新型電力系統(tǒng)構(gòu)建“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”新生態(tài)

王秀強(qiáng)

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)是國家重要戰(zhàn)略、全球主要經(jīng)濟(jì)體的一致行動(dòng)。“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成是一個(gè)系統(tǒng)工程，關(guān)鍵路徑是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與節(jié)能降耗，能源是主戰(zhàn)場，電力系統(tǒng)革新是核心。這是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的時(shí)代背景和理論基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)是由發(fā)輸變配用各領(lǐng)域、源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)、技術(shù)體制各層面緊密耦合形成的有機(jī)整體。在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，傳統(tǒng)電力結(jié)構(gòu)、發(fā)展模式、利益格局、技術(shù)特征等均面臨革命性變化。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的技術(shù)特征、運(yùn)行機(jī)制、基礎(chǔ)設(shè)施均將發(fā)生革命性的變化。

隨著新能源滲透率提高，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“雙高”特性——高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備接入。基于新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、分散性等特點(diǎn)，電源側(cè)出力波動(dòng)加大，負(fù)荷側(cè)不確定性增加，電力系統(tǒng)功率平衡壓力增加，電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大。

與此同時(shí)，在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，將催生大量新技術(shù)、新業(yè)態(tài)，電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷”生態(tài)發(fā)生重大變化。

表現(xiàn)為，能源生產(chǎn)端形成多元化清潔能源供應(yīng)體系，以風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電為供應(yīng)主體，化石能源電源的功能變?yōu)槎档妆Ｕ?、調(diào)節(jié)與支撐；電網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)交直流混聯(lián)大電網(wǎng)與多種形態(tài)電網(wǎng)并存的格局，傳統(tǒng)大電網(wǎng)與局域網(wǎng)互補(bǔ)共生；負(fù)荷側(cè)電氣化水平大幅提升，用能模式向多能互補(bǔ)、源荷互動(dòng)發(fā)展。

（一）發(fā)電側(cè)：新能源為主體，煤電兜底保障

在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，新能源與化石能源之間的博弈將從激烈對(duì)撞向共存共生轉(zhuǎn)變。

“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將新能源推向快速發(fā)展的黃金賽道。風(fēng)電、光伏發(fā)電是裝機(jī)主體、電力與電量供應(yīng)主體。從發(fā)展規(guī)模看，新能源裝機(jī)占比、發(fā)電量占比將大比例提升。

2020年底，我國新能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到5.35億千瓦，同比增長29.4%，占全國總裝機(jī)容量的比重達(dá)到24.3%。2020年新能源發(fā)電新增裝機(jī)容量首次突破1億千瓦，達(dá)到1.2億千瓦，占全國電源新增總裝機(jī)容量的63%；全國新能源發(fā)電量7276億千瓦時(shí)，約占總發(fā)電量的10%，同比提高約1個(gè)百分點(diǎn)。

在“雙碳”戰(zhàn)略下，“十四五”“十五五”期間新能源將呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，全國年均新增規(guī)?？赡軙?huì)在“十三五”基礎(chǔ)上倍增，“十四五”期間每年新增風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模在1億千瓦以上，“十五五”期間每年新增風(fēng)光規(guī)模1.5億千瓦以上。預(yù)計(jì)2025年，我國新能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量有望突破10億千瓦，新能源裝機(jī)占比將達(dá)到40%左右，發(fā)電量占比將接近20%左右。

中國科學(xué)院院士周孝信研究認(rèn)為，2030年風(fēng)電、太陽能總裝機(jī)達(dá)到16.1億千瓦，2033年非水可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比超過50%，裝機(jī)占比首次超過煤電；2060年非水可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比超過82%；2051年新能源發(fā)電量比重超50%。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織則提出更為樂觀的發(fā)展情景。他們研究認(rèn)為，2030年、2050年、2060年，中國清潔能源裝機(jī)將分別增至25.7億、68.7億、76.8億千瓦，分別占比67.5%、92%和96%，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)體系全面轉(zhuǎn)型。對(duì)于煤電而言，我國煤電總量應(yīng)控制在2025年達(dá)到峰值，2050年電力系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)近零排放，2060年煤電完全退出。

在風(fēng)電、光伏大規(guī)模發(fā)展同時(shí)，氫能等新興能源受益于技術(shù)進(jìn)步、成本下降雙驅(qū)動(dòng)，其應(yīng)用市場規(guī)模將更廣泛；水電、生物質(zhì)能發(fā)電、光熱發(fā)電等構(gòu)成多元化的非化石能源生態(tài)。此時(shí)，新能源是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的責(zé)任主體，同時(shí)需要具備一定的主動(dòng)支撐、系統(tǒng)調(diào)節(jié)與故障穿越能力，分?jǐn)傠娏ο到y(tǒng)成本上升的壓力。

化石能源電源占比不斷下降是大勢所趨，將由基礎(chǔ)電源成為調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)變，化石能源電源向兜底保障、調(diào)節(jié)與支撐功能轉(zhuǎn)變。但需要注意的是，煤電的戰(zhàn)略地位仍不容小覷，尤其在寒潮或高溫等特殊情境下，風(fēng)電、光伏出力減少，缺少煤電負(fù)荷兜底，電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平衡將被打破。

2021年1月，湖南、浙江等省份拉閘限電，北京市重啟燃煤供熱機(jī)組，在此背后負(fù)荷大幅增加，新能源發(fā)電負(fù)荷銳減，不得不由煤電承擔(dān)迎峰度冬的重任。2020年8月，美國加州由于連續(xù)酷熱造成電力短缺；2021年2月，美國得克薩斯州因極寒天氣發(fā)生電力短缺。面對(duì)突發(fā)狀況的出現(xiàn)，新能源無法獨(dú)立支撐電力系統(tǒng)，需要電力系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的互濟(jì)來解圍。風(fēng)光與煤電是互補(bǔ)關(guān)系，絕非替代關(guān)系。

在能源生產(chǎn)方式上，電源生態(tài)大中小容量并存，集中式和分布式布局并存，在網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)營并存。未來新能源高比例接入將呈現(xiàn)集中式與分布式并重的態(tài)勢，包括西北、華北、東北地區(qū)的大規(guī)模風(fēng)光基地、東部沿海地區(qū)的海上風(fēng)電基地，以及數(shù)量可觀、就近消納的分布式電源。

（二）電網(wǎng)側(cè)：大電網(wǎng)與微網(wǎng)共榮共生

電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的中樞，在電力系統(tǒng)的調(diào)度、控制、管理中發(fā)揮重要作用。新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式下，電網(wǎng)企業(yè)的功能定位、商業(yè)模式、運(yùn)行特征等也隨之變化。

在全球電力工業(yè)180年的發(fā)展進(jìn)程中，前150年以大電網(wǎng)模式為主。分布式電源、微電網(wǎng)、局域網(wǎng)等的出現(xiàn)，推動(dòng)了大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的融合。大電網(wǎng)的公共屬性將進(jìn)一步增強(qiáng)，主要承擔(dān)跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離資源輸配責(zé)任，配網(wǎng)側(cè)資產(chǎn)配置以響應(yīng)用戶負(fù)荷變化為原則，承擔(dān)區(qū)域電力安全平穩(wěn)運(yùn)行的保底責(zé)任。

在新型電力系統(tǒng)下，電網(wǎng)運(yùn)行生態(tài)特點(diǎn)表現(xiàn)為：（1）特高壓外送通道投資規(guī)模提高，以支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)消納；（2）微電網(wǎng)、局域網(wǎng)、大規(guī)模柔直等新型組網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，大電網(wǎng)與微電網(wǎng)融合發(fā)展，交流大電網(wǎng)與交直流配網(wǎng)并存；（3）配網(wǎng)向智能柔性的主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，具有靈活控制和運(yùn)行能力，可以支持分布式新能源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等用能設(shè)施和分布式發(fā)電設(shè)備海量接入，滿足功率雙向流動(dòng)和多元負(fù)荷用電需要；（4）電網(wǎng)與管網(wǎng)、通信網(wǎng)、電視網(wǎng)、交通網(wǎng)等融合共治，共同參與智慧城市、智慧生活建設(shè)，數(shù)字智能電力生態(tài)系統(tǒng)形成。

從投資視角看，為保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)特高壓、柔性直流投資預(yù)計(jì)加快，電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能、氫能、充電樁、燃煤機(jī)組靈活性改造等具備靈活性調(diào)節(jié)能力的資產(chǎn)收益將大幅提高，配網(wǎng)側(cè)一二次融合設(shè)備、智能電表、智能開關(guān)等智能終端的投資需求將大幅增加。

從智能電網(wǎng)的技術(shù)特征看，電網(wǎng)利用小微傳感、邊緣計(jì)算、電力物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，構(gòu)建具備云-邊協(xié)同、海量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析、高度智能化決策等能力的電網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營、業(yè)務(wù)管理和產(chǎn)業(yè)融合全面數(shù)字化。

（三）負(fù)荷側(cè)：由源隨荷動(dòng)”轉(zhuǎn)向“源網(wǎng)荷互動(dòng)”

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是一個(gè)超大規(guī)模的非線性時(shí)變能量平衡系統(tǒng)，生產(chǎn)組織模式是“源隨荷動(dòng)”，用精準(zhǔn)可控的發(fā)電系統(tǒng)，去匹配基本可測的用電系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)下，隨著風(fēng)光滲透率的提高，以及儲(chǔ)能、分布式電源、UPS電源、制冷制熱設(shè)備、充電樁等多元化可調(diào)節(jié)負(fù)荷的大規(guī)模接入，發(fā)電側(cè)、負(fù)荷側(cè)預(yù)測難度加大。

從負(fù)荷側(cè)的特點(diǎn)看：（1）工業(yè)、交通、建筑等負(fù)荷側(cè)電能替代水平大幅提升；（2）能源產(chǎn)品和服務(wù)需求多樣化，水、熱、冷、電、氣等多重能源深度耦合，能源梯級(jí)利用、能效診斷與能效提升等綜合服務(wù)需求成為常態(tài)；（3）負(fù)荷側(cè)通過儲(chǔ)能、分布式發(fā)電等多種設(shè)備的接入，配網(wǎng)側(cè)從單一、被動(dòng)、通用化的能源消費(fèi)模式向融合多種需求、主動(dòng)參與、定制化的雙向交互模式轉(zhuǎn)變，用能模式由“源隨荷動(dòng)”將向“源網(wǎng)荷互動(dòng)”轉(zhuǎn)變；（4）負(fù)荷側(cè)數(shù)據(jù)廣泛交互、價(jià)值共享，通過數(shù)字化手段可以實(shí)現(xiàn)終端用能狀態(tài)全面感知和智慧互動(dòng)；

此外，在未來城市能源管理系統(tǒng)中，虛擬電廠控制平臺(tái)將在城市配網(wǎng)中將廣泛應(yīng)用。城市虛擬電廠通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)匯總終端用電設(shè)備的狀態(tài)和需求信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式發(fā)電機(jī)組、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)施實(shí)時(shí)調(diào)控管理，通過與輸電網(wǎng)的信息實(shí)時(shí)交互實(shí)現(xiàn)電力供需平衡。還可以將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸至電碳市場中心和電網(wǎng)調(diào)度控制中心，構(gòu)建分時(shí)、梯度的虛擬電廠群，主動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度信號(hào)，參與電力市場交易和電網(wǎng)運(yùn)行。