“雙碳”目標下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與展望

鄧 明，常立偉

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇 南京 211006；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211006；3.智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點試驗室，江蘇 南京 211006）

0 引 言

面對全球氣候變暖的巨大挑戰(zhàn)，貫徹落實新能源安全戰(zhàn)略目標，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)迫在眉睫[1]。為了響應國家號召，石油、煤以及電力等行業(yè)相關企業(yè)相繼發(fā)布“雙碳”戰(zhàn)略性目標、意愿以及落實方法。以電代煤和以電代油技術的產(chǎn)生，促進了新能源汽車、燃料電池、分布式能源以及微電網(wǎng)等技術的飛速發(fā)展，加速了以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型和構(gòu)建，助力我國實現(xiàn)碳達峰和碳中和的戰(zhàn)略性目標。

1 新型電力系統(tǒng)概述

1.1 核心內(nèi)涵

基于我國能源長期發(fā)展的目標，在低碳電力技術的創(chuàng)新和電力體制的改革的推動下，統(tǒng)籌構(gòu)建清潔低碳、安全高效、消納以及調(diào)控新能源的新型電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵為低碳、安全以及高效3個方面[2,3]。

1.1.1 新能源占比高

電網(wǎng)中新型能源的占比逐漸高于傳統(tǒng)煤電占比，使得新能源的消納和調(diào)控在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)中至關重要。光伏和風電等新型能源的穩(wěn)定性較弱，且生產(chǎn)電能過程具有隨機性和間接性，導致傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控手段無法滿足新型電力系統(tǒng)的要求，需要開發(fā)更多新型儲能技術和新型的負荷側(cè)，實時監(jiān)控工控設備，提高調(diào)度效率。

1.1.2 滿足電力系統(tǒng)能源供需和保障安全

我國各區(qū)域之間的電力傳輸結(jié)構(gòu)日趨復雜，瞬時性、波動性以及間接性的新型電力流入電力系統(tǒng)的規(guī)模逐漸變大。在“云大物移智鏈”技術深入龐大數(shù)據(jù)和各類型數(shù)字化平臺時，各平臺數(shù)據(jù)的采集、分析、傳輸以及展示等環(huán)節(jié)極易被人為或信息攻擊手段竊取和破壞，增大了引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故的非傳統(tǒng)電力安全風險[4]。

1.1.3 全國統(tǒng)一電力市場體系

將各區(qū)域不同時期和使用新能源不同比例的用戶數(shù)據(jù)接入電力系統(tǒng)，優(yōu)化電力系統(tǒng)分配資源的效率，使得能源消納面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，需建設全國統(tǒng)一的電力市場體系，提高能源供需平衡的積極性和主動性，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)電力資源共享互濟和優(yōu)化配置。制定全國統(tǒng)一的交易機制，建設符合新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的市場機制，開發(fā)安全、有效以及有序的電力市場體系[5]。

1.2 關鍵特征

在碳達峰與碳中和的目標下，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的背景下，新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)、形態(tài)、技術以及機制等方面的優(yōu)勢。

（1）結(jié)構(gòu)。在電源側(cè)，可再生能源、可靠性高的零碳電源以及化石能源發(fā)電機將成為電源的主體；在負荷側(cè)，因能源消費結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，終端用能呈現(xiàn)多樣化、彈性化以及有源化；在儲能側(cè)，受需求側(cè)響應、虛擬電廠以及儲能等綜合性能影響，系統(tǒng)根據(jù)不同環(huán)節(jié)、時間尺度以及應用場景的不同，需實現(xiàn)統(tǒng)籌管理和設計。

（2）形態(tài)。新能源接入電網(wǎng)的比例大幅度提升，增加了電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)調(diào)峰壓力，需要實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲深度融合。由于新能源的并網(wǎng)、傳輸以及消納在源-網(wǎng)-荷端引入電力電子設備，造成電力系統(tǒng)呈“雙高”趨勢，新型電力系統(tǒng)以機電-電磁耦合特性為主。此外，需促進能源和信息的高度融合，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)。

（3）技術。開發(fā)創(chuàng)新數(shù)字化支撐技術，促進新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。

（4）機制。全國統(tǒng)一電力市場機制促進了全國范圍內(nèi)電力資源優(yōu)化配置和共享互濟。新能源消納長效機制中，通過源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補，促進能源的消納。源網(wǎng)荷儲協(xié)同運行機制中，源網(wǎng)荷儲各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)互動，推進系統(tǒng)不斷優(yōu)化進程[6,7]。

1.3 演化路徑

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是一個龐大、復雜以及漫長的系統(tǒng)工程。以2030年為界，它可劃分為2個階段，其中2030年以前為電力碳達峰階段，2031—2060年為電力碳中和階段。碳達峰階段為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型期，利用現(xiàn)有技術框架挖掘技術潛力，儲存能量，發(fā)現(xiàn)各個機制的問題。碳中和階段為新型電力系統(tǒng)發(fā)展成熟期，大力推進技術創(chuàng)新，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲和體制的深度變革。

2 電力系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)狀

目前，自2006年至今我國發(fā)電設備年產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)17年超過1×108kW。2021年底，發(fā)電機年產(chǎn)量達到23.16×108kW，同比增長9.6%。同時，由于我國能源供給結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，新型可再生能源裝機比重逐年遞增?！笆濉逼陂g，風電、太陽能、水電、核電以及火電裝機容量占比分別增加34.6%、24.1%、3.4%、2.4%以及4.7%，如圖1所示。

圖1 2021年裝機容量占比

3 “雙碳”目標下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是符合國情、全球化氣候變化以及電力發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)能源與新能源和新能源與電網(wǎng)之間的矛盾逐漸增加，在能源平衡、能源安全以及能源成本方面面臨著諸多的挑戰(zhàn)。

3.1 能源平衡

目前，我國工業(yè)化尚未完成，電力系統(tǒng)仍以煤電為主導，除負荷太重時用限電模式調(diào)節(jié)平衡外，“源隨荷動”的平衡模式是平衡各地區(qū)電量的主要方式。新能源輸入電力系統(tǒng)的比例逐漸增加，新型電力系統(tǒng)向不確定性且可控性弱的電力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。目前，我國由于儲能不足，電量的供給以穩(wěn)定性高的能源為主，即使大量新能源輸入電力系統(tǒng)，也只是作為候選的電量供給方式，電力系統(tǒng)需具備靈活的調(diào)節(jié)性。我國的可再生能源、水電以及抽蓄等產(chǎn)生新型電力的穩(wěn)定性差，而現(xiàn)有的儲能技術難以解決高比例新能源消納問題，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)難以平衡。此外，生產(chǎn)新能源電量的區(qū)域存在季節(jié)性不匹配、區(qū)域性不匹配以及主體性不匹配等多種問題，亟需加強跨區(qū)域調(diào)配。同時，以往較單一的電能運輸通道運輸新能源時，可能會出現(xiàn)過電壓和主變壓器容量不足的問題[8]。

3.2 能源安全

隨著新能源應用比例的不斷增加，新能源的波動性與隨機性降低了全網(wǎng)慣性水平，影響系統(tǒng)故障時的電氣量變化率。電氣量變化率的變化規(guī)律與電量的負荷變化不匹配，甚至出現(xiàn)反調(diào)峰特性，導致電力嚴重過剩，加劇了電網(wǎng)的安全問題。在源網(wǎng)荷儲環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)的電網(wǎng)電子設備與新能源產(chǎn)生的電能進行了并網(wǎng)，使得電網(wǎng)產(chǎn)生交直流混聯(lián)現(xiàn)象，導致國家電網(wǎng)系統(tǒng)存在多方面不穩(wěn)定的復雜特征。

3.3 能源成本疏導

一方面，雖然新型能源在經(jīng)濟上擁有零成本優(yōu)勢，可以降低電力系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，但是由于新型能源的不穩(wěn)定性、不確定性以及間接性等眾多缺點，導致電力系統(tǒng)需要更高配置的電力電子設備，因此需要迫切改革新能源價格機制。另一方面，各省各地建設電力市場存在問題，如跨區(qū)跨省交易中存在市場壁壘，導致無法充分發(fā)揮各區(qū)域間的新能源消納；缺乏滿足新型電力系統(tǒng)和支持“源網(wǎng)荷儲”各個環(huán)節(jié)互動的市場體制，不能充分挖掘新能源電力的最大價值，不能充分發(fā)揮電力資源優(yōu)勢，同時難以支撐電力系統(tǒng)從發(fā)電到用電各環(huán)節(jié)的主體參與市場[9,10]。

4 “雙碳”目標下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的展望與建議

4.1 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的展望

4.1.1 統(tǒng)籌新能源開發(fā)和煤電保容減量

基于我國國情，大力發(fā)展和挖掘可再生能源是國家電力行業(yè)的發(fā)展趨勢，也是全球各個國家能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。2020—2030年是傳統(tǒng)煤電轉(zhuǎn)型與新能源開發(fā)配合發(fā)展的關鍵時刻，既要避免新能源因其不確定性和間歇性特征大量輸入電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的潛在性危險，還要重新定位煤電的功能和作用，因地制宜慎重決策新建煤電，降低電網(wǎng)安全風險[11]。

4.1.2 加強電能替代，推進社會節(jié)能力度

我國各行業(yè)對電能的需求量居高不下。電氣化水平的提升成為節(jié)能增效的重要主體，是提高我國生產(chǎn)力的必經(jīng)之路，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的必然選擇。構(gòu)建多元化清潔電力供應體系，將節(jié)電貫穿工業(yè)、建筑以及交通等行業(yè)。

4.1.3 服務電網(wǎng)智能化發(fā)展，推動能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型

通過對計算機通信、人工智能以及控制技術等的創(chuàng)新，促進能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使得傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能化發(fā)展，支撐源網(wǎng)荷儲全環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)，確保新能源被電力系統(tǒng)接入、消納以及利用，充分開發(fā)數(shù)字經(jīng)濟市場中新能源電商市場，推動新型電網(wǎng)系統(tǒng)成功轉(zhuǎn)型。

4.1.4 完善儲能體系

為實現(xiàn)到2025年新型電力系統(tǒng)初步進入規(guī)?；l(fā)展階段、儲能技術顯著提高以及電力電子裝備可控性大幅提升，到2030年基本滿足構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需求，未來需加快完善儲能體系，積極展開試點示范，擴大新型儲能應用領域和應用規(guī)模[12]。

4.2 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的建議

4.2.1 完善能源與電價之間的關系

一方面，從電價結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，按照“誰受益，誰付費”的原則，國家電網(wǎng)應積極主動承擔新能源發(fā)電設施接入費用，降低輸配電價對終端用戶的影響，平衡能源與電價之間的關系，積極進行強化頂層設計，減少不同時段和不同季節(jié)因新能源增多造成低電壓向高電壓“輸電”的情況[13]。另一方面，從創(chuàng)新電價機制出發(fā)，建立并優(yōu)化利用主配電資源且提高輸配電網(wǎng)絡利用率的電價機制，優(yōu)化用戶側(cè)使用需求，平衡負荷高峰與凈負荷高峰。使用經(jīng)濟激勵等手段合理引導新能源及用電負荷的投資布局，使電網(wǎng)用戶主動避開輸配電網(wǎng)使用高峰段，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的利用率。

4.2.2 建立綠色轉(zhuǎn)型體系

加強“雙高”電力系統(tǒng)管控力度，實現(xiàn)煤電從電力電量的提供者向支撐者角色轉(zhuǎn)變，提高電力系統(tǒng)安全性，為源網(wǎng)荷儲規(guī)劃方案建立全年無休的精細化運行模擬模型[14]。

4.2.3 構(gòu)建市場機制

我國電力系統(tǒng)靈活性高，市場缺失相關的激勵機制。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的過程中，需要建立適合全國電力發(fā)展運行的市場體系，減少政策的不確定性影響，健全新能源參與市場機制保障新能源企業(yè)的經(jīng)營收益，推動完善煤電價格補償機制，提高煤電機組調(diào)節(jié)配電積極性，建立和完善輔助收益與成本之間的聯(lián)動機制，合理分攤新能源生產(chǎn)成本[15]。

5 結(jié) 論

立足國情，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，貫徹落實能源安全新戰(zhàn)略，實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標。大力發(fā)展風能和太陽能為首的新型清潔能源，加快建設新型電力系統(tǒng)，推動傳統(tǒng)燃煤發(fā)電向新能源發(fā)電轉(zhuǎn)型，推進我國能源領域供給側(cè)改革。