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1 論文所解決的問題及意義
新型電力系統(tǒng)的構建是一項復雜的系統(tǒng)性工程。一方面，未來電源、電網、負荷和儲能形態(tài)都將發(fā)生深度變革。新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑受技術發(fā)展、政策支持等因素影響，存在較大的不確定性，加之電力行業(yè)技術資金密集，存在高度的路徑依賴，技術路線試錯成本極高，必須在滿足低碳、安全、經濟的基礎上，科學制定新型電力系統(tǒng)頂層設計方案。另一方面，新型電力系統(tǒng)在平衡理論、安全穩(wěn)定特性、成本優(yōu)化和疏導機制等方面將發(fā)生深刻變化，新型電力系統(tǒng)構建需要回答一系列科學問題和經濟學問題，為構建新型電力系統(tǒng)提供理論基礎。本文首先刻畫了新型電力系統(tǒng)電源、電網、負荷與儲能形態(tài)的重大變化；在此基礎上，從平衡理論、穩(wěn)定機理、成本優(yōu)化與疏導等方面提出新型電力系統(tǒng)構建的科學問題與經濟學問題；最后，提出了支撐新型電力系統(tǒng)構建的關鍵技術方向。
2 新型電力系統(tǒng)構建的形態(tài)問題
電力系統(tǒng)是世界上最復雜的人造系統(tǒng)，根據不同時代經濟發(fā)展的需求和技術進步的程度分階段發(fā)展?！半p碳”目標對電力系統(tǒng)發(fā)展增加了碳排放約束，對電源、電網、負荷產生巨大影響，不同路徑下系統(tǒng)的物理結構、安全水平及成本差別顯著，亟需解決新型電力系統(tǒng)的發(fā)展形態(tài)問題。
電源形態(tài)：在供電安全和清潔低碳的約束下，新型電力系統(tǒng)電源形態(tài)受技術發(fā)展和成本優(yōu)化的影響，如圖1所示。在化石能源發(fā)電向低碳清潔能源發(fā)電過渡的過程中，電源形態(tài)的核心技術主要是能源清潔高效發(fā)電技術：化石能源發(fā)電技術以煤電與碳捕集、利用與封存聯合(CCUS)技術為主，非化石能源發(fā)電技術以新能源與長時儲能聯合技術為主。
圖1 電源不同技術形態(tài)與發(fā)展路徑
電網形態(tài)：我國資源與負荷需求呈逆向分布，以“西電東送”大規(guī)?？鐓^(qū)輸電為主要特征的輸電網形態(tài)將在較長時期內存在。在送端，能源開發(fā)呈現新能源基地化、布局連片化、出力同質化、通道集群化，連鎖故障引發(fā)大電網事故風險增加，由此帶來主網架結構、大基地接網方式、直流輸電技術等一系列需要深入研究的問題。在受端，隨著特高壓直流的大規(guī)模饋入，以及分布式電源和海上風電的發(fā)展，受端電網呈現“電力電子化”、電源“空心化”特征，電壓、頻率穩(wěn)定等安全風險凸顯。
傳統(tǒng)配電網將向新型配電網加速演進，在配電網規(guī)劃和運行方面產生重大變革。在規(guī)劃方面，以分層分區(qū)平衡理念優(yōu)化資源配置，既規(guī)范分布式電源有序接入，又統(tǒng)籌主配微協(xié)同發(fā)展，如圖2所示。在運行方面，強化平衡單元的柔性互聯和集群自洽，推動分布式資源動態(tài)聚合與協(xié)同優(yōu)化，實現配電網對大電網的主動支撐。
圖2 新型配電網分層分區(qū)平衡示意圖
負荷形態(tài)：在中國式現代化發(fā)展和“雙碳”目標驅動下，未來能源消費高度電氣化，我國電力需求仍將保持剛性增長。隨著傳統(tǒng)產業(yè)加速轉型升級，新質生產力加快形成，城鎮(zhèn)化率持續(xù)提升并趨于穩(wěn)定，鋼鐵、水泥等高耗能產品需求減少，高技術及裝備制造業(yè)、信息技術產業(yè)、現代服務業(yè)等將成為電力消費增長的主要動力。多重因素影響下，電力系統(tǒng)負荷特性呈現尖峰化、季節(jié)性波動和強不確定性等顯著特征，將嚴重影響電力系統(tǒng)經濟性和運行效率，在需求側也要積極探索負荷柔性化技術。
儲能形態(tài)：隨著儲能大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)構成要素將由“源網荷”向“源網荷儲”轉變，儲能從系統(tǒng)運行的輔助角色逐步成為新型電力系統(tǒng)構建的重要組成部分?，F有儲能類型都可在系統(tǒng)短周期日內平衡中發(fā)揮作用，但無法用于解決連續(xù)多日無風無光新能源低出力情況下的電力電量平衡問題，要么經濟代價極大。以太陽能、風能為電源主體時，面向周平衡、月平衡的長時儲能不可或缺。未來隨著各種儲能技術的不斷發(fā)展，需要取長補短、互為補充，構建總量充裕、結構合理、成本最優(yōu)的儲能體系。
3 新型電力系統(tǒng)構建的科學問題
科學問題1：如何解決高比例新能源隨機、波動與間歇性帶來的電力電量平衡問題。
新能源出力受天氣影響顯著，不僅在日內具有顯著的隨機性和波動性，而且隨著季節(jié)變化呈現不同時長的間歇性，改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)平衡機制，從可控的電源跟蹤變化的用電負荷單向平衡模式，轉變?yōu)樵春呻p隨機、源網荷儲多主體互動的復雜平衡模式。為實現對新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的精準刻畫與評估，需要掌握氣候氣象與新能源出力的時空耦合機理，研究新型電力電量平衡理論與方法，如圖3所示。
圖3 電力電量平衡理論研究架構
科學問題2：如何實現復雜特性新型電力系統(tǒng)在多時間尺度下的安全穩(wěn)定運行。
在新能源大規(guī)模發(fā)展的情況下，源側、輸電側、負荷側將出現大量電力電子設備，主導系統(tǒng)運行特性的物理基礎發(fā)生根本變化。一方面，電力電子設備通過控制向電網交換的功率改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)根據阻抗自然分布的特性，同時對電網參數的調節(jié)也改變了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點；另一方面，電力電子設備與傳統(tǒng)設備完全不同的動態(tài)響應特性會重塑系統(tǒng)整體的動態(tài)行為，引發(fā)機-電-磁-控強耦合的新型穩(wěn)定特性?！半p高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定機理從依賴旋轉機械的物理特性，逐步轉變?yōu)橐蕾囉陔娏﹄娮釉O備的復雜控制特性，新型電力系統(tǒng)的頻率、電壓等傳統(tǒng)與新型穩(wěn)定問題愈發(fā)突出。
4 新型電力系統(tǒng)構建的經濟學問題
實現“碳達峰”“碳中和”，不僅是自然科學和工程技術問題，同時也是重大的經濟學問題，包含三個方面：
一是“雙碳”目標下構建新型電力系統(tǒng)的均衡理論視角。新型電力系統(tǒng)將給社會及產業(yè)提供了兩種生產要素“電”和“綠”，新型電力系統(tǒng)與經濟發(fā)展、產業(yè)結構的耦合聯動更加凸顯、關系更為復雜，需要解決多目標、多約束、多變量，復雜巨系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化問題。
二是如何在滿足安全和綠色約束下尋找最低成本轉型路徑。構建新型電力系統(tǒng)是資源-技術-經濟耦合的復雜系統(tǒng)性工程，構建成本很大程度上取決于各種技術經濟比較和競爭，這其中科技創(chuàng)新和技術路徑選擇是核心。
三是如何疏導新型電力系統(tǒng)構建成本。構建新型電力系統(tǒng)不僅是電力行業(yè)的任務，也是各行各業(yè)和公眾的共同責任。其巨大的構建成本電力行業(yè)無法單獨承受，需要全社會分擔。
5 新型電力系統(tǒng)構建的關鍵技術
為解決新型電力系統(tǒng)構建過程中面臨的基本問題，需要加快源網荷儲各環(huán)節(jié)核心技術突破。本文提出對新型電力系統(tǒng)構建有重大影響的關鍵技術，并展望其未來發(fā)展方向。
碳捕集、利用與封存技術：CCUS技術可有效降低煤電的碳排放水平，使得系統(tǒng)在滿足碳排放約束的情況下，提高煤電的發(fā)電量上限。因此，CCUS是影響新型電力系統(tǒng)中煤電裝機規(guī)模的關鍵技術，甚至決定新型電力系統(tǒng)的構建路徑。CCUS技術的進一步發(fā)展，需要突破一些關鍵技術問題：碳捕集技術需要進一步提高捕集效率，降低系統(tǒng)整體能耗和捕集成本；碳封存技術需要解決“注不進、封不住”的問題。
長時儲能技術：長時儲能技術能有效解決新能源長時低出力情形下的系統(tǒng)平衡問題，是通過發(fā)展大規(guī)模新能源來構建新型電力系統(tǒng)這一技術路線的關鍵。目前，尚未有一種儲能時長能夠滿足要求的長時儲能技術出現。面向周平衡、月平衡的大規(guī)模長時儲能技術需要具備能量損失小、使用壽命長、資源環(huán)境限制小、成本低等特征。
大電網安全防御技術：大電網安全是新型電力系統(tǒng)構建的重要基礎。傳統(tǒng)電網安全防御技術基于機電暫態(tài)穩(wěn)定理論，建立了“三道防線”。在未來“雙高”背景下，需要重新認識新型電力系統(tǒng)安全運行機理，發(fā)展適應高比例“電力電子化”的電網安全控制技術，拓展傳統(tǒng)三道防線的內涵，構建“主動預防+被動防御”雙維度三道防線，如圖4所示。
圖4 大電網安全防御體系示意圖
再電氣化技術：目前，我國能源消費側碳排放主要集中在工業(yè)、建筑、交通領域，未來需重點提升以上三個領域的再電氣化技術水平。在工業(yè)領域，加快鋼鐵、有色、建材、化工等高耗能產業(yè)電氣化進程；在建筑領域，積極推進建筑用能電氣化和建筑光伏一體化；在交通領域，加快實現“以電代油”，促進電動汽車、電氣化鐵路、軌道交通、港口岸電、電動船舶等發(fā)展。
碳排放核算與分攤機制：源網荷儲各環(huán)節(jié)碳排放的準確計量與責任分攤，是影響新型電力系統(tǒng)減碳降碳的重要因素。在碳排放核算技術方面，要建立包括碳計量、核算、標準、認證等多個方面的碳足跡管理體系，建立與國際接軌的碳排放標準認證體系。在碳排放分攤機制方面，做到實時分配源網荷儲各主體之間的碳排放權責，在碳市場機制下建立面向新型電力系統(tǒng)的多時空碳排放責任分攤與約束體系。
6 結語
實現“雙碳”目標，新型電力系統(tǒng)建設至關重要，亟需超前謀劃，做好頂層設計。本文首先從電源、電網、負荷與儲能4方面分析了新型電力系統(tǒng)構建的形態(tài)問題；在此基礎上，提出了2個科學問題和1個經濟學問題；最后，提出了CCUS、長時儲能、大電網安全防御、再電氣化、碳排放核算與分攤機制等關鍵技術的發(fā)展方向。希望本文能為我國新型電力系統(tǒng)的深入研究與示范實踐提供參考與借鑒。
