“双碳”目标下绿色电力设计研究

“双碳”目标下绿色电力设计研究

田奕潘

东莞电力设计院有限公司  广东东莞  523000

【摘要】：实现碳达峰碳中和，能源是主战场，电力是主力军。在“双碳”目标下，电力建设将如火如荼开展，电力设计作为电力建设的上层建筑，应当做好绿色电力设计，争当能源转型的推动者、引领者、先行者。本文以助力实现“双碳”为目标，对绿色电力设计的概念、设计准则、设计途径和典型措施等方面进行分析研究，助力构建以新能源为主体的新型电力系统。

【关键词】：碳达峰；碳中和；绿色电力设计。

0  前言

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话指出，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年11月南方电网公司印发《南方电网“十四五”电网发展规划》，“十四五”期间，南方电网公司以加快数字电网建设和现代化电网进程，推动以新能源为主体的新型电力系统构建，助力南方五省区和港澳地区碳达峰、碳中和。在“双碳”目标下，电力建设将如火如荼开展，电力设计作为电力建设的上层建筑，应当做好绿色电力设计，争当能源转型的推动者、引领者、先行者。本文以助力实现“双碳”为目标，对绿色电力设计的概念、设计准则、设计途径和典型措施等方面进行分析研究，助力构建以新能源为主体的新型电力系统。

1  绿色电力设计的概念

1.1  绿色电力设计的概念

设计工作是工程建设的关键环节。做好设计工作，对工程建设的工期、质量、投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作用。在“碳达峰、碳中和”国家政策的推动下，各行各业都在积极推动产业绿色低碳发展水平。国内对绿色电力设计的研究相对较少，文献[1]给出了电网工程绿色设计的定义，但由于其发表于2011年，并未结合碳达峰碳中和政策，而且绿色设计理念也是飞速发展。在双碳目标下，相对于电网工程传统设计，结合文献[1]电网工程绿色设计，与时俱进地，绿色电力设计推广定义其概念：在电力工程中，保证工程预期目标和助力“双碳”目标的前提下，以3R（Reduce、Reuse、Recycling）为原则，面向电源侧、电网侧、负荷侧和储能侧四部分，实现电力全生命周期，包括生产、运营、维护和使用四阶段，低碳排放、低谐波、低辐射、低污染、高循环、高可靠和高节能等绿色目标而采用的集成电力设计方法。绿色电力设计不仅要实现电力产品满足电力消费者需要的基本性能，更要关注电力产品全寿命周期四个阶段低碳排放的绿色目标，从电源侧、电网侧、负荷侧和储能侧中全面构建助力“双碳”实现的设计路径，助力构建以新能源为主体的新型电力系统，实现绿色电力可持续设计。

图1-1 绿色电力设计概念结构图

1.2  绿色电力设计与传统电力设计的对比分析

在“双碳”目标驱动下，绿色电力设计与传统电力设计存在着诸多不同。主要体现在以下几个方面：一、设计理念不同。绿色电力设计不仅要考虑电力产品满足电力消费者的需求，还要坚持“双碳”目标、可持续发展等绿色理念，综合考虑电力产品从生产到使用全环节的环境效益、经济效益和社会效益。二、电力产品属性不同。电力作为带有碳排放属性的产品，对于不同的电力生产所使用的一次能源类型电力产品的碳排放值不同。三、设计范围不同。传统电力设计仅关注电力工程建设和电网企业自身利益，覆盖面小，较少考虑节能、资源可回收利用等因素。绿色电力设计需要涵盖了电源侧、电网侧、用户侧和储能侧四方面，电力生产、运营、维护和使用的全生命周期四阶段，综合考虑低碳排放、低能耗、资源再利用及电网稳定性等要素。四、设计技术不同。在“双碳”目标驱动下，数字电网、直流输电等电网技术将呈现蓬勃发展，积极应用各种新技术将有助于实现低碳排放、能耗降低等目标。

2  绿色电力设计的基本原则

在进行绿色电力设计时，应运用多原则的理念，综合考虑环境、法规、技术、经济和社会等影响和需求。在设计中，应深刻理解绿色电力设计的基本原则，并根据工程现场实际情况进行融会贯通。

图2-1 绿色电力设计基本原则

2.1  环境原则

在进行绿色电力设计时，应充分考虑环境的各种要素，包括碳排放降低、材料消耗降低、多使用可再生环保材料使用、污染物排放降低、能耗降低、噪声降低、辐射降低等等要素。要实行资源的综合利用，要节约能源、水源，要节约用地，要注意专业化和协作。

2.2  法规原则

绿色电力设计应在国家和地方有关政策、法规、标准、规程和规范的框架内实施，同时在组织设计时，应定期检查和遵循这些要求的最新变化。政策法规的要求包括但不限于：国家和地方的政策、法规的限制性要求和责任；国家、地方和企业的限制性标准和规范；电力行业的限制性规程和规范。

2.3  技术原则

绿色电力设计要运用系统工程技术的方法，从全局出发，正确处理中央与地方、工业与农业、沿海与内地、城市与乡村、远期与近期、平时与灾害、技改与新建、生产与生活、技术与经济等方面的关系。绿色电力设计要根据国家技术规范、技术标准与企业有关技术规定，结合具体工程的不同性质、不同要求，从实际情况出发，采用中等适用的先进技术，合理地确定设计技术标准。

2.4  经济原则

通过造价管理控制，既规范项目建设的不同阶段，也使有限的人力、物力、财力资源得到充分的利用，实现成本和质量控制，取得最佳的经济效益。绿色电力设计经济原则应从以下几方面开展：（1）做好方案比选，充分论证，科学决策，推荐最优方案。（2）设计全过程配备专职的造价工程师，实现技术与经济的有效结合。（3）细化设计各环节工作，提高设计深度。（4）严格控制工程设计变更。

2.5  社会性原则

绿色电力设计的社会性原则一方面考虑电力设计需求，一方面考虑社会对电力的消费需求。在生产、分配、交换、消费的各个环节，都应把绿色电力设计贯穿其中，最终达到整个社会绿色电力消费的目的。绿色电力设计是工业设计方法论的特殊形式，满足社会性需求是重要因素。对绿色电力设计来讲，体现在两方面：符合人机工学和高度审美性。

3  “双碳”目标下绿色电力设计的五大途径

“碳中和”是我国能源安全和经济转型的内在需求。基于碳排放来源的燃烧、非燃烧过程，构建了“碳中和”的实现路径：1）能源供给侧提高可再生能源比例，构建零碳电力为主、氢能为辅的能源结构，同时大力发展储能以保障电网平衡；2）能源需求侧从工业、交通、建筑三个部门着手，全面推广终端电气化、源头减量、节能提效；3）改良工业过程，针对工业原料的氧化还原、分解采取针对性的原料替换。具体到绿色电力设计版块，可以更加细化到助力碳达峰碳中和的五大途径。

3.1  源头减量

双碳目标不是简单的煤电一刀切，而是以能源安全为前提，实现煤电的有节奏退出，在兼顾“保底灵活”前提下，有序实现煤电定位有保障性向灵活性和调节性转变。在煤电的绿色电力设计方面，在近期阶段，应将煤电设计定位转变为电力供应保障性电源，低效机组进行改进升级，参与现货市场，通过电力供应高峰时段获取高电价收益的运营模式；在双碳目标远期阶段，应将煤电设计定位转变系统调节型电源转型，维持适当的大容量、高参数机组规模，通过参与调峰、调频等辅助服务市场的运营模式。

3.2  能源替代

能源替代包括能源供给侧由传统非可再生能源替换为可再生能源，能源需求侧逐步实现终端电气化。绿色电力设计，应注重在设计中应用可再生能源，包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等等。绿色电力设计也涉及终端的电气化，比如新能源汽车及其配套新能源充电桩、港口岸电、电窑炉、电锅炉、电磁灶等。

3.3  节能提效

以新能源为主体的新型电力系统建设，为电力体系的智能化管理提出了要求，要特别注意电源侧的“不可控”和负荷侧的“随机性”，提高电力调节配置的智慧化水平，以起到多元互补、高效利用、经济安全等效果。我国电力行业已经形成了一大批大规模可再生能源并网消纳、大电网柔性互联、多元用户供需互动用电、多能源互补的分布式供能与微网、智能电网基础支撑技术，绿色电力设计应积极应用其中相对成熟适用的先进技术，比如特高压输电、柔性直流输电、直流配电网、光储充微电网、电力电子技术、建筑节能、工业节能、节能设备、智慧能源管理等。

3.4  工艺改造

绿色电力设计的工艺改造，不同于传统工业的工艺流程改造，因为电力从生产到消费全过程涉及到电网网架、电源升级、电网设备升级、辅助设施改造等等，主要集中在电池技术升级、智慧电网、分布式电源、能源互联网、装配式建筑等方面。能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术, 信息技术和智能管理技术, 将大量由分布式能量采集装置, 分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来, 以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。

3.5  回收利用

绿色电力设计的回收利用，不局限于设备材料的可重复使用和可回收利用，还包括电力的储能，包括电化学储能、抽水蓄能等多种储能形式。随着社会发展，日间与夜间的电力需求之间的峰谷差不断加大。先进的储能技术可削峰填谷，大大减少用电的峰谷差，既不用投资再建电厂，也避免了在谷值时系统闲置容量过大所导致的发电机组总体经济性下降、能耗增加的状况发生，科学地减少了电厂煤炭消耗量，达到节能减排的目的。

图3-1 绿色电力设计的五大途径

4  绿色电力设计的典型措施举例

本章节列举绿色电力设计的几种典型措施，以供具体实施绿色电力设计时参考。

4.1  绿色电力规划设计

为实现“双碳”目标，构建高质量绿色低碳能源保障体系。坚持以能源安全新战略为统揽，深入推进能源供给、消费、技术、体制革命和对外合作，努力构建清洁低碳、安全高效、智能创新的现代化能源体系，实现能源高质量发展，广东省人民政府确定广东省能源规划目标为：2025年，广东省内电源总装机规模达到1.8亿千瓦左右，西电东送最大送电能力（送端）达到4500万千瓦。一次能源消费中，煤炭占比下降到31%，天然气、可再生能源以及核能占比分别达到14%、22%和7%。积极发展光伏发电，适度开发风能资源丰富地区的陆上风电。相应的，东莞市能源规划目标为：东莞市“十四五”期间，能源消费低速增长，2025年我市能源消费总量控制在3400万吨标准煤左右，“十四五”年均增长1.86%。能源效率持续提高，2025年单位GDP能耗比2020年下降15个百分点。与2020年相比，煤炭消费比重下降20个百分点，石油消费比重下降3个百分点，天然气消费比重提高15个百分点。

4.2  绿色输电设计

高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成， 两个换流站与两端的交流系统相连接。优点是不增加系统的短路容量便于实现两大电力系统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网;利用直流系统的功率调制能提高电力系统的阻尼，抑制低频振荡，提高并列运行的交流输电线的输电能力。

从经济方面看，高压直流输电有以下三个主要优点:首先，线路造价低，节省电缆费用。其次，运行电能损耗小，传输节能效果显著。直流输电导线根数少，电阻发热损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗。最后，线路走廊窄，征地费省。

4.3  绿色变电设计

绿色变电站设计可以采用智能变电站，设计采用智能化一二次设备，变电站二次设备采用光纤光缆代替传统电缆，采用数字化信息技术，通过网络技术的GOOSE信息输入输出替代常规电缆连接，提高全站设备抗干扰能力的同时大量节省有色金属利用。绿色变电站设计可以采用无SF6气体开关，具有以下五个设计特点：（1）采用不含SF₆或其他氟类气体；（2）零温室气体排放；（3）采用的材料符合最高的健康和安全标准；（4）材料设计基于循环利用的要求；（5）低维护需求和简单的报废处理流程。

4.4  绿色配电设计

绿色配电设计可以推广应用直流配网设计，直流配网设计具有以下优点：（1）直流配电更为可靠：线路故障率低，可单极运行，响应快、恢复时间短；（2）直流配电效率更高：线路损耗低，可直接为日益增多的直流负载提供电能；（3）可提高电能质量；（4）易于实现分布式发电柔性互联。

电力电子技术应用是绿色配电设计发展的一大趋势。电力电子变压器是实现局域网的能量智路由、 分布式源高效利用、一二次融合的电力设备，可广泛应用于数据中心、主动配电网的柔性合环、能源互联网下的交直流混合微电网。电力电子变压器采用基于碳化硅的新型高效功率器件和基于纳米晶等新材料的高频隔离变压器等核心器件，致力于“工频代替低频”、“硅进铜退”的发展方向，实现设备极致高效运行，其高效节能及促进新能源消纳的特性及应用，可快速助力碳达峰、碳中和的实现。

4.5  综合能源设计

分布式可再生能源是绿色电力设计的一大举措，分布式可再生能源具有以下特点：（1）能源利用效率高。分布式能源靠近用户端，减少了电力生产和运输过程的损耗。在多能互补的系统中，可实现能源梯级利用，提升系统效率。（2）供能灵活。分布式能源尤其是与储能相结合的系统可以根据电源的出力特性和用户的负荷需求来匹配供需。（3）经济可行。分布式可再生能源无须建设输变电设施和长距离的管道，减少投资成本和维护成本。（4）环境友好。随着可再生能源开发利用技术的不断成熟，以光伏为代表的可再生能源已成为分布式能源系统的重要元素，相较于传统化石能源的燃烧，大大减少了碳排放。

5  结论

实现碳达峰碳中和，能源是主战场，电力是主力军。本文以助力实现“双碳”为目标，得出以下结论：

（1）绿色电力设计推广定义概念：在电力工程中，保证工程预期目标和助力“双碳”目标的前提下，以3R为原则，面向电源侧、电网侧、负荷侧和储能侧四部分，实现电力全生命周期，低碳排放等绿色目标而采用的集成电力设计方法。

（2）在设计中，应深刻理解绿色电力设计的环境、法规、技术、经济和社会共五大基本原则。

（3）“双碳”目标下绿色电力设计可以通过源头减量、能源替代、节能提效、工艺改造和回收利用共五大设计途径实现。

（4）列举了绿色电力规划设计、绿色输电设计、绿色变电设计、绿色配电设计和综合能源设计的典型措施及其优势。

参考文献

[1]方敏,傅砾.基于绿色理念的电网工程设计研究[J]. 甘肃水利水电技术,2016, (03):47－49.

[2]刘怡君,陈思佳,黄远.拟定中国绿色设计标准通则[J].中国科学院院刊,2016, 31(5):499－507.

[3]潘星星.环境保护在电网工程设计中的应用[J].黑龙江科技信息,2016,21(4):77－79.

[4]方海,胡茜雯.绿色设计驱动的粤港澳大湾区绿色发展途径研究-以广东为例[J].城市观察,2020, 05(01):7－16

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