面向節能減排的電網低碳發展關鍵技術與應用

魏光明，邱 東，孫春山，虎亞玲，張 江

（國網甘肅省電力公司 蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

國民經濟的快速發展，使得電力能源的消耗日益增加，同時帶來了嚴重的環境污染和生態破壞問題。電力行業作為能源消耗和污染物排放的大戶，其節能減排工作成為我國實現經濟社會可持續發展的重要保障[1]。國家出臺了一系列鼓勵節能減排的政策措施，節能減排工作取得了積極成效，但仍存在一些問題：（1）傳統高能耗、高污染的發電方式仍在運行，煤耗高、排放大；（2）電力消費結構不合理，電力消費增長快于用電量增長；（3）發電燃料結構單一，煤炭比例過高；（4）發電設備利用效率偏低[2]。隨著能源革命和供給側結構性改革的不斷深入推進，我國將加快推進能源生產和消費革命，調整優化能源結構，加快綠色低碳轉型；大力發展非化石能源，構建新型電力系統[3]。在此背景下，電力行業應積極探索面向節能減排的電網低碳發展關鍵技術體系及其應用方案。在電網規劃和建設方面應將節能減排理念貫穿于電網建設全過程，從電源規劃、電網規劃、輸電規劃以及配電規劃等方面入手，并在電網運行管理方面將節能減排理念貫穿于電力生產、傳輸和消費全過程。

1 節能減排面臨的主要問題

隨著我國經濟發展和工業化進程的加快，工業生產過程中所排放的廢水、廢氣、廢渣等污染物對生態環境造成的污染日益加重，尤其是一些火電企業“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）排放嚴重，已經成為制約我國可持續發展的重要因素。近年來，我國經濟保持快速發展，全社會用電量持續快速增長，但用電量的增長速度要遠高于經濟增長速度，在一定限度上擠占了工業發展空間和企業生產效益。目前，我國主要使用煤炭發電，煤電在能源結構中的比例達到70%以上，遠高于世界平均水平。我國設備平均發電效率僅為70%左右，而國際先進水平為80%左右[4]。電力行業是我國能源消耗和污染物排放的大戶，降低電力系統的碳排放量是實現“碳達峰”和“碳中和”目標的關鍵之一。

2 電網低碳發展關鍵技術

2.1 關鍵技術內容

電力工業是能源消耗和碳排放的主要行業，中國的電力工業正處于從“高碳”向“低碳”轉型的關鍵時期。如何實現電力工業的低碳轉型，是目前電力工業面臨的最大挑戰。電網是電力系統中最主要的組成單元，對電能的生產和消費起著非常關鍵的作用。我國電網在發展過程中也面臨著資源利用率低、能源結構不合理等問題，必須通過電網技術升級來實現節能減排。

面向節能減排的電網低碳發展關鍵技術在電網規劃和建設方面的應用包括電力系統規劃、電力市場設計、新能源接入與消納、分布式發電市場化交易和需求側管理等，在電網運行管理方面的應用包括智能電網建設運行監測及評估、智能配網系統和電動汽車等新型負荷靈活接入與接出模式、基于源-網-荷的綠色電力交易平臺和智慧能源綜合服務平臺等。在上述應用中，應重點考慮新能源發電和分布式發電及智能配網系統與“互聯網+”智慧能源綜合服務平臺。

2.2 關鍵技術體系的建立

電網低碳發展的關鍵技術體系分為3 個層次：一是節能技術，即優化系統運行方式、降低發電和輸配電損耗、提高電網效率的技術；二是減排技術，即減少污染物排放和二氧化碳排放的技術；三是低碳能源技術，即太陽能、風能以及地熱能等新能源發電技術。

2.2.1 節能技術

（1）電網系統運行方式優化技術。針對電網實際運行中的多種需求，如送電方式、負荷特性、網架結構等，通過協調電網運行中各部分之間的關系，使其在滿足系統安全和經濟運行要求的前提下，盡可能減少電能傳輸過程中的損耗。以輸電線路為例，分析電網系統中各種輸電線路的負載特性，研究線路損耗計算方法。基于潮流計算方法和損耗計算結果，提出優化輸電線路設計的方法。基于實際工程經驗及理論分析，提出降低輸電線路損耗的方法和技術。

（2）電能質量調控技術。電網運行過程中，由于發電、輸配電和用電設備等的非線性特性以及負荷波動、諧波等因素，使電網出現電壓波動、閃變等現象，嚴重影響電能質量[5]。

2.2.2 減排技術

從減排的角度，可從3 方面著手。一是通過技術創新，如開發清潔能源技術、提高電能質量、改進電力輸送和儲存技術、建設智能電網和主動防御系統等，減少化石能源消耗，提高清潔能源消納能力，從而降低污染物的排放；二是通過新能源發展和可再生能源利用，如光伏發電、風力發電等可再生能源技術的發展，結合儲能技術和智能電網等先進技術，減少化石能源消耗、提高清潔能源消納能力；三是通過提升電力系統整體的能效水平，如基于不同區域電網結構特點的優化調度運行控制策略、應用節能型變壓器、智能終端和負荷側管理等技術，降低電能輸送過程中的能耗，減少污染物的排放。

2.2.3 低碳能源技術

低碳能源技術指在能源開發利用過程中，采用清潔、高效、低能耗的新技術，減少能源開發利用過程中碳排放量的技術[6]。低碳能源技術主要包括超臨界及超超臨界火電機組節能技術、煤電超低排放控制技術、大型太陽能發電、光伏發電并網控制技術以及大型風力發電技術等。

3 提高電網低碳發展關鍵技術的措施

電網的能效水平代表著電力系統的綜合能效，而電能質量則是影響電網能效的重要因素。電能質量的主要影響因素包括供電電壓偏差、供電電壓波動、諧波電流等，其中供電電壓偏差是造成電網電能質量問題的最主要因素。提高電網整體能效水平，需要在電網中引入主動調節技術和主動控制技術，通過改變電網運行狀態來改善電能質量，進而達到提高能效水平的目的。

電網能效提升主要包括3 個方面。

（1）降低成本。電網行業是一個典型的規模經濟產業，降低成本是提高其市場競爭力的關鍵。通過采用新技術、新材料等手段可以有效降低電網的運行成本，提高其市場競爭力，實現電網行業的低碳轉型。

（2）智能電網。智能電網是一種具有感知、傳輸、處理以及執行等功能的網絡系統，其核心在于信息網絡技術與電力技術的深度融合，通過先進信息網絡技術實現電網向智能化方向發展。智能電網可實現對各類分布式電源和微網等重要用戶資源的集中監控與管理，并通過網絡通信系統將各個終端設備連接到一起，使其實現一體化管理，進而有效降低能源損耗。此外，智能電網將新能源發電、儲能裝置、負荷和配電線路等各類分布式資源進行綜合規劃與優化配置，形成了智能電網與分布式電源和微網協同發展的局面，實現了電能從供給側到需求側的有效互動。

（3）減少碳排放。電力系統的碳排放主要來自發電、輸電以及用電3 個環節。在發電環節，可再生能源發電具有隨機性、間歇性、波動性，大量可再生能源接入電網后對傳統電源產生沖擊，使得電網調度難度增大，難以實現準確的負荷預測。在輸電環節，輸電線路長、線損大、故障率高，不利于電網穩定運行。此外，由于輸配電損耗和電能質量問題導致的電能浪費現象普遍存在。在用電環節，我國的用電量大，用電量持續增長、電力供需不平衡、可再生能源的間歇性以及電能質量問題導致用電可靠性不高。

因此，需要從電網規劃、電源開發以及輸配電網建設等方面減少碳排放。首先要加強可再生能源的規劃布局，并配套相應的電網規劃。其次要積極開發利用新能源發電技術。在規劃方面，需要優先發展光伏發電、風力發電、生物質能發電等技術成熟且安全可靠的新能源發電技術；在建設方面，應優先考慮將分散式風電和分布式光伏電源進行并網規劃，并加快建設配套的電網工程，最終目的是提高電力系統運行效率，降低用電成本。

4 實例分析

以某新建變電站為例，在“十四五”期間，規劃新建1 座110 kV 變電站和6 座35 kV 變電站，項目總投資約7.3 億元。在項目建設中，主要應用了以下關鍵技術。

（1）特高壓輸電技術。特高壓輸電技術具有節能、環保等優點，在我國能源資源分布不均、輸配系統容量有限的情況下，特高壓輸電技術能夠有效解決這一問題。對于新建110 kV 線路和220 kV 線路，優先采用特高壓輸電方式，能夠有效提高供電可靠性、減少輸送損耗、降低線路造價、減少碳排放。

（2）智能電網技術。智能電網是一種具有高度信息化、自動化的新型電網形態，能夠適應復雜多變的電力系統運行環境，具備快速響應和自愈能力。智能電網關鍵技術包括多能互補的智能電網技術、柔性直流輸電技術、能源互聯網技術。其中，智能電網技術具有調節容量大、運行損耗低、輸送距離遠等特點，能夠有效解決棄風棄光問題；能源互聯網技術能夠實現能源與信息的深度融合，實現電力資源的高效利用和靈活調配；柔性直流輸電技術可以實現多種能源的協調優化利用，提高電網運行靈活性。

（3）配網自動化及數字化運維技術。配網自動化是一種能實現配電網各類信息實時采集和傳輸的通信系統。數字化運維是利用現代信息技術對電網進行智能監測、實時監控以及故障診斷。其中，智能監測包括在線監測與故障診斷、安全防御、電能質量檢測等；數字化運維包括停電管理、資產管理、缺陷管理以及用戶服務等。

（4）綜合能源系統技術。綜合能源系統是一種將傳統電力系統和可再生能源系統有機結合的新型能源系統，如圖1 所示。綜合能源系統具有集成度高、可擴展性強的特點，能夠充分利用傳統電力系統和可再生能源系統的資源優勢，實現多種能源的協調優化利用。

圖1 綜合能源系統

5 結 論

面向節能減排的電網低碳發展關鍵技術體系的建立，為我國能源資源開發與利用、可再生能源發電并網、電能質量治理等方面提供了關鍵技術支撐，對于推進我國節能減排工作具有重要意義。建議繼續加強研究力度，加強各領域之間的溝通與合作，加大對電力需求側管理、智能電網等重點技術的研發投入，以切實提高我國節能減排工作的效果。