2021-09-26-清华大学-双碳目标下的电网安全问题与对策_34页_3mb

双碳目标下的电网安全问题与对策总结

核心内容

随着全球对气候变化和环境污染问题的关注加剧，各国纷纷推动能源结构转型，以实现低碳发展目标。在此背景下，电网安全运行面临新的挑战，尤其是在可再生能源发电占比不断提升、交直流混联电网结构日益复杂的前提下。本文围绕双碳目标下的电网安全问题，分析了可再生能源发电的波动性对电网的影响，以及交直流混联电网带来的连锁故障风险，并提出了相应的应对策略。

主要观点

• 低碳电网成为发展趋势：全球范围内，各国均在推进可再生能源的发展，如欧盟、美国、中国、日本等，均设定了具体的可再生能源比例目标，以应对气候变化和能源转型的挑战。
• 中国电网发展迅速：中国已建成全球规模最大、电压等级最高的交直流混联电网，具备强大的输电能力和新能源消纳能力。
• 可再生能源发电的波动性：风电和光伏发电具有间歇性和不确定性，这对电网的稳定运行提出了更高要求。
• 交直流混联电网的连锁故障风险：由于可再生能源逆变接入电网，短路电流受限，导致系统保护难度增加，交直流混联电网中连锁故障成为新常态。
• 系统保护技术的重要性：为应对连锁故障，发展具有动态特性和主动控制能力的系统保护技术成为关键。

关键信息

1. 低碳电网的发展背景

• 全球应对气候变化：2016年《巴黎协定》签署，承诺控制全球气温升高幅度在 $2^{\circ} \mathrm{C}$ 范围内。
• 中国双碳目标：2020年9月，中国提出力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。
• 电网结构变化：中国电网已形成以新能源为主体的交直流混联电网，具备大规模新能源接入能力。

2. 可再生能源发电的特点与挑战

• 主要可再生能源类型：风电、光伏发电、水电等。
• 波动性发电的影响：
  • 风速和光照的不确定性导致功率输出波动。
  • 引发电网调控困难，需应对备用电源、弃风、弃光等问题。
• 中国可再生能源发展现状：
  • 截至2019年6月底，可再生能源装机容量达750 GW。
  • 2040年目标可再生能源发电占比达50%，2050年达67%。

3. 交直流混联电网的挑战

• 连锁故障机制：交流短路低电压→换相失败→直流闭锁→潮流转移→振荡解列。
• 主要挑战：
  • 逆变侧短路电流受限，保护构成困难。
  • 柔直电网直流CB开断能力差，要求保护超高速动作。
  • 系统惯量减小，稳定性变差。

4. 应对策略

4.1 发展大规模储能技术

• 储能技术分类：
  • 物理储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能。
  • 电化学储能：铅酸电池、锂离子电池、液流电池等。
  • 电磁储能：超导电磁储能、超级电容器。
  • 储热技术：熔融盐储热。
  • 电制气储能：如氢储能。
• 抽水蓄能优势：
  • 效率高（约70%）。
  • 成本适中（3500~4000 ¥/kW）。
  • 中国是全球抽水蓄能装机容量最大的国家。
• 电化学储能发展趋势：
  • 锂离子电池能量比最高，但成本和寿命仍是发展瓶颈。

4.2 混联电网系统保护

• 系统保护技术：
  • 防止直流换相失败；
  • 广域直流控制技术；
  • 距离保护技术，免疫于过负荷和振荡。
• 主要特征：
  • 具有动态特性；
  • 具有主动特征；
  • 阻断连锁故障链条；
  • 强化和补充“三道防线”。
• 技术手段：
  • 动态调整触发角和熄弧角；
  • 使用Statcom、SVC、UPFC等设备支撑交流母线电压；
  • 限流技术，如超导限流器SFCL；
  • 多相补偿式距离保护（MCDR）技术，用于区分区内外故障，避免振荡误动。

结论

• 双碳目标推动电网转型：电网从传统化石能源供电向可再生能源供电转变。
• 交直流混联电网成为新形态：电网规模大、电压等级高、新能源占比高。
• 电网安全面临新挑战：波动性发电和交直流混联结构导致系统稳定性下降，连锁故障风险增加。
• 储能与系统保护技术是应对关键：通过发展储能技术和系统保护技术，提高电网的稳定性和安全性。

致谢

感谢各位聆听！