新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對思考
郭劍波，王鐵柱，羅魁，秦曉輝，荊逸然，趙兵，馬士聰
（國家電網(wǎng)有限公司，中國電力科學(xué)研究院有限公司）
1.研究背景
為應(yīng)對氣候變化，落實(shí)《巴黎協(xié)定》，中國承諾2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。能源結(jié)構(gòu)由高碳向低碳轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵，而電力又是其主戰(zhàn)場。電力系統(tǒng)將成為能源供應(yīng)、消費(fèi)以及傳輸轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)，需要支撐清潔能源的消納、保障終端多種用能的需求，形成可支撐多種能源品種交叉轉(zhuǎn)換的現(xiàn)代能源體系樞紐和平臺。美國、英國、歐盟等發(fā)達(dá)國家/地區(qū)在政府主導(dǎo)下持續(xù)推動能源低碳轉(zhuǎn)型和電力系統(tǒng)變革，丹麥2021年新能源發(fā)電量占比超過50%，德國和英國可再生能源發(fā)電量占比約40%。與此同時(shí)，近年來國外高比例新能源電力系統(tǒng)事故頻發(fā)。因此，必須加快新型電力系統(tǒng)的研究和建設(shè)。本文從我國“雙碳”目標(biāo)下的能源和電力場景出發(fā)，分析我國新型電力系統(tǒng)所面臨的充裕性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制挑戰(zhàn)，提出應(yīng)對措施和關(guān)鍵技術(shù)建議，并總結(jié)提煉新型電力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要變革。以期為能源電力行業(yè)從業(yè)人員提供有益參考。
2.本文亮點(diǎn)
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是我國實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。隨著能源結(jié)構(gòu)變革的深入推進(jìn)，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性也將發(fā)生深刻變化，安全?經(jīng)濟(jì)?環(huán)境“矛盾三角形”是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)將面臨的長期挑戰(zhàn)。本文簡要介紹了我國“雙碳”目標(biāo)下的能源和電力場景，系統(tǒng)分析了我國新型電力系統(tǒng)面臨的充裕性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制挑戰(zhàn)，提出了值得關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)，最后總結(jié)提煉了新型電力系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的主要變革。
3.重點(diǎn)內(nèi)容
1）能源電力發(fā)展場景
據(jù)預(yù)測，2030年我國終端電氣化水平上升至39%，全社會用電量將達(dá)到11.8萬億kW·h，電源裝機(jī)總量將達(dá)到40億kW，風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)超過煤電成為第一大電源，但煤電仍然是電力電量供應(yīng)主體。電力行業(yè)將承接其他行業(yè)轉(zhuǎn)移的碳排放，碳減排任務(wù)和壓力更大。
2060年我國一次能源消費(fèi)中非化石能源占比將達(dá)到80%以上；非化石能源發(fā)電量占90%以上；電能占終端能源消費(fèi)比例將超過70%。全社會用電量達(dá)到約15.7萬億kW·h，電源裝機(jī)將超過67億kW；風(fēng)光裝機(jī)占比超過60%，發(fā)電量占比超過50%，成為電量供應(yīng)主體，但在電力平衡中占比仍然較低；化石能源電量占比小于7%，考慮碳捕獲、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技術(shù)，電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放。
（a）我國一次能源結(jié)構(gòu)演變過程
（b）我國終端能源結(jié)構(gòu)演變過程
圖1 我國2020—2060年能源場景
2）新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)性、波動性，電力電量時(shí)空分布極度不均衡，豐饒和短缺交織，帶來充裕性挑戰(zhàn)；新能源發(fā)電大規(guī)模替代常規(guī)機(jī)組，新能源的弱支撐性導(dǎo)致電網(wǎng)“空心化”加劇，故障造成打擊強(qiáng)度增加，新能源調(diào)節(jié)和耐受能力相對于同步機(jī)又不足，帶來安全性挑戰(zhàn)；新能源發(fā)電成本下降，但系統(tǒng)匹配的調(diào)節(jié)和安全成本大幅增加，新能源高電量場景需要多行業(yè)、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)，需要政策機(jī)制的引導(dǎo)和保障，帶來經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制挑戰(zhàn)。安全?經(jīng)濟(jì)?環(huán)境“矛盾三角形”將長期存在，也是新型電力系統(tǒng)面臨的長期挑戰(zhàn)。
a. 充裕性挑戰(zhàn)
新能源各時(shí)間尺度波動需要系統(tǒng)匹配相應(yīng)時(shí)間尺度的靈活調(diào)節(jié)能力，還需要電力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)甚至社會系統(tǒng)(用電行為、需求側(cè)響應(yīng)等)協(xié)同。我國中東部風(fēng)、光資源技術(shù)可開發(fā)量遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷用電需求，能源電力空間平衡的需求和挑戰(zhàn)大，需解決能源經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)籌、輸電走廊規(guī)劃、系統(tǒng)安全保障等問題。
圖2 新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷比例的最小值、平均值和最大值
b. 安全性挑戰(zhàn)
系統(tǒng)慣量降低、調(diào)頻能力下降，頻率越限風(fēng)險(xiǎn)增加，低壓并網(wǎng)，電壓支撐和調(diào)節(jié)能力弱，功角穩(wěn)定特性復(fù)雜，不確定性增加，寬頻帶振蕩等問題出現(xiàn)。
圖3 某區(qū)域電網(wǎng)故障后頻率曲線對比
c. 經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制挑戰(zhàn)
新能源發(fā)電邊際成本低、系統(tǒng)成本高，發(fā)電開發(fā)門檻低、建設(shè)快，利益主體龐雜交織，多目標(biāo)協(xié)同難度大。
3）應(yīng)對措施及關(guān)鍵技術(shù)
安全?經(jīng)濟(jì)?環(huán)境“矛盾三角形”是新型電力系統(tǒng)面臨的長期挑戰(zhàn)，需要通過科技創(chuàng)新、政策改進(jìn)等措施不斷緩解三者矛盾，使其在新平衡態(tài)下支撐能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，支撐國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。應(yīng)對思路如圖4所示，下面推薦若干關(guān)鍵技術(shù)供參考。
圖4 應(yīng)對措施和關(guān)鍵技術(shù)
a. 靈活能力建設(shè)
通過對源?網(wǎng)?荷側(cè)進(jìn)行改造提升和協(xié)調(diào)優(yōu)化、增加儲能資源、發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)對新能源出力的尺度平滑作用等措施，可以提高電力系統(tǒng)的供電保障和新能源消納能力。
b. 電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新
系統(tǒng)性認(rèn)知新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定機(jī)理，加強(qiáng)電力系統(tǒng)規(guī)劃的權(quán)威性和強(qiáng)制性，加快新能源并網(wǎng)/組網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新研究與應(yīng)用，建立在快速感知、智能決策和“三道防線”等基礎(chǔ)上的運(yùn)行控制。
c. 綜合提升技術(shù)
虛擬電廠：通過先進(jìn)通信技術(shù)和控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分散的各種能源設(shè)備的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化。
電力氣象：氣象條件是高比例新能源電力系統(tǒng)最關(guān)鍵的外部影響因素，近年來極端天氣下的停電事故呈上升趨勢。
CCUS技術(shù)：在雙碳目標(biāo)下，化石能源發(fā)電、鋼鐵等領(lǐng)域需要配合CCUS技術(shù)進(jìn)行深度脫碳，實(shí)現(xiàn)近零排放。據(jù)多方預(yù)測，2060年我國碳捕集量為6~12億t/年。
數(shù)字孿生與人工智能：提升對物理系統(tǒng)的認(rèn)知、診斷、預(yù)測、決策和管理能力，應(yīng)對系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，提升智能化水平。
d. 政策和市場機(jī)制
完善電價(jià)市場機(jī)制，加強(qiáng)輔助服務(wù)市場建設(shè)，以市場化手段推動系統(tǒng)綜合成本的合理傳導(dǎo)；建設(shè)碳市場、綠證市場，通過市場化的方式解決環(huán)境問題；界定和協(xié)調(diào)電力的安全屬性與商品屬性。
4）新型電力系統(tǒng)變革
“雙碳”目標(biāo)背景下，新型電力系統(tǒng)在本質(zhì)特征上有顯著的變化。新的特征帶來了系統(tǒng)要素變化、要素關(guān)聯(lián)關(guān)系的變化，需要進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)觀、全局觀，從系統(tǒng)層面重新審視、認(rèn)知電力系統(tǒng)，厘清新的矛盾主體和矛盾演化規(guī)律，以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展與建設(shè)的需求。
新的功能定位：國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中社會責(zé)任提升、全局性和基礎(chǔ)性作用增強(qiáng)、安全性特征凸顯，給政府政策法規(guī)制定和監(jiān)管、電力企業(yè)運(yùn)營帶來了挑戰(zhàn)。
新的供需特性：新能源電力具有強(qiáng)不確定性和低保障性，“極熱無風(fēng)、晚峰無光”以及負(fù)荷與新能源出力共同受極端天氣影響的負(fù)相關(guān)性等特征明顯，供需呈現(xiàn)新的特性，時(shí)空平衡難度增大。
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)將發(fā)生變化。關(guān)鍵礦物原料等產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)安全成為能源資源供應(yīng)安全新的組成部分。
圖5 部分能源技術(shù)的礦物單位需求量
新的結(jié)構(gòu)形態(tài)：電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)形態(tài)、負(fù)荷形態(tài)均發(fā)生變化，新的結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了新型電力系統(tǒng)是以電力為平臺、電網(wǎng)為樞紐核心的多能源、多層級綜合能源系統(tǒng)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和規(guī)則化處理，合理選擇能源利用方式。
新的市場機(jī)制：現(xiàn)有以電量競爭為主的市場機(jī)制功能不完善，與多層級多種類市場體系的功能需求不匹配，需要調(diào)動協(xié)調(diào)市場參與主體共同參與輔助服務(wù)等多層級市場。
新的政策法規(guī)：比如規(guī)劃的法律地位和責(zé)任關(guān)系、電力監(jiān)管的重點(diǎn)和方式、電力商品和安全屬性的統(tǒng)籌、供電營業(yè)區(qū)與微電網(wǎng)/產(chǎn)銷者的關(guān)系、電力可獲得的公平屬性等等。
4.結(jié)論
電力是能源革命主戰(zhàn)場，新型電力系統(tǒng)是現(xiàn)代能源體系的樞紐和平臺。新型電力系統(tǒng)的發(fā)展構(gòu)建過程將長期面臨安全?經(jīng)濟(jì)?環(huán)境矛盾疊加、“保供應(yīng)、保安全、促消納”問題交織的挑戰(zhàn)。需要充分認(rèn)識和掌握新型電力系統(tǒng)演進(jìn)的客觀規(guī)律和各階段主要矛盾，堅(jiān)持先立后破，有計(jì)劃分步驟實(shí)施行動。
