以可再生能源为主的零碳电力系统（英）

白皮书 主要基于可再生能源的零碳电力系统 执行概要 政府间气候变化专门委员会指出，“毫无疑问，人类的影响使大气、海洋和陆地变暖”，“温室气体浓度的稳定需要对能 源供应系统进行根本性转变”。电力部门的脱碳或降低碳强度是减少这些温室气体排放的关键组成部分。 本白皮书考虑了电力系统脱碳的挑战，由此产生的未来所需的过渡，以及这对IEC，其成员及其制定的标准可能意味着什么，这些标准指导着世界电工技术行业。 暴露在各种压力下意味着世界各地的电力系统已经在发生变化，并且已经发生了几年。电力系统运营商、用户和其他利益相关者正面临着千载难逢的深刻挑战，从需要大幅提高支持全球用电力替代化石燃料的能力，到太阳能、风能和海洋能源发电等新一代设备的采用，再到发电和负荷状况的急剧变化，以及网络本身使用的控制和通信设备的重大变化。 承诺对零 全球已有130多个国家承诺实现碳中和或净零碳排放的目标，还有更多国家承诺大幅降低能源强度。这些承诺将在未来几十年内实现，只会加速电力系统已经出现的变化。 零的挑战 从根本上说，对净零碳排放的承诺对一个国家的电力系统具有深远的影响。电力部门是大多数国家排放的最高来源之一 ，也经常被认为是最容易脱碳的部门。因此，一个国家的净零碳目标也可以理解为电力或电力部门的净零碳目标。此外 ，运输等其他经济部门向低碳目标的过渡将对电力部门产生重大的流动影响。 实现净零碳电力系统是一项难以置信的挑战。在撰写本文时，碳排放源占全球电力供应的60%以上。消除这些排放，以及增加无碳容量以满足新的电力需求的需求，将需要在非常广泛的主题上进行大量工作。在政策和法律、法规、标准化和技术开发方面需要努力。 零的含义 净零电力系统与当今的电力系统大不相同。净零电力系统将依赖大量的风能和太阳能发电，可能是核能、水力发电或海洋发电，并将涉及更多的储能能力，从抽水蓄能到电池。化石燃料发电机将被逐步淘汰或转换为零碳运营。 更广泛的净零碳排放要求可能会使电力系统上出现许多新的负载。运输行业 制造业将从锅炉或内燃机等化石燃料设备转变为电动工艺。家庭和建筑物的空间供暖将从化石燃料过渡到电加热，包括使用热泵技术。这些新负荷将大大增加对电力系统的需求— —据估计，到2050年，加拿大等国家需要将系统容量增加一倍以上。如果管理得当，需求的增加也可能有助于电力系统的运行和可变可再生能源发电的整合。 电力系统中的发电和负载曲线将更加动态，全天和季节性地从极低消耗到高消耗的显着波动。这将要求发电更加灵活，以便将供应与快速变化的需求相匹配，并且可能会动态管理一些负载以匹配供应。净零功率系统的旋转惯量将远远低于依赖于具有显着机械惯量的大型旋转机器的传统动力系统。为了维护系统安全并确保整个电力系统中保护装置的可靠运行，依赖电力电子互连的发电机和存储设备（如太阳能和风力发电机或电池）将需要模拟旋转机器的运行特性。这将需要新的操作方法和监管或其他激励措施，以确保这些操作模式内置到部署的机器和系统中。 这些变化意味着向净零电力系统的过渡将需要电力系统在多个维度上发生变化。发电将需要转向零碳运营。发电控制将与负载和存储控制更紧密地结合在一起。最后，电力系统控制技术需要变得更加复杂，利用最新的数字技术来 管理比以前复杂得多的电力系统。 零碳电力系统的技术 多项研究表明，在许多国家，水力、风能和太阳能是最便宜的无碳发电形式。这些技术通常都很好理解。未来的关键挑战不是风能和太阳能发电的运行，而是它们与电力系统的整合，以及电力系统的可靠运行，其中很大一部分供应来自风能和太阳能发电机。风能和太阳能发电需要位于风能和太阳能资源可用的地方。在某些情况下，这将距离电力负荷中心更远，需要大量的传输基础设施将能量输送到使用的地方。在其他情况下，太阳能和风能可以在负载中心附近使用，这将减少对重要的长距离传输基础设施的需求。配电系统将需要吸收大量的分布式可再生能源发电、电动汽车、热泵和当地储能。这对电力系统的设计产生了重大影响，电力系统现在需要实现显著变化的双向潮流。应对这一挑战将需要新的传感和控制方案，并提供非常大量的（从几秒钟到季节不等 ）的能量存储。 各种其他发电技术有可能帮助向零碳过渡。其中包括核能（包括小型模块化核反应堆），以及与碳捕获利用和储存合作的高效灵活的煤或天然气发电机。这些技术仍处于起步阶段 ，广泛采用仍存在许多挑战，其中最重要的是所涉及的成本 。 虽然对零碳电力系统路径的分析主要集中在系统“供应侧”的能源生产和存储技术上，但考虑电力系统的“需求”侧将变得越来越重要。在简单地减少所需的能源量方面，能源效率措施将在向零碳过渡中发挥关键作用，并且已被世界上大多数国家立法。寻求主动和动态管理电力系统负载的需求侧集成技术也将发挥越来越大的作用，有助于减少排放，避免基础设施升级，使最终客户能够在能源使用和投资方面做出选择，并确保电力系统的可靠性。 电力系统将变得更加“数字化”，新的信息和通信技术将引入电力系统的各个方面。同样，这种数字化将影响系统内的所有运营流程。边缘计算、数据分析和工业物联网等技术将允许更好的监测和控制、改进的能源供应和更快的故障响应。所提供的好处将有助于加速向净零碳运营的过渡。 向零碳过渡的标准影响 为了确保能源系统、平台、设备和市场能够在零碳电力系统中转型和有效运行，标准可以发挥关键作用，确保互操作性 ，保持最低水平的性能和安全性，并帮助指导向新技术和运营制度的过渡。虽然目前存在一系列与零碳愿景相关的标准 ，但零碳电力系统将需要广泛的新标准，以确保可靠、高效和有弹性的系统运行。所需的标准涵盖 范围广泛，从海上风力发电等新技术标准，到促进未来电力系统中将出现的发电和需求之间更紧密集成的标准。这些标准不仅必须支持电力系统本身的集成，还必须支持电力系统与能源消费者和电力系统外部能源服务提供商之间的相互作用。鉴于零碳电力系统的巨大复杂性，需要采取系统方法。考虑到环境、安全和健康等要求，可能需要系统标准。 为了实现气候目标，向零碳电力系统的过渡需要非常迅速，实际上比近几十年来电力系统中的许多变化要快得多。如果标准和法规滞后于电力系统中新技术的推出，则存在延迟实施、效率低下、误用、重大停电、技术故障或其他危害的重大风险。 标准和监管变化的速度通常比零碳电力系统过程中发生的一些变化要慢得多。因此，在这一过程中，除了需要新标准外 ，还需要考虑创建新标准和法规的过程，以便这些过程（至少）能够跟上技术变革的步伐和电力系统向净零过渡所涉及的短时间。 零碳电力系统中新技术的丰富性，以及分布式资源和非电力系统技术与大规模电力系统基础设施的融合，将需要一种更加自上而下的标准化方法。这应该基于从整体系统架构级别开始的系统方法，而不是传统的自下而上的方法，侧重于单个组件。 本白皮书的结构如下: 第1节介绍了世界电力系统发生的巨大变化、白皮书及其目标。 第2节考虑了推动电力系统向净零排放过渡的力量。 第3节回顾了零碳电力系统可能是什么样子的。 第4节考虑了通往零碳电力系统的各种途径。 第5节介绍了支持实现可靠、经济的净零功耗系统的技术。 第6节考虑了上一节中讨论的更改对IEC、其利益相关者和标准工作意味着什么。 第7节结束了本文件，并提出了一些关键建议。 净零碳电力系统不再是遥远未来的遥远可能性。世界上许多国家都承诺实现净零碳排放目标，各种压力意味着世界各地的电力系统正在发生巨大变化。这些变化对所有IEC利益相关者（从系统运营商到设备制造商和服务提供商，或电力系统最终用户）都产生了深远的影响。了解本文中详述的变化，所涉及的新技术，操作原则和标准要求，将确保IEC始终处于当前正在进行的发展的最前沿。 致谢 本白皮书由代表IEC市场战略委员会下属的各种组织的项目团队编写。项目团队包括来自世界各地的电力网络企业、标准组织和设备供应商的代表。项目发起人是来自中国国家电网公司的范建斌博士，也是IEC市场战略委员会成员。项目协调由IEC市场战略委员会秘书PeterJLanctot负责。协调作者和项目合作伙伴是来自N.OGEE咨询公司的GlennPlatt博士。 项目团队成员是（按字母顺序）：卡洛斯Alvarez-Ortega先生,华为 毕昭宏教授，西安交通大学，中国乔治先生Borlase,UL 乔纳森·科尔比先生，StreamwiseDevelopment范启祥先生，中国华能集团 气郭博士,中国南方电网 胡浩博士，中国国家电网公司胡云超先生，华为黄华先生，国网上海研究院 伊藤弘和先生，东京电力公司李群先生，国网江苏研究院林刚先生，华能长江环境科技有限公司 刘天阳先生，中国华能集团碳中和研究院 刘忠先生，南方电网GeertMaes先生，华为 AndrewMcConnell先生，CitiPower，Powercor和UnitedEnergy。 LucMeysenc博士，施耐德电气JedongNoh 先生，EnSTARLtd. ZeroEN先生Ju-Myon公园有限公司 SalvatorePugliese先生，意大利电工委员会（CEI）海先生钱,中国南方电网 国网浙江省电力公司经济研究所孙柯先生乔恩•Sojo先生TratosTerrien帕 斯卡先生,法国电力公司(EDF)SebastiaanVanDort先生，英国标准协会DirkVanHertem教授KU鲁汶 IvanoVisintainer先生，意大利电工委员会（CEI）迪王(安迪)先生,华为 王紫薇先生，华能澜沧江水电有限公司贤正严先生，韩国技术与标准院 艾伦女士阴,华为 韦迪安·优素福博士，施耐德电气余国新先生，海尔 赵亮先生，中国华能集团碳中和研究院郑先生竭诚欢迎,金风公司 第一节介绍19 1.1 1.2 1.3 第二节零碳电力体系：驱动因素与市场需求23 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.4 2.5 2.6 2.7 2.7.1 2.7.2 第三节零碳电力系统的特点34 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 第四节零碳电力系统的替代途径38 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.4 4.5 4.6 第五节关键新技术及其挑战43 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.6 第六节标准化与合格评定分析67 6.1促进互连、集成和互操作性的标准68 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.7.1 6.7.2 6.7.372碳结构,利用和存储 6.8 6.9 6.10 6.11 第七节75结论和建议 7.1 7.2 7.3 的缩写列表 技术和科学术语6lowpan基于低功耗无线个人局域网的IPv6 交流交流电 人工智能人工智能 AMQP高级消息队列协议 祝福低能耗蓝牙 CCS碳捕获和存储 CCUS碳捕集、利用和存储 二氧化碳二氧化碳 CoAP受限的应用协议 直流直流电 DDS数据分发服务 dlm设备语言信息规范 安全域需求响应 ee电能存储 电动汽车电动汽车 国内生产总值国内生产总值(gdp) 温室气体温室气体 吉瓦十亿瓦 妇女和gigawatt-hour 边境半 直流高压直流 信息通信技术信息和通信技术 IEV国际电工词汇(IEC) 物联网物联网 IPv6互联网协议第6版 JTC联合技术委员会(ISO/IEC) 千瓦千瓦 千瓦时千瓦时 LCA生命周期评估 LCOE逐步降低电力成本 LFAC低频交流 LoRaWAN远程广域网 LTE-M机器类通信的长期发展 LVDC低