中國儲能網訊：隨著“雙碳”目標的推進，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)電設備的低邊際運行成本、高系統(tǒng)運行成本，對系統(tǒng)靈活調節(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，也給經濟性和體制機制帶來挑戰(zhàn)。構建新型電力系統(tǒng)，需合力化解安全—經濟—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)整體思維認識和規(guī)劃設計新型電力系統(tǒng)，統(tǒng)籌政策法規(guī)、技術經濟、創(chuàng)新發(fā)展、產業(yè)轉型、行業(yè)協(xié)同，有助于在協(xié)調平衡狀態(tài)下實現(xiàn)“雙碳”目標和可持續(xù)發(fā)展。
2022能源電力轉型國際論壇之能源低碳轉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
新認知：需結合新特性發(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是新型電力系統(tǒng)的核心技術問題。對于新型電力系統(tǒng)的認知，要結合其新的功能定位、供需特性、產業(yè)基礎、結構形態(tài)、市場機制、政策法律和關鍵技術。
基于新的功能定位，新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)“雙碳”目標的主要舉措。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)同有序構建。反之，新型電力系統(tǒng)構建又要適應經濟社會對基礎性、平臺性系統(tǒng)的需求，對相關政策法規(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。據預測，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負荷的比例為5%~61%，2060年為16%~142%。峰荷增速快于電量增速，“極熱無風”“晚峰無光”以及極端天氣下負荷與新能源出力的負相關性等特征明顯。新能源長時間、低出力帶來保供應挑戰(zhàn)，長時間、高出力則帶來系統(tǒng)消納、安全和能源轉儲利用挑戰(zhàn)，因此，新能源各時間尺度波動需要系統(tǒng)匹配相應時間尺度的靈活調節(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、負荷響應等）協(xié)同。
基于新的產業(yè)基礎，新型電力系統(tǒng)建立在新型產業(yè)鏈基礎上，物質基礎、技術體系和瓶頸環(huán)節(jié)都將發(fā)生變化。國際能源署（IEA）的報告指出，陸上風電場所需礦產資源是類似燃氣發(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，關鍵礦產資源等產業(yè)鏈供應安全成為能源供應安全新的組成部分，需要加強戰(zhàn)略規(guī)劃、政策支持、礦產探采技術創(chuàng)新等，完善礦產資源供給保障體系，保證產業(yè)鏈安全的多元化和安全性。
基于新的結構形態(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、政策法規(guī)和市場機制對電源構成和系統(tǒng)形態(tài)將起決定性作用；從電網形態(tài)看，呈現(xiàn)交/直流混聯(lián)、大/微電網共存、交流同步機制為主的多層級多元電網形態(tài)和多種運行機制；從負荷形態(tài)看，增長空間大、峰谷差加大、反調節(jié)性強，又具有可交易、可聚合、可塑性和可控性；從儲能技術看，需求大、增長快、種類雜、功用多，大規(guī)模應用需實現(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、價格主導的市場形式。電力市場建立在可靠安全的電力供應基礎上。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，合理傳導新能源導致的系統(tǒng)成本和支撐能力增加。調動多利益主體共同參與輔助服務等多層級市場，通過保障、激勵機制及監(jiān)管機制，穩(wěn)定投資者預期，確保可持續(xù)的電力供應。電力市場改革過去關注的是市場主體的改革，下一步要更加關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)成本及相關的礦產開發(fā)、退役回收等給能源電力的安全、經濟、清潔供應帶來新的挑戰(zhàn)，需要明確的方面很多，比如規(guī)劃制訂的法律地位和責任關系、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、供需關系等的協(xié)同。
基于新的關鍵技術，技術創(chuàng)新是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐?！半p碳”背景下，電力系統(tǒng)規(guī)劃分析、電網運行控制、電力市場建設及碳捕集利用與封存（CCUS）、氫能乃至可控核聚變等技術，需要加大基礎理論研究、技術攻關、裝備研發(fā)、示范工程和創(chuàng)新體系建設。相關建設會進一步增加系統(tǒng)構建成本，需要體制機制、商業(yè)模式、標準規(guī)范的系統(tǒng)性創(chuàng)新，需要多行業(yè)協(xié)同推動關鍵技術經濟高效落地應用及系統(tǒng)轉型升級。
新思路：科學系統(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，只能根據不同能源場景，利用科學系統(tǒng)觀，動態(tài)平衡應對各項挑戰(zhàn)和問題，將系統(tǒng)作為一個整體，保證要素之間關聯(lián)耦合，保持系統(tǒng)開放和動態(tài)優(yōu)化。
實際上，安全—經濟—環(huán)境“矛盾三角形”是能源電力轉型面臨的長期矛盾；三者都是政策、技術和能源結構相關性指標，應采用系統(tǒng)觀認識能源電力轉型，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、技術進步、能源結構調整化解不斷轉化的主要矛盾，在安全—經濟—環(huán)境新的動態(tài)平衡狀態(tài)下實現(xiàn)能源電力轉型發(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，結合我國的資源分布情況和經濟發(fā)展狀況考慮，跨大區(qū)的新能源輸送是必要的，也是很困難的，應堅持集中與分布開發(fā)相結合。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機制還急需加強研究。提高新能源利用率，需要在負荷特性上預備一些智能化程度高和固定成本低的負荷來應對。
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”高峰的應對方式。例如，新疆連續(xù)8天風電低出力，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，也是風電長時間低出力造成的。根據預測，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上生產出穩(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，須加大攻關力度進行儲能技術優(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”目標的重要舉措，是支撐能源轉型和可持續(xù)發(fā)展的關鍵技術，是一個用新政策法規(guī)、新體制機制、新標準規(guī)范、新產業(yè)基礎構建的多系統(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)劃不局限于電網或者電力系統(tǒng)。加大、加快相關技術的開發(fā)研究是必要的，但更應該從全社會、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、維度和尺度加強結構性設計——不僅是物理結構，還包括技術體系、政策法規(guī)、電價市場等。
需要強調，結構設計要簡化和突出關鍵要素的耦合關系，用結構化和規(guī)則化分散化解矛盾，增強系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和抗擊風險的能力。
（作者系中國工程院院士、中國電力科學研究院名譽院長、國家電網有限公司一級顧問）
