中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，既是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，應(yīng)超前研判、全面分析電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)帶來的變化與挑戰(zhàn)，深入研究電力低碳轉(zhuǎn)型路徑及轉(zhuǎn)型過程中的重大問題，力爭就技術(shù)形態(tài)、技術(shù)方向等關(guān)鍵問題形成廣泛共識(shí)。
中國工程院舒印彪院士科研團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2021年第6期發(fā)表《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)框架研究》，分析了電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型帶來的變化、問題及挑戰(zhàn)，闡述了新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、構(gòu)建原則與思路；根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)特征、新能源接入規(guī)模，合理劃分新型電力系統(tǒng)的發(fā)展階段并針對(duì)性提出各階段的發(fā)展建議。文章認(rèn)為，新型電力系統(tǒng)以新能源為電能供給主體，可滿足不斷增長的清潔用電需求，兼具高度的安全性、開放性、適應(yīng)性；相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)建是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，應(yīng)遵循電力系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)規(guī)律與特征，充分利用成熟技術(shù)、存量系統(tǒng)并深入挖掘潛力，同步著力研發(fā)新興技術(shù)，積極穩(wěn)妥并循序漸進(jìn)實(shí)施重大轉(zhuǎn)型。
前言
碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出是國家重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。在能源消費(fèi)清潔低碳化的進(jìn)程中，電力占據(jù)著能源體系的主導(dǎo)地位，同時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)展面臨著艱巨任務(wù)。考慮我國各類非化石能源資源稟賦以及開發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，大力發(fā)展新能源是必然選擇。建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，既是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑。
能源電力行業(yè)技術(shù)資金密集，存在高度的路徑依賴，技術(shù)路線試錯(cuò)成本極高。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，應(yīng)超前研判、全面分析電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)帶來的變化與挑戰(zhàn)，深入研究電力低碳轉(zhuǎn)型路徑及轉(zhuǎn)型過程中的重大問題，力爭就技術(shù)形態(tài)、技術(shù)方向等關(guān)鍵問題形成廣泛共識(shí)。
針對(duì)于此，本文從一次能源、電源、網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷、平衡模式等方面著手，研究電力系統(tǒng)物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)將要發(fā)生的深刻變化，從電力可靠供應(yīng)、新能源消納、電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面探討未來電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的直接挑戰(zhàn)；闡述新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、構(gòu)建原則和思路，劃分新型電力系統(tǒng)的發(fā)展階段，提出策略性發(fā)展建議，以期為電力行業(yè)中長期發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。
電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型帶來的變化
電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的過程，伴隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)，相關(guān)物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)持續(xù)深刻變化。
一是一次能源特性變化。電力系統(tǒng)的一次能源主體由可存儲(chǔ)和可運(yùn)輸?shù)幕茉崔D(zhuǎn)向不可存儲(chǔ)或運(yùn)輸、與氣象環(huán)境相關(guān)的風(fēng)能和太陽能資源，一次能源供應(yīng)面臨高度不確定性。
二是電源布局與功能變化。根據(jù)我國風(fēng)能、太陽能資源分布，新能源開發(fā)將以集中式與分散式并舉，電源總體接入位置愈加偏遠(yuǎn)、愈加深入低電壓等級(jí)。未來新能源作為主體電源，不僅是電力電量的主要提供者，還將具備相當(dāng)程度的主動(dòng)支撐、調(diào)節(jié)與故障穿越等“構(gòu)網(wǎng)”能力；常規(guī)電源功能則逐步轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與支撐。
三是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與形態(tài)變化。西部、北部地區(qū)的大型清潔能源基地向東中部地區(qū)負(fù)荷中心輸電的整體格局不變，近期電網(wǎng)規(guī)模仍將進(jìn)一步擴(kuò)大。電網(wǎng)形態(tài)從交直流混聯(lián)大電網(wǎng)向微電網(wǎng)、柔直電網(wǎng)等多種形態(tài)電網(wǎng)并存轉(zhuǎn)變。
四是負(fù)荷結(jié)構(gòu)與特性變化。能源消費(fèi)高度電氣化，用電需求持續(xù)增長。配電網(wǎng)有源化，多能靈活轉(zhuǎn)換，“產(chǎn)消者”廣泛存在，負(fù)荷從單一用電朝著發(fā)/用電一體化方向轉(zhuǎn)變，調(diào)節(jié)支撐能力增強(qiáng)。
五是電網(wǎng)平衡模式變化。新型電力系統(tǒng)供需雙側(cè)均面臨較大的不確定性，電力平衡模式由“源隨荷動(dòng)”的發(fā)/ 用電平衡轉(zhuǎn)向儲(chǔ)能、多能轉(zhuǎn)換參與緩沖的更大空間、更大時(shí)間尺度范圍內(nèi)的平衡。
六是電力系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)變化。電源并網(wǎng)技術(shù)由交流同步向電力電子轉(zhuǎn)變，交流電力系統(tǒng)同步運(yùn)行機(jī)理由物理特性主導(dǎo)轉(zhuǎn)向人為控制算法主導(dǎo)；電力電子器件引入微秒級(jí)開關(guān)過程，分析認(rèn)知由機(jī)電暫態(tài)向電磁暫態(tài)轉(zhuǎn)變；運(yùn)行控制由大容量同質(zhì)化機(jī)組的集中連續(xù)控制向廣域海量異構(gòu)資源的離散控制轉(zhuǎn)變；故障防御由獨(dú)立“三道防線”向廣泛調(diào)動(dòng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)可控資源的主動(dòng)綜合防御體系轉(zhuǎn)變。
電力系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)
（一）電力供應(yīng)保障
一是保障供應(yīng)充裕的基礎(chǔ)理論面臨挑戰(zhàn)。在全球氣候變化、可再生能源大規(guī)模開發(fā)的背景下，可再生能源資源稟賦在長期演化過程中會(huì)發(fā)生顯著變化。電源、電網(wǎng)的規(guī)劃決策面臨資源稟賦和運(yùn)行雙重不確定性且具有明顯的路徑依賴性。上述特征為傳統(tǒng)資源稟賦評(píng)估與規(guī)劃理論帶來重大挑戰(zhàn)。
二是新能源小發(fā)時(shí)保障供應(yīng)難度大。隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展，可控電源占比下降，新能源“大裝機(jī)、小電量”特性凸顯，風(fēng)能、太陽能小發(fā)時(shí)保障電力供應(yīng)的難度加大。在碳中和階段，火電占比將進(jìn)一步下降，新能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)提升，而負(fù)荷仍將保持一定增長，實(shí)時(shí)電力供應(yīng)與中長期電量供應(yīng)保障困難更加突出。
三是罕見天象、極端天氣下的供應(yīng)保障難度更大。日食等罕見天文現(xiàn)象將顯著影響新能源出力；隨著全球變暖、氣候異常的加劇，颶風(fēng)、暴雪冰凍、極熱無風(fēng)等極端天氣事件不斷增多增強(qiáng)，超出現(xiàn)有認(rèn)知。罕見天象與極端天氣具有概率小、風(fēng)險(xiǎn)高、危害大的特征，在新能源高占比情景下的影響極大，推高供電保障成本。
（二）系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)
一是供需平衡基礎(chǔ)理論面臨挑戰(zhàn)。隨著新能源占比的持續(xù)提高，供需雙側(cè)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源均呈現(xiàn)高度不確定性，系統(tǒng)平衡機(jī)制由“確定性發(fā)電跟蹤不確定負(fù)荷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安淮_定發(fā)電與不確定負(fù)荷雙向匹配”。供需雙側(cè)運(yùn)行特性對(duì)氣候等外部條件的依賴性較高，針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建立的供需平衡理論亟需發(fā)展完善。
二是日內(nèi)調(diào)節(jié)面臨較大困難。新能源出力的隨機(jī)波動(dòng)性需要可控電源的深度調(diào)節(jié)能力予以抵消，電力系統(tǒng)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)能力已基本挖掘殆盡，近期仍需更大的調(diào)節(jié)能力以滿足新能源消納需求。遠(yuǎn)期新能源成為主力電源后，依靠占比不斷下降的常規(guī)電源以及有限的負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)能力難以滿足日內(nèi)消納需求。
三是遠(yuǎn)期季節(jié)性調(diào)節(jié)需求增大。新能源發(fā)電與用電存在季節(jié)性不匹配，夏、冬季用電高峰期的新能源出力低于平均水平，而春、秋季新能源大發(fā)時(shí)的用電水平處于全年低谷?，F(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)只能滿足日內(nèi)調(diào)節(jié)需求，在新能源高占比情景下，季節(jié)性消納矛盾將更加突出。
（三）安全穩(wěn)定運(yùn)行
一是穩(wěn)定基礎(chǔ)理論面臨挑戰(zhàn)。新能源時(shí)變出力導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)快速遷移，基于給定平衡點(diǎn)的傳統(tǒng)Lyapunov 穩(wěn)定性理論存在不適應(yīng)性。新能源發(fā)電有別于常規(guī)機(jī)組的同步機(jī)制及動(dòng)態(tài)特性，使得經(jīng)典暫態(tài)功角穩(wěn)定性定義不再適用。高比例的電力電子設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)多時(shí)間尺度交織、控制策略主導(dǎo)、切換性與離散性顯著等特征，使得對(duì)應(yīng)的過渡過程分析理論、與非工頻穩(wěn)定性分析相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)理論亟待完善。
二是控制基礎(chǔ)理論有待創(chuàng)新。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的控制資源主要是同步發(fā)電機(jī)等同質(zhì)化大容量設(shè)備。而在新型電力系統(tǒng)中，海量新能源和電力電子設(shè)備從各個(gè)電壓等級(jí)接入，控制資源碎片化、異質(zhì)化、黑箱化、時(shí)變化，使得傳統(tǒng)基于模型驅(qū)動(dòng)的集中式控制難以適應(yīng)，需要新的控制基礎(chǔ)理論對(duì)各類資源有效實(shí)施聚納與調(diào)控。
三是傳統(tǒng)安全問題長期存在。在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)仍以交流同步電網(wǎng)形態(tài)為主；但隨著新能源大量替代常規(guī)電源，維持交流電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的根本要素被削弱，傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)穩(wěn)定問題加劇。例如，旋轉(zhuǎn)設(shè)備被靜止設(shè)備替代，系統(tǒng)慣量不再隨規(guī)模增長甚至呈下降趨勢，電網(wǎng)頻率控制更加困難；電壓調(diào)節(jié)能力下降，高比例新能源接入地區(qū)的電壓控制困難，高比例受電地區(qū)的動(dòng)態(tài)無功支撐能力不足；電力電子設(shè)備的電磁暫態(tài)過程對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生深刻影響，功角穩(wěn)定問題更為復(fù)雜。
四是高比例電力電子、高比例新能源（“雙高”）的電力系統(tǒng)面臨新的問題。在近期，新能源機(jī)組具有電力電子設(shè)備普遍存在的脆弱性，面對(duì)頻率、電壓波動(dòng)容易脫網(wǎng)，故障演變過程更顯復(fù)雜，與進(jìn)一步擴(kuò)大的遠(yuǎn)距離輸電規(guī)模相疊加，導(dǎo)致大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)增加；同步電源占比下降、電力電子設(shè)備支撐能力不足導(dǎo)致寬頻振蕩等新形態(tài)穩(wěn)定問題，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)多失穩(wěn)模式耦合的復(fù)雜特性。在遠(yuǎn)期，更高比例的新能源甚至全電力電子系統(tǒng)將伴生全新的穩(wěn)定問題。
（四）整體供電成本
新能源平價(jià)上網(wǎng)不等于平價(jià)利用。除新能源場站本體成本以外，新能源利用成本還包括靈活性電源投資、系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行成本、大電網(wǎng)擴(kuò)展與補(bǔ)強(qiáng)投資、接網(wǎng)及配網(wǎng)投資等系統(tǒng)成本。國內(nèi)外研究表明，新能源電量滲透率超過10%~15% 以后，系統(tǒng)成本將進(jìn)入快速增長的臨界點(diǎn)，未來新能源場站成本下降很難完全對(duì)沖消納新能源所付出的系統(tǒng)成本上升；隨著新能源發(fā)電量滲透率的逐步提高，系統(tǒng)成本顯著增加且疏導(dǎo)困難，必然影響全社會(huì)供電成本。
新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、構(gòu)建原則與思路
應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)，應(yīng)科學(xué)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，保障國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略實(shí)施。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，必須堅(jiān)持系統(tǒng)思維，遵循電力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和客觀規(guī)律，充分利用成熟技術(shù)、存量系統(tǒng)并深入挖掘潛力，“開放包容”支持新技術(shù)發(fā)展，積極穩(wěn)妥、循序漸進(jìn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。
（一）新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵
新型電力系統(tǒng)以新能源為供給主體，滿足不斷增長的清潔用電需求，具有高度的安全性、開放性、適應(yīng)性。
在安全性方面，新型電力系統(tǒng)中的各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，多種電網(wǎng)技術(shù)相互融合，廣域資源優(yōu)化配置能力顯著提升；電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平可控、能控、在控，有效承載高比例的新能源、直流等電力電子設(shè)備接入，適應(yīng)國家能源安全、電力可靠供應(yīng)、電網(wǎng)安全運(yùn)行的需求。
在開放性方面，新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)具有高度多元、開放、包容的特征，兼容各類新電力技術(shù)，支持各種新設(shè)備便捷接入需求；支撐各類能源交互轉(zhuǎn)化、新型負(fù)荷雙向互動(dòng)，成為各類能源網(wǎng)絡(luò)有機(jī)互聯(lián)的樞紐。
在適應(yīng)性方面，新型電力系統(tǒng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)緊密銜接、協(xié)調(diào)互動(dòng)，通過先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和控制資源池?cái)U(kuò)展，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的靈活調(diào)節(jié)能力、高度智能的運(yùn)行控制能力，適應(yīng)海量異構(gòu)資源廣泛接入并密集交互的應(yīng)用場景。
（二）新型電力系統(tǒng)構(gòu)建原則
堅(jiān)持問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向和科學(xué)發(fā)展原則來構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，積極穩(wěn)妥推進(jìn)轉(zhuǎn)型。
①問題導(dǎo)向，即抓住新能源發(fā)展過程中的主要矛盾，兼顧當(dāng)前困難與長遠(yuǎn)挑戰(zhàn)，通過系統(tǒng)重構(gòu)、技術(shù)與體制機(jī)制創(chuàng)新來突破新能源發(fā)展瓶頸。
②目標(biāo)導(dǎo)向，即以按期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)為使命，選擇適宜的技術(shù)路線，“倒排”發(fā)展路徑，兼顧轉(zhuǎn)型過程中能源電力安全。
③科學(xué)發(fā)展，即充分考慮能源電力行業(yè)資產(chǎn)、資金、技術(shù)密集，路徑依賴較強(qiáng)的特點(diǎn)，切實(shí)體現(xiàn)電力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律，保持漸進(jìn)過渡式轉(zhuǎn)型發(fā)展。
（三）新型電力系統(tǒng)構(gòu)建思路
基于以上構(gòu)建原則，研判未來新型電力系統(tǒng)技術(shù)形態(tài)，塑造適應(yīng)全新電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和平衡模式，在空間、時(shí)間上匹配電力供給與需求，據(jù)此設(shè)計(jì)技術(shù)可行、成本適當(dāng)?shù)陌l(fā)展路徑。
1. 技術(shù)形態(tài)
在未來較長的時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)仍將以交流電技術(shù)為主導(dǎo)，主要原因有：一是當(dāng)前全國電力系統(tǒng)資產(chǎn)規(guī)模超過16 萬億元，90% 的在運(yùn)煤電裝機(jī)容量投產(chǎn)不滿20a，龐大的存量系統(tǒng)仍以交流電技術(shù)為基礎(chǔ)，不可能“急剎車”“急轉(zhuǎn)彎”；二是未來火電、水電、核電等同步電源裝機(jī)容量和發(fā)電量的占比均在不斷下降，但仍占據(jù)相當(dāng)?shù)谋壤ㄒ妶D1），如到2060年同步電源預(yù)計(jì)仍占據(jù)裝機(jī)容量的25%、發(fā)電量的44%，主要以“大開機(jī)、小出力”方式運(yùn)行（出力占比可達(dá)79%），為電力系統(tǒng)提供必要的調(diào)節(jié)與支撐。因此，未來的電力系統(tǒng)必將在傳承中發(fā)展，長期保持以交流電為基礎(chǔ)的技術(shù)形態(tài)，基本原理、技術(shù)要求不會(huì)發(fā)生根本性改變；交流電網(wǎng)仍是電力系統(tǒng)的網(wǎng)架基礎(chǔ)，各類電源直接或間接以交流電技術(shù)并入電網(wǎng)。
圖1 同步電源裝機(jī)及發(fā)電量占比的變化趨勢
2. 網(wǎng)絡(luò)形態(tài)
一是以交直流互聯(lián)為大電網(wǎng)主干。我國能源資源與需求逆向分布的基本國情，新能源出力的隨機(jī)性、強(qiáng)時(shí)空相關(guān)性，都決定了近期交直流互聯(lián)大電網(wǎng)仍需擴(kuò)大規(guī)模才能滿足遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸電、新能源跨省/ 跨區(qū)消納平衡的需求。
二是多種組網(wǎng)形式并存。交流電力系統(tǒng)需要同步電源的支撐，難以適應(yīng)新能源集中開發(fā)、海上風(fēng)電、大量分布式新能源接入等局部場景；應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展分布式微網(wǎng)、純直流電力系統(tǒng)等多種組網(wǎng)技術(shù)，因地制宜選擇技術(shù)路線。
3. 平衡形態(tài)
力求以儲(chǔ)能為媒介逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)用電解耦。當(dāng)前電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡依賴出力可調(diào)的常規(guī)電源，而新型電力系統(tǒng)將以出力不可調(diào)節(jié)的新能源發(fā)電為主體，發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)能力顯著下降；需要通過需求響應(yīng)、多能互補(bǔ)等方式充分挖掘負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)能力，同步開發(fā)能夠與電能高效雙向轉(zhuǎn)換并可大量、長期存儲(chǔ)的二次能源（儲(chǔ)能），使“發(fā)–用”實(shí)時(shí)平衡變?yōu)椤鞍l(fā)–儲(chǔ)–用”實(shí)時(shí)平衡。
4. 發(fā)展路徑
循序漸進(jìn)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。能源電力行業(yè)技術(shù)資金密集，已形成的龐大存量資產(chǎn)不可能“推倒重來”，適宜采取漸進(jìn)過渡式發(fā)展方式。在近期，新能源快速發(fā)展的需求較為迫切，亟需成熟、經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)與產(chǎn)品方案來應(yīng)對(duì)相應(yīng)挑戰(zhàn)。著眼遠(yuǎn)期，當(dāng)前電力系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)難以匹配新型電力系統(tǒng)的需求，應(yīng)在大規(guī)模儲(chǔ)能、高效電氫轉(zhuǎn)換、CCUS（碳捕集、利用與封存）、純直流組網(wǎng)等顛覆性技術(shù)方面盡快取得突破；不同的技術(shù)將導(dǎo)向不同的電力系統(tǒng)形態(tài)，未來發(fā)展路徑存在較大的不確定性。為此，近期應(yīng)重點(diǎn)挖掘成熟技術(shù)的潛力，支撐新能源快速發(fā)展，同步開展顛覆性技術(shù)攻關(guān)；遠(yuǎn)期在顛覆性技術(shù)取得突破后，推動(dòng)電力系統(tǒng)逐步向適應(yīng)顛覆性技術(shù)的新形態(tài)轉(zhuǎn)型。
（四）新型電力系統(tǒng)的發(fā)展階段
1. 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型期
新能源快速發(fā)展，“雙高”影響處于“量變”階段，常規(guī)電源仍是電力電量供應(yīng)主體，新能源作為補(bǔ)充。發(fā)用電的實(shí)時(shí)平衡仍然是主要特征，依靠以抽水蓄能為主體的成熟儲(chǔ)能技術(shù)基本滿足日內(nèi)平衡需求?？鐓^(qū)輸電、交流電網(wǎng)互聯(lián)的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大并“達(dá)峰”。本階段內(nèi)，充分開發(fā)現(xiàn)有資源、挖掘可用技術(shù)潛力，同步開展支撐更高比例新能源的顛覆性技術(shù)研發(fā)。
2. 新型電力系統(tǒng)形成期
新能源成為裝機(jī)主體，具備相當(dāng)程度的主動(dòng)支撐能力；常規(guī)電源功能逐步轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與支撐；大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)取得突破，實(shí)現(xiàn)日以上時(shí)間尺度的平衡調(diào)節(jié)。存量電力系統(tǒng)向新形態(tài)轉(zhuǎn)變，交直流互聯(lián)大電網(wǎng)與局部全新能源直流組網(wǎng)、微電網(wǎng)等多種形態(tài)共存。在此階段，“雙高”影響轉(zhuǎn)入質(zhì)變，已有的技術(shù)和發(fā)展模式面臨瓶頸，顛覆性技術(shù)逐步成熟并具備推廣應(yīng)用條件。
3. 新型電力系統(tǒng)成熟期
依托發(fā)展成熟的顛覆性技術(shù)，完成全新形態(tài)的電力系統(tǒng)構(gòu)建，新能源成為主力電源，發(fā)用電基本實(shí)現(xiàn)解耦。新能源以多種二次能源形式、多種途徑傳輸和利用，將因地制宜發(fā)展多種形態(tài)（如輸電與輸氫網(wǎng)絡(luò)共存等）。這一階段，顛覆性技術(shù)高度成熟并獲得廣泛應(yīng)用，新型電力系統(tǒng)基本構(gòu)建完成。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重點(diǎn)舉措
（一）加快措施布局應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)型期問題
1. 保障電力供應(yīng)與新能源消納
在電源側(cè)，一是提升電力供應(yīng)能力。推進(jìn)西部、北部地區(qū)大型新能源基地建設(shè)，因地制宜發(fā)展東中部地區(qū)的分布式新能源，推動(dòng)海上風(fēng)電逐步向遠(yuǎn)海拓展。煤電從“增容控量”“控容減量”到“減容減量”，發(fā)揮托底保障作用，合理利用存量資產(chǎn)，科學(xué)謀劃退出路徑。加快開發(fā)水電，重點(diǎn)推進(jìn)西南地區(qū)的優(yōu)質(zhì)水電建設(shè)。安全有序開展沿海地區(qū)的核電建設(shè)，適時(shí)推動(dòng)內(nèi)陸核電建設(shè)。二是提升有功調(diào)節(jié)能力。加快在運(yùn)煤電機(jī)組靈活性改造，提升機(jī)組調(diào)節(jié)速率與深度調(diào)峰能力，新建煤電均應(yīng)具備深度調(diào)峰能力。有序發(fā)展天然氣調(diào)峰電源，充分發(fā)揮啟停耗時(shí)短、功率調(diào)節(jié)快的優(yōu)勢，重點(diǎn)在新能源發(fā)電滲透率較高、電網(wǎng)靈活性較低的區(qū)域開展建設(shè)。鼓勵(lì)或要求新能源按照一定比例配置儲(chǔ)能。研究水電站增設(shè)大泵，具備一定的抽水調(diào)節(jié)能力。
在電網(wǎng)側(cè)，轉(zhuǎn)型期新能源大規(guī)模集中開發(fā)并遠(yuǎn)距離外送的格局將進(jìn)一步加強(qiáng)，亟需加強(qiáng)跨省、跨區(qū)輸電通道建設(shè)，打造大范圍資源優(yōu)化配置平臺(tái)；同步加強(qiáng)送端、受端交流電網(wǎng)，擴(kuò)大聯(lián)網(wǎng)規(guī)模，可靠承載跨區(qū)域、大規(guī)模的輸電需求。推動(dòng)建設(shè)適應(yīng)分布式、微網(wǎng)發(fā)展的智能配電網(wǎng)，促進(jìn)電、冷、熱、氣等多能互補(bǔ)與協(xié)調(diào)控制，滿足分布式清潔能源并網(wǎng)、多元負(fù)荷用電的需要，促進(jìn)終端能源消費(fèi)節(jié)能提效。積極開展分布式微電網(wǎng)建設(shè)，在內(nèi)部自治的同時(shí)與大電網(wǎng)協(xié)調(diào)互動(dòng)。拓展靈活柔性輸電等技術(shù)應(yīng)用，適應(yīng)送端新能源大規(guī)模集中接入、受端多落點(diǎn)直流組網(wǎng)等應(yīng)用場景。
在負(fù)荷側(cè)，全面拓展電力消費(fèi)新模式，發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)，發(fā)揮電網(wǎng)負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)源荷互動(dòng)活力。著力開發(fā)需求響應(yīng)資源，在供需緊張地區(qū)配置削峰需求響應(yīng)，在新能源高占比地區(qū)配置填谷需求響應(yīng)。
在儲(chǔ)能側(cè)，抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟、單位投資成本低、壽命長，有利于大規(guī)模能量儲(chǔ)存；鑒于抽水蓄能規(guī)劃建設(shè)周期較長，而電力系統(tǒng)已面臨調(diào)節(jié)能力不足的現(xiàn)狀，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展、盡早啟動(dòng)。因抽水蓄能可開發(fā)資源有限，壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、化學(xué)儲(chǔ)能（以氫儲(chǔ)能為主）等新型儲(chǔ)能技術(shù)將成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，有望在長周期平衡調(diào)節(jié)、安全支撐等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
2. 保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行
轉(zhuǎn)型期的電力系統(tǒng)仍然是交流電力系統(tǒng)，必須遵循交流電力系統(tǒng)的基本原理和技術(shù)規(guī)律，尋求新的手段、加快措施布局，保障足夠的系統(tǒng)慣量、調(diào)節(jié)能力、支撐能力，筑牢電網(wǎng)安全穩(wěn)定基礎(chǔ)。
系統(tǒng)慣量是系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本要求。一是保持適度規(guī)模的同步電源，通過技術(shù)創(chuàng)新來調(diào)整常規(guī)電源的功能定位，在政策層面保障燃煤機(jī)組從裝機(jī)控制轉(zhuǎn)向排放控制。二是擴(kuò)大交流電網(wǎng)規(guī)模，提高同步電網(wǎng)整體慣量水平，增強(qiáng)抵御故障能力，更好促進(jìn)清潔能源消納的互聯(lián)互通。三是開發(fā)新型慣量支撐資源，發(fā)展新能源、儲(chǔ)能等方面的新型控制技術(shù)，提高電力電子類電源對(duì)系統(tǒng)慣量的支撐能力。
調(diào)節(jié)能力是電力系統(tǒng)適應(yīng)不斷加大的波動(dòng)性、有功/ 無功沖擊的重要保證。關(guān)于調(diào)峰，在提升電源側(cè)調(diào)節(jié)能力的同時(shí)，推進(jìn)電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能、可中斷負(fù)荷參與調(diào)峰，扎實(shí)提高電網(wǎng)資源配置能力，共享全網(wǎng)調(diào)節(jié)資源。關(guān)于調(diào)頻，推動(dòng)新能源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等參與系統(tǒng)調(diào)頻，發(fā)揮直流輸電設(shè)備的頻率調(diào)制能力。關(guān)于調(diào)壓，發(fā)揮常規(guī)機(jī)組的主力調(diào)壓作用，利用柔性直流、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設(shè)備參與調(diào)壓，研究電力電子類電源場站級(jí)的靈活調(diào)壓，探索分布式電源、分布式儲(chǔ)能參與低壓側(cè)電壓調(diào)節(jié)。
支撐能力是電力系統(tǒng)承載高比例電力電子設(shè)備、確保高比例受電地區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。一是開展火電、水電機(jī)組調(diào)相功能改造，鼓勵(lì)退役火電改調(diào)相機(jī)運(yùn)行，提高資產(chǎn)利用效率。二是在新能源場站、匯集站配置分布式調(diào)相機(jī)，在高比例受電、直流送受端、新能源基地等地區(qū)配置大型調(diào)相機(jī)，保障系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功支撐能力，確保新能源多場站短路比水平滿足運(yùn)行要求。三是要求新能源作為主體電源承擔(dān)主體安全責(zé)任，通過技術(shù)進(jìn)步來增強(qiáng)主動(dòng)支撐能力。
（二）論證并啟動(dòng)轉(zhuǎn)型期重大課題研究
1. 重大基礎(chǔ)理論研究
在新型電力系統(tǒng)供需平衡理論方面，考慮供需雙側(cè)特性對(duì)氣候、天氣條件的依賴性以及供需雙側(cè)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的高度不確定性，研究并建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)供需平衡基礎(chǔ)理論；厘清氣候變化與可再生能源開發(fā)的交互作用機(jī)理，揭示不確定性與規(guī)劃/ 運(yùn)行策略的耦合作用機(jī)理，形成不確定供需雙向匹配的優(yōu)化決策理論和方法。在“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析理論方面，考慮“雙高”電力系統(tǒng)的多時(shí)間尺度交織、控制策略主導(dǎo)、切換性與離散性顯著等特征，厘清系統(tǒng)擾動(dòng)后的過渡過程并建立完整的分析理論，形成科學(xué)的穩(wěn)定分類體系，提出針對(duì)不同穩(wěn)定分類的建模準(zhǔn)則和分析方法。
在新型電力系統(tǒng)的控制理論方面，針對(duì)特性各異且黑箱化的海量動(dòng)態(tài)元件接入“雙高”電力系統(tǒng)的基本特征，重點(diǎn)突破廣域分散協(xié)同優(yōu)化控制理論，在設(shè)備層面構(gòu)建兼容各種異構(gòu)設(shè)備的通用穩(wěn)定控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)元件即插即用、分散式自趨穩(wěn)；在系統(tǒng)層面提出廣域響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制方法，構(gòu)建多級(jí)協(xié)調(diào)的穩(wěn)定控制體系，支撐開放包容的新型電力系統(tǒng)運(yùn)行。
2. 關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究
在新能源“構(gòu)網(wǎng)”主動(dòng)支撐技術(shù)方面，加快推廣電流源型主動(dòng)支撐技術(shù)、電壓源型自同步控制技術(shù)，提升新能源機(jī)組對(duì)弱電網(wǎng)的適應(yīng)性、對(duì)交流電網(wǎng)的支撐能力；推動(dòng)作為同步電源的光熱發(fā)電工程化應(yīng)用。
在大規(guī)模遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電及送出技術(shù)方面，盡快在風(fēng)機(jī)本體及匯集、升壓與送出系統(tǒng)設(shè)備及技術(shù)方面取得突破，保障遠(yuǎn)海分散式風(fēng)電的靈活接入與高效安全送出。
在儲(chǔ)能支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行技術(shù)方面，充分利用新型儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)峰幅度大、響應(yīng)速度快、短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)方向易改變等優(yōu)點(diǎn)，在輔助調(diào)峰、平滑新能源發(fā)電功率等基礎(chǔ)功能外，重點(diǎn)提升儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或波動(dòng)時(shí)的快速響應(yīng)功能，為系統(tǒng)提供阻尼、慣量等動(dòng)態(tài)支撐。
在“雙高”電力系統(tǒng)仿真評(píng)估技術(shù)方面，新型電力系統(tǒng)的物理形態(tài)和運(yùn)行特性更為復(fù)雜，現(xiàn)有仿真分析手段不足以支持對(duì)電網(wǎng)的認(rèn)知需要，亟需突破機(jī)電、電磁多時(shí)間尺度的大電網(wǎng)暫態(tài)仿真分析技術(shù)，提高對(duì)新型電力系統(tǒng)特性的認(rèn)知水平。
在源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源協(xié)調(diào)控制技術(shù)方面，利用“大云物移智鏈”等先進(jìn)技術(shù)手段，研究主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行分析及協(xié)調(diào)控制技術(shù)、供需互動(dòng)服務(wù)技術(shù)、分布式微網(wǎng)自平衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廣域分布式海量源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源的總體協(xié)調(diào)控制。
在“雙高”電力系統(tǒng)故障防御技術(shù)方面，海量電力電子設(shè)備接入新型電力系統(tǒng)之后將極大改變系統(tǒng)的暫態(tài)特性，既帶來新的穩(wěn)定問題，也因其數(shù)字式快速調(diào)控能力而給穩(wěn)定控制提供新的機(jī)遇和選擇；研究適應(yīng)“雙高”電力系統(tǒng)的綜合安全防御體系，利用現(xiàn)代信息通信技術(shù)來廣泛調(diào)動(dòng)各類控制資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、智能的故障快速判斷清除以及故障后的緊急協(xié)調(diào)控制、傳播路徑阻斷。
3. 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)布局
以標(biāo)準(zhǔn)化組織為依托，聯(lián)合國家、行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)上下游單位，開展新型電力系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)；加快新能源并網(wǎng)、多元負(fù)荷接入、源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同控制等重要標(biāo)準(zhǔn)的研究制定，對(duì)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到引領(lǐng)方向、保障質(zhì)量的作用。
在電源側(cè)，加快提升新能源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)水平，逐步具備與同步電源相近的運(yùn)行支撐能力；重構(gòu)水電和火電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；推進(jìn)抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化。
在電網(wǎng)側(cè)，強(qiáng)化源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同控制標(biāo)準(zhǔn)化的頂層設(shè)計(jì)，加快廣域分散協(xié)同優(yōu)化控制標(biāo)準(zhǔn)研究；深化靈活柔性輸電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，加快分布式微電網(wǎng)、智慧配電網(wǎng)重要核心標(biāo)準(zhǔn)研制。
在負(fù)荷側(cè)，優(yōu)化完善電動(dòng)汽車充換電、港口岸電設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，加快虛擬電廠、需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)研制，滿足負(fù)荷與電網(wǎng)良性互動(dòng)的需要。
（三）發(fā)揮遠(yuǎn)期支撐作用的顛覆性技術(shù)
在傳統(tǒng)技術(shù)路線下構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)存在困難，需要顛覆性技術(shù)革新。鑒于顛覆性技術(shù)突破存在較大的不確定性、需要長期高投入，建議加大國家級(jí)科技計(jì)劃支持，在轉(zhuǎn)型期論證并實(shí)施國家科技重大專項(xiàng)，著力開展技術(shù)攻關(guān)，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供技術(shù)支撐。
在高效電氫雙向轉(zhuǎn)換技術(shù)方面，充分發(fā)揮氫能作為含能體二次能源的優(yōu)勢，推動(dòng)利用富余的可再生能源制取“綠氫”，借助電氫轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存裝置，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、跨行業(yè)的可再生能源存儲(chǔ)與調(diào)節(jié)，解決長周期電量平衡問題。
在新型儲(chǔ)能技術(shù)方面，爭取在具備大容量、高安全、長壽命、低成本特征的變革性儲(chǔ)能方向取得重大突破，構(gòu)建廣域協(xié)同的儲(chǔ)能形態(tài)，成為完全可觀可控的調(diào)節(jié)資源，全面滿足各類應(yīng)用場景（從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)）的技術(shù)需求。
在高效CCUS 技術(shù)方面，目前CCUS 技術(shù)的效率、成本與能耗問題制約了商業(yè)應(yīng)用規(guī)模，應(yīng)加大技術(shù)研發(fā)力度，充分挖掘應(yīng)用潛能，助推跨系統(tǒng)循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。CCUS 技術(shù)的成熟與應(yīng)用是碳中和階段煤電存續(xù)的前提條件，有利于保持一定比例的同步電源規(guī)模，將有力支撐交流電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
在全新能源直流組網(wǎng)技術(shù)方面，應(yīng)充分發(fā)揮柔性直流可實(shí)現(xiàn)新能源無同步電源并網(wǎng)、大規(guī)模多點(diǎn)匯集和送出方面的優(yōu)勢，重點(diǎn)研發(fā)全新能源輸送的多端特高壓柔直技術(shù)，支持在網(wǎng)架薄弱、缺乏同步電源支撐的地區(qū)集中開發(fā)新能源的需求。
對(duì)策建議
（一）試點(diǎn)開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)
西藏、青海、新疆等省份的可再生能源資源稟賦良好，相關(guān)發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電量的占比均位居全國前列，青海電網(wǎng)已連續(xù)多年成功開展全清潔能源供電實(shí)踐。建議在3個(gè)省份率先啟動(dòng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)試點(diǎn)工作，充分發(fā)揮電網(wǎng)支撐、拉動(dòng)、服務(wù)功能，全方位推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，為全國開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。
（二）建立健全電力綠色轉(zhuǎn)型政策體系
建議加快制定符合煤電由電力電量主要提供者向調(diào)節(jié)支撐功能提供者轉(zhuǎn)變的產(chǎn)業(yè)政策，緩解未來電力供應(yīng)保障、電網(wǎng)安全運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)。合理實(shí)施大容量海上風(fēng)電、高效率光熱發(fā)電等關(guān)鍵新興技術(shù)的補(bǔ)貼扶持政策，統(tǒng)籌推進(jìn)項(xiàng)目示范、應(yīng)用布局、標(biāo)準(zhǔn)體系、盈利模式設(shè)計(jì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)綜合效益提升和可持續(xù)發(fā)展?？紤]不同類型儲(chǔ)能發(fā)揮的功能以及受益對(duì)象，按照“誰受益、誰承擔(dān)”原則構(gòu)建成本疏導(dǎo)機(jī)制，為儲(chǔ)能行業(yè)快速發(fā)展提供必要條件。
（三）充分發(fā)揮市場配置資源的決定性作用
打破省份之間的市場壁壘，建立適應(yīng)大范圍市場運(yùn)作的輸配電價(jià)機(jī)制，完善網(wǎng)源荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)機(jī)制，推動(dòng)建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場。拉大峰谷分時(shí)電價(jià)、豐枯季節(jié)電價(jià)，完善輔助服務(wù)市場，充分激發(fā)需求側(cè)響應(yīng)、煤電靈活性改造等靈活性資源作用的發(fā)揮。完善碳排放市場，加快構(gòu)建有利于CCUS 技術(shù)升級(jí)的市場機(jī)制，推動(dòng)燃煤發(fā)電機(jī)組盡快實(shí)現(xiàn)凈零排放。
（四）凸顯科技創(chuàng)新的支撐引領(lǐng)作用
發(fā)揮社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)條件下新型舉國體制優(yōu)勢，實(shí)施國家重大科技攻關(guān)專項(xiàng)計(jì)劃，打造深度融合的“政產(chǎn)學(xué)研用”科技創(chuàng)新體系。加強(qiáng)新型電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究，集中突破新型電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)體系以及高效碳捕捉和循環(huán)利用、超大規(guī)模儲(chǔ)能等顛覆性技術(shù)系列。聯(lián)合開展核心技術(shù)裝備的研制攻關(guān)，推進(jìn)科技示范工程建設(shè)，整體性提升我國電工電氣裝備的技術(shù)水平。
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本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2021年第6期
作者：舒印彪，陳國平，賀靜波，張放
來源：構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)框架研究[J].中國工程科學(xué),2021,23(6):61-69.
