中國儲能網(wǎng)訊：隨著“雙碳”目標(biāo)的推進，中國已成為世界上新能源發(fā)展最快、裝機容量最大的國家。截至2021年年底，我國風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機容量均超過3億千瓦，約占總裝機容量的27%；新能源已成為我國第二大電源，在部分地區(qū)甚至成為第一大電源。
新能源發(fā)電的不確定性、波動性，給電力電量時空分布不均衡帶來充裕性挑戰(zhàn)；而新能源發(fā)電設(shè)備的低抗擾性、弱支撐性，給大規(guī)模替代常規(guī)機組帶來安全性挑戰(zhàn)；新能源發(fā)電設(shè)備的低邊際運行成本、高系統(tǒng)運行成本，對系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源和系統(tǒng)安全穩(wěn)定支撐能力都提出了更高的要求，也給經(jīng)濟性和體制機制帶來挑戰(zhàn)。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，需合力化解安全—經(jīng)濟—環(huán)境的“矛盾三角形”。
發(fā)展新能源的代價不能是降低安全性。以“矛盾三角形”為切入點，用系統(tǒng)整體思維認(rèn)識和規(guī)劃設(shè)計新型電力系統(tǒng)，統(tǒng)籌政策法規(guī)、技術(shù)經(jīng)濟、創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、行業(yè)協(xié)同，有助于在協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)下實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展。
2022能源電力轉(zhuǎn)型國際論壇之能源低碳轉(zhuǎn)型與能源安全平行高端論壇12月9日上午在北京舉行。中國工程院院士郭劍波發(fā)表主旨演講。王偉 / 攝
新認(rèn)知：需結(jié)合新特性發(fā)力
新型電力系統(tǒng)是一個多時空尺度、多層級、多行業(yè)、多能源耦合的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，也是一個具有靈活、彈性、智慧特性的社會信息物理系統(tǒng)。在擾動不斷增強的情況下確保電力可靠供應(yīng)是新型電力系統(tǒng)的核心技術(shù)問題。對于新型電力系統(tǒng)的認(rèn)知，要結(jié)合其新的功能定位、供需特性、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、市場機制、政策法律和關(guān)鍵技術(shù)。
基于新的功能定位，新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要舉措。隨著其他行業(yè)將“電力化”作為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，新型電力系統(tǒng)與其他行業(yè)、多種能源耦合增強，安全、經(jīng)濟、環(huán)境矛盾愈加突出，需要全社會各參與方協(xié)同有序構(gòu)建。反之，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建又要適應(yīng)經(jīng)濟社會對基礎(chǔ)性、平臺性系統(tǒng)的需求，對相關(guān)政策法規(guī)、體制機制、科技創(chuàng)新、數(shù)字化提出新要求。
基于新的供需特性，新能源電力具有強不確定性和低保障性。據(jù)預(yù)測，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例為5%~61%，2060年為16%~142%。峰荷增速快于電量增速，“極熱無風(fēng)”“晚峰無光”以及極端天氣下負(fù)荷與新能源出力的負(fù)相關(guān)性等特征明顯。新能源長時間、低出力帶來保供應(yīng)挑戰(zhàn)，長時間、高出力則帶來系統(tǒng)消納、安全和能源轉(zhuǎn)儲利用挑戰(zhàn)，因此，新能源各時間尺度波動需要系統(tǒng)匹配相應(yīng)時間尺度的靈活調(diào)節(jié)能力，如考慮暫態(tài)過電壓的限制，波動將從毫秒級延伸到季度和年的時間跨度。新型電力系統(tǒng)新的供需特性需能源系統(tǒng)甚至社會系統(tǒng)（用電行為、負(fù)荷響應(yīng)等）協(xié)同。
基于新的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，新型電力系統(tǒng)建立在新型產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)體系和瓶頸環(huán)節(jié)都將發(fā)生變化。國際能源署（IEA）的報告指出，陸上風(fēng)電場所需礦產(chǎn)資源是類似燃?xì)獍l(fā)電廠的9倍，2040年鋰、鈷、鎳年消耗量分別增至2020年水平的42、21、19倍。我國鋁、鋰、銅、鐵、鎳對外依存度分別為60%、70%、80%、80%、90%左右，關(guān)鍵礦產(chǎn)資源等產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)安全成為能源供應(yīng)安全新的組成部分，需要加強戰(zhàn)略規(guī)劃、政策支持、礦產(chǎn)探采技術(shù)創(chuàng)新等，完善礦產(chǎn)資源供給保障體系，保證產(chǎn)業(yè)鏈安全的多元化和安全性。
基于新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，新型電力系統(tǒng)是一個多能源、多行業(yè)、多區(qū)域、多層次耦合的信息物理社會系統(tǒng)（CPSS），研究對象從電氣物理系統(tǒng)拓展到信息物理社會系統(tǒng)。從電源形態(tài)看，常規(guī)電源占比和利用小時數(shù)呈下降趨勢，清潔和靈活發(fā)電技術(shù)、政策法規(guī)和市場機制對電源構(gòu)成和系統(tǒng)形態(tài)將起決定性作用；從電網(wǎng)形態(tài)看，呈現(xiàn)交/直流混聯(lián)、大/微電網(wǎng)共存、交流同步機制為主的多層級多元電網(wǎng)形態(tài)和多種運行機制；從負(fù)荷形態(tài)看，增長空間大、峰谷差加大、反調(diào)節(jié)性強，又具有可交易、可聚合、可塑性和可控性；從儲能技術(shù)看，需求大、增長快、種類雜、功用多，大規(guī)模應(yīng)用需實現(xiàn)安全性提升、成本下降、價值兌現(xiàn)。
基于新的市場機制，需要完善以電量交易為主、價格主導(dǎo)的市場形式。電力市場建立在可靠安全的電力供應(yīng)基礎(chǔ)上。新能源高占比場景中，電力電量總量充盈與時空不平衡的矛盾突出，將呈現(xiàn)豐饒和短缺交織、多功用價值兌現(xiàn)的新市場形態(tài)。需要建立健全體現(xiàn)供需格局和系統(tǒng)特征的市場機制和多層級多種類統(tǒng)一市場體系，合理傳導(dǎo)新能源導(dǎo)致的系統(tǒng)成本和支撐能力增加。調(diào)動多利益主體共同參與輔助服務(wù)等多層級市場，通過保障、激勵機制及監(jiān)管機制，穩(wěn)定投資者預(yù)期，確?？沙掷m(xù)的電力供應(yīng)。電力市場改革過去關(guān)注的是市場主體的改革，下一步要更加關(guān)注市場客體和市場規(guī)則的改革。
基于新的政策法規(guī)，建立適用新型電力系統(tǒng)的政策規(guī)范引導(dǎo)新能源健康發(fā)展十分必要?！吨腥A人民共和國電力法》（1996年）是在新能源發(fā)展初期制定的，而新能源的不確定性、高系統(tǒng)成本及相關(guān)的礦產(chǎn)開發(fā)、退役回收等給能源電力的安全、經(jīng)濟、清潔供應(yīng)帶來新的挑戰(zhàn)，需要明確的方面很多，比如規(guī)劃制訂的法律地位和責(zé)任關(guān)系、電力監(jiān)管的重點和方式、電力商品和安全雙重屬性的統(tǒng)籌等。同時需要注意不同政策法規(guī)之間的銜接和協(xié)同，以及與市場機制、供需關(guān)系等的協(xié)同。
基于新的關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)創(chuàng)新是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐?！半p碳”背景下，電力系統(tǒng)規(guī)劃分析、電網(wǎng)運行控制、電力市場建設(shè)及碳捕集利用與封存（CCUS）、氫能乃至可控核聚變等技術(shù)，需要加大基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)攻關(guān)、裝備研發(fā)、示范工程和創(chuàng)新體系建設(shè)。相關(guān)建設(shè)會進一步增加系統(tǒng)構(gòu)建成本，需要體制機制、商業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的系統(tǒng)性創(chuàng)新，需要多行業(yè)協(xié)同推動關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟高效落地應(yīng)用及系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級。
新思路：科學(xué)系統(tǒng)、動態(tài)平衡
如果孤立和靜態(tài)地看，能源“矛盾三角形”難以實現(xiàn)完全破解。伴隨新能源發(fā)電比例不斷提高，新能源接入帶來發(fā)電側(cè)的間歇性、波動性；直流輸電增加了系統(tǒng)的“剛性”，交直流混聯(lián)增加了復(fù)雜性；電動車等接入帶來不確定性，峰谷差加劇。對于新型電力系統(tǒng)而言，能力與規(guī)模不匹配、特性與需求不匹配，該如何保持平衡?
新的思路是，只能根據(jù)不同能源場景，利用科學(xué)系統(tǒng)觀，動態(tài)平衡應(yīng)對各項挑戰(zhàn)和問題，將系統(tǒng)作為一個整體，保證要素之間關(guān)聯(lián)耦合，保持系統(tǒng)開放和動態(tài)優(yōu)化。
實際上，安全—經(jīng)濟—環(huán)境“矛盾三角形”是能源電力轉(zhuǎn)型面臨的長期矛盾；三者都是政策、技術(shù)和能源結(jié)構(gòu)相關(guān)性指標(biāo)，應(yīng)采用系統(tǒng)觀認(rèn)識能源電力轉(zhuǎn)型，用整體性原則統(tǒng)籌布局、用動態(tài)性原則有序推進，通過政策完善、技術(shù)進步、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整化解不斷轉(zhuǎn)化的主要矛盾，在安全—經(jīng)濟—環(huán)境新的動態(tài)平衡狀態(tài)下實現(xiàn)能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展。
針對新能源電力電量時空平衡的問題，須從增供和減需兩個方面著手，實現(xiàn)合理水平下的系統(tǒng)動態(tài)平衡。站在“矛盾三角形”的安全角度，結(jié)合我國的資源分布情況和經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r考慮，跨大區(qū)的新能源輸送是必要的，也是很困難的，應(yīng)堅持集中與分布開發(fā)相結(jié)合。隨著我國新能源發(fā)電比例越來越高、增長加快，2030年左右可能會出現(xiàn)“棄風(fēng)棄光”和供電緊張同時存在的局面，需同時考慮增加系統(tǒng)靈活性和需求側(cè)管理措施。為了增加系統(tǒng)靈活性，用存量火電來改造是成本最低的，但存量火電靈活性改造成本傳導(dǎo)機制還急需加強研究。提高新能源利用率，需要在負(fù)荷特性上預(yù)備一些智能化程度高和固定成本低的負(fù)荷來應(yīng)對。
針對新能源發(fā)電出力波動持續(xù)時間長、分布廣、隨機性高的問題，要采用“填”低谷、“儲”高峰的應(yīng)對方式。例如，新疆連續(xù)8天風(fēng)電低出力，給保供帶來了極大壓力；2021年，我國東北各地出現(xiàn)了供電缺口，也是風(fēng)電長時間低出力造成的。根據(jù)預(yù)測，到2060年，我國火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電機組的裝機占比雖然只有20%左右，但其電量占比依舊達到約40%。在以“散、小、軟、低、動”新能源為主的一次能源基礎(chǔ)上生產(chǎn)出穩(wěn)定、高密度、高集中、高可靠的電力，是需要大量的傳統(tǒng)機組和儲能等作為支撐的。所以，在新能源低谷時段，須使用多種手段實現(xiàn)功率平衡，合理利用常規(guī)能源裝機確保“兜底負(fù)荷”。對于高峰時段存在的電力消納問題，業(yè)界提出用儲能來穩(wěn)定輸出，但長時間的儲能技術(shù)還處在突破的瓶頸期，儲能作用還未發(fā)揮充分，須加大攻關(guān)力度進行儲能技術(shù)優(yōu)化升級，實現(xiàn)低成本、長壽命、長周期、高安全、易回收的儲能。
總之，新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，是支撐能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是一個用新政策法規(guī)、新體制機制、新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、新產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)構(gòu)建的多系統(tǒng)交互、多能源耦合的新型能源體系的重要組成部分，是一個各利益主體都能和諧健康生長的生態(tài)系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃不局限于電網(wǎng)或者電力系統(tǒng)。加大、加快相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究是必要的，但更應(yīng)該從全社會、多行業(yè)、高層次的廣闊角度，從一個大的能源體系來考慮，進行統(tǒng)籌規(guī)劃。因此，新型電力系統(tǒng)要從不同層面、角度、維度和尺度加強結(jié)構(gòu)性設(shè)計——不僅是物理結(jié)構(gòu)，還包括技術(shù)體系、政策法規(guī)、電價市場等。
需要強調(diào)，結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡化和突出關(guān)鍵要素的耦合關(guān)系，用結(jié)構(gòu)化和規(guī)則化分散化解矛盾，增強系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和抗擊風(fēng)險的能力。
（作者系中國工程院院士、中國電力科學(xué)研究院名譽院長、國家電網(wǎng)有限公司一級顧問）
