——記國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)項(xiàng)目“電制熱提升電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)模化應(yīng)用”
張愛萍 李家玨
1月10日，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司牽頭完成的“電制熱提升電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)模化應(yīng)用”項(xiàng)目，以及作為第三完成單位完成的“鋁合金節(jié)能輸電導(dǎo)線及多場(chǎng)景應(yīng)用”項(xiàng)目雙雙榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
國(guó)網(wǎng)遼寧電力積極響應(yīng)國(guó)家重大戰(zhàn)略需要，結(jié)合北方地區(qū)風(fēng)電資源的實(shí)際情況，與6家產(chǎn)學(xué)研用單位歷時(shí)8年攻克關(guān)鍵技術(shù)，完成“電制熱提升電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)?；瘧?yīng)用”項(xiàng)目，提升了電網(wǎng)大規(guī)模消納風(fēng)電的能力。
結(jié)合實(shí)際：
提出以風(fēng)電制熱供暖
多年來(lái)，發(fā)展新能源和清潔供暖一直是我國(guó)能源與環(huán)境領(lǐng)域發(fā)展面臨的兩項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)，也是重要的研究課題。2010年左右，電網(wǎng)大規(guī)模消納風(fēng)電能力有限。同時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作為清潔供暖的重要方式之一，出力下限在供暖期提高了10%以上，大幅壓縮了電網(wǎng)的風(fēng)電消納空間，限制了我國(guó)北方地區(qū)供暖期風(fēng)電資源利用率。
依托2011年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題成果，項(xiàng)目第一完成人、國(guó)網(wǎng)遼寧電力教授級(jí)高工葛維春帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，以“風(fēng)電—電制熱—儲(chǔ)熱—供暖”為工作思路，創(chuàng)新研發(fā)了電制熱儲(chǔ)熱提升電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。
該項(xiàng)目既能提升電網(wǎng)大規(guī)模消納風(fēng)電能力，又能將富余風(fēng)電運(yùn)用在清潔供暖，為北方地區(qū)冬季風(fēng)電找到了一條適合的消納途徑，為清潔能源消納、低成本清潔供暖開辟了新道路。
核心關(guān)鍵：
研發(fā)一套完整的技術(shù)和裝置
2011年，由國(guó)網(wǎng)遼寧電力牽頭，沈陽(yáng)世杰電器有限公司、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、東北電力大學(xué)、清華大學(xué)、北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司、國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司等多家單位參與攻關(guān)，開始研發(fā)一套完整的技術(shù)體系。
“如何大規(guī)模消納風(fēng)電是當(dāng)時(shí)攻關(guān)的第一個(gè)難點(diǎn)?！备鹁S春說(shuō)。當(dāng)時(shí)，受風(fēng)電資源、電熱負(fù)荷、網(wǎng)架等特性的共性影響，風(fēng)電發(fā)生和消納沒有可遵循的規(guī)律。要解決第一個(gè)難點(diǎn)，首先就是要建立一個(gè)多維的風(fēng)電評(píng)估體系。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)評(píng)估軟件，精確解析歷史數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出全過(guò)程多量級(jí)、多時(shí)長(zhǎng)、多約束的評(píng)估方法，揭示了北方地區(qū)風(fēng)電消納低谷發(fā)生的時(shí)段和頻次規(guī)律；還創(chuàng)建了富余風(fēng)電和供暖負(fù)荷的時(shí)序相關(guān)性評(píng)價(jià)模型，成功研發(fā)基于電制熱儲(chǔ)熱的清潔供暖技術(shù)，打下大規(guī)模消納富余風(fēng)電的基礎(chǔ)。
“第二個(gè)問(wèn)題是需要通過(guò)什么方式，或者什么設(shè)備，才能消納大規(guī)模富余風(fēng)電。”葛維春說(shuō)。基于電場(chǎng)、流場(chǎng)、熱場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)之間的相互耦合以及多場(chǎng)時(shí)變均勻性原則，他和團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的研究和測(cè)試，提出了加熱元件表面負(fù)荷、換熱結(jié)構(gòu)及蓄熱體分布的分層協(xié)同設(shè)計(jì)方法，并研制出了世界上首臺(tái)最大容量、最低成本的電制熱固態(tài)儲(chǔ)熱裝置，發(fā)明了大溫差下的高壓（66千伏）絕緣穿墻套管，實(shí)現(xiàn)在高溫、高壓環(huán)境下，大容量電制熱儲(chǔ)熱裝置可靠并網(wǎng)運(yùn)行。
光有評(píng)估體系、消納裝置還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了電熱統(tǒng)一模型，為統(tǒng)一分析電熱系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐。該項(xiàng)目最核心、最關(guān)鍵的部分，就是大規(guī)模可控負(fù)荷與多源協(xié)調(diào)調(diào)控方法。“電制熱儲(chǔ)熱裝置要消納風(fēng)電，就需要電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)電制熱儲(chǔ)熱與電網(wǎng)、風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行?！备鹁S春介紹說(shuō)。通過(guò)研究，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模電制熱負(fù)荷與熱電機(jī)組出力的“離散-連續(xù)”實(shí)時(shí)調(diào)控，確保高比例利用富余風(fēng)電來(lái)運(yùn)行電制熱儲(chǔ)熱裝置。
目前，該項(xiàng)目先后獲得了60余項(xiàng)國(guó)內(nèi)、國(guó)際專利，發(fā)表專業(yè)論文100余篇，榮獲2018年國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)電力科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。
運(yùn)行推廣：
實(shí)現(xiàn)富余風(fēng)電供能清潔供暖
2013年，由葛維春牽頭的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)不斷探索、攻關(guān)、測(cè)試，終于構(gòu)建了富余風(fēng)電評(píng)估與電熱協(xié)同調(diào)控一體化的理論體系，以及可控負(fù)荷與多源協(xié)調(diào)調(diào)控方法，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，開始試運(yùn)行，通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)大規(guī)模富余風(fēng)電進(jìn)行制熱儲(chǔ)熱以及大規(guī)模清潔供暖。
經(jīng)過(guò)3年多的試運(yùn)行，2016年，該項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)成熟。目前，該項(xiàng)目已在北方地區(qū)14省市推廣應(yīng)用，并取得顯著成效。2016~2018年，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，電網(wǎng)累計(jì)消納風(fēng)電27.84億千瓦時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值18.35億元，間接效益34.27億元，共減少煤耗40.94萬(wàn)噸，減排二氧化碳114.63萬(wàn)噸。這也扭轉(zhuǎn)了風(fēng)電電量無(wú)法利用，供暖期燃煤污染物排放集中的局面。
對(duì)于未來(lái)的研究方向，葛維春說(shuō)：“除了研究消納富余風(fēng)電的技術(shù)體系，還要研究源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)發(fā)展問(wèn)題。在大量開發(fā)可再生能源的同時(shí)，也要拓寬思路，研究可再生能源的有效利用，運(yùn)用在電動(dòng)汽車充電、海水淡化用能等方面。”
