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2020年第4期精彩导读“电力系统低碳发展的目标、战略及技术选择”专题

《全球能源互联网》2020年第4期已正式出版,本期刊载了“电力系统低碳发展的目标、战略及技术选择”专题、先进输电个栏目的10篇论文,下面就带您了解一下本期的精彩内容。点击文末“阅读原文”可在手机端查看全文。

特约主编寄语

随着全球气候变化与人类工业活动的关系逐步被证实,气候变化已成为人类可持续发展面临的核心挑战,减少人类工业活动所产生温室气体排放的呼声日渐高涨。为实现能源电力低碳转型的国家战略,中国能源电力系统各环节正处于大规模重构期,面临市场化、碳减排、清洁能源消纳等内外部领域多重挑战。

电力系统是碳排放的主要部门,电力系统的低碳发展是应对气候变化的重要举措和核心手段,需要发输配用各环节的协同,在发电侧实现清洁替代、用户侧实现电能替代,从而促进电力系统整体低碳转型。最大化电力系统低碳发展效益,需要从体制机制、市场环境、规划运营、技术应用等各个层面突破。

在此背景下,《全球能源互联网》期刊敏锐捕捉到电力系统低碳发展这一亟需突破的研究领域,在全新的政策背景下,鼓励广大学者共同研究探讨电力系统低碳发展相关体制机制、市场环境、规划运营、技术应用等相关方面问题。本期专题采用约稿与征稿相结合的方式,其中9篇通过了评审,分别从发电侧和输电侧,技术经济分析、投资与改造评估等方面推进了该领域的研究工作,进行了有益的探索。

(一)关键电力碳减排技术的综合效益分析

低碳电力转型涉及到多方面的技术手段,需要系统性的综合与协同,对关键电力碳减排技术的研究及其经济、社会、环境效益的评估与展望,将有助于低碳电力转型的目标制定和路径优化。清华大学环境学院王灿团队与清华大学地学系蔡闻佳等人从技术成熟度、经济影响、局地环境影响、生态影响、人群健康影响和公众接受度6个维度对风电和光伏、碳捕集与封存、生物质能、氢能、核能5种关键技术的综合效益进行评估,讨论了这些技术在中长期碳减排技术战略中的作用;全球能源互联网发展合作组织杨方、张士宁等人聚焦可再生能源发电技术,提出投资减排成效的评估方法,以此评估可再生能源单位投资减排成效以及区域或重点国家单位投资减排成效,量化分析了全球能源互联网情景下满足《巴黎协定》2 ℃温控目标的可再生能源投资需求;清华大学电机系康重庆团队对碳捕集电厂的运行优化、规划优化和投资效益分析的最新动向进行了跟踪,展望了碳捕集电厂动态控制支撑低惯量电力系统、支撑高比例可再生能源并网、支撑净零排放电力系统、参与电力和碳交易联合市场、助力综合能源系统等方面研究新动向,明确了碳捕集技术在实现2 ℃和1.5 ℃深度减排目标过程中的角色;清华-力拓资源能源与可持续发展研究中心郑丁乾、常世彦等人选取生物质能结合碳捕集和封存技术(BECCS)为对象,评估分析了全球温升2 ℃和1.5 ℃情景下主要区域的BECCS发展潜力。

(二)电力市场环境下的碳减排成效分析

新一轮电力体制改革加速了电力市场化的进程,为电力行业碳减排奠定了机制基础。香港中文大学(深圳)赵俊华团队基于广东电力现货市场仿真,以广东省海上风电规划为背景,分析了海上风电大规模发展对于低碳电力转型的贡献,给出了未来相关政策机制的发展建议;悉尼大学邱靖团队针对配网侧聚合的住宅屋顶光伏和电池储能系统的虚拟电厂,以利润最大化为目标,提出了嵌入电池循环寿命模型的调频市场优化竞标策略和与风电合作的联合优化竞标策略以及合作利润分配策略,释放风、光发电的调频价值,应对低碳转型背景下高比例可再生能源电力系统频率稳定问题。

(三)电网侧全清洁供电的实践及启示

电网是支撑发电侧实现清洁替代的重要平台和枢纽,逐步提高清洁能源在电能供应中的比例是电力系统实现碳减排的重要途径。国网青海省电力公司董凌与青海大学新能源光伏中心梅生伟团队以青海电网近3年连续开展全清洁供电实践为例,分析了“绿电7日”“绿电9日”“绿电15日”源、网、荷侧关键技术、市场措施以及典型数据,讨论了青海电网开展更大空间和时间范围全清洁供电的发展潜力及面临的技术挑战,为建立清洁低碳、安全高效的能源供应体系提供了理论指导和实践参考。

(四)低碳转型背景下常规发电技术的运行与投资策略

低碳转型将使得电力系统结构形态与运行方式发生显著变化,对常规机组的运行和规划提出了新的要求。国网甘肃省电力公司经济技术研究院徐昊亮以及清华大学电机系鲁宗相团队建立了包括机组改造成本、调峰市场交易成本、售电收益损失、深调状态发电成本增量和系统弃电成本五部分费用在内的火电机组灵活性改造广义成本模型,基于随机生产模拟方法在中长期时间尺度下给出了机组年度发电量和广义成本计算方法,可为地区能源管理部门科学规划火电机组的灵活性改造容量提供参考,也为火电厂投资深度调峰市场提供效益评估方法;华北电力大学经济与管理学院牛东晓团队提出一种大中型水电项目投资成本的估算模型,实现投资选址阶段的快速高效估算,支撑大中型水电项目的精准投资。

衷心感谢众多专家学者的大力支持,将最新的研究成果贡献给本期专题。感谢编辑部用严谨、专 业、细致的工作保证了专题的高质量出版。基于本专题的研究成果可见,尽管世界范围内近年来在碳减排上取得了长足的进展,但按现有的碳减排进程发展仍不满足《巴黎协定》2 ℃及1.5 ℃温控目标要求,电力系统碳减排任重道远,我们希望更多专家学者关注和投入相关研究,为电力系统低碳发展提供更多有益的思路与建议。

     

2020年6月28日

特约主编介绍

赵俊华

博士,香港中文大学(深圳)理工学院助理院长,国家青年特聘专家,深圳高等金融研究院能源市场与能源金融实验室主任,深圳人工智能与机器人研究院研究员。长期从事智能电网、电力市场、机器学习与人工智能等方面的研究工作。在国际著名学术期刊发表论文200余篇,SCI收录超过100篇,被引7000余次,谷歌学术H-index为43。

张宁

清华大学电机系副教授,博士生导师,IEEE高级会员,Cigre C1.39 工作组秘书,C6/C1.33与C6/C2.34工作组成员。主要研究方向包括电力系统规划、多能源系统、风电、光伏发电、光热发电、电力系统运行等。入选2016年中国科协青年人才托举工程,获世界工程组织联合会(WFEO)联合国可持续发展目标青年工程师奖,中国电力优秀青年科技人才奖。

黄杰

博士,国网电力科学研究院高级工程师,硕士生导师,江苏省产业教授,国家电网公司“能源互联网风险分析与决策科技攻关团队”核心骨干。长期从事电力系统碳排放风险防控理论方法研究与基础平台研发应用。累计承担低碳领域国家项目4项,中国工程院重大咨询项目1项,国家电网公司、华能集团等大型电力央企咨询项目10余项。

“电力系统低碳发展的目标、战略及技术选择”专题

1

低碳战略下供给侧减缓技术的综合成本效益分析

赵一冰,蔡闻佳,丛建辉,宋欣珂,张雅欣,李明煜,李晋,翁宇威,王灿

(1.清华大学环境学院;2. 清华大学地学系;3. 清华 - 力拓资源能源与可持续发展研究中心;4. 山西大学经管学院)

【摘要】实现低碳战略目标需要大规模应用若干关键减缓技术,可能会带来经济、社会、环境等方面的潜在影响,反过来不利于实现低碳目标。提出了技术成熟度、经济影响、局地环境影响、生态影响、人群健康影响和公众接受度6个维度的综合成本效益分析框架,筛选影响减缓气候变化的供给侧技术,识别出风电和光伏发电、碳捕集与封存、生物质能、氢能、核能5种关键技术,重点讨论了其综合成本效益分析维度,得出以下结论:一、传统仅考虑技术成本和减排潜力的成本效益分析难以支撑制定中长期减缓技术战略和部署方案;综合考虑技术的就业、局地环境、生态、健康影响及公众接受度等因素,可以改进技术的潜力、成本有效性和空间布局等评估维度的系统性和可操作性,有利于促进实现碳减排目标与可持续发展目标过程中的协同增效。二、相对于需求侧减缓技术及基于土地的减缓行为,供给侧减缓技术的综合成本效益分析不确定性更大且更为复杂。三、目前对供给侧减缓技术的技术成熟度和经济影响的研究较多且结论较为确定,对局地环境影响和人群健康影响的研究逐渐增加且方法趋于成熟,但对技术的生态影响和社会公众接受度的影响研究仍然较少且较难得出确定的结论。

关键词:成本效益分析;减缓技术;生态环境影响;可再生能源发电;碳捕集与封存;生物质能;氢能

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2

全球可再生能源发电减排技术及投资减排成效评估分析

张士宁,马志远,杨方,刘昌义,谭新,侯方心 , 张骞

(1. 全球能源互联网发展合作组织;2. 维多利亚大学土木工程系;3. 维多利亚大学综合能源系统所)

【摘要】实现《巴黎协定》目标,电力部门面临巨大的减排压力和挑战。首先梳理提出电力部门减排技术总体框架;其 次,分析全球及重点国家可再生能源发电减排路径,并提出可再生能源投资减排成效评估方法,分析全球及重点区域或国家2010—2018年间可再生能源投资减排成效;最后量化分析全球能源互联网情景下满足《巴黎协定》2 ℃温控目标的可再生能源投资需求。研究发现,全球可再生能源发展速度出现一定波动;水电单位投资减排成效显著高于其他可再生能源;为实现《巴黎协定》2 ℃温控目标,全球可再生能源累积投资需要达到19.3万亿美元,投资增速相比当前至少需要翻一番。

关键词:气候变化;电力部门;减排技术;可再生能源;减排成效评估

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3

电力系统中的碳捕集电厂:研究综述及发展新动向

程耀华,杜尔顺,田旭,张宁,康重庆

(1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系);2. 国网青海省电力公司经济技术研究院)

【摘要】碳捕集电厂是当前最为关键的低碳技术之一,有利于实现电力行业可持续发展,具有广泛的应用前景。从碳捕集电厂的基本原理与发展前景出发,分析了碳捕集电厂的运行特性,综述了含碳捕集电厂的电力系统运行优化、优化规划以及碳捕集电厂的投资效益分析3个方面的研究现状,最后从动态控制支撑低惯量电力系统、支撑高比例可再生能源并网、支撑净零排放电力系统、参与电力和碳交易联合市场、助力综合能源系统等5个方面对碳捕集电厂的研究新动向进行了展望。

关键词:低碳经济;碳捕集电厂;电力系统运行;电力系统规划;投资效益分析

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4

温升 2℃ /1.5℃情景下世界主要区域 BECCS 发展潜力评估分析

郑丁乾,常世彦,蔡闻佳,杨方,张士宁

(1. 清华—力拓资源能源与可持续发展研究中心;2. 清华大学能源环境经济研究所;3. 清华大学地球系统科学系;4. 全球能源互联网集团有限公司)

【摘要】BECCS(bioenergy with carbon capture and storage)发展对全球控制温升2 ℃/1.5 ℃具有重要影响。但是各区域的生物质资源利用现状、生物质能潜力以及碳封存潜力都会影响到各区域未来BECCS技术的发展,有必要对各区域的生物质能及未来可能的典型技术构成进行详细研究。梳理了全球综合评估模型中的主要情景设定与研究结果,结合全球各区域生物质能统计数据,分析了各区域生物质能和BECCS的发展。初步研究结果表明,未来的生物质能发展在基准情景下以ASIA、MAF和OECD区域的生物质能发展潜力最大,温升情景下以ASIA和OECD区域的生物质能发展潜力最大,而其他区域较小。生物质能利用方式上,主要以生物质发电和生物质液体燃料为主,生物质制氢在温升情景下的发展潜力较大。

关键词:生物质;BECCS;气候变化;SSP数据库;CD-LINKS数据库

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5

基于电力现货市场仿真的海上风电接入对广东省电力行业碳减排影响评估

宋怡,林晨韵,梁高琪,赵俊华

(香港中文大学(深圳))

【摘要】为应对全球气候变化,电力行业低碳化能源转型迫在眉睫。针对2019—2028年广东省的能源规划,搭建广东省电力系统简化模型,依据安全约束经济调度原理仿真电力现货市场,评估大规模海上风电的接入对广东省电力行业碳排放的影响。仿真结果表明,按广东省海上风电发展规划接入海上风电后:电力行业总碳排量和系统碳排放强度均有不同程度的降低;海上风电减排贡献百分比逐年提升,最高可达20%;A类机组碳排放量和碳排放强度基本不变;B类机组相关碳排放数据变化趋势与广东省基本一致;对于接入海上风电场的节点,少数节点在有海上风电时碳排放强度明显减小;对于未接入海上风电场的节点,在有海上风电情况下其碳排放强度增加、不变、减少都可能出现。

关键词:海上风电;碳减排;碳排放因子;电力系统;电力现货市场;市场仿真

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6

考虑电池寿命的虚拟电厂调频竞标模型及合作利润分配策略

陈雯,孙荣峰,邱靖,柴庆冕

(1.悉尼大学电气与信息工程学院;2. 齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省科学院能源研究所,山东省生物质气化技术重点实验室;3. 新南威尔士大学电气工程与通信学院)

【摘要】聚合的分布式能源可作为虚拟电厂(virtual power plant,VPP)在电力市场中提供辅助调频服务,来应对低碳经济下大规模可再生能源并网给电力系统稳定性带来的挑战。为了引导VPP参与调频辅助服务市场,对VPP所有者的经济激励尤为重要。研究了澳大利亚国家电力市场中调频辅助服务市场机制,针对配网侧聚合的住宅屋顶光伏和电池储能系统的VPP,以利润最大化为目标,提出了嵌入电池循环寿命模型的调频市场优化竞标策略和与风电合作的联合优化竞标策略。同时,根据讨价还价博弈理论,基于Nash–Harsanyi 讨价还价解提出了一种反映VPP真实价值的合作剩余分配策略。算例结果验证了所提模型和方法的有效性,研究成果为激发VPP潜在价值提供了一条途径。

关键词:虚拟电厂;调频辅助服务市场;电池循环寿命模型;Nash–Harsanyi 讨价还价解

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7

区域全清洁能源供电的发展路径与实践——以青海省为例

董凌,李延和,刘锋,陈来军,魏韡,梅生伟

(1. 国网青海省电力公司;2.清华大学电机工程与应用电子技术系;3. 青海大学新能源光伏中心)

【摘要】不断提高清洁能源在电能供给体系中的比例对环境保护和能源可持续发展均具有重要意义。以实现区域全清洁能源供电为目标,分析了全清洁能源供电的理念和技术瓶颈,探讨了实现全清洁能源供电的技术和市场发展路径。在此基础上,以青海电网近3年连续开展全清洁供电实践为例,介绍了源、网、荷侧陆续开展的关键技术和市场措施,分析了青海电网3年绿电日的典型数据,并讨论了开展更大空间和时间范围全清洁供电的发展潜力及面临的技术挑战,以期为建立清洁低碳、安全高效的能源供应体系提供理论指导和实践参考。

关键词:新能源发电;全清洁供电;技术挑战;青海实践

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8

基于随机生产模拟的火电灵活性改造容量规划

徐昊亮,靳攀润,姜继恒,鲁宗相,乔颖

(1. 国网甘肃省电力公司经济技术研究院;2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 ( 清华大学电机系 ) )

【摘要】火电灵活性改造,特别是降低机组最小稳定功率,可有效增强系统调峰能力,缓解弃风弃光问题。但灵活调节需求随风光电源、负荷和电网运行特性动态变化而难以准确估计,火电厂易陷入过度投资或无序竞争的两难抉择而延迟乃至放弃改造,导致实际改造容量远低于国家规划预期。因此,如何在保证可再生能源消纳目标前提下科学规划火电机组的灵活性改造容量成为地区能源管理部门和火电厂共同关注的问题。首先建立了包括机组改造成本、调峰市场交易成本、售电收益损失、深调状态发电成本增量和系统弃电成本五部分费用在内的火电机组灵活性改造广义成本模型,基于随机生产模拟方法在中长期时间尺度下给出了机组年度发电量和广义成本计算方法。以全体火电机组灵活性改造广义成本最低为目标,建立了火电机组灵活性改造容量规划模型,并利用遗传算法求解所提优化模型。仿真算例验证了灵活性改造规划方法的可行性,同时分析了新能源电价等外部条件对规划结果的影响。

关键词:灵活性改造;容量规划;随机生产模拟;遗传算法

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9

基于 GRA-IPSO-BPNN 的大中型水电项目投资估算模型研究

牛东晓,孙丽洁,周原冰,李鹏,田竹肖,吴佳玮,孙蔚

(1. 华北电力大学经济与管理学院;2. 全球能源互联网集团有限公司)

【摘要】水电项目投资估算对投资者安排融资和管理项目具有现实意义。在此背景下,提出基于灰色关联分析的改进粒子群优化BP神经网络(gray relation analysis, GRA; improved partical swarm optimization, IPSO; back propagation neural network, BPNN)的大中型水电项目投资估算模型。首先,借助文献回顾法和专家经验法初选影响水电项目投资的工程特征,并利用灰色关联分析筛选关键工程特征参数;然后,构建基于IPSO算法优化的BPNN模型实现水电项目投资估算;最后,通过算例分析验证了基于GRA-IPSO-BPNN的投资估算模型具有实用性和可靠性。根据实证结果,IPSO-BPNN模型相较于BPNN和PSO-BPNN,预测误差更小,可以实现大中型水电项目准确、快速、有效的投资估算。

关键词:水电项目;投资估算;灰色关联分析;改进粒子群;BP神经网络

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先进输电

10

LCC-MMC 混合级联系统 MMC 换流器过电压应力抑制策略

郭贤珊,刘路路,周杨,韩坤,司志磊,焦国帅

(1. 国家电网有限公司;2. 许继集团有限公司;3. 许继电气股份有限公司)

【摘要】受限于功率器件IGBT制造水平,MMC换流器的过电压、过电流能力较LCC常规换流器弱。特别是在受端站内接地故障工况下,短路电流能够通过MMC半桥子模块反并联二极管形成能量馈入回路,造成子模块过电压,可能导致系统和换流阀设备出现严重安全事故。研究了LCC-MMC混合级联系统站内单相接地故障机理与发展特性,推导出MMC半桥子模块电压暂态变化的数学表达式,得到影响换流阀子模块过电压的几个关键因素,并提出了换流阀桥臂电流不平衡保护与换流器分步闭锁策略,抑制换流阀子模块过电压应力。最后基于PSCAD/EMTDC平台搭建了系统的仿真模型,验证了MMC过电压应力抑制策略的有效性。

关键词:LCC-MMC混合级联;站内接地故障;桥臂电流不平衡保护;分步闭锁控制

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编辑:李锡

审核:白恺


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