能源转型中我国电力系统的发展前景

能源转型中我国新一代电力系统的发展前景

周孝信

中国电力科学研究院

2017年12月14日珠海

主要内容

一、能源转型与电力系统转型

二、新一代电力系统及其主要技术特征

三、几类技术突破的全局性影响

四、总结

?我国能源转型与革命的目标

●习近平总书记2014年6月在中央财经领导小组第六次会议上发表重要

讲话，提出了推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际合作等重大战略思想，为我国能源发展改革指明了方向。

●以可再生能源逐步替代化石能源，实现可再生能源等清洁能源在一次

能源生产和消费中占更大份额，实现能源转型，建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国新一轮能源革命的核心目标。

《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》

2021-2030年

?能源消费总量控制在60亿吨标准煤以内?非化石能源占比达到20%左右

?新增能源需求主要依靠清洁能源满足，初步构建现代能源体系

?非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%2050年

?能源消费总量基本稳定，非化石能源占比超过一半，建成现代能源体系

二

《电力发展“十三五”规划》和《能源发展“十三五”规划》

一能源发展目标（2020年）

?能源消费总量：50亿吨标准煤以内?非化石能源占一次能源消费15%以上?煤炭占58%以下

?电能占终端能源消费比重达到27%电力发展目标（2020年）?全国发电装机达到20亿kW

?非化石能源装机7.7亿kW ，占39%?燃煤发电供电煤耗少于310g/kWh ?煤电发电装机控制在11亿kW

?西电东送规模由1.3亿kW 增加到2.7亿kW

国家发展改革委、国家能源局于2016年先后发布了：

?我国能源转型的主要指标

36.1

555858

557.8911.9

17.5

2227.5

3542.5

70.49

63.7

42.5

3527.5

21.63

24.5

2527.530

3030

2030405060

7080

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

2050

能源转型中我国一次能源消费结构演化趋势

一次能源消费总量（亿吨标煤）

非化石能源比重（%）

煤炭消费比重（%）

油气消费比重（%）

情景1

煤/油气/非化石能源45%/30%/25% 2030年10%/30%/60% 2050年情景3

煤/油气/非化石能源50%/30%/20% 2030年40%/30%/30% 2050年

数据参考来源：国家发展改革委、国家能源局，《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》、《能源发展十三五规划》、《电力发展十三五规划》。《国民经济和社会发展统计公报》、《全国电力工业统计数据》2010、2015。中国工程院，《推动能源生产和消费革命战略研究（一期）》2017.6.9。中国工程院：《中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究综合卷》，科学出版社，2011。刘振亚，《中国电力与能源》，中国电力出版社，2012。国家发展改革委员会能源研究所，《中国2050高情景2

煤/油气/非化石能源50%/30%/20% 2030年20%/30%/50% 2050年情景2 演化趋势

电力系统转型是实现能源转型的主要支撑

●非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的主要指标

●一次能源消费中非化石能源主要来自一次电力（水电、风电、太阳能发电等可再生能源电力以及核电等）

●大幅提高非化石能源电力占比，形成非化石能源为主的电源结构，是实现能源转型的主要支撑，也是电力系统转型、建设新一代电力系统的重要标志

?2015年我国非化石能源电量1.5万亿kWh，采用供电煤耗法计算，取当年火电平均供电标准煤耗315g/kWh,折合一次能源4.725亿吨标准煤，占全年一次能源消费总量43亿吨标准煤的11%（实际全国当年非化石能源占比12%）

?2016年我国非化石能源电量1.7万亿kWh，当年火电平均供电标准煤耗312g/kWh,折合一次能源5.304亿吨标准煤，占全年一次能源消费总量43.6亿吨标准煤的12.3%（实际13.3%#）

# 高虎，康晓文. 2016年我国非化石能源发展形势及2017年展望. 《中国能源》2017年第3期

我国(2020-2030-2050)发电装机容量和年发电量情景估算

coal, 10.765, 56%

gas, 1.099,

6%nuclear, 0.58, 3%

hydro, 3.4, 17%

wind, 2.116, 11%solar, 1.106, 6%

biomas, 0.147, 1%

总装机容量19.21 亿kW

coal, 4.306, 62%

gas, 0.275,

nuclear, 0.377, 5%

hydro, 1.428, 20%wind, 0.381, 6%solar, 0.166, 2%

biomas, 0.068, 1%

年总发电量7.0万亿kWh

coal, 9.078, 34%gas, 2.665, 10%nuclear, 1.2, 5%

hydro, 4.5, 17%

wind, 4.12, 15%

solar, 4.944, 18%

biomas, 0.358, 1%

总装机容量26.89 亿kW

coal, 3.776, 44%

gas, 0.666, 8%

nuclear, 0.78, 9%

hydro, 1.71, 20%

wind, 0.742, 8%

solar, 0.742, 9%biomas, 0.165, 2%

年总发电量8.58万亿kWh

coal, 3.97, 8%

gas, 4.24, 8%

nuclear, 2, 4%hydro, 4.5, 9%

wind , 14.38, 27%

solar, 21.58, 41%

biomas, 1.41, 3%

总装机容量52.08亿kW

2020: 能源消费总量50 亿吨标煤,

非化石能源占比15 %人均年用电量5000kWh

2030：能源消费总量60 亿吨标煤,

非化石能源占比20 %人均年用电量6000kWh

2050: 能源消费总量55 亿吨标煤,

非化石能源占比50 %人均年用电量9000kWh

coal, 1.59, 13%

gas, 1.06, 9%

nuclear, 1.3,

11%

hydro, 1.71,

14%

wind, 2.59, 21%

solar, 3.24, 27%

biomas, 0.65,

年总发电量12.13万亿kWh

能源转型中发电装机和电量结构演化趋势

数据参考来源：国家发展改革委、国家能源局. 《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》、《能源发展十三五规划》、《电力发展十三五规燃煤%

非化石%

非水可再生%

燃气%

20.05

26.3734.5648.23

64.91

78.16

79.16

68.45

61.5447.42

30.713.12.9 3.9258.377.698.7361.12 3.888.76715.1934.85

53.35

102030405060

708090

2010

2015

2020

2030

2040

2050

非化石能源占比（%）

煤电占比（%）

天然气发电占比（%）非水可再生能源占比（%）

3.97

5.4

6.82

8.24

14.38

12.28

10.17

8.0621.58

18.41

15.28

12.094.24

5.757.27

9.970

100%

90%80%

70%

装机容量（亿千瓦）

2050非化石能源转化为电的比例%

煤电（亿千瓦）风电（亿千瓦）光伏（亿千瓦）气电（亿千瓦）2010-2050年各种能源发电量占比变化趋势

2050年非化石能源转化为电比例与发电装机容量关系

满足2050年人均年用电量9000kWh 非化石能源100%转化为电力情景

主要内容

新一代电力系统及其主要技术特征

高比例可再生能源电力系统

2.高比例电力电子装备电力系统

3.多能互补的综合能源电力系统

4.信息物理融合的智能电力系统

一、能源转型与电力系统转型

二、新一代电力系统及其主要技术特征

三、几类技术突破的全局性影响

四、总结

我国三代电力系统(三代电网)的发展及阶段特征

第一代电力系统

19世纪末-20世纪50年代

第二代电力系统

20世纪50年代-20世纪末

第三代电力系统

21世纪初-21世纪中叶

主要特征●小机组（燃煤、油气、小水电）

●低电压（220kV以下）

●小电网（城市电网，孤立电网）

●大机组（化石、核电、水电）

●超高压（750kV以下）

●大电网（交直流互联电网）

●可再生能源和清洁能源发电为主（超过60%-

70%）

●骨干电源与分布式电源结合

●主干电网与局域配网、微网结合

控制保护简单保护和手动控制快速保护和优化控制；输变电设备故障的快速切除智能的电网控制、保护系统，智能输变电设备

和网络的自愈

输电方式220kV以下架空线和电缆输电超高压交直流输电，架空输电方式为主大容量、低损耗、环境友好的输电方式

调度和

能量管理经验型调度分析型调度，适应负荷变化的电源侧能量管理系统适应源-荷随机变化的集中-分散智能型调度，充分考虑需求侧响应和储能、电动汽车的综合能量管理系统

安全

可靠性电网安全和供电可靠性低安全性可靠性提高，大电网停电风险依然存在供电可靠性大幅提高，基本排除用户的意外停电风险

资源配置

方式经济性资源优化配置能力差大机组大电网规模经济性，大范围资源优化配置能

力，电力市场

集中与分布结合的规模经济性，能源电力综合

市场

配网能源

电力服务单向电力流，单一的电力服务配电网单向电力流，单一的电力服务分布式能源广泛接入的智能主动配电网、微网，双向能源电力流，综合能源、电力、信息服务

发展模式初级阶段的发展模式高度依赖化石能源，不可持续发展模式基于可再生能源和清洁能源，可持续发展的综

合能源电力发展模式

第三代电力系统是100多年来第一、二代电力系统的传承和发展

●

2016年底,全国并网风电装机达到1.4864亿kW ,

太阳能发电装机达到7742万kW 。新能源装机容量占全国总量13.7%。但我国西部北部省份新能源装机占比可达20%以上

×10 MW

From PPT of Prof. Gao Hu, China National Renewable Energy Centre (CNREC)

×10 MW

●我国新能源开发在西北部省份主要采取大规模集中开发模式。西部北部省份风电开发占全国开发总量80%，太阳能光伏占50%。●我国东部光伏发电主要采取分布开发模式

1、高比例可再生能源电力系统

1776

1277

942

839

1086

561

771

932

695

561

505

893

686

526

455

206

546

297100

682

5635%

41%40%12%

42%

11%

14%

35%

32%

16%

21%21%

5%10%15%

20%25%30%

35%40%45%0

5001000

1500200025003000新疆甘肃宁夏山东冀北江苏山西蒙东青海辽宁黑龙江吉林

光伏装机（万kW ）风电装机（万kW ）新能源装机占比

2016年底新能源装机主要省份风电+光伏装机占比%

2016年甘肃省的风电和太阳能光伏发电开发

乌北

楼兰

哈密

天光电厂

巴州

武胜

河西

酒泉

敦煌

瓜州

桥东变

桥西变昌马西

玉门

嘉峪关

热电三厂

酒钢变

古浪

凉州

金昌

东大滩

双湾

山丹

张掖

张掖电厂

金昌电厂

2×300

2×330

桥西第一

风电场

桥西第二

风电场

桥西第三

风电场

桥东第一

风电场

桥东第二

风电场

桥东第三

风电场

干西变

干西第一

风电场

干西第二

风电场干西第三

风电场

干东变

干东第一

风电场

干东第二

风电场

干东第三

风电场

506.59MW

514.74MW

197.98MW

367.32MW

361.99MW

373.63MW

123

.24

M W

78.

177.9

0M W

55.

89M

728.77MW

714.79MW

130.28MW

128.17MW

114

.51M

118

.79M

115.0

4M W

107.1

9M W

40.46MW

39.38MW

183

.86

M W

184

.19

M W

36.84

36.1738.26

40.16

57.7

191

.33M

181

.57M

241.68MW

250.45MW

25.3

21.3

M W

657.7MW

656.24MW

923.37MW

923.67MW

781.17kV

吐鲁番

789.32kV

799.68kV

808.54kV

378.25kV

800.1kV

786.9kV

780.26kV

378.17kV

380.56kV

357.61kV

380.0kV

2016年底，甘肃省风力发电容量1277万

酒泉地区:50 座风电场, 39 座光伏电站,

超过5,000 台风电机组, 2,500 台光伏逆

变器

Jiuquan area

2016年底全省光伏发电容量: 686万kW

发电装机容量比:

(风电+光伏) /全省总装机=41%

大规模风电太阳能发电接入电网

From PPT of Prof. Gao Hu, China National Renewable Energy Centre

1、大规模风电太阳能波动性电力接入弱电网的系统的稳定运行问题

●可再生能源发电功率波动造成的电压、频率波动和电能质量问题

●风电机组电网故障下的低电压和高电压穿越措施

●各种运行条件下电力电子装置与系统的之间的谐振问题

2、风电太阳能发电波动性、间歇性和不确定性的系统调峰调频

●燃煤电厂灵活性改造，提高调峰能力，供热机组热电分离，储能(储电、储热）及具有储能功能的太阳能热发电

3、解决弃风弃光的技术措施

●因地制宜就地消纳(高载能产业布局、区域供热、余电制氢和甲烷等),电网互联风光水多能互补三北地区电源结构：65%~90%高比例燃煤发电,

0.5%~1.2%极低比例的灵活电源(抽蓄等)。需要煤电的灵活性改造，建设蓄能电站。

全国2015年弃风电量339 亿千瓦时，弃风率15%。2016年弃风总量达497亿千瓦时，弃风率20%。其中甘肃弃风率高达43%，新疆弃风率38%。

2、高比例电力电子装备电力系统

我国电力系统中直流输电的快速发展●EHV/UHV DC transmission

●back-to-back HVDC

●VSC-HVDC and DC network

3000MW

2500MW

7200MW

3000MW

9000MW

10000MW

1800MW

2000MW

Hydropower Base

Thermal Base

DC ±400~500kV DC ±660kV DC ±800kV

2016年我国的超/特高压直流输电工程

8HVDC Terminals,31.76 GW, from

Southwest and the Three Gorges

8HVDC Terminals

Hydro plants

Three Gorges

●2016年末, 我国有29项直流输电工程运行(7项特高

压直流, 4项背靠背直流, 4项电压源VSC 柔性直流）●2017年，锡盟-泰州、酒泉-湖南、准东-皖南、晋北

-江苏、滇西北-广东、扎鲁特-青州、渝鄂联网等特高压直流和背靠背直流工程在建设中

北京beijing (yanqing )

3000MW

张北-北京四端柔性直流(VSC-HVDC) 电网示范工程

配套

风光

VSC

VSC 康保3000MW

张北换流站3000MW

丰宁换流站1500MW

延庆

换流站

3000MW

VSC

直流断路器

张北特高压站

500kV 母线

1000kV 母线

丰宁抽蓄500kV 母线

北京500kV 母线

210km

252km

50km

262km

配套风光

金山岭500k V 母线

张北风电汇集2300MW

张北Zhangbei (Wind & PV) 3000MW

康保Kangbao (Wind & PV) 1500MW 丰宁Fengning (HPS ) 1500MW 北京Beijing (Yanqing ) 3000MW ●形成风、光、储、抽蓄等多能源要素的广域交互平台，建成后

将有效缓解张家口地区大规模可再生能源汇集与送出难题●通过张北换流站连接至张北交流

1000kV 特高压站，柔性直流

输电和特高压技术有机结合

柔性直流输电技术和直流电网

珠三角负荷中心

长三角负荷中心

中部负荷中心

京津冀负荷中心

能源基地同步电网

青藏太阳能基地

西北风电基地

西南水电基地

风电太阳能发电水电火电

陕蒙宁煤电基地

新疆能源基地

●实现我国西部各种能源（水电、风电、光伏、清洁煤电）跨地

区、跨流域的优化补偿调节

●整合我国西部可再生能源为主电力向中东部负荷中心高效远距

离输送

我国西部直流输电网向中东部负荷中心

输送清洁电力设想

直驱式风电机组变流器

光伏电站和分布式光伏逆变器

?非水储能电站和分布式储能逆变器

大量风电光伏电力电子变换器接入电网

安徽金寨县光伏扶贫屋顶3kW

光伏板

3kW

光伏逆变器和智能电表

60kW 村级光伏电站

30kW光伏逆变器和智能电表

江苏常州孟河5MW

农光互补光伏薄膜大棚（共17个）光伏薄膜大棚内景

400V/10kV厢式升压变压器

(共3台）

组串式光伏逆变器

（28kW和40kW

湖面上的渔光互补

大棚内种植的蔬菜

主控室监控画面

浙江嘉兴秀洲光伏小镇和光伏科创园

发电量及发电收益计算以华东地区平均日照时数1000-1200h 计算

光伏长廊

厂房屋顶光伏

光伏云平台