创新能力培养.docx
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创新能力培养
注:
考生属哪种类别请划“√”
(博士、在校硕士、工程硕士、师资硕士、同等学力、研究生班)
辽宁工程技术大学
研究生考试试卷
考试时间:
2015年11月9日
考试科目:
创新能力培养
考生姓名:
评卷人:
考试分数:
注意事项
1、考前研究生将上述项目填写清楚
2、字迹要清楚,保持卷面清洁
3、试题、试卷一齐交监考老师
4、教师将试题、试卷、成绩单,一起送研究生学院;
专业课报所在院、系
基于特高压输电技术的电力规划理论创新及实践
摘要:
依托特高压输电技术,构建大范围资源优化配置平台、提升电网功能与价值,是加速电力、能源和经济转型的重要途径。
文章运用大能源观,提出考虑多区域、多资源、多维度的新型电力规划理论。
通过优化选择包含电力送受端的多区域电源扩展方案和跨区电力流规模、流向,实现发电能源、水、环境、土地等资源的优化配置。
通过构建能源综合运输体系,促进可再生能源大规模接入和高效利用,改善生态环境。
结合国家电网规划实践,提出未来我国电源开发布局、可再生能源消纳、电力流向与规模等规划方案。
0引言
随着资源、生态和环境对能源发展的约束日益加强,能源电力可持续发展已成为经济社会可持续发展的关键。
世界范围内对能源开发、转换、输送和消费过程的安全、经济、清洁和高效的要求越来越迫切。
为适应和引导能源发展潮流,电力工业正迅速向绿色低碳发展方式转变,以电力为中心的能源发展趋势愈加明显。
在能源电力供应安全、生态环境、可再生能源开发利用等新的方面,对电力规划提出更高要求。
欧美国家在扩大既有电力规划研究范畴和功能方面做了有益探索。
美国可再生能源研究实验室开发了区域能源部署系统模型,基于多区域资源条件、多水平年发展情景构建,优化决策未来电力系统的规划,为可再生能源与输电网的协调发展提供了分析手段。
欧洲重点关注适应可再生能源发展的跨国输电通道扩展、多国发电资源整合,实现风、水、气等电源间的协调规划和运行。
近年,我国特高压输电技术取得突破,其远距离、大容量和低损耗的输电特点,大大提升了电网功能,为构建多区域、多资源的优化配置平台提供了技术手段。
特高压跨区输电相对铁路运煤,在经济性、输送效率、生态环境影响、区域经济协调发展、占地和能源运输安全等方面均具有优势,使得优化组合输煤输电2种能源运输方式、构建能源综合运输体系成为可能。
本文基于特高压输电技术在我国成功应用的基础条件,充分考虑我国能源资源与负荷中心逆向分布的特点,以及水、环境、土地等资源分布的基本国情,运用大能源观,构建多区域、多资源、多维度的新型电力规划理论。
通过优化提出包含电力送受端的多区域多品种电源扩展方案和跨区电力流格局,实现能源和水、环境、土地等资源在全国范围内优化配置。
建立的新型电力规划理论和模型已应用到国家电网规划实践中,并对规划的综合效益进行了评估。
1我国能源电力发展存在的问题
改革开放以来,我国能源产业发展迅速,生产和消费规模快速增长,基本满足了经济社会发展的需要。
然而,经过30年的高速经济增长,能源资源和环境空间约束日益强化,面对新的形势,能源电力发展方式亟待转变,促进非化石能源发展、能源综合运输体系构建、煤电优化布局等方面均对电网的发展和升级提出了要求。
1)我国常规化石能源可持续供应能力不足,未来能源供应安全形势严峻。
我国常规化石能源可持续供应能力不足,受能源资源及其开采条件、生态环境、技术水平等因素制约,现已探明的常规化石能源的可持续供应能力约为3600Mtce/a,其中煤炭4100Mt/a、石油200Gt/a、天然气300Gm3/a。
非常规化石能源(例如页岩油气)开发处于起步阶段,大规模应用还面临地质条件不佳、开发成本较高和不掌握核心技术等问题。
加快增加非化石能源的供应量是解决我国未来能源供应安全问题的关键,80%以上的非化石能源需要转化为电力加以利用。
2)能源运输体系结构不适应科学发展的基本要求。
我国能源资源以煤为主,煤炭资源“北多南少、西富东贫”的分布特点,决定了“北煤南运、西煤东输”的能源运输格局。
长期以来,煤炭运输过度依赖输煤,2011年“三西”地区(山西、陕西、蒙西)通过铁路和公路外运煤炭约1450Mt(其中公路运煤约400Mt),输出电量约185TWh,折合煤炭76Mt,输电在能源输送中的比例仅占5%。
庞大的运输量使得主要铁路运煤通道长期处于饱和状态,煤电运紧张的局面反复出现,并推动电煤价格上涨。
转变经济发展方式,必须着力转变过度依赖输煤的能源发展方式。
3)能源开发利用对生态环境造成巨大破坏。
煤炭资源高强度的开采已经带来地面塌陷、大气污染、水资源污染等严重的生态环境问题。
我国历年煤炭开采造成的地表塌陷区累计已达80万公顷,且仍以每年约4万公顷的速度递增。
以煤为主的能源结构和大量煤炭终端直接燃烧,以及机动车保有量持续增加带来的尾气排放,造成我国十分严重的复合型大气污染问题。
我SO2排放量的90%、氮氧化物排放量的67%、烟尘排放量的70%、东中部地区省会城市PM2.5浓度的25%~45%都来自于煤炭燃烧。
4)现有电力系统难以满足未来可再生能源更大规模的高速增长。
我国风电并网规模已超过75GW,成为风电并网容量最大的国家。
我国光伏发电从2011年开始,进入规模化发展的新阶段。
随着风电等可再生能源的大规模发展,风电与其他电源、电网发展的不协调逐渐暴露出来,系统调峰能力欠缺、跨区输电能力不足等问题日益凸显,影响可再生能源的开发规模和利用效率。
面对未来更大规模的发展,必须在规划阶段就统筹好可再生能源与其他电源和电网间的发展关系,研究解决相关技术和经济问题。
面对上述问题,传统的电力规划理论和方法也存在一定的不适应。
传统电力规划研究的对象主要是煤电、水电、核电等常规电源,风电、太阳能发电等新能源未充分纳入整体规划方案。
电网结构的拓展受超高压输电技术输送距离和容量的限制,主要在区域内配置发电能源资源,难以在大范围内对能源、水、环境、土地等资源进行优化配置。
污染物、温室气体排放等环境约束条件也没有纳入规划体系,不能很好地解决能源电力规划方案与环境适应性的问题。
2基于特高压输电技术的新型电力规划理论与方法
2.1新型电力规划理论的提出
面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势,我国政府提出必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念,把生态文明建设放在突出地位,努力建设美丽中国。
国家“十二五”规划纲要提出坚持节约优先、立足国内、多元发展、保护环境,加强国际互利合作,调整优化能源结构,构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系的能源战略转型思路。
为解决我国能源电力的科学发展问题,支撑全面建成小康社会、持续推进工业化、城镇化和大力建设生态文明,需要运用系统论的方法和普遍联系的大能源观来分析和研究能源问题,统筹考虑能源发展与经济、社会、环境等各方面的关系,以及多区域多品种能源的开发、转换、输送和消费等各个环节之间的关系。
推进以电力为中心的能源发展战略,加快在能源结构与布局优化、能源综合运输体系构建等方面的调整步伐。
在能源结构优化方面,重点是加大水电、风电和太阳能发电等可再生能源的利用规模和比重;优化煤炭消费结构,提高发电用煤占比,促进煤炭清洁高效利用;综合考虑供应能力和天然气价格等因素,适度加快天然气及其发电利用的发展;在确保安全的基础上高效发展核电。
在能源布局优化方面,重点是根据能源资源、环境空间、水资源等约束条件,开发西部北部煤电基地、西南水电基地、东部沿海核电带和“三北”(西北、东北和华北北部地区)可再生能源基地。
在满足我国能源富集区用能需求的同时,有效保障东中部的能源供应安全。
在能源综合运输体系构建方面,重点是结合煤炭基地煤炭品种特点,研究构建输煤输电并举的综合运输体系,并推动风电等可再生能源的大范围高效消纳。
随着1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程及扩建工程、向家坝—上海800kV特高压直流示范工程等建成并保持安全稳定运行,我国特高压输电技术已经成熟。
特高压输电技术大大扩展了电网优化配置能源资源的能力、范围和效率,并使得输电相对输煤具备了竞争优势。
因此,需要“坚持输煤输电并举,逐步提高输电比重”。
2.2新型电力规划理论的主要原则
1)安全性。
电源装机和跨区电力输送能够满足系统负荷需求并留有合理备用,各类电源协调运行,满足电力需求增长需要,保证电力系统安全稳定运行。
电力发展方案应满足全国以及分区域电力电量平衡及调峰平衡的需求。
2)经济性。
各类电源的发展要充分考虑其投资和运行成本,以及输电线路的投资和运行成本,并纳入化石能源发电环境污染物排放的外部成本,以全社会电力供应总成本最低为目标,确定电力规划方案。
3)清洁性。
在满足电力系统安全运行的前提下,通过加强电网建设扩大清洁能源消纳市场范围、加快调峰电源建设提高清洁能源消纳能力。
系统运行中通过优化安排各发电机组的开机组合,充分利用调峰电源的调节能力和跨区电网的配置能力,尽量增大清洁能源的开发规模和消纳电量,减少电力行业的化石能源消耗及环境污染物和温室气体排放,促进电力工业绿色、低碳发展。
2.3新型电力规划研究思路和模型构建
2.3.1研究思路
新型电力规划的研究可分为以下几个主要步骤:
1)综合分析国家总体战略,经济、能源、运输、科技、环保等发展规划和地方规划,研究相关政策,提出对经济增速、产业布局、人口增长、生态环境等未来发展情况的基本判断,形成基础分析数据;
2)结合上述基本判断,通过能源电力需求预测模型,得到规划水平年大能源综合平衡下的一次能源需求总量、煤油气需求总量及分布、电力需求及分布等的能源电力需求方案;
3)研究确定煤炭、天然气、水、铀等常规能源资源供应约束,通过能源基地综合开发、输煤输电比较、风电出力特性分析、可再生能源消纳等专题研究,进一步明确规划边界和约束;
4)进行多区域、多资源、多维度电力规划模型构建和求解,得到规划水平年的电源结构及布局、全国跨区电力流格局;
5)结合跨区电力流,考虑发挥特高压交直流输电技术各自优势,在方案比选基础上,提出目标网架规划方案;
6)对能源运输体系构建、清洁能源利用、节能减排、区域经济协调发展等规划综合效益进行评价。
2.3.2模型构建
新型电力规划在电力需求预测、电源优化规划、电网规划和方案评价等方面进行拓展。
电源优化规划在新型电力规划中提升为多区域、多资源、多维度电力规划,将多区域电源布局和跨区电力流进行统一规划,并在多资源约束及优化配置、能源综合运输体系模拟及构建、风电等新能源纳入规划等方面取得了创新成果。
随着电网功能的提升,更加重视电网形态的构建,全面深入地研究多区域电网安全约束问题和电网规划综合效益问题。
2.3.3优化求解流程
以上所构建的模型是一个复杂的大型非线性优化问题,基于特高压输电的能源电力发展情景生成器软件包展开有关的计算,软件包核心的电力规划优化软件通过将目标函数和约束条件转化成CPLEX商用优化软件标准输入文件,求出优化结果,具体求解步骤如下。
1)优化电力系统规划方案,包括水平年可再生能源发电及其他电源扩展、跨区输电规模及流向。
输入电力系统规划计算分析所需的边界条件和其他数据,包括电力需求及负荷特性、已有及已经明确的跨省跨区输电规模及流向、已确定电源、各类电源的技术经济指标等。
应用软件包,在不考虑风电、太阳能发电大规模发展情况下,确定电力供应总成本最低的电源电网规划初始方案,包括电源结构、布局、跨区电力流等。
在此基础上,考虑风电、太阳能发电大规模发展的输电需求,对初始电力流方案进行校核调整,并作为确定边界条件,以此进行多区域电源结构的二次优化调整,最终确定含电源规划方案、跨区输电方案的电力规划方案。
2)结合已确定的电力规划方案,确定电力系统运行方式和风电等可再生能源消纳初始方案。
基于不同的可再生能源政策约束,确定跨省跨区联络线运行方式和风电、太阳能发电等消纳初始方案。
3)优化确定系统检修计划和开机组合。
根据各个时段(月或周)的电力需求预测,考虑各类电源的检修周期,以尽量降低弃水、弃风、弃光电量为目标,根据水电、风电、太阳能发电等季节特性、保证容量和有效出力等指标,优化安排系统检修计划和开机组合,优化系统不同时段的调峰能力分布,尽可能增大可再生能源电量的消纳。
4)进行系统生产模拟分析,根据系统运行经济性指标优化调整运行方式和可再生能源发电消纳方案。
根据电力系统规划方案,结合系统生产模拟情况,计算电力系统运行总成本(包括燃料成本、输电成本、环境外部费用等),在生产模拟中不断调整跨省跨区输电通道运行方式,如果2次迭代计算之间的可再生能源消纳电量及系统运行总成本的差值均小于某一设定值,则认为计算收敛,输出分析结果,包括运行方式、可再生能源消纳方案等;否则返回调整检修计划和开机组合。
5)输出电源结构及布局、跨区电力流格局等规划成果,并进行综合效益评价。
3国家电网规划实践
3.1规划边界
3.1.1电力需求预测
近年,国家电网公司对能源基地、输煤输电比较和风电等可再生能源出力特性等能源电力发展重大问题开展了大量专题研究,新型电力规划边界逐渐明晰。
预计2020年,全国全社会用电量8420TWh,最大负荷1410GW;2010,2020年年均增长率分别为7.5%和7.9%;电力消费弹性系数接近于1。
东中部仍是我国的负荷中心,用电比重2020年还将保持在55%以上。
3.1.2多资源优化配置
按照“控制东部、稳定中部、发展西部”的原则,未来煤炭新增产量主要分布在内蒙、山西、陕西、宁夏、新疆等西部北部地区。
我国东部地区土地资源稀缺、环保压力大、电煤供应安全保障程度低(受输煤通道能力约束),已不再适宜继续大规模新增煤电。
以下重点说明煤电开发的水资源和环境空间约束。
1)水资源约束。
我国西部北部重点建设的大型煤电基地中,除呼盟外,其余水资源均较缺乏。
通过落实城市中水、矿坑排水、水权转换、黄河引水、水库工程、节约用水等供需两侧的多种措施,并采用空冷机组发电后,可提高水资源可支撑煤电装机规模。
根据能源基地深化研究中有关水资源的研究成果,对山西、陕西、宁夏、内蒙古、新疆等5省(自治区)进行全省及分地区、分行业用水平衡研究。
2020年,可分配给煤电基地发电用水量只占总供水量的8.8%,即可支撑煤电装机600GW以上。
2)环境空间约束。
鉴于目前东中部环境污染形势严峻,部分城市的大气污染问题持续恶化,在规划研究中考虑将电力行业污染排放量严格控制在现有标准上,即使为满足电力需求增长,未来我国还需大规模发展化石能源发电。
现有的各省区电力行业排放控制目标主要来自能源规划、全国主要污染物排放总量控制计划、各省区主要污染物总量减排计划等。
3.1.3关于能源综合运输体系构建
1)输煤方式的成本。
相对输电,输煤方式链条长、环节多,中间环节费用比重大。
研究表明,输电价和输煤折算价(输煤方式中间环节费用折算成电价)之比大约为1:
1.6~1:
3,输电方式的经济性明显优于输煤。
在规划方案研究中,结合不同的输煤输电通道,利用送受端电煤价格差对输煤成本加以考虑。
2)煤炭基地外送功能定位。
根据不同煤炭基地煤炭品种的差异,充分利用特高压跨区输电在输送安全性、经济性和效率等各方面的优势,我国煤炭基地外送功能定位为:
呼盟、锡盟,褐煤丰富,以输电为主;山西、鄂尔多斯、新疆,输煤输电并举,加快发展输电。
3.1.4关于风电等可再生能源
风电、光伏发电出力的随机波动性加大了电力规划的难度,需要结合有关规划,有重点的选择若干基地开展出力特性研究,以明确其对规划的影响。
以风电为例,定义了保证容量和有效出力2个核心指标。
保证容量是指把负荷高峰时段(如每天12时前后)的风电出力按从大到小排序,在某一保证率下(如95%)风电的最小出力。
风电保证容量主要用于衡量在进行电力平衡分析时风电可为系统提供的容量。
有效出力指把负荷低谷时段(如每天4时前后)的风电出力按从小到大排序,在某一保证率下(如95%)风电的最大出力。
风电有效出力主要用于衡量在负荷低谷时段风电大发时对系统的调峰容量需求,也是规划输电容量时可参考使用的重要参数。
3.2国家电网规划方案
3.2.1电源和电力流
预计2010—2020年,全国新增电力装机容量1050GW,2020年全国装机容量将达到2020GW,其中煤电装机占比达59.2%、非化石能源装机占比35%。
随着西部北部大型煤电基地、风电基地和大型光伏电站的开发,以及西南水电基地的建设,需要将电力大规模远距离输送至“三华”(华北、华东和华中)负荷中心消纳,国家电网公司经营区电力流规模将从目前的120GW,上升到2020年的450GW。
3.2.2煤电布局优化
“十二五”期间,全国将新增煤电装机290GW,2015年达973GW;“十三五”期间新增223GW,2020年达1197GW。
表1为未来我国煤电开发布局,从布局来看,“十二五”期间,全国新增煤电的50%在晋陕蒙宁新;“十三五”期间,新增煤电的85%在晋陕蒙宁新。
晋陕蒙宁新5省区煤电装机占全国煤电装机的比重由2010年24%,提高到2015年30%、2020年39%。
表1未来我国煤电开发布局
区域名称
全过煤电装机/GW
晋陕蒙宁新煤电/全国煤电装机
2010
690.19
24%
2015
973.29
30%
2020
1196.52
39%
3.2.3风电消纳
根据《可再生能源发展“十二五”规划》,未来我国将重点建设河北、蒙东、蒙西、甘肃、新疆、吉林、江苏沿海、山东沿海和黑龙江9个大型风电基地,并将山西、辽宁和宁夏列为风电建设的重点省区。
2020年我国规划风电并网容量200GW,82%布局在“三北”地区(西北、东北和华北北部地区)。
负荷规模小、调峰能力和跨区输电能力不足制约了我国“三北”地区风电的高效利用。
“三北”风电需通过特高压跨区输电通道,输送到华北电网京津冀鲁、华东电网和华中电网东部4省等“三华”负荷中心消纳。
到2020年全国跨省跨区风电输送规模将超过100GW,占全国风电开发规模的一半。
其中,东北、西北地区风电跨省区送出规模占风电开发规模的70%左右。
3.2.4骨干网架构建
未来“三华”负荷中心将形成我国主要的电力受端,2020年受入电力流将达到350GW,这对坚强受端电网的构建提出了很高的要求。
构建“强交强直”电网,可以充分发挥各自功能和优势,保证电网安全性和经济性。
对“三华”500kV异步方案、“三华”特高压异步方案和“三华”特高压同步方案的安全性、经济性进行了综合比较研究,只有“三华”特高压同步方案能够满足电网安全约束。
3.3国家电网规划综合效益分析
加大跨区电力流规模,构建“三华”特高压同步电网,可有效解决煤电运紧张矛盾,促进可再生能源发展,社会经济效益显著。
1)加大跨区电力流规模,有效缓解煤电运紧张矛盾,电网在能源综合运输体系中的作用显著提升,提高电煤供应保障能力。
2)促进可再生能源高效率利用。
3)促进可再生能源规模化发展,电源结构得到调整,实现非化石能源占一次能源消费比重约束目标。
4)有效降低电力供应总成本。
5)全国环境资源得到优化配置。
6)显著减少中东部高价值土地的占用。
7)促进区域经济协调发展。
4结论
基于我国特高压输电技术突破及工程应用,充分考虑能源电力绿色低碳发展趋势,研究提出了新型电力规划思路,构建了规划模型,并结合国家电网规划进行了实践论证,主要结论如下:
1)运用大能源观,提出了多区域、多资源、多维度的新型电力规划理论,扩展了电力规划的研究范畴。
2)采用电源结构布局优化与跨区电力流格局相统一的规划理念,在多资源约束及优化配置、能源综合运输体系模拟及构建、风电等新能源纳入规划等方面取得了进步。
3)提出了我国未来多区域、多资源、多维度的电力发展方案,结合国家电网规划实践,对电源结构调整、布局优化、电力流、可再生能源消纳、骨干网架构建等重大问题得出了研究结论。
规划效果分析表明综合优化方案具有巨大的经济和社会效益,进一步验证了新型电力规划理论和模型的有效性。
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