 化化综合考虑火电、水调整发电计划 水电机组电、热电、燃气轮 水库调度模拟机、核电、风电、 光伏、光热、储能 电量电量等多类型电源运行 月度周内特性以及交直流电 分解分解网运行复杂约束的 机组组合模型 6 电力系统运行方式大数据分析 运行模拟框架 EltabGOPT首页技术文档新海动态 电力规划决策平台 立刻就用 清美大学Eltas EnergyIntelligenceLsboratory智造能象实验室 GO 2 GOPT5.0 电力规划决策支持系统 电用式 .3288 996.L165 8146-61764 1734.15314 电机系电力系统经消与信急研究室 88126 10 电力系统运行方式大数据分析 清美大学Eltals EnergyIntelligenceLabaratory智慧能源实验室 青海电力系统接入光伏后运行状态的空间分布 Lowpenetrationscenario(2017) 30 Mediumpenetrationscenario(2020) 30 Highpenetrationscenario(2025) 30 20 10 101010 202020 30 3020-10 102030 30 Second30 20-10 102030 303020-100102030 Firstprincipalfeature(p.u.)Firstprincipalfeature(p.u.)Firstprincipalfeature(p.u.) (ae Lowpenetrationscenario(2017)Mediumpenetrationscenario(2020)Highpenetrationscenario(2025) 6 3 Cluster eluster 0 0 50100150200250300350 Day5010015020025030035050100150200250300350 DayDay (b)- (a)() 20%33%40% 11 电力系统运行方式大数据分析 量化指标 量化评价指标 清華大学Eltals 一、分散性指标二、季节一致性指标 高维方差指标： 每一维方差的平均值 聚类结果与季节一致的样本与总体样本的比值 1 Mrotal Trace(X) DasconEM torai 紧密性： 每一类各点到聚类中心的平均距离 三、日运行方式变化频率指标 ZIxi-wll XE2i CPK 日运行方式发生变化的样本与 间隔性：总体样本的比值 各聚类中心两两之间的最小距离 SP=minw,-w,Chgfreg: I(x,) Mrotal 12 电力系统运行方式大数据分析 量化指标 清茅大学Eltab EnergyIntelligenceLsbaratory智慧能源实验室 光伏：总体来看，随着光伏比例增加，青海电力系统运行方式分散性上升，季节 致性下降，日运行方式频率变化不明显 青海光伏分散性青海光伏学节一致性青海光伏搭行方式变化频率 066 14 隔安型指标0.64 120 12阿隔性指标100 0.62 100.60 5860 8 0.5640 0.54 20 0.52 0102030.40.50.00.2030.405010.2030405 青海光伏比例青海光伏比例青海光伏比例 风电：总体来看，随着风电比例增加青海电力系统运行方式分散性上升，一致性 下降，日运行方式变化频率显著增加。 0.66 青海风电分散性肯海风电季节一致性 分数性脂标120 140.64 青海风电运行方式变化频率 可装性指标 12 0.62 100 0.6080 0.5860 05640 0.54 20 0.52 010.20304050.0010.20.30.40.5010.2030.405 青海风电比例青海风电比例青海风电比例 13 清华大学Eltas EnergyIntelligenceLsboratory智慧能源实验室 接入风电接入光伏 0.0%windpenetrationscenario0.0%windpenctrationscenairio 30 6.3%PVpenetrationscenario6.3%PVpenctrationscenurio 10 20 3040203050.100150200250 10 30 1040t00200250300350 Firstprincipalfeature(p.u.) Day Firstprincipalfeature(p.u.)Day 14.6owindpenetrationscenario14.6%windpenetrationscenario 30 18.8%PVpenetrationscenario18.8%PVpenetrationscenario 30 10 50 2020 Cluster 30 20100150200250300350 3020..50100051200250300350 Firstprincipalfeature(p.u.)DayFirstprincipalfeature(p.u.)Day 21.0%windpenetrationscenario21.0%windpenetrationscenario 23.7%pVpenetrationscenario23.7%pVpenetrationscenario 30 10 2020 50150250300100200 301020304100150200250300350 Firstprincipalfeature(p.u.)DayFirstprincipalfeature(p.u.)Day 14 智慧能源实验室 清華大学Eltals EnergyIntelligenceLaboratory 接入风电接入光伏 39.7%windpenetrationscenario39.7%windpenetrationscenario33.0%PVpenctrationscenario33.0%PVpenetrationscenario 30 1010 303020-1010203)40 0 5o. 100150200250300