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碳达峰碳中和目标下的新型电力系统 朱继忠 国家海外高层次人才、华南理工大学教授 IEEE Fellow, IET Fellow, CSEE Fellow 中德生态示范城市圆桌会议 2021年 6月 4日 版权归作者所有，勿转发 背景 新型电力系统需求侧能效管理 风光储发展状况及分析 结论及前景展望 主要内容 2 版权归作者所有，勿转发 背景 新型电力系统需求侧能效管理 风光储发展状况及分析 结论及前景展望 主要内容 3 1 背景 国家主席习近平 2020年 9月 22日在第七 十五届联合国大会一般性辩论上发表重 要讲话： “ 中国将提高国家自主贡献力度 ， 采取 更加有力的政策和措施 ， 二氧化碳排放 力争于 2030年前达到峰值 ， 努力争取 2060年前实现碳中和 ” 。 前不久又提出 “ 要坚持绿色低碳 ， 促进 人与自然和谐共生 ” 。 1 背景 • 碳中和 （ carbon neutral, or carbon neutrality），是指中立的（即零）总碳 量释放，透过排放多少碳就作多少抵销措施，来达到平衡。 • 碳中和推动使用可再生能源 ，以改善因燃烧石化燃料而排放到大气中的二氧化碳； 最终目标是仅使用可再生能源，而非石化燃料，使碳的释放与吸收回地球的量达平 衡不增加。 • 最近，亚洲一些国家如 日本、韩国也相继宣布了各自实现碳中和的目标 。 • 近日， 欧盟碳价一路“高歌猛进” ，在近半个月的时间里多次冲破 30欧元 /吨的历 史高点。 • 欧盟碳价的不断上涨将有利于欧盟实施淘汰煤电的长期战略，一路走高的碳价将不 断削弱煤电投资的潜在利润，进而将压缩煤电在欧盟电力供应中所占的份额。 • 同时， 碳价提高也有利于欧盟地区发展清洁能源技术 ，未来可再生能源、核能、氢 能以及碳捕捉封存等项目预计将获得更多青睐。 1 报告主题背景 —新型电力系统 • 习近平总书记提出我国碳达峰、碳中和目标，并在多次重要讲话中提出明 确要求，强调要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，构建以新 能源为主体的新型电力系统。 • 新型电力系统应是适应大规模高比例新能源发展的全面低碳化电力系统。 • 到 2030年前后新能源装机占比有望达到 50%，将成为电力系统的主体电 源。 • 新型电力系统亟需激发负荷侧和新型储能技术等潜力，形成源网荷储协同 消纳新能源的格局，适应大规模高比例新能源的开发利用需求。 • 新型电力系统应是充分保障能源安全和社会发展的高度安全性电力系统。 • 新型电力系统应是符合未来灵活开放式电力市场体系的高效率电力系统。 构建以新能源为主体的新型电力系统 1 报告主题背景 —新型电力系统 1. 要着力构建适应大规模新能源发展的电力产供储销体系，保障电力安全可靠 一要发挥电网资源配置的平台作用；二要推动坚强局部电网建设；三要合理 推动支撑性电源建设、基础性电源建设；四要构建规模合理、分层分区、安 全可靠的电力系统，强化电力安全和抗灾能力，扎实提升电力工业本质安全 水平。 2. 要着力提升电力系统的灵活调节能力 通过电源侧、电网侧、需求侧、储能侧等方方面面来推动电力系统的灵活调 节能力提升，适应大规模新能源并网后的要求。把波动性、间歇性的新能源 特点，通过系统的灵活调节变成友好的、确保用户供应的新型系统。 如何构建新型电力系统 1 报告主题背景 —新型电力系统 3、要着力推动源网荷储的互动融合，提升系统运行效率 供给侧要实现多能互补优化，消费侧要电热冷气多元深度融合，实现高比 例新能源充分利用与多种能源和谐互济，提升电力的综合能源服务水平。 4、要着力加大新型电力系统关键技术的集中攻关、试验示范、推广应用 促进人工智能、大数据、物联网先进信息通信等技术与电力技术的深度融 合，形成具有我国自主知识产权的新型电力系统关键技术体系。 5、推进电力市场建设和体制机制创新 通过电力市场机制、运行机制、价格机制的不断完善，建设适应新能源快 速发展的统一开放、竞争有序电力市场体系。 如何构建新型电力系统 版权归作者所有，勿转发 背景 新型电力系统需求侧能效管理 风光储发展状况及分析 结论及前景展望 主要内容 9 版权归作者所有，勿转发 10 我国可再生能源领域投资 、 装机和发电 量连续多年稳居全球第一 ， 可再生能源 投资已经连续五年超过 1000亿美元 。 在目前全球化石能源日趋耗竭和生态环 境不断恶化的双重制约背景下 ， 世界各 国加大发展可再生能源 。 尤其是风电发 展规模大 。 2019年世界十大国家风电装机情况 2013-2019年全国风电投资情况 2 风光储发展状况及分析 0 50 100 150 200 250 WP Capacity (GW) WP Capacity (GW) 0 50 100 150 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Billion Yuan 版权归作者所有，勿转发 11 国际可再生能源署 （ IRENA） ， 2019年太阳能发电和陆 上风电的成本进一步下降： • 大规模光伏发电成本降至 $0.068(￥ 0.4545)/千瓦时 。 • 陆上风电的成本降至 $0.053(￥ 0.3543)/千瓦时 。 陆上风电 海上风电 光伏发电 聚光热发电 降幅大 2 风光储发展状况及分析 版权归作者所有，勿转发 12 2019年 12月 3日 ， 行业研究机构 彭博新能源财经 （ BNEF） 发布 2019全球锂离子电池组价格 调研报告 显示 ， 2019年全球锂离子电池组的平均价格为 156美元 /千瓦时 ， 较 2010年的 1100 美元 /千瓦时下降 87%。 其中 ， 中国市场锂电池组平均价格已低至 147美元 /千瓦时 ， 为世界最低 。 2 风光储发展状况及分析 预计到 2030年 : 仅 电 动 汽 车 的 电 池 容 量 将 达 到 57亿 kWh， 电池容量约为全网用电量 （ 约 170kwh） 的三分之一； 集中式储能也将达到 10亿 kWh。 电动汽车具有储能潜力 2 风光储发展状况及分析 0% 5% 10% 15% 20% 2015 2016 2017 2018 2019 弃风率 14  可再生能源对电网运行的影响  不可调度性  随机波动性  反调峰特性  造成有功不平衡 ， 被迫弃风 /光；  增加系统运行调度难度 /不确定性；  造成线路潮流越限 。 对电网调度的影响  消纳形势严峻 近年来中国风电弃风率情况 2016年弃风率 高达 17% 15% 17% 12% 7% 4% 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 2015 2016 2017 2018 2019 弃光率 近年来中国风电弃光率情况 10% 10% 6% 3% 2% 2 风光储发展状况及分析 15 2 风光储发展状况及分析  市场总体供需不平衡，系统 灵活性资源 配置与挖掘不足 。 灵活性资源不足 供需不平衡 可再生电源 负荷需求 发电能力 市场需求 版权归作者所有，勿转发 背景 新型电力系统需求侧能效管理 风光储发展状况及分析 结论及前景展望 主要内容 16 版权归作者所有，勿转发 17 3 新型电力系统需求侧能效管理 需求侧能效管理 是以新能源为主体的新型电力系统必不可少的内容 ， 它反映了更加科学的电 力系统管理思路 。 数字电网将引导用电侧的用电用户合理用电 ， 积极参与 电力系统安全 、 经济和 高效运行 ， 这将有效汇聚海量可调节资源支撑电力系统实时动态响应 。  虚拟电厂 ：利用 数字技术在线组建虚拟电厂 ， 将分散的电源和柔性负荷聚小成多 ， 能促进发电 侧与负荷侧双向互动 。 这在传统物理电网是做不到的 ， 数字电网却可以实现 。  微电网 ：配电网呈现交直流混合柔性电网与微电网等多种形式协同发展态势 。 微电网技术结合 数字化技术 创新 平台经济 、 共享经济 、 网络协同 、 产业互联新模式新业态 ， 有助于提高服务效 率和客户体验 ， 支撑业务创新 ， 帮助用户不断释放需求潜能 。 智能微电网能够提高供电可靠性 和解决高渗透率分布式电源并网问题 ， 将逐步在城市中心 、 工业园区 、 偏远地区等推广应用 。  交通电气化 ：电动汽车规模化增长将促进路网与电网的深度融合 ， 为能够适应日益增长的交通 电气化需求 ， 未来将打造 电动汽车 +数字电网 深度互动的智慧能源网络 。  本章节先提出需求侧能源系统面临的主要问题 ， 并从 虚拟电厂 、 微电网 、 交通电气化 三个典型 技术领域对新型电力系统的 需求侧能效管理 展开说明 。 版权归作者所有，勿转发 需求侧能源系统面临的六个问题 1 多能互补优势发挥不充分 用户用能多样化但缺乏多能互补的优势 ， 能源利用效率不高 ， 需 促进新能源就地消纳 。 2 综合能源服务成本较高 用户作为能源受体 ， 无法承受昂贵的综合能源转换 、 存储等设备 成本 ， 阻碍多能耦合发展 。 3 能源小数据没有得到充分利用 产生的能源小数据没有得到充分利用 ， 缺乏用户侧数据分析和决 策支持 。 新型电力系统和综合智慧能源系统可以有效地提高能源利用效率 ， 实现可再生能源的规模化开发 ， 实现能源的可持续供应 ， 提高社会能源供用的灵活性与安全性 。 3.1 需求侧能源系统存在的问题 18 4 需求侧能源、设备存在利用率不高现象 需求侧用户缺乏能源互济 、 闲置资产复用的能 源市场机制 。 5 新能源汽车的接入产生新要求 电能 、 氢能等新能源汽车的快速发展对能源网 的调度控制 、 充能设施规划产生新要求 。 6 需求侧协同调度理论及优化方法复杂性 主要体现在多能源 、 多环节 、 多时间尺度 、 多 目标 、 大规模 、 非线性等 。 + 3.1 需求侧能源系统存在的问题 需求侧能源系统面临的六个问题 版权归作者所有，勿转发 19 3.2 虚拟电厂技术 版权归作者所有，勿转发 虚拟电厂 （ VPP）  利用 数字技术 在线组建的虚拟电厂可以 看作一个由分布式能源 、 可控负载和分 布式储能设施有机组合形成的综合控制 载体 。 虚拟电厂可用于参与电力市场或 聚合辅助服务 。  通过虚拟发电厂的运行机制实现传统能 源与新能源之间的互补协同调度与电网 的优化运行 ， 以最大程度地平抑新能源 电力的强随机波动性 ， 提高新能源的利 用率 [1]。 一个典型的含分布式能源的 VPP架构 [1]刘吉臻等 .虚拟发电厂研究综述 [J].中国电机工程学报 ,2014,34(29):5103-5111. 电力存储单元 微电网 电力消耗单元电力生产单元 能源管理 与交易平台 实时通信接口 外部接口 VPP管理与控制系统电网服务 电网自动化 说明： VPP可能包括许多发电单元 ， 储能单元以及负荷单元 。 这些单元可以 分布在广阔的地理区域 。 VPP系统中通过通信媒介与 VPP管控系统进行信息 交互 ， 实现 VPP各单元的统一调度管理与控制 。 20 3.2 虚拟电厂技术 版权归作者所有，勿转发 虚拟电厂通过先进的信息通信技术和软件 ， 将 分布式发电机组 、 可控负荷 、 储能系统 、 电动汽车 等结 合起来 ， 作为一个独立的特殊的电厂进行操作运行 。 一个典型的含分布式能源的 VPP架构  VPP投资组合优化与协调  虚拟电厂组合优化与容量配置 a) 单一时段容量配置 。 b) 考虑出力偏差惩罚的容量配置 。 c) 多时段容量配置 。  虚拟电厂组合优化与协同 a) 虚拟电厂内部可控单元组合优化与协同 b) 参与市场交易的虚拟电厂的组合优化与协同 21 版权归作者所有，勿转发 微电网四个主要发展趋势 3.3 新能源微电网技术 22 传统微电网随着智慧控制 技术的加入转变为智能微电网 ， 而随着 数字化技术 与微电网技术 的进一步结合 ， 使得微电网清洁 化 、 多能化 、 微型化和开放化成 为可能 。 负荷需求 光伏出力 风机出力 含混合储能的风 -光 -储 -柴微电网 版权归作者所有，勿转发 1. 互补混合储能 2. 滚动优化调度  能量型蓄电池参与经济调 度 、 平缓并网功率波动 。  功率型超级电容实时抑制 高频功率波动 。 滚动优化的每一步调度都会 根据最新系统状态和预测数 据进行反馈校正 ， 可以更好 地适用于实际系统 ， 具有更 强的鲁棒性 。 微电网典型日出力与需求 功率波动源 3.3 新能源微电网技术 新能源微电网面临挑战 1：源荷双侧功率波动 解决技术与方案 23 版权归作者所有，勿转发 能源共享实现新能源消纳 美国能源经济学家杰里米 ·里夫金在他的 《 第三次工业革命 》 一书中认为 ， 互联网技术将与可再生能源相结合 ， 在能源生产 、 传 输和消费上实现基于互联网技术的 广域能源共享 。 作为一种新兴商业模式 ， 共享能源机制 要求使用权和所有权相 分离 。 目前 ， 随着共享单车在全国各大城市迅速铺开 ， “ 共享经济 ” 的概念迅速普及 ， 共享汽车也随之悄然进入了人们的视野 。 由于能 源互联网的关键在于实现能源电力的共享经济模式 ， 因此建立市场 机制 、 实现商业互联至关重要 。 市场的关键在于赋予供需双方自由 竞争 、 自由选择的权利 。 通过 闲置资产和服务的再分配 、 共享和重 复利用 实现资源优化 。 3.3 新能源微电网技术 新能源微电网面临挑战 2：分布式新能源消纳 24 例如 ， 家庭微电网用户可以将自身剩余的分布式能源或者储能设备的储能空间分享给其他有需要的用 户 。 这种共享模式具有以下优点：  降低用户对设备的 投资成本 ， 促使其他用户改变用电行为；  促进剩余能源在用户之间的 互济 和提高能源设备的 利用率 ；  用户在共享能源 /设备的同时可以获得相应的收益进一步 提高用能的经济性 。 版权归作者所有，勿转发 3.3 新能源微电网技术 新能源微电网面临挑战 2：分布式新能源消纳 25 单向消费者模式 双向产消者模式  能源共享云 （ 华南理工大学爱思科团队提出 ） 定义为 一个 由 云平台和云用户 群 构成的 开放式 能源共享环境 ， 兼顾区域微电网与能源产消者 的优势 。 版权归作者所有，勿转发 新能源微电网面临挑战 2：分布式新能源消纳 3.3 新能源微电网技术 能源共享云架构 M ai n G r i d C l ou d P l at f or m C l ou d U s e r s SM H om e E M C SM S H A s A C B U S N on - c ont r ol l a bl e l oa d S hi f t a bl e l oa d A dj us t a bl e l oa d H om e E M C SM S H A sA C B U S N on - c ont r ol l a bl e l oa d S hi f t a bl e l oa d A dj us t a bl e l oa d N on - c ont r ol l a bl e l oa d S hi f t a bl e l oa d A dj us t a bl e l oa d A C B U S C l ou d E M C V R M G H om e E M C A C B U S S H A s SM E S S A C / D C = ~ P V G S A C / D C = ~ WT G S A C / A C ~ ~ D C / D C = = D C / A C ~ = A C B U S 虚拟家庭 微电网 能源聚合商 云用户 主电网 用户① 用户② 用户③ 传统的 RMG面临一些亟待解决的问题： ① PV、 风力涡轮机和电池通常需要足够的 物理空间 。 ② RES和能量存储系统仍属于 资本密集 型设备 。 ③ 变化 的可再生能源和负荷需求意味着不同时期的容 量要求是不同的 。 26 华南理工大学爱思科团队研究成果： S. Li, J. Zhu*, Z. Chen, and T. Luo, “Double-layer energy management system based on energy sharing cloud for virtual residential microgrid,“ Applied Energy, vol. 282, p. 116089, 2021. 版权归作者所有，勿转发 需求侧智慧能源系统属于 局域能源系统 ， 是通过对区域或用户能源的生产 、 传 输 、 分配 、 转换 、 存储 、 消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源 产供 销一体化 系统 。  用户级智慧能源系统 以用户智能用电系统 ､分布式 / 集中式供热系统 、 供水系统 、 储能系统等耦合而成 ， 不同类 型能源间存在 深度耦合 关系 。 ⭐用户级智慧能源系统又可称 为 微能源网 ， 区域级智慧能源 系统内可含有众多的微能源网 。 *王成山 , 王丹 , 李立浧 , 贾宏杰 , and 王伟亮 , “需求侧智慧能源系统关键技术分析 ,“ 中国工程科学 , vol. 20, pp. 132-140, 2018. 源 网 荷 储 转 新能源微电网面临挑战 3：多能源能源互补 3.3 新能源微电网技术 27 版权归作者所有，勿转发 澳大利亚： 2020年， 20%EV 新西兰： 2020年， 5%EV 北欧： 2020年， 30万辆 EV 以色列： 2020年， 100万辆 EV 加拿大： 2020年， 80万辆 EV 中国： 2020年， 500万辆 EV 德国： 2020年， 100万辆 EV 美国： 2020年， 180万辆 PHEV 3.4 交通电气化助力数字电网构建 电动汽车发展规划  电动汽车是当前新能源汽 车的主要代表；  电动汽车 的发展推动了电 网公司建设 数字电网 、 推 动电网结构转型；  同时 ， 数字电网的发展也 将大大促进汽车从路网走 向了电网 ， 进而打造电动 汽车 +数字电网深度互动 的智慧能源网络 。 28 版权归作者所有，勿转发 对电网负荷 削峰填谷 改善配电网 电能质量 提高可再生 能源利用率 为电网提供 调频服务 参与电网经 济调度 3.4 交通电气化助力数字电网构建 含电动汽车的调度控制体系 在满足电动汽车充电需求的前提下 ， 运用 实际有效地经济或技术措施引导 、 控制电动汽 车进行充电 ， 进而参与电网经济运行与辅助服 务 。 29 版权归作者所有，勿转发 背景 综合智慧能源系统需求侧能效管理 风光储发展状况及分析 结论及前景展望 主要内容 30