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引言
2020年中國(guó)二氧化碳排放總量約110億t，而能源燃燒的二氧化碳排放約為98億t，其中電力行業(yè)煤電排放約39億t，約占二氧化碳總排放量的1/3。能源革命是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的關(guān)鍵，電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)能源革命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
根據(jù)目前對(duì)承載新能源能力、系統(tǒng)低碳化發(fā)展趨勢(shì)下的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判[1-2]，電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、市場(chǎng)機(jī)制、技術(shù)創(chuàng)新體系等都面臨變革。目前，行業(yè)內(nèi)主要聚焦于高比例新能源電力系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)的演化和未來形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]基于社會(huì)-技術(shù)系統(tǒng)理論，對(duì)中國(guó)電力系統(tǒng)演化路徑歷史進(jìn)行了分析，并判斷了宏觀體制和微觀技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)演化的影響；文獻(xiàn)[4-5]通過建立電力系統(tǒng)形態(tài)演化的綜合模型，提出對(duì)未來電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的判斷；文獻(xiàn)[6]采用GESP-V軟件包進(jìn)行優(yōu)化分析，確定不同情景下的電力低碳轉(zhuǎn)型路徑；文獻(xiàn)[7]根據(jù)當(dāng)前及未來電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題和關(guān)鍵因素分析，提出了新一代電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特征。
上述文獻(xiàn)主要從電力系統(tǒng)發(fā)展本身，以新能源大規(guī)模發(fā)展為背景，進(jìn)行了理論、模型和結(jié)構(gòu)形態(tài)的探討。在一個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型初期，從宏觀的視角引導(dǎo)思維的突破、技術(shù)的創(chuàng)新比僅從行業(yè)內(nèi)部來討論具體技術(shù)，更具有指導(dǎo)意義和價(jià)值。美國(guó)著名科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫(kù)恩提出的范式及其轉(zhuǎn)換理論逐漸成為各行業(yè)轉(zhuǎn)型分析的基礎(chǔ)理論，經(jīng)濟(jì)學(xué)把它作為改革目標(biāo)轉(zhuǎn)換模式的理論依據(jù)；歷史學(xué)家用它來解釋朝代的變更；科學(xué)史家用來探討“李約瑟難題”：為什么近代科學(xué)沒有在中國(guó)產(chǎn)生？[8]。
面對(duì)能源轉(zhuǎn)型，文獻(xiàn)[9]從問題、目標(biāo)和方法切入，提出了全球能源治理的范式轉(zhuǎn)換；文獻(xiàn)[10]針對(duì)能源轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)，提出了新的研究范式。上述文獻(xiàn)引入范式概念從而對(duì)管理、研究路徑轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探索，但都沒有從能源、電力本身去證明其是否符合范式轉(zhuǎn)換的基本特征。本文引入科學(xué)革命的本質(zhì)是范式轉(zhuǎn)換的基本理論，在能源革命背景下，從電力發(fā)展本身及其導(dǎo)致的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成效分析電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型是否符合范式轉(zhuǎn)換，即原發(fā)展范式、危機(jī)與反常、新范式建立的過程，在此基礎(chǔ)上探索電力系統(tǒng)范式轉(zhuǎn)換的目標(biāo)和新范式的內(nèi)容，力圖從宏觀上建立電力系統(tǒng)范式轉(zhuǎn)換結(jié)果便是新型電力系統(tǒng)的基本結(jié)論，引導(dǎo)科技創(chuàng)新為主的新發(fā)展范式思維的建立，避免對(duì)過去規(guī)模為主的舊范式的依賴，快速推進(jìn)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。
1.范式轉(zhuǎn)換基本定義及應(yīng)用
1.1 范式的基本定義
范式（paradigm）一詞最早出現(xiàn)在亞里士多德的《修辭學(xué)》，其最初定義為“一種最好的、最具指導(dǎo)性的例子”，而后逐漸發(fā)展，脫離了語(yǔ)言學(xué)的范疇，用于“描述被遵循或被模仿的標(biāo)準(zhǔn)模型”。
1962年，美國(guó)著名科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫(kù)恩(Thomas Kuhn) 賦予了 “范式”一詞以“現(xiàn)代含義”，在其代表作《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》[11]定義了“科學(xué)（研究）范式”，其具體是指“為共同體所接受的科學(xué)實(shí)踐（包括定律、理論、應(yīng)用、試驗(yàn)和儀器）的例子，提供給科學(xué)研究者一種一貫的傳統(tǒng)，并被當(dāng)作由此構(gòu)成科學(xué)共同體第一要素的承諾”。這個(gè)概念的提出對(duì)科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)乃至一般哲學(xué)的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
1.2 范式轉(zhuǎn)換及科學(xué)革命
常規(guī)科學(xué)范式規(guī)定了共同體（從事一個(gè)學(xué)科研究，甚至一個(gè)更小的共同專題研究的團(tuán)體）所研究的謎題和問題，并產(chǎn)生成果，直到范式規(guī)定的方法不能應(yīng)付越來越多的反?，F(xiàn)象，科學(xué)研究危機(jī)爆發(fā)，并持續(xù)到一項(xiàng)新的科學(xué)成就產(chǎn)生，重新指導(dǎo)研究，再逐漸被（可能是新的）共同體認(rèn)同為新一代的范式，這就是“范式轉(zhuǎn)換”。庫(kù)恩指出：科學(xué)革命的實(shí)質(zhì)就是范式轉(zhuǎn)換。
庫(kù)恩同時(shí)也指出，科學(xué)革命起源于科學(xué)共同體中一小部分逐漸感覺到現(xiàn)有范式的失效，這不僅適用于解釋哥白尼天文學(xué)革命和拉西瓦化學(xué)革命那樣重大的范式轉(zhuǎn)換，同樣也適用于諸如發(fā)現(xiàn)氧氣和X射線等只涉及發(fā)現(xiàn)一個(gè)新現(xiàn)象的范式轉(zhuǎn)換。
1.3 范式轉(zhuǎn)換理論的應(yīng)用
范式的提出源自科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)研究，因此范式轉(zhuǎn)換也最先被用來梳理科技革命史。根據(jù)庫(kù)恩的定義，學(xué)者們對(duì)科學(xué)技術(shù)歷史進(jìn)行了梳理，并大致歸納了3次范式轉(zhuǎn)換。第1次是以伽利略、牛頓等科學(xué)家為代表的實(shí)驗(yàn)科學(xué)（如著名的伽利略比薩斜塔實(shí)驗(yàn)）范式替代經(jīng)驗(yàn)總結(jié)范式，誕生了近代物理學(xué)；第2次是以愛因斯坦等為代表的理論推導(dǎo)范式替代了純實(shí)驗(yàn)范式，產(chǎn)生了相對(duì)論和量子力學(xué)，從而奠定了近代科學(xué)的基礎(chǔ)；第3次是計(jì)算成為科學(xué)研究的新范式，從而進(jìn)入了信息時(shí)代。雖然上述劃分并沒有在學(xué)術(shù)界取得公認(rèn)，但仍具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。
作為一種分析方法，范式轉(zhuǎn)換的概念廣泛應(yīng)用于社會(huì)學(xué)、管理學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域[12-14]。文獻(xiàn)[15]研究指出，一些復(fù)雜系統(tǒng)存在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的規(guī)律，如社會(huì)系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（如人口數(shù)量或GDP）在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)規(guī)律下，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)能源造成極大的需求，在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，如果不實(shí)施范式轉(zhuǎn)移（如擺脫對(duì)化石能源的依賴），最后將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。社會(huì)經(jīng)濟(jì)之所以沒有崩潰，就是利用了煤炭工業(yè)、電話和計(jì)算機(jī)等“范式轉(zhuǎn)換”。
由于庫(kù)恩本人在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中對(duì)于范式一詞有多達(dá)21種用法，導(dǎo)致對(duì)范式理解不一，很多研究和論文對(duì)范式的引用過濫且不嚴(yán)肅，不符合范式基本定義。英國(guó)學(xué)者瑪格麗特·瑪斯特曼（Margaret Masterman）將庫(kù)恩的范式概念模型概括為3種類型[16]：一是作為一種信念、一種形而上學(xué)思辨，它是哲學(xué)范式或元范式；二是作為一種科學(xué)習(xí)慣、一種學(xué)術(shù)傳統(tǒng)、一個(gè)具體的科學(xué)成就，它是社會(huì)學(xué)范式；三是作為一種依靠本身成功示范的工具、一個(gè)解疑難的方法、一個(gè)用來類比的圖像，它是人工范式或構(gòu)造范式。通常討論和運(yùn)用的是范式的后兩種含義。本文也是根據(jù)第3種定義來開展分析工作。
另外，需要說明的是，庫(kù)恩的范式及其轉(zhuǎn)換的提出，是對(duì)科學(xué)研究史的一次總結(jié)和哲學(xué)提煉，哲學(xué)觀點(diǎn)一旦被認(rèn)可，就可用來對(duì)未來態(tài)進(jìn)行研判，這也是本文想要達(dá)到的目的，但由于誕生語(yǔ)境遷移適應(yīng)需要過程，往往也會(huì)存在機(jī)理邏輯不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}。
2.能源革命及范式轉(zhuǎn)換
人類利用能源的歷史和人類的發(fā)展史幾乎是同步的。文獻(xiàn)[17]指出，人類在過去的200年里經(jīng)歷了2次大的能源轉(zhuǎn)型，分別是19世紀(jì)中期開始的從木柴到煤炭的轉(zhuǎn)型，以及20世紀(jì)初期開始的從煤炭到石油天然氣的轉(zhuǎn)型。
上述過程，一般稱之為能源轉(zhuǎn)型，其基本意義是主能源的切換是跟隨型的，譬如第一次工業(yè)革命帶來的機(jī)械化，必然是要求能量密度更高的、易挖掘的能源來替代木柴；第二次能源轉(zhuǎn)型是內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，需要更易攜帶、更高能量密度的能源利用形式。2次轉(zhuǎn)型沒有上升為能源革命，按照革命即是范式轉(zhuǎn)換的基本定義，也可以認(rèn)為沒有產(chǎn)生范式轉(zhuǎn)換過程，即2次轉(zhuǎn)換都遵循了同一個(gè)能源發(fā)展范式。這個(gè)范式可以認(rèn)為是從低能量密度向高能量密度轉(zhuǎn)型升級(jí)（經(jīng)濟(jì)性隨之提升）。如果沿用該范式，下一次能源轉(zhuǎn)型應(yīng)該開發(fā)比石油、天然氣能量密度更高的能源，核能利用是理想的能源。核能的利用主要聚焦于核裂變技術(shù)和核聚變技術(shù)，核裂變技術(shù)主要受制于安全性要求和小型化技術(shù)約束，而核聚變技術(shù)距離工業(yè)化應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的距離，目前來看，都很難作為未來主要依托能源[18]。
如果不改變現(xiàn)有能源發(fā)展范式，人類發(fā)展不斷加速，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響將不斷加劇。地球大氣二氧化碳的濃度從1958年的313 μL/L上升到2023年超過420 μL/L，科學(xué)研究結(jié)果表明，二氧化碳濃度的提升將對(duì)地球和人類造成災(zāi)難性后果[18]。電力行業(yè)作為二氧化碳排放的主要源頭，在核能不能作為第三次能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的前提下，具有范式轉(zhuǎn)換內(nèi)涵的能源革命具有必然性。
清潔能源利用模式包括水能、風(fēng)能、光能的開發(fā)，由于水能開發(fā)形式以水電為主，而且資源相對(duì)有限，未來還是以風(fēng)能、光能的利用為主，且主要是用作發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)化石能源發(fā)電的替換。風(fēng)能、光能的發(fā)電利用早已開始，并且逐漸成為未來能源利用方式的主流。新能源發(fā)電的利用破壞了原有能源密度從低到高的傳統(tǒng)范式（從前端原料供給來看，其可靠性也降低），但同時(shí)也將建立了環(huán)境友好度從低到高的新范式。
要實(shí)現(xiàn)一次能源發(fā)展的范式轉(zhuǎn)換，經(jīng)歷時(shí)間會(huì)比前兩次能源轉(zhuǎn)型更長(zhǎng)，圖1展示了能源快速轉(zhuǎn)型情景中的一次能源占比變化情況[19]。如果以2000年新能源技術(shù)開始成熟并進(jìn)入發(fā)電領(lǐng)域作為起始，需要到2050—2060年才能完全實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。在此期間，能源革命，即能源發(fā)展范式的成功轉(zhuǎn)換需要解決2個(gè)主要矛盾：1）能源供給側(cè)能量密度降低和供給可靠性下降與對(duì)能源供給經(jīng)濟(jì)性和可靠性不斷提升的需求之間的矛盾；2）新能源利用形式以用電為主的單一化增量供給趨勢(shì)和社會(huì)能源需求多元化之間的矛盾。
圖1 快速轉(zhuǎn)型情景中的一次能源占比
Fig.1 Proportion of primary energy in rapid transformation scenario
雖然電力系統(tǒng)在能源革命中占據(jù)樞紐地位，但邏輯上不存在嚴(yán)格的承接關(guān)系，即能源的范式轉(zhuǎn)換，在電力系統(tǒng)中未必也要范式轉(zhuǎn)換。如果電力系統(tǒng)延續(xù)現(xiàn)有發(fā)展范式，在經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性、可靠性甚至發(fā)展空間上，都能順利承接新能源發(fā)電的占比不斷提升直至能源革命實(shí)現(xiàn)，那就不會(huì)有范式轉(zhuǎn)換。
3.電力系統(tǒng)的發(fā)展范式
范式轉(zhuǎn)換的一般過程為原有范式—危機(jī)和反?！路妒浇?。以下按照該邏輯對(duì)能源革命下，即新能源發(fā)電占比不斷提升的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程是否存在范式轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析。首先是對(duì)原有范式的分析。電力系統(tǒng)作為一個(gè)工業(yè)系統(tǒng)，其追求目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)、安全穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，原有的范式應(yīng)該是以某種較固定的構(gòu)造范式支撐3個(gè)目標(biāo)的不斷提升。為簡(jiǎn)化問題，分別從電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行分析。
3.1 從電源側(cè)看經(jīng)濟(jì)性提升
傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)中，以火電為例，技術(shù)研發(fā)一直從低溫低壓向高溫高壓技術(shù)、從亞臨界到超臨界邁進(jìn)，機(jī)組參數(shù)從小容量、低參數(shù)向大容量、高參數(shù)邁進(jìn)。表1是中國(guó)火電機(jī)組的發(fā)展情況。
表1 中國(guó)火電機(jī)組發(fā)展歷史
Table 1 Development history of thermal power units in China
高參數(shù)大容量機(jī)組可以不斷提升能源利用效率（見圖2）。由圖2的煤耗曲線可知，每次發(fā)電機(jī)組的技術(shù)進(jìn)步及普及，都能加速煤耗的降低。除火電機(jī)組外，發(fā)展高參數(shù)大容量機(jī)組，才能建設(shè)大型水電廠，充分挖掘水電資源潛力。
圖2 中國(guó)火電平均煤耗（1978—2022年）
Fig.2 Average coal consumption of thermal power in China (1978—2022)
隨著單機(jī)容量的提升，發(fā)電廠可以更好實(shí)現(xiàn)集約化、規(guī)?；_發(fā)，考慮到一次能源的供應(yīng)，坑口、港口等遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的大電源不斷出現(xiàn)。因此電源側(cè)呈現(xiàn)了很好的規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢(shì)。規(guī)模化發(fā)展帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，其本質(zhì)就是經(jīng)濟(jì)性的不斷提升。當(dāng)然，電價(jià)構(gòu)成和變化比較復(fù)雜，但中國(guó)電價(jià)長(zhǎng)期以來維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平也說明了規(guī)?；б娴淖饔?。
3.2 從電網(wǎng)側(cè)看安全穩(wěn)定性提升
輸電技術(shù)經(jīng)歷了2次重大變革。第1次是從直流輸電系統(tǒng)到交流輸電系統(tǒng)，經(jīng)歷此次轉(zhuǎn)型后，電可以從一個(gè)街區(qū)擴(kuò)展到一個(gè)城市以上的更大范圍。進(jìn)入到交流系統(tǒng)快速發(fā)展階段，為了配合發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步、大型電站的不斷開發(fā)，輸電電壓等級(jí)不斷提升，如圖3所示，電廠與用戶間的距離也越來越遠(yuǎn)，但是單個(gè)通道的輸送能力越來越高。
圖3 交流電壓等級(jí)升級(jí)歷史過程
Fig.3 History of AC voltage level upgradation
輸電電壓等級(jí)提高帶來的另外一個(gè)好處是，同步電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，擴(kuò)大了電源資源優(yōu)化配置的范圍，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全共享效益。
輸電技術(shù)的第2次技術(shù)變革是從純交流輸變電技術(shù)，到直流輸電技術(shù)突破后的交直流混聯(lián)輸電?，F(xiàn)代直流輸電技術(shù)，輸電距離可以達(dá)到1000~3000 km，單通道輸電功率突破了10 GW，進(jìn)一步擴(kuò)大了資源優(yōu)化配置的范圍。
電源規(guī)模、負(fù)荷規(guī)模不斷增長(zhǎng)，電網(wǎng)擴(kuò)張式發(fā)展，帶來理想的自然助增效果，如圖4所示（文獻(xiàn)[20]提出在2015年之前維持這種趨勢(shì)）。包括電氣距離的不斷縮短（Y(t)曲線）、系統(tǒng)慣量（Ms(t)曲線）的不斷增加、無功補(bǔ)償（Q(t)曲線）容量的增加，另外還帶來了次一級(jí)的短路電流/短路容量（I(t)曲線）增長(zhǎng)效應(yīng)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平(S(t)曲線)與Y(t)、Ms(t)、Q(t)正相關(guān)，因此電網(wǎng)的擴(kuò)張式發(fā)展本身就解決了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。同時(shí)，由于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的功率可控可調(diào)特性好，電力系統(tǒng)的電力電量平衡問題并不突出，作為可靠性指標(biāo)之一的充裕性不斷提升。
圖4 電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平及相關(guān)因素示意
Fig.4 Schematic diagram of power system stability level and related factors
綜上，電源集約化、電網(wǎng)電壓等級(jí)提升和同步電網(wǎng)不斷擴(kuò)張，構(gòu)成了現(xiàn)存電力系統(tǒng)的發(fā)展范式，即：依靠技術(shù)進(jìn)步和需求驅(qū)動(dòng)的電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和可靠性的不斷提升。這個(gè)發(fā)展范式體現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)化系統(tǒng)思維指導(dǎo)下的發(fā)展特點(diǎn)，即遵循規(guī)模工業(yè)的發(fā)展范式。
4.電力系統(tǒng)發(fā)展面臨危機(jī)與反?！?guī)?；妒绞?/strong>
4.1 經(jīng)濟(jì)性
規(guī)模工業(yè)的發(fā)展范式帶來經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和可靠性的提升。隨著能量密度越來越低的新能源發(fā)電規(guī)模增加，電力系統(tǒng)成本增加，經(jīng)濟(jì)性逐漸進(jìn)入下行區(qū)。
文獻(xiàn)[21]提出了綠色溢價(jià)的概念，電力的綠色溢價(jià)是指從非排放源中（包括風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、核電和安裝了碳捕集裝置的火電）獲得所有電力的額外成本。通過建立模型評(píng)估，美國(guó)實(shí)現(xiàn)零碳電力供應(yīng)的綠色溢價(jià)為15%，歐洲脫碳90%~95%的綠色溢價(jià)達(dá)到20%。
文獻(xiàn)[22]對(duì)德國(guó)能源轉(zhuǎn)型下家庭電價(jià)進(jìn)行了跟蹤分析（見圖5），其結(jié)果指出，2000—2015年，新型可再生能源（風(fēng)電、光伏發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電）發(fā)電量占比從1.19%提高到26%，家庭用電成本從0.18歐元/(kW·h)提高到0.32歐元/(kW·h)，提高了80%。
圖5 德國(guó)能源轉(zhuǎn)型與家庭電價(jià)
Fig.5 German energy transformation and household electricity prices
文獻(xiàn)[23]對(duì)中國(guó)未來新能源發(fā)電占比不斷提升下電價(jià)成本進(jìn)行了初步分析，結(jié)論指出：系統(tǒng)源端技術(shù)特性從“硬、集、大、穩(wěn)”向“軟、散、小、晃”轉(zhuǎn)變，土地資源和原材料供應(yīng)日趨緊張，發(fā)輸電設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)性下降，系統(tǒng)備用和調(diào)節(jié)資源的規(guī)模和性能要求越來越高，這些都將使得送端新能源電量的到網(wǎng)/到戶綜合成本顯著上升，初步估算可達(dá)常規(guī)電源的1.3~1.5倍。
4.2 安全穩(wěn)定性
新能源的大規(guī)模增長(zhǎng)，系統(tǒng)不斷擴(kuò)大的自然助增效果減弱甚至轉(zhuǎn)向負(fù)向效應(yīng)，如圖4后半段曲線所示：電氣距離的縮短效益不明顯，Y(t)曲線進(jìn)入飽和段；系統(tǒng)慣量下降（Ms(t)曲線進(jìn)入下降區(qū)）；系統(tǒng)的無功補(bǔ)償能力也下降（Q(t)曲線進(jìn)入下降區(qū)），由此可以判斷，與上述因素強(qiáng)相關(guān)的系統(tǒng)穩(wěn)定性也下降（S(t)曲線進(jìn)入下降區(qū)）。
2016年澳大利亞發(fā)生“9·28”停電事故[24]，2019年英國(guó)發(fā)生“8·9”停電事故[25]，事故時(shí)系統(tǒng)的本地開機(jī)出力占負(fù)荷比例均在50%左右。當(dāng)本地開機(jī)不足時(shí)，由于承受擾動(dòng)能力變差，新能源脫網(wǎng)造成連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致停電事故。
文獻(xiàn)[20]分別從頻率穩(wěn)定和受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的角度，分析了系統(tǒng)可承載的新能源出力規(guī)模，研究結(jié)論認(rèn)為，從系統(tǒng)穩(wěn)定性要求來看，系統(tǒng)最大可承載的新能源出力占比為50%左右，這與實(shí)際上述2起發(fā)生停電事故的工況是接近的。根據(jù)圖6所示，從2035年以后，新能源出力占負(fù)荷比例超過50%的運(yùn)行工況將逐漸成為常態(tài)，到2060年，此工況年運(yùn)行將接近4000 h。若按照上述最高比例判斷，在不采取措施的情況下，系統(tǒng)因抗擾能力下降而發(fā)生停電的風(fēng)險(xiǎn)將不斷提高。
圖6 新能源發(fā)電出力占比累積曲線
Fig.6 Cumulative curves of new energy generation output proportion
4.3 充裕度
充裕度是可靠性評(píng)估的一項(xiàng)重要指標(biāo)。新能源發(fā)電區(qū)別于傳統(tǒng)電源，其全年電量貢獻(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，但隨機(jī)性、間歇性特征突出，出力分布不均且可預(yù)測(cè)性、可控性差，因此隨著新能源發(fā)電占比逐步提高，即使能夠滿足電量平衡，仍容易出現(xiàn)電力缺口。
文獻(xiàn)[26]給出了中國(guó)未來的基本場(chǎng)景，其中風(fēng)電、光伏發(fā)電總規(guī)模由2020年的535 GW增長(zhǎng)至2030年的1200 GW、2060年的5000 GW；煤電由2020年的1083 GW增長(zhǎng)至2030年的1350 GW（峰值），然后逐步退出，到2060年保持400 GW規(guī)模；負(fù)荷電量由2020年的7620 TW·h增長(zhǎng)至2030年的11800 TW·h、2060年的15700 TW·h；高峰負(fù)荷由2020年的1230 GW增長(zhǎng)至2030年的1 980 GW、2060年的2532 GW。結(jié)果顯示，隨著新能源占比提升，電力供應(yīng)由少量充裕向缺口逐漸增大轉(zhuǎn)變：2030年缺口86 GW，到2060年缺口達(dá)到740 GW[26]。以此場(chǎng)景作為分析對(duì)象，采用時(shí)序生產(chǎn)模擬，所得新能源占負(fù)荷比例的曲線如圖6所示。
低出力意味著電力系統(tǒng)將面臨供應(yīng)不足而導(dǎo)致的停電風(fēng)險(xiǎn)，2019年底美國(guó)加州大停電[27]和2021年初美國(guó)得州停電便是典型案例[28-29]。
4.4 發(fā)展空間危機(jī)
目前來看，歐美電網(wǎng)已經(jīng)完全進(jìn)入成熟期，發(fā)展緩慢，中國(guó)電網(wǎng)還處于發(fā)展期，但未來規(guī)模也將受到客觀條件限制。
異速生長(zhǎng)規(guī)模理論屬于復(fù)雜性理論網(wǎng)絡(luò)分析方法中的一個(gè)分支，是杰弗里·韋斯特在1997年提出的[30]。杰弗里·韋斯特根據(jù)生物領(lǐng)域的研究成果，指出某類生物指標(biāo)Y與其體重M的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)表示為
式中：Y0為生物體某一指標(biāo)的常量；b為尺度因子，當(dāng)b>1時(shí)，系統(tǒng)為超線性增長(zhǎng)，系統(tǒng)規(guī)模理論上不存在上限；當(dāng)b<1時(shí)，系統(tǒng)為亞線性增長(zhǎng)，系統(tǒng)規(guī)模存在上限；當(dāng)b=1時(shí)，系統(tǒng)為線性增長(zhǎng)。實(shí)際世界中，b=1系統(tǒng)一般都會(huì)向超線性或者亞線性轉(zhuǎn)化。
文獻(xiàn)[31]分析了電力系統(tǒng)滿足異速增長(zhǎng)規(guī)律所必須遵循的3個(gè)要素，即空間填充性、終端單元恒定性和演化過程的優(yōu)化性，從而判斷電力系統(tǒng)也具有異速增長(zhǎng)規(guī)律。同時(shí)，根據(jù)不同規(guī)模的系統(tǒng)分析，提出了電網(wǎng)規(guī)模x（用導(dǎo)線的體積表示）與用電量y在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的關(guān)系為
對(duì)應(yīng)式（1），b=0.797，可以認(rèn)為電力系統(tǒng)和生物系統(tǒng)是類似的。電力系統(tǒng)規(guī)模是亞線性增長(zhǎng)的，具體如圖7所示。根據(jù)圖7結(jié)果顯示，按照現(xiàn)有發(fā)展模式，中國(guó)需要再建一個(gè)同等規(guī)模的電網(wǎng)，其負(fù)荷供應(yīng)能力才能達(dá)到13500 TW·h。據(jù)預(yù)測(cè)，2035—2040年，中國(guó)用電需求即可達(dá)到該水平，即未來15~20年，不考慮設(shè)備退役更替需求，要建設(shè)一個(gè)同等規(guī)模電網(wǎng)，無論是投資能力，還是空間需求，都是不可能的。
圖7 電力系統(tǒng)規(guī)模與負(fù)荷關(guān)系曲線
Fig.7 Relationship curve between scale and load of power system
綜上，隨著新能源發(fā)電占比的不斷提升，原有電力系統(tǒng)發(fā)展范式已經(jīng)無法提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并解決相關(guān)安全穩(wěn)定問題，系統(tǒng)充裕度也下降，而且電網(wǎng)發(fā)展空間也將受到限制，電力系統(tǒng)需要建立一個(gè)新的構(gòu)造范式。
5.電力系統(tǒng)范式轉(zhuǎn)換及目標(biāo)
庫(kù)恩提出：“危機(jī)使常規(guī)解謎規(guī)則變得松弛，最終容許一種新范式突現(xiàn)?！彪娏ο到y(tǒng)為了解決危機(jī)與反常，需要突破原有的規(guī)則，構(gòu)建新的發(fā)展范式。既然規(guī)模化發(fā)展不能同時(shí)提升經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和供電可靠性，在不可能推倒重建的情況下，類似于實(shí)驗(yàn)替代經(jīng)驗(yàn)一樣，需要其他手段建立一個(gè)新的構(gòu)造范式。
5.1 電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析
5.1.1 電源側(cè)
除水電、核電等電源開發(fā)外，未來新能源發(fā)電是主力。新能源資源分散，但仍然應(yīng)該堅(jiān)持盡量集中開發(fā)的原則。中國(guó)提出了將在中國(guó)西北戈壁沙漠上建設(shè)4.5億kW總裝機(jī)量的風(fēng)電與光伏發(fā)電基地[32]。目前，新能源基地開發(fā)主要采用直流外送，直流輸電的走廊規(guī)模與受端電網(wǎng)的直流饋入規(guī)模也逐漸接近飽和[33]。為此，新能源的發(fā)展不得不突破電源集約化開發(fā)和遠(yuǎn)距離輸送的單一模式。
一方面，集中式新能源開發(fā)，若遠(yuǎn)離主網(wǎng)，則需要配套相當(dāng)規(guī)模的輔助設(shè)施[34]，儲(chǔ)能既可減輕電網(wǎng)輸送壓力，也可以提升電源的利用率。更重要的是，要發(fā)展新的不依賴電網(wǎng)的新能源消納方式，綠氫是目前認(rèn)為可行的技術(shù)方案，可以作為遠(yuǎn)離主網(wǎng)的配套系統(tǒng)。從碳中和的目標(biāo)來看，則需要一整套的體系與保障，如圖8所示。另一方面，要積極開發(fā)分布式新能源，就近供應(yīng)負(fù)荷，并開發(fā)新的儲(chǔ)/用能方式，就近平衡新能源發(fā)電。隨著分布式新能源成為不可忽視的電力和電量貢獻(xiàn)者，原有的源-網(wǎng)-荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量單向流動(dòng)方式將變成源-網(wǎng)-荷-源（儲(chǔ)）的新型結(jié)構(gòu)和雙向流動(dòng)方式。中國(guó)電力系統(tǒng)的控制體系、調(diào)度體系基本都是圍繞電源、以電網(wǎng)為平臺(tái)構(gòu)建，現(xiàn)在隨著電源在終端出現(xiàn)，電網(wǎng)平臺(tái)、控制體系、調(diào)度體系也將調(diào)整。
圖8 新能源發(fā)電基地制氫體系設(shè)想示意
Fig.8 Schematic diagram of hydrogen production system using new energy power generations
中國(guó)目前光伏裝機(jī)中約有1/3裝機(jī)為分布式光伏，但由于分布式普遍接入配電網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)的發(fā)展造成了較大的影響。在新能源小出力的情況下，不能有效緩解系統(tǒng)的供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)；在新能源大出力的情況下，一方面有利于減輕主網(wǎng)潮流，另一方面又會(huì)減少本地傳統(tǒng)電源的出力規(guī)模，弱化對(duì)電網(wǎng)的支撐。因此，在上述模式下，需展開3方面的工作：1）考慮儲(chǔ)能、多種能源互聯(lián)等，構(gòu)筑可控、可自治的微電網(wǎng)和微電網(wǎng)群；2）充分利用數(shù)字化技術(shù)，整合無法構(gòu)成微網(wǎng)的分布式、負(fù)荷、儲(chǔ)能等資源，構(gòu)建虛擬電廠；3）加強(qiáng)分布式新能源的自主電壓支撐能力和頻率響應(yīng)能力。
5.1.2 電網(wǎng)側(cè)
在電壓等級(jí)提升方面，從未來較長(zhǎng)時(shí)期來看，不會(huì)有新的突破。為配合新能源的集中開發(fā)及輸送，從電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模來看，可以通過特高壓電網(wǎng)的布局，拓展同步電網(wǎng)的規(guī)模，從而在一定程度上緩解頻率穩(wěn)定問題，為直流落點(diǎn)的布局提供更大的空間[35]。
為配合新能源的分布式開發(fā)，電網(wǎng)的發(fā)展模式突破主要集中在配電網(wǎng)及以下層面。一方面，配電網(wǎng)將接納微電網(wǎng)、分布式電源、綜合能源網(wǎng)/終端，在物理結(jié)構(gòu)上可能突破輻射式結(jié)構(gòu)而形成網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)（包括直流配電網(wǎng)等）；另一方面，配電網(wǎng)功能也將從以配電為主逐漸向以網(wǎng)絡(luò)為主轉(zhuǎn)變，通過數(shù)字化技術(shù)，聚合虛擬電廠、微電網(wǎng)等資源，成為新能源消納、負(fù)荷平衡和市場(chǎng)化調(diào)節(jié)的新平臺(tái)。
5.2 構(gòu)造以技術(shù)創(chuàng)新為主的新范式
電力系統(tǒng)規(guī)模化范式失效，從另外一個(gè)角度理解，即物理規(guī)模的擴(kuò)展所獲得的生產(chǎn)力增量進(jìn)入平臺(tái)期。建立新范式，即通過有限的經(jīng)濟(jì)代價(jià)獲得更多的生產(chǎn)力增量，通過新手段獲得新質(zhì)生產(chǎn)力?；谖墨I(xiàn)[3]的社會(huì)-技術(shù)系統(tǒng)理論，采用協(xié)同演化模型計(jì)算電力系統(tǒng)的宏觀環(huán)境層、中觀結(jié)構(gòu)層、微觀技術(shù)層的權(quán)重，反映各層對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展演化的累積影響程度。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)前宏觀環(huán)境層、中觀結(jié)構(gòu)層、微觀技術(shù)層權(quán)重分別為0.351、0.291和0.358，未來呈現(xiàn)宏觀環(huán)境層權(quán)重基本保持在較穩(wěn)定的范圍、微觀技術(shù)層的權(quán)重將越來越高，而中觀結(jié)構(gòu)層（電源、電網(wǎng)自身發(fā)展）的權(quán)重下降的趨勢(shì)。因此，技術(shù)創(chuàng)新將成為范式轉(zhuǎn)化的重要內(nèi)涵和內(nèi)容。
技術(shù)創(chuàng)新一直伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展，但從發(fā)展歷程來看，主要集中于推動(dòng)系統(tǒng)規(guī)模的成長(zhǎng)。因此主要集中在電磁技術(shù)的研究，使得設(shè)備單體容量更大、輸送距離更遠(yuǎn)、設(shè)備利用效率更高。對(duì)比以往創(chuàng)新，新的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)具備以下特征：1）存在的成熟技術(shù)可能有更大的利用空間（范式轉(zhuǎn)換后，對(duì)原有技術(shù)適應(yīng)性需要重新評(píng)估）；2）由源-網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新為主向源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)全鏈條技術(shù)延伸；3）由電磁輸變電技術(shù)為主向電力電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)延伸；4）由單一的能源電力技術(shù)向跨行業(yè)、跨領(lǐng)域技術(shù)協(xié)同轉(zhuǎn)變。
技術(shù)創(chuàng)新都有較長(zhǎng)的周期，以問題為導(dǎo)向，電力技術(shù)創(chuàng)新可以分為3個(gè)層級(jí)（見圖9）：以基礎(chǔ)支撐技術(shù)為主的行業(yè)內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新，如同步調(diào)相機(jī)、新型儲(chǔ)能、構(gòu)網(wǎng)型支撐技術(shù)等，主要滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)各階段“保供應(yīng)、保安全、促消納”的要求；以關(guān)鍵影響技術(shù)為主的跨行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，如碳捕集利用存儲(chǔ)技術(shù)、綠氫技術(shù)、大容量?jī)?chǔ)能，主要滿足電力系統(tǒng)脫碳路徑的技術(shù)需求；以顛覆性技術(shù)為主的跨領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，如核聚變、超導(dǎo)輸電等，助力能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更快碳中和的目標(biāo)。
圖9 電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的3個(gè)層次
Fig.9 The three-layer structure of technology innovation in power system
在基礎(chǔ)支撐技術(shù)中，仍然需要一些已經(jīng)成熟的技術(shù)應(yīng)用，以應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電帶來的一些問題，如同步調(diào)相機(jī)[36]技術(shù)。以IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)其電源進(jìn)行改造，采用新能源發(fā)電對(duì)原有火電進(jìn)行逐步替代，并進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖10所示。由圖10的結(jié)果可知，如果每個(gè)新能源廠站都按照一定比例（30%）配置調(diào)相機(jī)，則可以提升系統(tǒng)承載新能源的規(guī)模，尤其是對(duì)光伏發(fā)電的提升能力最為明顯。
圖10 不同新能源類型與接入比例穩(wěn)定情況
Fig.10 Stability of power system with different proportions of new energy
綜上分析，面對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展的危機(jī)和反常，組成原有電力系統(tǒng)發(fā)展范式的規(guī)則逐漸松弛，電源呈現(xiàn)集約化和分布式并行發(fā)展，電網(wǎng)呈現(xiàn)輸電網(wǎng)規(guī)模有限發(fā)展和配電網(wǎng)末端組網(wǎng)并行發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新將成為解決危機(jī)（主要是安全穩(wěn)定性和充裕度下降）的主要手段。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，建立電-碳融合的統(tǒng)一市場(chǎng)可能是最可行的路徑，這主要靠政策推動(dòng)，這也是宏觀政策層仍占有較大權(quán)重的原因，由于沒有深入研究，在此不做重點(diǎn)分析。在新的發(fā)展范式下，經(jīng)過若干年發(fā)展而建成的電力系統(tǒng)，即為新型電力系統(tǒng)。
6.結(jié)語(yǔ)
新型電力系統(tǒng)是能源革命的樞紐，建立新發(fā)展思維是推動(dòng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。以范式轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)理論分析傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過程，本文得出如下結(jié)論。
1）在能源革命過程中，新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟和推廣，是電力系統(tǒng)范式轉(zhuǎn)換的原因，同時(shí)也是最后過渡到新型電力系統(tǒng)的結(jié)果。
2）新型電力系統(tǒng)的發(fā)展過程是新能源發(fā)電占比不斷提升的過程，規(guī)?；l(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和可靠性提升失效，因此電力系統(tǒng)面臨一次范式轉(zhuǎn)換，即由規(guī)?；鲗?dǎo)的發(fā)展范式過渡到以技術(shù)創(chuàng)新為主的發(fā)展范式。
3）通過電力系統(tǒng)范式轉(zhuǎn)換構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，并不僅僅是電力系統(tǒng)本行業(yè)內(nèi)部可以完成的，其技術(shù)創(chuàng)新具有向源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)全鏈條、數(shù)字化、跨行業(yè)和跨領(lǐng)域延伸等新特征，且創(chuàng)新過程具有明顯的階段性和層次性。
4）技術(shù)創(chuàng)新將解決電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、充裕度下降的問題，但對(duì)經(jīng)濟(jì)性提升的作用相對(duì)不明顯。經(jīng)濟(jì)性的問題應(yīng)當(dāng)引入“碳”要素，通過建立電-碳聯(lián)合市場(chǎng)解決。
