新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及應對思考
郭劍波，王鐵柱，羅魁，秦曉輝，荊逸然，趙兵，馬士聰
（國家電網有限公司，中國電力科學研究院有限公司）
1.研究背景
為應對氣候變化，落實《巴黎協(xié)定》，中國承諾2030年左右二氧化碳排放達到峰值，2060年實現碳中和。能源結構由高碳向低碳轉型，是實現“雙碳”目標的關鍵，而電力又是其主戰(zhàn)場。電力系統(tǒng)將成為能源供應、消費以及傳輸轉換的主要環(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換的現代能源體系樞紐和平臺。美國、英國、歐盟等發(fā)達國家/地區(qū)在政府主導下持續(xù)推動能源低碳轉型和電力系統(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，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。本文從我國“雙碳”目標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、經濟性和體制機制挑戰(zhàn)，提出應對措施和關鍵技術建議，并總結提煉新型電力系統(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
構建新型電力系統(tǒng)是我國實現雙碳目標和能源轉型的重要途徑。隨著能源結構變革的深入推進，電力系統(tǒng)的結構和特性也將發(fā)生深刻變化，安全?經濟?環(huán)境“矛盾三角形”是構建新型電力系統(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、經濟性和體制機制挑戰(zhàn)，提出了值得關注的關鍵技術，最后總結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.重點內容
1）能源電力發(fā)展場景
據預測，2030年我國終端電氣化水平上升至39%，全社會用電量將達到11.8萬億kW·h，電源裝機總量將達到40億kW，風光發(fā)電裝機超過煤電成為第一大電源，但煤電仍然是電力電量供應主體。電力行業(yè)將承接其他行業(yè)轉移的碳排放，碳減排任務和壓力更大。
2060年我國一次能源消費中非化石能源占比將達到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比例將超過70%。全社會用電量達到約15.7萬億kW·h，電源裝機將超過67億kW；風光裝機占比超過60%，發(fā)電量占比超過50%，成為電量供應主體，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，電力行業(yè)實現凈零排放。
（a）我國一次能源結構演變過程
（b）我國終端能源結構演變過程
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)電出力具有隨機性、波動性，電力電量時空分布極度不均衡，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)機組，新能源的弱支撐性導致電網“空心化”加劇，故障造成打擊強度增加，新能源調節(jié)和耐受能力相對于同步機又不足，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)調實現，需要政策機制的引導和保障，帶來經濟性和體制機制挑戰(zhàn)。安全?經濟?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，還需要電力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)甚至社會系統(tǒng)(用電行為、需求側響應等)協(xié)同。我國中東部風、光資源技術可開發(fā)量遠不能滿足當地負荷用電需求，能源電力空間平衡的需求和挑戰(zhàn)大，需解決能源經濟社會統(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、調頻能力下降，頻率越限風險增加，低壓并網，電壓支撐和調節(jié)能力弱，功角穩(wěn)定特性復雜，不確定性增加，寬頻帶振蕩等問題出現。
圖3 某區(qū)域電網故障后頻率曲線對比
c. 經濟性和體制機制挑戰(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、建設快，利益主體龐雜交織，多目標協(xié)同難度大。
3）應對措施及關鍵技術
安全?經濟?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)下支撐能源轉型和“雙碳”目標的實現，支撐國民經濟健康發(fā)展。應對思路如圖4所示，下面推薦若干關鍵技術供參考。
圖4 應對措施和關鍵技術
a. 靈活能力建設
通過對源?網?荷側進行改造提升和協(xié)調優(yōu)化、增加儲能資源、發(fā)揮互聯電網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. 電網技術研發(fā)與創(chuàng)新
系統(tǒng)性認知新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定機理，加強電力系統(tǒng)規(guī)劃的權威性和強制性，加快新能源并網/組網技術的創(chuàng)新研究與應用，建立在快速感知、智能決策和“三道防線”等基礎上的運行控制。
c. 綜合提升技術
虛擬電廠：通過先進通信技術和控制架構，實現分散的各種能源設備的聚合和協(xié)調優(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：在雙碳目標下，化石能源發(fā)電、鋼鐵等領域需要配合CCUS技術進行深度脫碳，實現近零排放。據多方預測，2060年我國碳捕集量為6~12億t/年。
數字孿生與人工智能：提升對物理系統(tǒng)的認知、診斷、預測、決策和管理能力，應對系統(tǒng)的復雜性和不確定性，提升智能化水平。
d. 政策和市場機制
完善電價市場機制，加強輔助服務市場建設，以市場化手段推動系統(tǒng)綜合成本的合理傳導；建設碳市場、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”目標背景下，新型電力系統(tǒng)在本質特征上有顯著的變化。新的特征帶來了系統(tǒng)要素變化、要素關聯關系的變化，需要進一步加強系統(tǒng)觀、全局觀，從系統(tǒng)層面重新審視、認知電力系統(tǒng)，厘清新的矛盾主體和矛盾演化規(guī)律，以適應新型電力系統(tǒng)發(fā)展與建設的需求。
新的功能定位：國民經濟和人民生活中社會責任提升、全局性和基礎性作用增強、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)運營帶來了挑戰(zhàn)。
新的供需特性：新能源電力具有強不確定性和低保障性，“極熱無風、晚峰無光”以及負荷與新能源出力共同受極端天氣影響的負相關性等特征明顯，供需呈現新的特性，時空平衡難度增大。
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)將發(fā)生變化。關鍵礦物原料等產業(yè)鏈的供應安全成為能源資源供應安全新的組成部分。
圖5 部分能源技術的礦物單位需求量
新的結構形態(tài)：電源結構、電網形態(tài)、負荷形態(tài)均發(fā)生變化，新的結構形態(tài)決定了新型電力系統(tǒng)是以電力為平臺、電網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)進行結構化和規(guī)則化處理，合理選擇能源利用方式。
新的市場機制：現有以電量競爭為主的市場機制功能不完善，與多層級多種類市場體系的功能需求不匹配，需要調動協(xié)調市場參與主體共同參與輔助服務等多層級市場。
新的政策法規(guī)：比如規(guī)劃的法律地位和責任關系、電力監(jiān)管的重點和方式、電力商品和安全屬性的統(tǒng)籌、供電營業(yè)區(qū)與微電網/產銷者的關系、電力可獲得的公平屬性等等。
4.結論
電力是能源革命主戰(zhàn)場，新型電力系統(tǒng)是現代能源體系的樞紐和平臺。新型電力系統(tǒng)的發(fā)展構建過程將長期面臨安全?經濟?環(huán)境矛盾疊加、“保供應、保安全、促消納”問題交織的挑戰(zhàn)。需要充分認識和掌握新型電力系統(tǒng)演進的客觀規(guī)律和各階段主要矛盾，堅持先立后破，有計劃分步驟實施行動。
