A084全球暖化与电力系统的相互影响综述

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全球暖化与电力系统的相互影响综述苏盛1,2,陈金富2,段献忠2(作者单位地址邮编小五号楷体,全角标点,单倍行距。),1长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙4100072华中科技大学,电气与电子工程学院,湖北武汉430074摘要:全球暖化使得地球气候条件发生显著变化,将对电力系统产生显著影响。本文阐述了全球暖化对电力系统各环节的影响方式,讨论了其造成的极端天气事件频率和强度变化对电网的危害。总结了电力系统的节能减排、提高能效的相关措施,分析了在气候变率加大、电网可控性降低情况下提高电网灵活性和可控性的方法。关键词:全球暖化;电力系统;极端天气;减排.0引言全球暖化对人类社会乃至其赖以生存的地球系统具有重大影响,是当前世界各国关注的焦点。政府间气候变化专门委员会在2007年发布的第四次评估报告中明确指出“20世纪全球平均表面温度已升高0.60.20C,...,近50年来所观测到的增暖有90%的可能是由人类活动导致的温室气体浓度增加引起”。据观测,在工业革命前的八千年间,大气中CO2含量由于自然界自身的作用仅提高了20ppm,而自工业革命开始迄今250年已提高近100ppm[1]。1960~2005年间CO2含量年均增长1.4ppm,而1995~2005年间年均增长1.9ppm。如不采取任何措施,预计2100年全球平均地表温度将比1990年上升1.10C~6.40C[1]。伴随气候暖化而来的不但有平均温度的上升,还有极端天气频率和强度的增长。全球气候变化已“急遽而不可逆转,...,除尽快降低温室气体排放,减少温室效应,各国还要努力适应,学习与气候变迁共存”[1]。电力工业是消耗化石能源产生温室气体的主要来源。与此同时,电力系统作为一种跨越辽阔地域的人造系统,总是设计在一定范围内维持其正常运行的,而气候条件往往又是决定其安全运行的关键。电力系统与全球暖化之间存在丝丝缕缕的联系,当前要维持电网安全可靠运行就不能不考虑全球暖化的影响,而要降低温室气体排放,缓和暖化进程,则电力系统减排就是无可回避的选择。本文在全球暖化的背景下,从电力系统与全球暖化之间相互关联的角度总结全球暖化对电力系统的影响,综述电力系统应对全球暖化各项措施的发展与应用前景。1全球暖化对电力系统的影响全球暖化对电力系统的影响是近年来才逐步被人关注的课题。此前,由于认识上的局限性,多数调度运行和规划人员均认为全球暖化对电力系统的影响仅限于引入可再生能源导致的发电出力波动。实际上,由于全球暖化改变了电力系统所处的整个环境,它对电力系统的影响远非如此简单。平均温度上升改变用电模式全球暖化的第一个表现是地表平均温度升高。这将影响用户用电模式,冬季取暖负荷减少,夏季制冷负荷上升。EPRI针对全球暖化对电力系统影响展开的专题研究表明:2050年前,地表温度每升高1°C,年负荷需量增长5%,峰值负荷增长5%~14%。由于电网规划、设计和调度运行本来就要考虑一些不确定因素,故地表平均温度的小幅上升并不会对电网安全稳定运行造成重大冲击。然而,随着地表平均温度的升高,野生植物生长更加繁茂,由山火导致线路放电跳闸的机会也会随之增长[2]。极端天气引发大量故障除平均温度上升外,全球暖化另一突出表现是极端天气频率和强度的增长[1]。极端天气指的是发生概率很小的恶劣气候事件,一般认为其概率小于3%,具有灾害性和突发性的特点,是气候变化对电力系统影响的集中体现。近年来国内外发生的多起大面积停电事故多与恶劣天气有关,由不同类型极端天气引发的电力系统事故简单归纳如表1。表1.极端天气对电网影响典型案例天气现象典型事故雪灾——取暖负荷增长;水电水头不足无法出力;火电煤运受阻减出力;线路杆塔覆冰倒塔断线;2008年中国冰灾1998年加拿大冰灾2009年美国冰灾高温热浪——制冷负荷剧增;环境温度高,线路、变压器过载能力降低;电厂因冷凝循环水温度高减出力。2005年法国热浪电荒2006年西欧热浪电荒1996年WSCC解裂炎热干旱——空调和抗旱负荷增长;水电水头不足无法发电;火电用水限制减出力;线路因山火跳闸。1993年希腊大停电2006年川渝电网电荒暴雨——强风、雷电增加线路故障几率。2003年美东大停电2003年意大利大停电台风、飓风和热带风暴——杂物吹起到空中,线路风舞,导致线路短路跳闸。2005年台湾大停电2005年海南大停电国家重点基础研究发展计划(2009CB219701)、国家自然科学基金(50907005)、国家电网公司科学技术项目(SGKJJSKF[2008]469)和中国电机工程学会电力青年科技创新资助项目资助长期以来,恶劣天气下电网故障高度聚集的现象一直受到科研和运行生产人员的广泛关注,但其影响程度究竟如何始终缺乏定量的研究。为明确恶劣天气对电网故障的影响,作者对多个输配电网络日故障次数进行了统计分析,发现电网日故障次数具有自组织临界性[3-5],服从幂律分布。进一步的研究表明,电网故障在具有自组织临界性的极端天气(雷暴、台风、暴雨、暴雪)及其相关事件(泥石流、山火)的作用下,具有的自组织临界性。虽然极端天气是小概率事件,但由极端天气导致的故障占到了全部电网故障的相当比例,其对电力系统的危害不容忽视。随着全球暖化现象的加剧,极端天气发生的频率和强度,以及带给电力系统的危害还将上升。据慈善组织乐施会的统计,由于全球暖化的影响,当前全球每年发生的自然灾害次数为1980年代的4倍[6]。因此,有必要在电力系统的规划、设计和运行控制等多方面充分考虑并采取经济有效的措施应对全球暖化,尤其是极端天气的影响,提高电网可靠性。降水变化河流流量对气候变化和降水量变化极为敏感,地表温度上升将加大地表蒸发量并降低河流径流量[7]。伴随着极端天气频率和强度的增加,降水在时间上的分布更不均匀,将更多地以暴雨、暴雪的形式出现[8],在南方容易造成洪涝灾害和冰灾,危害电网安全。需要研究提前预报调度,减少损失,同时化害为利,优化利用洪水资源[9],在北方干旱地区则要积极推进火电机组的空气冷却技术[10]。2电力系统的被动应对措施全球暖化因人类而起,人类在其面前也是可以有所作为的。电力系统作为人类社会消耗化石能源产生温室气体的昀大来源,其应对全球暖化的手段首先是采取节能降耗措施,提高能源利用效率;其次是采用低排放发电技术,通过减排来减缓乃至消除全球暖化的趋势。2.1节能降耗,提高能源利用效率提高能源利用效率是昀经济实用的节能手段。电力行业是消耗一次性能源的大户,在电力企业中积极推动提高能效促进节能降耗不但是电力系统减排的重要手段,还能为企业提高经济效益。电力系统本身就是电能的昀大用户,如电厂在其生产过程中就要消耗大量电能,我国平均厂用电率达5.95%,较国外先进水平高出近2%[11],通过给电厂的风机、水泵等设备加装变频调速器和改造磨煤机、省煤器等,均可显著提高能效[12]。目前基于热机的火力发电限于卡诺循环,发电效率难以进一步提高。利用发电后的乏气和废热进行冷热联产,实现余热的梯级综合利用,对提高火电效率具有重要意义[13]。电能在传输和分配的过程中也会有所损失,目前我国电网的综合线损率为7.18%,而国土面积及电网规模与我国相若的美国电网线损率为6%。通过调整电源布局、优化完善电网结构、更换高耗能变压器和经济调度,可有效降低网损[14]。我国目前正在研究推广的变压器备自投就是具有特色的实用方法。该方法正常运行时将并联运行的空载或轻载变压器退出运行,然后在发生故障时投入退出的变压器,能在保障用户供电的前提下显著降低网损[15]。电机节能——电机是电力系统的主要负荷,年耗电量约占全部用电量的60%,我国电机运行效率较国外先进水平低10~20个百分点,相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。2003年我国电动机年产量约为4500万千瓦,平均效率为89.3%,比发达国家低2~3个百分点,电动机拖动系统效率比发达国家低10~30个百分点[16]。通过推广普及新型设计的电机和采用新型可关断电力电子器件的变频调速、先进矢量控制、直接转矩控制以及省略机械传动环节的方式,可大幅度提高电机效率,节能效益显著[16]。节能灯——传统白炽灯通过钨丝发热进行光辐射,大部分能量以热能形式流失,效率低。由于照明用电占电能消费的20%,照明节能是节能工作的重要环节,且实施相对容易。节能灯学名自镇流荧光灯,它将市电整流升压后加热灯丝并向灯管内发射电子,电子和灯管中填充的氩原子和汞原子碰撞发光[17]。由于发光原理不同于白炽灯,相同照度的节能灯能耗为白炽灯的20%。昀新的LED照明技术利用发光二极管电子与空穴在PN结复合时释放光子发光,目前的能耗为白炽灯的10%,理论上昀终可降低到2%。由于LED采用低压直流电源,适用范围广,工作寿命超长,是降低照明能耗的理想光源[18]。家电——电视、饮水机、电脑等正常工作时的能源利用效率约为65%~70%,通过改进设计,其效率可提高到90%;而无绳电话、手机、数码相机等电子产品充电器由于功耗小,一般未考虑节能且长期空载在线,正常工作时效率仅为30~40%,空载时也要消耗几瓦的功率。通过改进设计可达到80%的工作效率,空载负荷降低90%。由于数量庞大,其所能达到的节能效果也不容小觑。建立节能信息传播机制,推动合同节能管理——经过长期研究,目前已有大量技术成熟经济可行的节能技术。建立权威的节能信息传播机制,可帮助大众建立能效观念,加快节能技术的推广应用[19]。家电能效认证就是节能信息传播机制在我国成功应用的典范,对消费者起到了很好的引导作用。近年提出的电机能效认证也将对提高能效起到积极的作用。合同能源管理是节能信息传播的另一重要形式,其实质是由节能公司与用户签订协议,以减少的能源费支付节能项目费用的节能投资方式[19]。合同节能管理的优点是能有效帮助企业认识能效效益,规避实施经验不足的风险,将实施节能项目的风险和负担转嫁给节能公司。通过节能公司批量化和专业化的改造来降低节能项目的成本。目前国内已出现了一批专业实施节能管理的企业,但受体制制约,银行无法对节能改造中设备投资予以融资服务,严重限制了合同能源管理的发展[19]。市政管理——市政照明、城市亮化工程以及各种公共空间的空调等能耗大户使用时间长,能耗高,但目前在其能耗指标上没有配套政策,仅在电力紧张时予以短期管制。在市政管理上对其能耗指标进行引导和管理,对降低全社会能耗有莫大的好处。2.2采用新技术,降低温室气体排放除节能降耗外,采用新技术降低发电过程的温室气体排放,也可达到减缓乃至消除全球暖化趋势的作用。截至2006年底,我国发电装机容量为6.22亿千瓦,居世界第二位[20]。通过改造现有发电技术及采用碳排放量低的发电技术可有效降低发电过程的温室气体排放。以下依温室气体排量按升序介绍不同能源发电技术对减排可以起到的作用。水电——水力发电属于清洁能源,也是当前利用可再生能源发电的昀主要形式。我国大陆水力资源技术可开发容量为54160万千瓦,目前装机12857万千瓦,远低于发达国家50%~70%的开发利用水平,开发潜力巨大。除加紧西南水电基地和外送通道建设外,扩展水电利用形式也是提高水电利用水平的有效途径。EPRI调查表明,美国现有传统水电装机7487万千瓦,通过在没有装备发电机组的小型水库和低水头水库上加装发电机组及对现有老化机组更新扩容,即便在美国这样水电高度开发的国家,其传统水电也还有83.2%的增长潜力(可开发容量6230万千瓦)。此外,美国海域中的潮汐发电和波浪发电可开发容量为2280万千瓦[21]。由于我国一次能源缺乏的负荷中心集中在沿海,海洋能的开发也是值得考虑的发展方向。核电——核能发电的优点在于燃料运输和生产过程受气候影响小,使用过程无CO2排放,是一种清洁能源。经多年生产经验积累和改进,近年来核电的可靠性和可用率已取得显著进步,发电成本低于煤电。由于核电的这些优势,在经历了三十年低潮之后,核电开始在世界范围内复兴,我国“十一五”规划也确定将兴建二十座核电厂。核电应用中需要注意的一个问题是其排放的大量冷凝水可能导致所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