面向节能减排的电网低碳发展关键技术与应用

魏光明，邱 东，孙春山，虎亚玲，张 江

（国网甘肃省电力公司 兰州供电公司，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

国民经济的快速发展，使得电力能源的消耗日益增加，同时带来了严重的环境污染和生态破坏问题。电力行业作为能源消耗和污染物排放的大户，其节能减排工作成为我国实现经济社会可持续发展的重要保障[1]。国家出台了一系列鼓励节能减排的政策措施，节能减排工作取得了积极成效，但仍存在一些问题：（1）传统高能耗、高污染的发电方式仍在运行，煤耗高、排放大；（2）电力消费结构不合理，电力消费增长快于用电量增长；（3）发电燃料结构单一，煤炭比例过高；（4）发电设备利用效率偏低[2]。随着能源革命和供给侧结构性改革的不断深入推进，我国将加快推进能源生产和消费革命，调整优化能源结构，加快绿色低碳转型；大力发展非化石能源，构建新型电力系统[3]。在此背景下，电力行业应积极探索面向节能减排的电网低碳发展关键技术体系及其应用方案。在电网规划和建设方面应将节能减排理念贯穿于电网建设全过程，从电源规划、电网规划、输电规划以及配电规划等方面入手，并在电网运行管理方面将节能减排理念贯穿于电力生产、传输和消费全过程。

1 节能减排面临的主要问题

随着我国经济发展和工业化进程的加快，工业生产过程中所排放的废水、废气、废渣等污染物对生态环境造成的污染日益加重，尤其是一些火电企业“三废”（废水、废气、废渣）排放严重，已经成为制约我国可持续发展的重要因素。近年来，我国经济保持快速发展，全社会用电量持续快速增长，但用电量的增长速度要远高于经济增长速度，在一定限度上挤占了工业发展空间和企业生产效益。目前，我国主要使用煤炭发电，煤电在能源结构中的比例达到70%以上，远高于世界平均水平。我国设备平均发电效率仅为70%左右，而国际先进水平为80%左右[4]。电力行业是我国能源消耗和污染物排放的大户，降低电力系统的碳排放量是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的关键之一。

2 电网低碳发展关键技术

2.1 关键技术内容

电力工业是能源消耗和碳排放的主要行业，中国的电力工业正处于从“高碳”向“低碳”转型的关键时期。如何实现电力工业的低碳转型，是目前电力工业面临的最大挑战。电网是电力系统中最主要的组成单元，对电能的生产和消费起着非常关键的作用。我国电网在发展过程中也面临着资源利用率低、能源结构不合理等问题，必须通过电网技术升级来实现节能减排。

面向节能减排的电网低碳发展关键技术在电网规划和建设方面的应用包括电力系统规划、电力市场设计、新能源接入与消纳、分布式发电市场化交易和需求侧管理等，在电网运行管理方面的应用包括智能电网建设运行监测及评估、智能配网系统和电动汽车等新型负荷灵活接入与接出模式、基于源-网-荷的绿色电力交易平台和智慧能源综合服务平台等。在上述应用中，应重点考虑新能源发电和分布式发电及智能配网系统与“互联网+”智慧能源综合服务平台。

2.2 关键技术体系的建立

电网低碳发展的关键技术体系分为3 个层次：一是节能技术，即优化系统运行方式、降低发电和输配电损耗、提高电网效率的技术；二是减排技术，即减少污染物排放和二氧化碳排放的技术；三是低碳能源技术，即太阳能、风能以及地热能等新能源发电技术。

2.2.1 节能技术

（1）电网系统运行方式优化技术。针对电网实际运行中的多种需求，如送电方式、负荷特性、网架结构等，通过协调电网运行中各部分之间的关系，使其在满足系统安全和经济运行要求的前提下，尽可能减少电能传输过程中的损耗。以输电线路为例，分析电网系统中各种输电线路的负载特性，研究线路损耗计算方法。基于潮流计算方法和损耗计算结果，提出优化输电线路设计的方法。基于实际工程经验及理论分析，提出降低输电线路损耗的方法和技术。

（2）电能质量调控技术。电网运行过程中，由于发电、输配电和用电设备等的非线性特性以及负荷波动、谐波等因素，使电网出现电压波动、闪变等现象，严重影响电能质量[5]。

2.2.2 减排技术

从减排的角度，可从3 方面着手。一是通过技术创新，如开发清洁能源技术、提高电能质量、改进电力输送和储存技术、建设智能电网和主动防御系统等，减少化石能源消耗，提高清洁能源消纳能力，从而降低污染物的排放；二是通过新能源发展和可再生能源利用，如光伏发电、风力发电等可再生能源技术的发展，结合储能技术和智能电网等先进技术，减少化石能源消耗、提高清洁能源消纳能力；三是通过提升电力系统整体的能效水平，如基于不同区域电网结构特点的优化调度运行控制策略、应用节能型变压器、智能终端和负荷侧管理等技术，降低电能输送过程中的能耗，减少污染物的排放。

2.2.3 低碳能源技术

低碳能源技术指在能源开发利用过程中，采用清洁、高效、低能耗的新技术，减少能源开发利用过程中碳排放量的技术[6]。低碳能源技术主要包括超临界及超超临界火电机组节能技术、煤电超低排放控制技术、大型太阳能发电、光伏发电并网控制技术以及大型风力发电技术等。

3 提高电网低碳发展关键技术的措施

电网的能效水平代表着电力系统的综合能效，而电能质量则是影响电网能效的重要因素。电能质量的主要影响因素包括供电电压偏差、供电电压波动、谐波电流等，其中供电电压偏差是造成电网电能质量问题的最主要因素。提高电网整体能效水平，需要在电网中引入主动调节技术和主动控制技术，通过改变电网运行状态来改善电能质量，进而达到提高能效水平的目的。

电网能效提升主要包括3 个方面。

（1）降低成本。电网行业是一个典型的规模经济产业，降低成本是提高其市场竞争力的关键。通过采用新技术、新材料等手段可以有效降低电网的运行成本，提高其市场竞争力，实现电网行业的低碳转型。

（2）智能电网。智能电网是一种具有感知、传输、处理以及执行等功能的网络系统，其核心在于信息网络技术与电力技术的深度融合，通过先进信息网络技术实现电网向智能化方向发展。智能电网可实现对各类分布式电源和微网等重要用户资源的集中监控与管理，并通过网络通信系统将各个终端设备连接到一起，使其实现一体化管理，进而有效降低能源损耗。此外，智能电网将新能源发电、储能装置、负荷和配电线路等各类分布式资源进行综合规划与优化配置，形成了智能电网与分布式电源和微网协同发展的局面，实现了电能从供给侧到需求侧的有效互动。

（3）减少碳排放。电力系统的碳排放主要来自发电、输电以及用电3 个环节。在发电环节，可再生能源发电具有随机性、间歇性、波动性，大量可再生能源接入电网后对传统电源产生冲击，使得电网调度难度增大，难以实现准确的负荷预测。在输电环节，输电线路长、线损大、故障率高，不利于电网稳定运行。此外，由于输配电损耗和电能质量问题导致的电能浪费现象普遍存在。在用电环节，我国的用电量大，用电量持续增长、电力供需不平衡、可再生能源的间歇性以及电能质量问题导致用电可靠性不高。

因此，需要从电网规划、电源开发以及输配电网建设等方面减少碳排放。首先要加强可再生能源的规划布局，并配套相应的电网规划。其次要积极开发利用新能源发电技术。在规划方面，需要优先发展光伏发电、风力发电、生物质能发电等技术成熟且安全可靠的新能源发电技术；在建设方面，应优先考虑将分散式风电和分布式光伏电源进行并网规划，并加快建设配套的电网工程，最终目的是提高电力系统运行效率，降低用电成本。

4 实例分析

以某新建变电站为例，在“十四五”期间，规划新建1 座110 kV 变电站和6 座35 kV 变电站，项目总投资约7.3 亿元。在项目建设中，主要应用了以下关键技术。

（1）特高压输电技术。特高压输电技术具有节能、环保等优点，在我国能源资源分布不均、输配系统容量有限的情况下，特高压输电技术能够有效解决这一问题。对于新建110 kV 线路和220 kV 线路，优先采用特高压输电方式，能够有效提高供电可靠性、减少输送损耗、降低线路造价、减少碳排放。

（2）智能电网技术。智能电网是一种具有高度信息化、自动化的新型电网形态，能够适应复杂多变的电力系统运行环境，具备快速响应和自愈能力。智能电网关键技术包括多能互补的智能电网技术、柔性直流输电技术、能源互联网技术。其中，智能电网技术具有调节容量大、运行损耗低、输送距离远等特点，能够有效解决弃风弃光问题；能源互联网技术能够实现能源与信息的深度融合，实现电力资源的高效利用和灵活调配；柔性直流输电技术可以实现多种能源的协调优化利用，提高电网运行灵活性。

（3）配网自动化及数字化运维技术。配网自动化是一种能实现配电网各类信息实时采集和传输的通信系统。数字化运维是利用现代信息技术对电网进行智能监测、实时监控以及故障诊断。其中，智能监测包括在线监测与故障诊断、安全防御、电能质量检测等；数字化运维包括停电管理、资产管理、缺陷管理以及用户服务等。

（4）综合能源系统技术。综合能源系统是一种将传统电力系统和可再生能源系统有机结合的新型能源系统，如图1 所示。综合能源系统具有集成度高、可扩展性强的特点，能够充分利用传统电力系统和可再生能源系统的资源优势，实现多种能源的协调优化利用。

图1 综合能源系统

5 结 论

面向节能减排的电网低碳发展关键技术体系的建立，为我国能源资源开发与利用、可再生能源发电并网、电能质量治理等方面提供了关键技术支撑，对于推进我国节能减排工作具有重要意义。建议继续加强研究力度，加强各领域之间的沟通与合作，加大对电力需求侧管理、智能电网等重点技术的研发投入，以切实提高我国节能减排工作的效果。