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引言
2020年中國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。能源革命是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的關鍵，電力行業(yè)的轉型是實現(xiàn)能源革命的關鍵環(huán)節(jié)。
根據(jù)目前對承載新能源能力、系統(tǒng)低碳化發(fā)展趨勢下的挑戰(zhàn)和風險預判[1-2]，電力系統(tǒng)的物理結構、市場機制、技術創(chuàng)新體系等都面臨變革。目前，行業(yè)內主要聚焦于高比例新能源電力系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)的演化和未來形態(tài)結構進行了研究。文獻[3]基于社會-技術系統(tǒng)理論，對中國電力系統(tǒng)演化路徑歷史進行了分析，并判斷了宏觀體制和微觀技術對電力系統(tǒng)演化的影響；文獻[4-5]通過建立電力系統(tǒng)形態(tài)演化的綜合模型，提出對未來電力系統(tǒng)結構形態(tài)的判斷；文獻[6]采用GESP-V軟件包進行優(yōu)化分析，確定不同情景下的電力低碳轉型路徑；文獻[7]根據(jù)當前及未來電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題和關鍵因素分析，提出了新一代電力系統(tǒng)的主要技術特征。
上述文獻主要從電力系統(tǒng)發(fā)展本身，以新能源大規(guī)模發(fā)展為背景，進行了理論、模型和結構形態(tài)的探討。在一個行業(yè)的轉型初期，從宏觀的視角引導思維的突破、技術的創(chuàng)新比僅從行業(yè)內部來討論具體技術，更具有指導意義和價值。美國著名科學哲學家托馬斯·庫恩提出的范式及其轉換理論逐漸成為各行業(yè)轉型分析的基礎理論，經(jīng)濟學把它作為改革目標轉換模式的理論依據(jù)；歷史學家用它來解釋朝代的變更；科學史家用來探討“李約瑟難題”：為什么近代科學沒有在中國產生？[8]。
面對能源轉型，文獻[9]從問題、目標和方法切入，提出了全球能源治理的范式轉換；文獻[10]針對能源轉型的特點，提出了新的研究范式。上述文獻引入范式概念從而對管理、研究路徑轉化進行了探索，但都沒有從能源、電力本身去證明其是否符合范式轉換的基本特征。本文引入科學革命的本質是范式轉換的基本理論，在能源革命背景下，從電力發(fā)展本身及其導致的技術、經(jīng)濟成效分析電力系統(tǒng)轉型是否符合范式轉換，即原發(fā)展范式、危機與反常、新范式建立的過程，在此基礎上探索電力系統(tǒng)范式轉換的目標和新范式的內容，力圖從宏觀上建立電力系統(tǒng)范式轉換結果便是新型電力系統(tǒng)的基本結論，引導科技創(chuàng)新為主的新發(fā)展范式思維的建立，避免對過去規(guī)模為主的舊范式的依賴，快速推進新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。
1.范式轉換基本定義及應用
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》，其最初定義為“一種最好的、最具指導性的例子”，而后逐漸發(fā)展，脫離了語言學的范疇，用于“描述被遵循或被模仿的標準模型”。
1962年，美國著名科學哲學家托馬斯·庫恩(Thomas Kuhn) 賦予了 “范式”一詞以“現(xiàn)代含義”，在其代表作《科學革命的結構》[11]定義了“科學（研究）范式”，其具體是指“為共同體所接受的科學實踐（包括定律、理論、應用、試驗和儀器）的例子，提供給科學研究者一種一貫的傳統(tǒng)，并被當作由此構成科學共同體第一要素的承諾”。這個概念的提出對科學史、科學哲學乃至一般哲學的研究產生了深遠的影響。
1.2 范式轉換及科學革命
常規(guī)科學范式規(guī)定了共同體（從事一個學科研究，甚至一個更小的共同專題研究的團體）所研究的謎題和問題，并產生成果，直到范式規(guī)定的方法不能應付越來越多的反常現(xiàn)象，科學研究危機爆發(fā)，并持續(xù)到一項新的科學成就產生，重新指導研究，再逐漸被（可能是新的）共同體認同為新一代的范式，這就是“范式轉換”。庫恩指出：科學革命的實質就是范式轉換。
庫恩同時也指出，科學革命起源于科學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革命和拉西瓦化學革命那樣重大的范式轉換，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)一個新現(xiàn)象的范式轉換。
1.3 范式轉換理論的應用
范式的提出源自科學革命的結構研究，因此范式轉換也最先被用來梳理科技革命史。根據(jù)庫恩的定義，學者們對科學技術歷史進行了梳理，并大致歸納了3次范式轉換。第1次是以伽利略、牛頓等科學家為代表的實驗科學（如著名的伽利略比薩斜塔實驗）范式替代經(jīng)驗總結范式，誕生了近代物理學；第2次是以愛因斯坦等為代表的理論推導范式替代了純實驗范式，產生了相對論和量子力學，從而奠定了近代科學的基礎；第3次是計算成為科學研究的新范式，從而進入了信息時代。雖然上述劃分并沒有在學術界取得公認，但仍具有較高的指導價值。
作為一種分析方法，范式轉換的概念廣泛應用于社會學、管理學、生態(tài)學等領域[12-14]。文獻[15]研究指出，一些復雜系統(tǒng)存在指數(shù)級增長的規(guī)律，如社會系統(tǒng)，其經(jīng)濟指標（如人口數(shù)量或GDP）在指數(shù)級增長規(guī)律下，會在短時間內對能源造成極大的需求，在一個封閉系統(tǒng)中，如果不實施范式轉移（如擺脫對化石能源的依賴），最后將導致系統(tǒng)崩潰。社會經(jīng)濟之所以沒有崩潰，就是利用了煤炭工業(yè)、電話和計算機等“范式轉換”。
由于庫恩本人在《科學革命的結構》中對于范式一詞有多達21種用法，導致對范式理解不一，很多研究和論文對范式的引用過濫且不嚴肅，不符合范式基本定義。英國學者瑪格麗特·瑪斯特曼（Margaret Masterman）將庫恩的范式概念模型概括為3種類型[16]：一是作為一種信念、一種形而上學思辨，它是哲學范式或元范式；二是作為一種科學習慣、一種學術傳統(tǒng)、一個具體的科學成就，它是社會學范式；三是作為一種依靠本身成功示范的工具、一個解疑難的方法、一個用來類比的圖像，它是人工范式或構造范式。通常討論和運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，庫恩的范式及其轉換的提出，是對科學研究史的一次總結和哲學提煉，哲學觀點一旦被認可，就可用來對未來態(tài)進行研判，這也是本文想要達到的目的，但由于誕生語境遷移適應需要過程，往往也會存在機理邏輯不嚴謹?shù)膯栴}。
2.能源革命及范式轉換
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[17]指出，人類在過去的200年里經(jīng)歷了2次大的能源轉型，分別是19世紀中期開始的從木柴到煤炭的轉型，以及20世紀初期開始的從煤炭到石油天然氣的轉型。
上述過程，一般稱之為能源轉型，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；第二次能源轉型是內燃機的發(fā)明，需要更易攜帶、更高能量密度的能源利用形式。2次轉型沒有上升為能源革命，按照革命即是范式轉換的基本定義，也可以認為沒有產生范式轉換過程，即2次轉換都遵循了同一個能源發(fā)展范式。這個范式可以認為是從低能量密度向高能量密度轉型升級（經(jīng)濟性隨之提升）。如果沿用該范式，下一次能源轉型應該開發(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和核聚變技術，核裂變技術主要受制于安全性要求和小型化技術約束，而核聚變技術距離工業(yè)化應用還有很遠的距離，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，科學研究結果表明，二氧化碳濃度的提升將對地球和人類造成災難性后果[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型目標的前提下，具有范式轉換內涵的能源革命具有必然性。
清潔能源利用模式包括水能、風能、光能的開發(fā)，由于水能開發(fā)形式以水電為主，而且資源相對有限，未來還是以風能、光能的利用為主，且主要是用作發(fā)電，實現(xiàn)對化石能源發(fā)電的替換。風能、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），但同時也將建立了環(huán)境友好度從低到高的新范式。
要實現(xiàn)一次能源發(fā)展的范式轉換，經(jīng)歷時間會比前兩次能源轉型更長，圖1展示了能源快速轉型情景中的一次能源占比變化情況[19]。如果以2000年新能源技術開始成熟并進入發(fā)電領域作為起始，需要到2050—2060年才能完全實現(xiàn)轉型。在此期間，能源革命，即能源發(fā)展范式的成功轉換需要解決2個主要矛盾：1）能源供給側能量密度降低和供給可靠性下降與對能源供給經(jīng)濟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和社會能源需求多元化之間的矛盾。
圖1 快速轉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，但邏輯上不存在嚴格的承接關系，即能源的范式轉換，在電力系統(tǒng)中未必也要范式轉換。如果電力系統(tǒng)延續(xù)現(xiàn)有發(fā)展范式，在經(jīng)濟性、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現(xiàn)，那就不會有范式轉換。
3.電力系統(tǒng)的發(fā)展范式
范式轉換的一般過程為原有范式—危機和反?！路妒浇?。以下按照該邏輯對能源革命下，即新能源發(fā)電占比不斷提升的電力系統(tǒng)轉型過程是否存在范式轉換進行分析。首先是對原有范式的分析。電力系統(tǒng)作為一個工業(yè)系統(tǒng)，其追求目標是經(jīng)濟、安全穩(wěn)定和可靠運行，原有的范式應該是以某種較固定的構造范式支撐3個目標的不斷提升。為簡化問題，分別從電源側和電網(wǎng)側進行分析。
3.1 從電源側看經(jīng)濟性提升
傳統(tǒng)發(fā)電技術中，以火電為例，技術研發(fā)一直從低溫低壓向高溫高壓技術、從亞臨界到超臨界邁進，機組參數(shù)從小容量、低參數(shù)向大容量、高參數(shù)邁進。表1是中國火電機組的發(fā)展情況。
表1 中國火電機組發(fā)展歷史
Table 1 Development history of thermal power units in China
高參數(shù)大容量機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)電機組的技術進步及普及，都能加速煤耗的降低。除火電機組外，發(fā)展高參數(shù)大容量機組，才能建設大型水電廠，充分挖掘水電資源潛力。
圖2 中國火電平均煤耗（1978—2022年）
Fig.2 Average coal consumption of thermal power in China (1978—2022)
隨著單機容量的提升，發(fā)電廠可以更好實現(xiàn)集約化、規(guī)?；_發(fā)，考慮到一次能源的供應，坑口、港口等遠離負荷中心的大電源不斷出現(xiàn)。因此電源側呈現(xiàn)了很好的規(guī)?；l(fā)展態(tài)勢。規(guī)模化發(fā)展帶來的規(guī)模經(jīng)濟效益，其本質就是經(jīng)濟性的不斷提升。當然，電價構成和變化比較復雜，但中國電價長期以來維持在一個較為穩(wěn)定的水平也說明了規(guī)?；б娴淖饔?。
3.2 從電網(wǎng)側看安全穩(wěn)定性提升
輸電技術經(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)歷此次轉型后，電可以從一個街區(qū)擴展到一個城市以上的更大范圍。進入到交流系統(tǒng)快速發(fā)展階段，為了配合發(fā)電技術不斷進步、大型電站的不斷開發(fā)，輸電電壓等級不斷提升，如圖3所示，電廠與用戶間的距離也越來越遠，但是單個通道的輸送能力越來越高。
圖3 交流電壓等級升級歷史過程
Fig.3 History of AC voltage level upgradation
輸電電壓等級提高帶來的另外一個好處是，同步電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，擴大了電源資源優(yōu)化配置的范圍，帶來了良好的經(jīng)濟效益和安全共享效益。
輸電技術的第2次技術變革是從純交流輸變電技術，到直流輸電技術突破后的交直流混聯(lián)輸電?，F(xiàn)代直流輸電技術，輸電距離可以達到1000~3000 km，單通道輸電功率突破了10 GW，進一步擴大了資源優(yōu)化配置的范圍。
電源規(guī)模、負荷規(guī)模不斷增長，電網(wǎng)擴張式發(fā)展，帶來理想的自然助增效果，如圖4所示（文獻[20]提出在2015年之前維持這種趨勢）。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、無功補償（Q(t)曲線）容量的增加，另外還帶來了次一級的短路電流/短路容量（I(t)曲線）增長效應。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，因此電網(wǎng)的擴張式發(fā)展本身就解決了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。同時，由于傳統(tǒng)發(fā)電機組的功率可控可調特性好，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)電壓等級提升和同步電網(wǎng)不斷擴張，構成了現(xiàn)存電力系統(tǒng)的發(fā)展范式，即：依靠技術進步和需求驅動的電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增長，實現(xiàn)經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性和可靠性的不斷提升。這個發(fā)展范式體現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)化系統(tǒng)思維指導下的發(fā)展特點，即遵循規(guī)模工業(yè)的發(fā)展范式。
4.電力系統(tǒng)發(fā)展面臨危機與反?！?guī)?；妒绞?/strong>
4.1 經(jīng)濟性
規(guī)模工業(yè)的發(fā)展范式帶來經(jīng)濟性、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)濟性逐漸進入下行區(qū)。
文獻[21]提出了綠色溢價的概念，電力的綠色溢價是指從非排放源中（包括風電、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。通過建立模型評估，美國實現(xiàn)零碳電力供應的綠色溢價為15%，歐洲脫碳90%~95%的綠色溢價達到20%。
文獻[22]對德國能源轉型下家庭電價進行了跟蹤分析（見圖5），其結果指出，2000—2015年，新型可再生能源（風電、光伏發(fā)電和生物質發(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 德國能源轉型與家庭電價
Fig.5 German energy transformation and household electricity prices
文獻[23]對中國未來新能源發(fā)電占比不斷提升下電價成本進行了初步分析，結論指出：系統(tǒng)源端技術特性從“硬、集、大、穩(wěn)”向“軟、散、小、晃”轉變，土地資源和原材料供應日趨緊張，發(fā)輸電設備的利用率和經(jīng)濟性下降，系統(tǒng)備用和調節(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，系統(tǒng)不斷擴大的自然助增效果減弱甚至轉向負向效應，如圖4后半段曲線所示：電氣距離的縮短效益不明顯，Y(t)曲線進入飽和段；系統(tǒng)慣量下降（Ms(t)曲線進入下降區(qū)）；系統(tǒng)的無功補償能力也下降（Q(t)曲線進入下降區(qū)），由此可以判斷，與上述因素強相關的系統(tǒng)穩(wěn)定性也下降（S(t)曲線進入下降區(qū)）。
2016年澳大利亞發(fā)生“9·28”停電事故[24]，2019年英國發(fā)生“8·9”停電事故[25]，事故時系統(tǒng)的本地開機出力占負荷比例均在50%左右。當本地開機不足時，由于承受擾動能力變差，新能源脫網(wǎng)造成連鎖反應，從而導致停電事故。
文獻[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，研究結論認為，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，新能源出力占負荷比例超過50%的運行工況將逐漸成為常態(tài)，到2060年，此工況年運行將接近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)生停電的風險將不斷提高。
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
充裕度是可靠性評估的一項重要指標。新能源發(fā)電區(qū)別于傳統(tǒng)電源，其全年電量貢獻相對穩(wěn)定，但隨機性、間歇性特征突出，出力分布不均且可預測性、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[26]給出了中國未來的基本場景，其中風電、光伏發(fā)電總規(guī)模由2020年的535 GW增長至2030年的1200 GW、2060年的5000 GW；煤電由2020年的1083 GW增長至2030年的1350 GW（峰值），然后逐步退出，到2060年保持400 GW規(guī)模；負荷電量由2020年的7620 TW·h增長至2030年的11800 TW·h、2060年的15700 TW·h；高峰負荷由2020年的1230 GW增長至2030年的1 980 GW、2060年的2532 GW。結果顯示，隨著新能源占比提升，電力供應由少量充裕向缺口逐漸增大轉變：2030年缺口86 GW，到2060年缺口達到740 GW[26]。以此場景作為分析對象，采用時序生產模擬，所得新能源占負荷比例的曲線如圖6所示。
低出力意味著電力系統(tǒng)將面臨供應不足而導致的停電風險，2019年底美國加州大停電[27]和2021年初美國得州停電便是典型案例[28-29]。
4.4 發(fā)展空間危機
目前來看，歐美電網(wǎng)已經(jīng)完全進入成熟期，發(fā)展緩慢，中國電網(wǎng)還處于發(fā)展期，但未來規(guī)模也將受到客觀條件限制。
異速生長規(guī)模理論屬于復雜性理論網(wǎng)絡分析方法中的一個分支，是杰弗里·韋斯特在1997年提出的[30]。杰弗里·韋斯特根據(jù)生物領域的研究成果，指出某類生物指標Y與其體重M的關系可用指數(shù)函數(shù)表示為
式中：Y0為生物體某一指標的常量；b為尺度因子，當b>1時，系統(tǒng)為超線性增長，系統(tǒng)規(guī)模理論上不存在上限；當b<1時，系統(tǒng)為亞線性增長，系統(tǒng)規(guī)模存在上限；當b=1時，系統(tǒng)為線性增長。實際世界中，b=1系統(tǒng)一般都會向超線性或者亞線性轉化。
文獻[31]分析了電力系統(tǒng)滿足異速增長規(guī)律所必須遵循的3個要素，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)也具有異速增長規(guī)律。同時，根據(jù)不同規(guī)模的系統(tǒng)分析，提出了電網(wǎng)規(guī)模x（用導線的體積表示）與用電量y在對數(shù)坐標下的關系為
對應式（1），b=0.797，可以認為電力系統(tǒng)和生物系統(tǒng)是類似的。電力系統(tǒng)規(guī)模是亞線性增長的，具體如圖7所示。根據(jù)圖7結果顯示，按照現(xiàn)有發(fā)展模式，中國需要再建一個同等規(guī)模的電網(wǎng)，其負荷供應能力才能達到13500 TW·h。據(jù)預測，2035—2040年，中國用電需求即可達到該水平，即未來15~20年，不考慮設備退役更替需求，要建設一個同等規(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)模與負荷關系曲線
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)濟性，并解決相關安全穩(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)需要建立一個新的構造范式。
5.電力系統(tǒng)范式轉換及目標
庫恩提出：“危機使常規(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)為了解決危機與反常，需要突破原有的規(guī)則，構建新的發(fā)展范式。既然規(guī)?；l(fā)展不能同時提升經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性和供電可靠性，在不可能推倒重建的情況下，類似于實驗替代經(jīng)驗一樣，需要其他手段建立一個新的構造范式。
5.1 電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析
5.1.1 電源側
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，但仍然應該堅持盡量集中開發(fā)的原則。中國提出了將在中國西北戈壁沙漠上建設4.5億kW總裝機量的風電與光伏發(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)和遠距離輸送的單一模式。
一方面，集中式新能源開發(fā)，若遠離主網(wǎng)，則需要配套相當規(guī)模的輔助設施[34]，儲能既可減輕電網(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，綠氫是目前認為可行的技術方案，可以作為遠離主網(wǎng)的配套系統(tǒng)。從碳中和的目標來看，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，就近供應負荷，并開發(fā)新的儲/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者，原有的源-網(wǎng)-荷系統(tǒng)結構和能量單向流動方式將變成源-網(wǎng)-荷-源（儲）的新型結構和雙向流動方式。中國電力系統(tǒng)的控制體系、調度體系基本都是圍繞電源、以電網(wǎng)為平臺構建，現(xiàn)在隨著電源在終端出現(xiàn)，電網(wǎng)平臺、控制體系、調度體系也將調整。
圖8 新能源發(fā)電基地制氫體系設想示意
Fig.8 Schematic diagram of hydrogen production system using new energy power generations
中國目前光伏裝機中約有1/3裝機為分布式光伏，但由于分布式普遍接入配電網(wǎng)，對配電網(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)的供應安全風險；在新能源大出力的情況下，一方面有利于減輕主網(wǎng)潮流，另一方面又會減少本地傳統(tǒng)電源的出力規(guī)模，弱化對電網(wǎng)的支撐。因此，在上述模式下，需展開3方面的工作：1）考慮儲能、多種能源互聯(lián)等，構筑可控、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，整合無法構成微網(wǎng)的分布式、負荷、儲能等資源，構建虛擬電廠；3）加強分布式新能源的自主電壓支撐能力和頻率響應能力。
5.1.2 電網(wǎng)側
在電壓等級提升方面，從未來較長時期來看，不會有新的突破。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，在物理結構上可能突破輻射式結構而形成網(wǎng)絡化結構（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)絡為主轉變，通過數(shù)字化技術，聚合虛擬電廠、微電網(wǎng)等資源，成為新能源消納、負荷平衡和市場化調節(jié)的新平臺。
5.2 構造以技術創(chuàng)新為主的新范式
電力系統(tǒng)規(guī)模化范式失效，從另外一個角度理解，即物理規(guī)模的擴展所獲得的生產力增量進入平臺期。建立新范式，即通過有限的經(jīng)濟代價獲得更多的生產力增量，通過新手段獲得新質生產力?；谖墨I[3]的社會-技術系統(tǒng)理論，采用協(xié)同演化模型計算電力系統(tǒng)的宏觀環(huán)境層、中觀結構層、微觀技術層的權重，反映各層對電力系統(tǒng)發(fā)展演化的累積影響程度。計算結果顯示，當前宏觀環(huán)境層、中觀結構層、微觀技術層權重分別為0.351、0.291和0.358，未來呈現(xiàn)宏觀環(huán)境層權重基本保持在較穩(wěn)定的范圍、微觀技術層的權重將越來越高，而中觀結構層（電源、電網(wǎng)自身發(fā)展）的權重下降的趨勢。因此，技術創(chuàng)新將成為范式轉化的重要內涵和內容。
技術創(chuàng)新一直伴隨電力系統(tǒng)的發(fā)展，但從發(fā)展歷程來看，主要集中于推動系統(tǒng)規(guī)模的成長。因此主要集中在電磁技術的研究，使得設備單體容量更大、輸送距離更遠、設備利用效率更高。對比以往創(chuàng)新，新的技術創(chuàng)新應具備以下特征：1）存在的成熟技術可能有更大的利用空間（范式轉換后，對原有技術適應性需要重新評估）；2）由源-網(wǎng)技術創(chuàng)新為主向源-網(wǎng)-荷-儲全鏈條技術延伸；3）由電磁輸變電技術為主向電力電子技術、數(shù)字化技術延伸；4）由單一的能源電力技術向跨行業(yè)、跨領域技術協(xié)同轉變。
技術創(chuàng)新都有較長的周期，以問題為導向，電力技術創(chuàng)新可以分為3個層級（見圖9）：以基礎支撐技術為主的行業(yè)內技術創(chuàng)新，如同步調相機、新型儲能、構網(wǎng)型支撐技術等，主要滿足新型電力系統(tǒng)建設各階段“保供應、保安全、促消納”的要求；以關鍵影響技術為主的跨行業(yè)技術創(chuàng)新，如碳捕集利用存儲技術、綠氫技術、大容量儲能，主要滿足電力系統(tǒng)脫碳路徑的技術需求；以顛覆性技術為主的跨領域技術創(chuàng)新，如核聚變、超導輸電等，助力能源系統(tǒng)實現(xiàn)更快碳中和的目標。
圖9 電力系統(tǒng)技術創(chuàng)新的3個層次
Fig.9 The three-layer structure of technology innovation in power system
在基礎支撐技術中，仍然需要一些已經(jīng)成熟的技術應用，以應對新能源發(fā)電帶來的一些問題，如同步調相機[36]技術。以IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)為例，對其電源進行改造，采用新能源發(fā)電對原有火電進行逐步替代，并進行仿真分析，其結果如圖10所示。由圖10的結果可知，如果每個新能源廠站都按照一定比例（30%）配置調相機，則可以提升系統(tǒng)承載新能源的規(guī)模，尤其是對光伏發(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，面對電力系統(tǒng)發(fā)展的危機和反常，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，技術創(chuàng)新將成為解決危機（主要是安全穩(wěn)定性和充裕度下降）的主要手段。從經(jīng)濟性的角度考慮，建立電-碳融合的統(tǒng)一市場可能是最可行的路徑，這主要靠政策推動，這也是宏觀政策層仍占有較大權重的原因，由于沒有深入研究，在此不做重點分析。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.結語
新型電力系統(tǒng)是能源革命的樞紐，建立新發(fā)展思維是推動新型電力系統(tǒng)發(fā)展的基礎。以范式轉換為基礎理論分析傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉變的過程，本文得出如下結論。
1）在能源革命過程中，新能源發(fā)電技術的逐漸成熟和推廣，是電力系統(tǒng)范式轉換的原因，同時也是最后過渡到新型電力系統(tǒng)的結果。
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)模化發(fā)展對經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性和可靠性提升失效，因此電力系統(tǒng)面臨一次范式轉換，即由規(guī)?；鲗У陌l(fā)展范式過渡到以技術創(chuàng)新為主的發(fā)展范式。
3）通過電力系統(tǒng)范式轉換構建新型電力系統(tǒng)，并不僅僅是電力系統(tǒng)本行業(yè)內部可以完成的，其技術創(chuàng)新具有向源-網(wǎng)-荷-儲全鏈條、數(shù)字化、跨行業(yè)和跨領域延伸等新特征，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，但對經(jīng)濟性提升的作用相對不明顯。經(jīng)濟性的問題應當引入“碳”要素，通過建立電-碳聯(lián)合市場解決。
