以新能源为主体的零碳电力系统

白皮书 我们支持可持续发展目标 零碳发电系统主要基于可再生能源 执行摘要 政府间气候变化专门委员会指出，“人类活动已经无可争议地导致了大气、海洋和陆地的变暖”，并且“稳定温室气体浓度……需要能源供应系统发生根本性的转变”。减少电力部门的碳强度或降低其碳密集度是减少这些温室气体排放的关键组成部分。 净零的挑战 从根本上说，对净零碳排放的承诺对国家的电力系统产生了深远的影响。电力部门是大多数国家排放量最高的来源之一，并且通常被认为是最容易去碳化的部门。因此，一个国家的净零碳目标也可以被视为电力或能源部门的净零碳目标。此外，向运输等其他经济部门过渡以实现更低的碳目标将对电力部门产生显著的连锁影响。 这份白皮书考虑了电力系统去碳化面临的挑战、由此带来的过渡需求，以及这可能对IEC、其成员及其制定的标准意味着什么，而这些标准指导着全球电气技术领域。 暴露在各种压力之下意味着全球电力系统已经在发生变化，并且已经持续了若干年。电力系统运营商、用户及其他利益相关方正面临前所未有的深刻挑战，这些挑战包括但不限于大幅增加容量以支持全球化石燃料的电气化替代、采用新的发电设备如太阳能、风能和海洋能源发电、显著改变发电和负荷特性以及网络本身所使用的控制和通信设备的重大变化。 实现净零碳电力系统是一项巨大的挑战。截至撰写本文时，碳排放发电源占全球电力供应的比例超过60%。去除这些排放并满足新的电力需求所需的无碳容量将需要在广泛的主题领域内进行大量工作。这将涉及政策和法律、监管、标准化以及技术开发等方面的努力。 对净额零的承诺 超过130个国家承诺实现碳中和或净零碳排放目标 ，许多国家还承诺大幅减少能源强度。这些将在未来几十年内实现的承诺将进一步加速电力系统中已观察到的变化。 净零的含义 净零排放电力系统将与当今的电力系统大不相同。净零排放电力系统将依赖大量风能和太阳能发电，或许还包括核能、水电或海洋能发电，并且将涉及更多的储能能力，从抽水蓄能到电池储能。化石燃料发电机要么被淘汰，要么转换为零碳运行。 更广泛的净零碳排放需求将likely见到许多新的负荷出现在电力系统上。交通运输等行业预计将出现新的用电需求。 3 从化石燃料设备（如锅炉或内燃机）转换为电动驱动的过程，制造业将转向电气化。家庭和建筑的空间加热将从化石燃料转向电热，包括使用热泵技术 。这些新的负载将大幅增加对电力系统的需求——一些估计认为，到2050年，像加拿大这样的国家可能需要将系统容量翻倍以上。如果管理得当，这种需求的增加也可能有助于电力系统的运行，并促进可变可再生能源发电的整合。 发电和负荷特性在电力系统中将变得更加动态，一天之内以及季节性地会出现从非常低的消耗到高消耗的巨大波动。这将要求发电能力变得更加灵活，以匹配快速变化的需求，并且很可能某些负荷将被动态管理以匹配供应。净零排放的电力系统将拥有远少于传统依赖大型旋转机械（具有显著机械惯性的）电力系统的旋转惯量。为了维持系统的安全性和确保整个电力系统内保护装置的可靠运行，依赖电力电子互联的发电机和存储设备（如太阳能和风力发电机或电池）需要模拟旋转机器的操作特性。这将需要新的操作方法以及新的监管或激励措施，以便将这些操作模式集成到部署的机器和系统中。 这些变化意味着向净零电力系统过渡将要求电力系统在多个维度上发生变化。发电需要转向无碳运行 。对电力生成的控制将更加紧密地与负荷和储能的控制相结合。最后，电力系统控制技术需要变得更加先进，利用最新的数字技术来优化这些过程。 管理一个比以前复杂得多的电力系统。 零碳电力系统技术 多项研究表明，在许多国家，水能、风能和太阳能是最便宜的无碳发电形式。这些技术通常已被广泛理解和接受。前方的关键挑战不在于风能和太阳能发电的操作，而在于将这些可再生能源整合到电力系统中，并确保一个有很大比例供电来自风能和太阳能发电机的电力系统的可靠运行。风能和太阳能发电需要位于风能和太阳能资源丰富的地区。在某些情况下，这可能意味着距离电力负荷中心较远，需要大量的输电基础设施来传输能源至使用地点。而在其他情况下，太阳能和风能可能靠近负荷中心 ，这将减少长距离输电基础设施的需求。电力分配系统需要吸收大量分布式可再生能源发电、电动汽车、热泵和本地储能设备。这对电力系统的设计产生了重大影响，系统现在需要能够支持显著变化且双向的电力流动。应对这一挑战将需要新的传感和控制方案，并提供从秒级到季节级的大量（范围从秒到季节）能量存储。 各种其他发电技术有潜力协助向零碳排放过渡。这些技术包括核能（包括小型模块化反应堆）、以及配备碳捕获、利用与储存技术的高效率和灵活的煤或气发电设施。这些技术仍处于初级阶段，广泛采用它们仍然存在许多挑战，其中最大的挑战之一便是成本问题。 尽管许多关于零碳电力系统的路径分析集中在系统“供应侧”的能源生成和存储技术上，对“需求侧”的考虑将变得越来越重要。通过减少所需生成的能源量 ，能效措施将在向零碳过渡中发挥关键作用，并已被全球大多数国家立法。需求侧集成技术，旨在积极且动态地管理电力系统的负载，也将发挥越来越重要的作用，有助于减少排放、避免基础设施升级 、使终端用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。 广谱范围，涵盖从新的技术标准（如海上风电发电 ）到促进未来电力系统中生成与需求之间更紧密整合的标准。这些标准不仅需要支持电力系统内部的整合，还需要考虑电力系统与能源消费者及外部能源服务提供商之间的互动。鉴于零碳电力系统的巨大复杂性，需要采取系统化的方法。考虑到环境、安全和健康等方面的要求，系统标准很可能会被需要。 电力系统将更加“数字化”，各种新的信息和通信技术将在电力系统的各个领域得到应用。同样，这种数字化也将影响系统内的所有操作流程。边缘计算、数据挖掘和工业物联网等技术将有助于更好地监控和控制、提高能源供应效率并加快对故障的响应速度。所提供的好处将有助于加速向净零碳运行的过渡。 为了实现气候目标，电力系统向零碳系统的转型必须迅速发生，实际上要比过去几十年中电力系统所经历的许多变化快得多。如果标准和监管未能及时跟上新技術的推广，在电力系统中可能会出现延迟实施、低效、误用、重大故障、技术失败或其他危害的重大风险。 标准和监管变革往往发生的速度远不及向零碳电力系统转型过程中的一些变化。因此，在这一进程中 ，除了需要制定新的标准外，还需要考虑现有的标准如何适应这些变化。进程为了创建新的标准和监管体系，从而使这些过程至少能够跟上技术变革和电力系统向净零过渡的时间框架。 向零碳过渡的标准含义 为了确保在零碳电力系统中，能源系统、平台、设备和市场能够顺利过渡并有效运行，标准发挥着至关重要的作用，确保互操作性、维持最低性能和安全水平，并帮助指导向新技术和运行模式的过渡。尽管目前存在多种与零碳愿景相关的标准，但零碳电力系统将需要一系列新的广泛标准以确保系统的可靠、高效和韧性运行。所需的标准涵盖多个方面 ，包括但不限于： -确保不同系统之间的互操作性和兼容性； -维持和提升系统性能和安全性； -支持新技术和运营模式的开发与应用； -保障系统的整体可靠性、效率和韧性； -制定新的技术规范和测试方法以适应零碳目标； -协调不同利益相关者之间的标准和要求，促进跨行业合作。 零碳电力系统中新技术的丰富多样性，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，将需要采取更为自上而下的标准化方法。这种方法应基于系统级的整体架构层面，而非传统的自下而上的方法，后者侧重于单个组件。 这些标准将在零碳电力系统的规划、设计、建设和 运营过程中发挥关键作用，确保整个系统能够平稳5 过渡并实现长期可持续发展目标。 本白皮书的结构如下： §第一节介绍世界电力系统正在经历的巨大变革，白皮书的目的及其目标。 §第二节考虑推动电力系统向净零排放过渡的力量 。 §第三节回顾一个无碳电力系统可能是什么样的。 §第四节探讨通往无碳电力系统的各种路径。 §第五节介绍支撑可靠且经济的净零电力系统的各项技术。 §第六节考虑前面章节讨论的变化对国际电工委员 会（IEC）、其利益相关者和标准化工作意味着什么。 §第七节总结全文并提出一些关键建议。 净零碳电力系统已不再是遥远未来的可能性。世界各地许多国家已承诺实现净零碳排放目标，各种压力意味着全球电力系统正在发生剧烈变化。这些变化对所有国际电工委员会（IEC）利益相关方产生了深远影响——从系统运营商到设备制造商和服务提供商，或电力系统的终端用户。了解本报告中详细阐述的变化、新技术、运行原则和标准要求，将确保IEC处于正在进行的演变的前沿。 Acknowledgments 这份白皮书由IEC市场战略委员会代表各种组织的项目团队准备。该项目团队包括来自全球电力网络业务、标准组织和设备供应商的代表。项目发起人为中国国家电网公司成员、IEC市场战略委员会成员樊建斌博士。项目协调由IEC市场战略委员会秘书长PeterJLanctot负责。协调作者及项目合作伙伴为N.OGEE咨询公司的GlennPlatt博士。 项目团队成员是(按字母顺序)： 阿尔韦拉尔·卡洛斯（CarlosAlvarez-Ortega），华为董昭宏（ZhaohongBie），西安交通大学 ，中国乔治·波拉塞（GeorgeBorlase），UL杰弗里森·科比（JonathanColby），StreamwiseDevelopment范麒翔（QixiangFan），中国华能集团郭祁（GuoQi），中国南方电网董浩（HaoHu），国家电网上海研究院石黑宏（HirokazuIto），东京电力公司王群（QunLi），国家电网江苏研究院林刚（GangLin），华电长江环保技术有限公司刘天阳（TianyangLiu），中国华能集团碳中和研究院刘忠（ZhongLiu），中国南方电网吉尔特·梅斯（GeertMaes），华为安德鲁·麦康奈尔（AndrewMcConnell），CitiPower、Powercor和UnitedEnergy LucMeysenc博士，施耐德电能有限公司JedongNoh先生，EnSTAR有限公司 Ju-MyonPark先生，ZeroEN有限公司 SalvatorePugliese先生，意大利电工委员会（CEI ） HaiQian先生，南方电网公司 KeSun先生，国家电网经济研究院浙江电力公司JonSojo先生，Tratos有限公司 PascalTerrien先生，EDF SebastiaanVanDort先生，英国标准协会DirkVanHertem教授，KU鲁汶大学 IvanoVisintainer先生，意大利电工委员会（CEI） Di（Andy）Wang先生，华为技术有限公司ZiweiWang先生，华能澜沧江水电有限公司Hee-JeongYim先生，韩国技术与标准院EllenYin女士，华为技术有限公司 WedianYoussef博士，施耐德电能有限公司 GuoxinYu先生，海尔集团 LiangZhao先生，中国华能集团碳中和研究院DehuaZheng先生，金风科技 执行摘要3 缩写列表13 词汇表17 第一节导言19 1.1背景19 1.2范围和定义21 1.3结构22 第二节零碳动力系统：驱动因素和市场需求23 2.1气候变化23 2.2实现净零23 2.3政府政策24 2.3.1非洲25 2.3.2澳大利亚25 2.3.3China26 2.3.4法国26 2.3.5意大利27 2.3.6日本27 2.3.7大韩民国28 2.3.8美国28 2.4市场变化29 2.5可靠的电源30 2.6经济实惠的能源30 2.7改变能源消耗31 2.7.1更改载荷轮廓31 2.7.2新荷载32 第三节零碳电力系统的特性34 3.1大规模部署零碳能源发电34 3.2高穿透力电子和降低惯性34 3.3电力系统的数字化36 3.4电力系统的分散化36 3.5大容量电力传输37 目录 第4节