潘垣：中國工程院院士，華中科技大學(xué)國防科學(xué)技術(shù)委員會主任，磁約束聚變技術(shù)和高功率脈沖電源技術(shù)專家。主持和參與主持過三套聚變裝置研制和一套裝置升級改造，在中國環(huán)流一號研制中負責工程方案設(shè)計、總體電磁工程、脈沖電源及總控系統(tǒng)等，創(chuàng)造性地解決多項重大技術(shù)難題，還將聚變電磁工程技術(shù)成功應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)，取得多項成果;負責研制“小龍-2”和“凌云”核聚變等離子體實驗研究裝置，參與主持“中國環(huán)流器一號”的研制建造，解決了許多重大技術(shù)難題;負責完成了托卡馬克HT-6M的脈沖電源與控制系統(tǒng)的升級改造。曾兩次獲國家科技進步一等獎、中科院和核工業(yè)部科技進步一等、二等獎多項，以及教育部科技進步一等獎。
習(xí)近平總書記在科學(xué)家座談會上指出，“研究方向的選擇要堅持需求導(dǎo)向，從國家急迫需要和長遠需求出發(fā)，真正解決實際問題”。戰(zhàn)略需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向的科技研究成為解決當前制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展、民生改善和國防建設(shè)面臨的重大科技問題的重要路徑。
近日，在2022年中國電機工程學(xué)會院士專家論壇中，中國工程院院士、華中科技大學(xué)國防科學(xué)技術(shù)委員會主任潘垣從國家重大戰(zhàn)略需求和關(guān)鍵科技問題出發(fā)，對能源電力變革的關(guān)鍵問題展開了深入分析。潘垣表示，能源綠色化是實現(xiàn)“雙碳”目標的必由之路，攻克構(gòu)建綠色電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題，以科技創(chuàng)新助力新型能源體系的構(gòu)建，是廣大能源電力科技工作者和從業(yè)者的歷史使命。
綠色電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別
綠色電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有何不同?
潘垣認為，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，如火電、水電或核電，大都采用同步電機，具有較強的機械慣性，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)具有由旋轉(zhuǎn)電機主導(dǎo)的機電穩(wěn)態(tài)過程，強機電性、弱電磁性是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)最大的特征。這一點與綠色電力系統(tǒng)恰恰相反，新能源的發(fā)輸配用環(huán)節(jié)引入了更多電力電子裝備，電力系統(tǒng)向以電力電子裝備的電磁暫態(tài)過程為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出弱電機性、強電磁性。
基于我國以煤為主的資源稟賦，過去我國傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要由黑色的傳統(tǒng)電源、無色的傳統(tǒng)電網(wǎng)和隨機的負荷三大部分共同組成。“過去，發(fā)電側(cè)以煤電為主，因此黑色的傳統(tǒng)電源很好理解，但為什么說電網(wǎng)也不是綠色的?其原因在于電網(wǎng)系統(tǒng)中大量使用的GIS(氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備)一般含六氟化硫，其溫室效應(yīng)高出二氧化碳四個數(shù)量級，從這個角度而言電網(wǎng)也不是綠色的。”潘垣解釋道。另外，從負荷角度分析，電氣化率是評價一個國家先進與否的重要指標之一，而我國目前的電氣化率仍處于中低水平。
“何謂綠色電力系統(tǒng)?與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)恰恰相反，綠色電力系統(tǒng)將大大弱化機電特性、強化電磁特性，綠色電力系統(tǒng)將由綠色化電源、綠色化電網(wǎng)、大容量儲能、高比例電氣化負荷共同構(gòu)成，同時呈現(xiàn)出智能化的新特征。”潘垣表示。綠色化電源囊括了風(fēng)電、光伏、光熱發(fā)電等主力電源，以及綠色化火電、水電、核電等電源;綠色化電網(wǎng)由變壓器、變流器、輸配電線路、非六氟化硫絕緣型開關(guān)/電器組成，呈現(xiàn)出調(diào)控能力弱的趨勢;大容量儲能指分布式抽水蓄能群;高比例電氣化和隨機性是負荷的兩大特點;智能化意味著電力裝備、AI芯片和物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都將得到廣泛應(yīng)用。
問題導(dǎo)向——實現(xiàn)綠色電力系統(tǒng) 要攻克五大技術(shù)難題
上述綠色電力系統(tǒng)的幾個特點給電力系統(tǒng)的運行帶來了許多前所未有的問題，而且這些問題無法回避、必須在技術(shù)上逐一攻克。潘垣認為，調(diào)峰問題、穩(wěn)定問題、走廊問題、電力調(diào)度與潮流調(diào)控問題、電力安全問題等是其中較為突出的關(guān)鍵問題。
一是調(diào)峰問題。與現(xiàn)有常規(guī)火電、水電或核電出力呈現(xiàn)一定的規(guī)律性和可控性相比，風(fēng)電、光伏等新能源出力具有時間、空間上的強不確定性和不可控性。因此，綠色電力系統(tǒng)要在盡可能不棄風(fēng)、不棄光、不棄水的條件下，確保系統(tǒng)有功與無功的動態(tài)功率平衡，同時確保系統(tǒng)穩(wěn)壓穩(wěn)頻，這是一個極大的挑戰(zhàn)。
二是穩(wěn)定問題。隨著新能源在電網(wǎng)占比不斷提高，電網(wǎng)電力電子化特征凸顯，電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)越發(fā)復(fù)雜，其運行特性發(fā)生了深刻變化，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行與控制規(guī)律面臨前所未有的新挑戰(zhàn)。尤其是電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題，大量電力電子電源替代了原有的同步發(fā)電機，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子提供的旋轉(zhuǎn)機械慣量以及頻率阻尼作用逐漸降低，新型電網(wǎng)成為了低慣量電網(wǎng)，電網(wǎng)頻率受擾后波動更大，且更難恢復(fù)。未來如果電網(wǎng)突發(fā)特高壓跳閘等重大事故時，我們要有能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定的手段，防止系統(tǒng)出現(xiàn)解列或者崩潰的情況。
三是走廊問題。為確保西部大規(guī)模新能源全額、可靠、安全地送往東部，需要有足夠的輸電走廊保證送出能力。由于我國地理條件復(fù)雜且特殊，從西向東的海拔仿如三個臺階。“據(jù)本人實地考察了解到的情況來看，我國西北能源輸送主要依靠河西走廊，這里同時是石油、天然氣、電力的輸送通道，布局過于集中，一定要從防災(zāi)減災(zāi)角度做好風(fēng)控和應(yīng)急措施，還要將戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等極端特殊情況納入考慮。”潘垣說。
四是電力調(diào)度與潮流調(diào)控問題。由風(fēng)、光、水等為主體能源構(gòu)成的電力系統(tǒng)，電源運行調(diào)度協(xié)調(diào)難度加大，亟需構(gòu)建新型調(diào)度體系與實現(xiàn)調(diào)控技術(shù)的人工智能化。
五是電力安全問題。為保證新型電力系統(tǒng)的電力能源安全，我們要穩(wěn)步推進建設(shè)以分布式抽水蓄能為主力的多種儲能系統(tǒng)、基于天然氣的備用燃氣輪機發(fā)電機組、基于氫能的燃料電池電站和零排放性質(zhì)的備用燃煤電站。
潘垣表示，除了要解決上述五個突出問題，還要持續(xù)研發(fā)大型風(fēng)電場、光伏電場、光熱電場的智能化運維技術(shù)、減災(zāi)技術(shù)、生態(tài)環(huán)境補償技術(shù)，乃至磁約束核聚變發(fā)電等滿足長遠需求的科學(xué)技術(shù)，以助力能源綠色低碳發(fā)展和“雙碳”目標的實現(xiàn)。
破題——保障能源 綠色轉(zhuǎn)型與安全發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)
在院士專家論壇上，潘垣重點探討和分享了構(gòu)建綠色電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：
第一項關(guān)鍵技術(shù)是分布式山頂抽水蓄能電站。關(guān)鍵詞“分布式”意味著多而分散，這既能滿足儲能需求，又能為系統(tǒng)補充和提供同步電網(wǎng)所需的轉(zhuǎn)動慣量。
以分布式山頂抽水蓄能電站為例，它具有以下六大優(yōu)勢：同時解決大規(guī)模儲能問題與提供轉(zhuǎn)動慣量;效率高，一般可達80%，采用變速恒頻/恒壓技術(shù)后，效率將更高;選址布置靈活，接入系統(tǒng)便利;關(guān)鍵詞“山頂”意味著淹沒損失少，移民少，對生態(tài)環(huán)境友好;機組形式多樣，建設(shè)周期較短;建設(shè)開發(fā)模式多樣化。該技術(shù)目前已有兩項示范工程，即湖北鐘祥北山抽水蓄能電站裝機容量20萬千瓦，其中一臺10萬千瓦擬采用有刷雙饋電機，具有可變速機組，如此其轉(zhuǎn)子具有大的轉(zhuǎn)動慣量(可視其為隱性飛輪);北京密云水庫抽水蓄能電站改造項目，重新設(shè)計安裝一臺13兆瓦機組，擬采用無刷雙饋電機可變速方案。
第二項關(guān)鍵技術(shù)是快速響應(yīng)容量，具體來說，快速響應(yīng)容量由雙饋調(diào)相機、高慣量飛輪和低頻勵磁調(diào)節(jié)器共同構(gòu)成，平時起到同步調(diào)相機和反饋控制穩(wěn)頻作用，緊急需求時可用作脈沖發(fā)電機。因此，該技術(shù)具有儲能、調(diào)相、穩(wěn)頻、脈沖發(fā)電的功能，既能助力新能源外送，又可提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。其中，選擇飛輪儲能的原因是該技術(shù)具有功率密度高、壽命長、響應(yīng)速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。
第三項關(guān)鍵技術(shù)是針對西電東送輸電走廊嚴重缺乏問題。能源輸送走廊嚴重不足這一問題早已得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但如何解決至今仍未形成統(tǒng)一共識。潘垣對此提出了一個新的思路：“目前，我國高壓直流電纜已達到了500千伏的規(guī)格，能否繼續(xù)提高難以判斷。為了滿足直流特高壓絕緣要求，可在直流500千伏電纜外表再套加強絕緣，然后再予管道化。面對我國西電東送走廊資源的極為稀缺以及電力工程建設(shè)的緊迫性，必須憑借我國被譽為‘基建狂魔’的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能力，不妨嘗試將傳統(tǒng)架空輸電線路改為隧道化輸電線路。但需要注意的是，由于洛倫茲力效應(yīng)的存在，通過同一隧道的多路電纜不得相互影響，故同回正極性電纜與負極性電纜必須捆在一起，以消除各回路間的電磁力效應(yīng)，對此可稱之為‘管道化電纜集束’，這是一種介于純管道和純電纜兩者之間的新方法，如此一來，電纜與管道間的絕緣氣體無需用六氟化硫，改用壓縮空氣即可。另外，還可采用3D打印電纜頭，省材料、精度高、周期短且高效。”
第四項關(guān)鍵技術(shù)是智能化調(diào)度。這一議題也備受行業(yè)關(guān)注，潘垣提出以下新思路：以人工智能、源網(wǎng)荷儲一體化、能源互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為硬核支撐，推動電力智能化調(diào)度技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，當前應(yīng)著力研發(fā)專用的AI電力芯片;高效聚合多類型電源和靈活性資源，形成協(xié)同、聯(lián)動、有序的發(fā)展格局，提升多能優(yōu)化布局;徹底改善能源結(jié)構(gòu)，提高整個功能系統(tǒng)的綜合效益，全面提升電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行水平。但要注意，西方國家與中國的用能特征不同，所以他們建設(shè)智能電網(wǎng)的經(jīng)驗對中國未必完全適用，切忌照搬照抄，需要結(jié)合我國實際推進。
第五項關(guān)鍵技術(shù)是能源消費端實現(xiàn)“全方位綜合高效電氣化+”，此舉著重應(yīng)用于耗能大戶如鋼鐵、水泥、半導(dǎo)體、玻璃與陶瓷、水上運輸、農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域。特別是要盡快實現(xiàn)北方冬季供暖的電氣化，其中廣大民用散煤取暖的治理更是重中之重。
實施“新型舉國體制”集中力量辦大事
潘垣建議籌建產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)盟的“綠色電力創(chuàng)新研發(fā)中心”，集合全國優(yōu)勢高校和核心龍頭企業(yè)、高校和研究院所，通過整合全國綠色電力相關(guān)領(lǐng)域的人才和技術(shù)資源，瞄準“綠色電力的發(fā)電、輸電、儲能、控制、負荷”五大方向，開展全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色技術(shù)與裝備研究和成果轉(zhuǎn)化，服務(wù)于國家和地方新能源發(fā)展戰(zhàn)略。
潘垣認為，此舉正是我國電氣工程界貫徹落實黨的二十大報告中特別強調(diào)的實施“新型舉國體制”，發(fā)揚“兩彈一星”精神的社會主義集中力量辦大事的優(yōu)良傳統(tǒng)。
“總之，能源綠色化是‘雙碳’目標實現(xiàn)的必由之路，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)需要攻克上述幾大技術(shù)問題，分布式山頂抽水蓄能電站、快速響應(yīng)容量、長距離輸電走廊、智能化調(diào)度、‘全方位綜合高效電氣化+’等是構(gòu)建綠色電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，未來要加強全國綠色電力相關(guān)領(lǐng)域的人才和技術(shù)資源的整合，開展全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色電力技術(shù)與裝備研究和成果轉(zhuǎn)化，服務(wù)于國家與地方新能源發(fā)展戰(zhàn)略。”潘垣說。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年03期 作者：鄧卓昆
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