“雙碳”目標下，新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的優(yōu)化思路

●冷俊 薛禹勝

習近平總書記宣布中國將力爭于2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和，這意味著中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，將完成全球最高碳排放強度降幅，用全球歷史上最短的時間實現(xiàn)從碳達峰到碳中和。

正如兩點之間可以畫無數(shù)條曲線，“雙碳”目標是確定的，但是要從中國當前的狀態(tài)達到期望中的狀態(tài)，中間可供選擇的路徑有無數(shù)種。為了優(yōu)化實現(xiàn)“雙碳”目標的路徑，需要明確以下三個問題：第一，對“雙碳”達標路徑的準確描述和評估，這需要考慮與能源、經(jīng)濟、環(huán)境及社會等環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)，以及合理預(yù)估各種不確定性因素的影響；第二，“雙碳”目標與能源安全、經(jīng)濟安全、環(huán)境安全的協(xié)同優(yōu)化；第三，電力系統(tǒng)如何主動支撐“雙碳”目標的實現(xiàn)。

電力系統(tǒng)是能源鏈的樞紐環(huán)節(jié)，以及經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電力發(fā)展與“雙碳”目標之間關(guān)系的官方表述，而能源的信息—物理—社會系統(tǒng)（Cyber-Physic-Social System in Energy，或CPSSE）是實現(xiàn)“雙碳”目標與能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的框架。

CPSSE中的信息元素，是指支撐大規(guī)模交流直流混合輸電及電力電子裝備入網(wǎng)，系統(tǒng)動態(tài)特性越加復(fù)雜的先進信息技術(shù)，在邁向“雙碳”目標的同時，保證我國的電力安全、能源安全、經(jīng)濟安全和環(huán)境安全。

CPSSE中的物理元素，是指在中國經(jīng)濟社會發(fā)展的碳約束條件下，能源領(lǐng)域是減少碳排放的主戰(zhàn)場，新能源大規(guī)模替代火電，能源系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性大幅提高，電力系統(tǒng)的樞紐角色將更為突出。

CPSSE中的社會元素，是指大規(guī)模新型負荷涌現(xiàn)，輔助服務(wù)與需求側(cè)參與的問題更加緊迫，大量社會參與者的博弈行為，特別是政策與規(guī)則將影響電力系統(tǒng)的工況與響應(yīng)，電力系統(tǒng)必須依靠更加智能的規(guī)劃、調(diào)度及市場引導(dǎo)，才能支撐“雙碳”目標。

本文嘗試從電力系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、CPSSE發(fā)展的過程，統(tǒng)籌考慮信息、物理、社會三個元素，提出實現(xiàn)“雙碳”目標及能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的框架。

能源鏈轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標緊密耦合

習總書記在2021年考察福建時強調(diào)：“要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)省建設(shè)布局，科學制定時間表、路線圖，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化?！惫P者認為，這里面的“人”即社會因素，“自然”即物理因素，“科學制定”和“現(xiàn)代化”反映了信息因素；為了順利實現(xiàn)“雙碳”目標，就要在時間表、路線圖上做文章，即在發(fā)展路徑下功夫；要優(yōu)化建設(shè)路徑，就必須對路徑的代價實現(xiàn)量化評估，進而優(yōu)化決策。

能源鏈中的一次能源通過電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成二次能源，將清潔、方便使用的電能傳輸、分配成為用戶消費的終端能源。在可以預(yù)見的將來，大規(guī)?？稍偕茉吹膽?yīng)用，能否順利克服其不確定性與不易控制等技術(shù)特征帶來的困難，很大程度上取決于電力系統(tǒng)能否實現(xiàn)有效而可靠的轉(zhuǎn)換和平衡。

能源鏈在支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，也向大氣層排放了大量以二氧化碳為主要代表的溫室氣體，后者嚴重制約了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。能源鏈中的電力系統(tǒng)則是溫室氣體的主要排放源。隨著應(yīng)對氣候變化成為全球共識，經(jīng)濟社會的發(fā)展也促使人們通過植樹造林、碳捕獲、利用與封存（CCUS）等手段增加碳匯。大氣層溫室氣體濃度是增加抑或減少，取決于碳排放和碳匯之間的關(guān)系：當碳排放大于碳匯時，溫室氣體的濃度就會不斷增加造成全球平均溫度的上升，若其超過了大自然能自我修復(fù)的極限時，就會帶來極端的自然災(zāi)害。

因此，能源鏈和碳元素鏈是緊密耦合的。以全球碳循環(huán)（2010—2019）情況為例，每年我們?nèi)藶榈幕剂先紵斐傻奶寂欧牛s340億噸每年）遠遠超出自然的土地生態(tài)活動形成的碳匯（約130億噸每年）與海洋生態(tài)活動形成的碳匯（約90億噸每年）之和。因為動物的呼吸、火山活動、山火等都會產(chǎn)生碳排放，所以碳排放不可能降到零值，僅僅依靠碳減排難以實現(xiàn)碳中和。必須要增加足夠的碳匯來抵消這部分的碳排放。當離碳中和目標越來越近時，不論是進一步減少碳排放，還是進一步增加碳匯，都會越來越困難。而社會資源在碳減排與碳增匯的配置決策上也需要優(yōu)化。

為此，需要獲取碳排放與碳匯的演化軌跡，并從中定性及定量評估碳中和的程度（例如取為碳匯量與碳排量的差值）；優(yōu)化碳中和的邊際成本。由于目前我國的減排能力與經(jīng)濟發(fā)展要求之間還存在很大差距，因此碳排量還處于增速減緩的爬坡階段，達峰后的碳排放量將經(jīng)歷波動下降、變速下降的階段，而最終實現(xiàn)碳中和。其中，必須科學評估碳減排和增加碳匯的效益與機會成本，選擇最優(yōu)的決策來實現(xiàn)“雙碳”達標。

那么，如何找到時間最短而機會成本最低的路徑呢？

我國采用了市場機制來優(yōu)化資金鏈：建立了碳排放市場及碳抵消市場，分別引導(dǎo)碳減排及優(yōu)化社會資金的投入，從而對碳減排、碳增匯相關(guān)領(lǐng)域的科技進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到促進作用。能源電力系統(tǒng)是我國首個進入碳市場的行業(yè)。

值得注意的是，如果碳排放市場和碳抵消市場互相孤立運行，沒有有效的協(xié)調(diào)，就可能起不到原先設(shè)想的作用。兩個市場之間需要協(xié)調(diào)機制，根據(jù)對雙碳進程的分析及預(yù)測，通過對抵消市場中的碳匯和排放市場中的碳排放權(quán)的態(tài)勢分析，調(diào)節(jié)兩個市場商品之間的折算當量，來有序推進“雙碳”目標的實現(xiàn)。

電力行業(yè)是“雙碳”目標的主戰(zhàn)場

發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)都有其經(jīng)濟模型和物理模型。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一個典型的跨領(lǐng)域跨學科系統(tǒng)，不但要打破各環(huán)節(jié)之間的信息壁壘，保證信息流的暢通及安全，還必須統(tǒng)籌考慮能源鏈、碳元素鏈、資金鏈、大量參與者的行為，以及信息、物理、社會元素引入的各種風險源，才能有效支撐新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃及運行。

新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的優(yōu)化與“雙碳”目標的順利實現(xiàn)緊密耦合。能源系統(tǒng)在整個碳排放中占比約80%，而電力行業(yè)的碳排放占比超過能源行業(yè)的40%，也即約占全國碳排放總量的三分之一。另一方面，能源領(lǐng)域推進“雙碳”目標的關(guān)鍵在于新能源對化石能源的大規(guī)模替代，以及終端能源側(cè)的大范圍電能替代。因此，電力行業(yè)無疑是實現(xiàn)“雙碳”目標的主戰(zhàn)場中的主力軍。

2021年3月15日，習近平總書記主持中央會議，明確了新能源在未來電力系統(tǒng)中的主體地位。2030年，我國風、光裝機預(yù)計將達到12～18億千瓦，煤電從基礎(chǔ)電力有序地轉(zhuǎn)為調(diào)控的保證。為此，電力系統(tǒng)必須實現(xiàn)重大轉(zhuǎn)型。建設(shè)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵和掣肘不僅在于新能源的出力難以預(yù)測及控制，轉(zhuǎn)動慣量的缺乏使電力系統(tǒng)抗故障沖擊的能力降低，還在于大規(guī)模分布式新能源、新型負荷及大量電力電子裝備的入網(wǎng)，使系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜化，更由于大量社會參與者的博弈行為，以及政策調(diào)整對電力系統(tǒng)工況與動態(tài)響應(yīng)的影響。

為此，電力及能源系統(tǒng)都必須依靠更加智能的規(guī)劃、調(diào)度及市場引導(dǎo)，才能保證其安全穩(wěn)定性及高效運行，進而主動支撐“雙碳”目標的順利實現(xiàn)。電力系統(tǒng)需要在各自隨機變化的供電側(cè)和用電側(cè)之間，實現(xiàn)不同時間尺度的動態(tài)平衡，保證電力安全、能源安全、經(jīng)濟安全和環(huán)境安全。2016年，筆者研究團隊發(fā)表在PIEEE上的文章指出：智能電網(wǎng)就是信息物理系統(tǒng)在電力領(lǐng)域中的實現(xiàn)（CPS in Power）。2017年，筆者研究團隊又在PIEEE發(fā)表了一篇觀點性文章，指出：智能電網(wǎng)的未來是CPSSE?？紤]到實際情況，筆者研究團隊將以經(jīng)濟發(fā)展水平、能源安全、環(huán)境安全、社會參與為約束條件，不斷動態(tài)優(yōu)化從當前狀態(tài)趨于目標狀態(tài)的實施路徑，從而達到能源轉(zhuǎn)型凈收益的最大化。實現(xiàn)路徑的量化評估，是一個巨大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全新的研究范式。其中包括：跨領(lǐng)域的建模、大數(shù)據(jù)的采集、多領(lǐng)域仿真平臺的搭建、基于混合仿真的沙盤推演、大數(shù)據(jù)中的知識提取及決策支持、各種不確定因素的考慮。

在雙碳目標及演化路徑的優(yōu)化研究中，筆者團隊按運行分析與控制的要求拓展了充裕性的風險評估概念，包括長期電量的充裕性、可中斷負荷參與運行控制及輔助服務(wù)、水能和核能在能源安全中的重新定位、各種儲能裝備的協(xié)調(diào)運行。同時，也拓展了安全穩(wěn)定性的風險評估，包括非常態(tài)事件的應(yīng)對、數(shù)據(jù)驅(qū)動與因果驅(qū)動的融合分析，寬頻振蕩行為的分析與控制。此外，在創(chuàng)立電力碳減排和碳中和的機會成本算法、碳排放市場與碳抵消市場的協(xié)調(diào)方法的基礎(chǔ)上，研究了碳中和的路徑優(yōu)化算法。

這場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)的變革，應(yīng)該以“雙碳”目標最優(yōu)實現(xiàn)路徑為決策的依據(jù)。新型電力系統(tǒng)的時空發(fā)展規(guī)劃，應(yīng)該嵌入到整個能源轉(zhuǎn)型及“雙碳”目標的路徑優(yōu)化過程中，計及來自信息、物理、社會環(huán)節(jié)的各種不確定性，并涉及信息技術(shù)、自然科學、社會科學等多領(lǐng)域的交叉，復(fù)雜非線性系統(tǒng)的時空演化規(guī)律的研究。

結(jié)語

能源領(lǐng)域通過一次能源的清潔替代、終端能源的電能替代，以及新型電力系統(tǒng)的主動支撐，來保證“雙碳”目標的順利實現(xiàn)。新型電力系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，其發(fā)展路徑的優(yōu)化與“雙碳”目標的順利實現(xiàn)緊密耦合。這不但在規(guī)劃層面上反映為電力（能源）規(guī)劃與“雙碳”路徑設(shè)計的融合，也在運行層面上反映為能量管理系統(tǒng)（EMS）與碳管理系統(tǒng)（CMS）的協(xié)同。