構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，助力低碳綠色轉(zhuǎn)型

撰文／安永碳中和課題組 編輯／田麗娜

我國提出2060年之前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)加速了對能源系統(tǒng)的低碳綠色轉(zhuǎn)型步伐。在此愿景下，可再生能源將成為發(fā)電的主力軍，但現(xiàn)有電力系統(tǒng)已無法適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電的接入，難以滿足新形勢下的電網(wǎng)運行需求，在此背景下，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)迫在眉睫，其有助于保障高比例可再生能源的并網(wǎng)和消納，從而實現(xiàn)打造清潔、低碳、安全、高效的能源體系。

解碼新型電力系統(tǒng)

什么是新型電力系統(tǒng)？它和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)又有什么區(qū)別？新型電力系統(tǒng)體現(xiàn)在“能源新”“技術(shù)新”“價值新”和“數(shù)字化”上。新型電力系統(tǒng)是以新能源為主體的電力系統(tǒng)，這里的新能源主要是指風(fēng)能和太陽能。簡言之，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)就是以新的電力技術(shù)體系為支撐，具備承載高比例的新能源發(fā)電、消納和存儲能力，同時能夠確保電力穩(wěn)定供應(yīng)的系統(tǒng)。可以說，該系統(tǒng)的建立能夠全面支撐電力行業(yè)碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)成是怎樣的？可以從四個“側(cè)”來解碼，如圖1 所示。從電源側(cè)來看，將呈現(xiàn)以新能源為主體，風(fēng)光水火儲多能互補，集中式與分布式電源并舉的態(tài)勢，進(jìn)行煤電靈活性改造與調(diào)峰燃?xì)獍l(fā)電的建設(shè)；從電網(wǎng)側(cè)來看，將通過相關(guān)技術(shù)設(shè)備的配置呈現(xiàn)特高壓交/直流遠(yuǎn)距離輸電、主干網(wǎng)與微電網(wǎng)互動的態(tài)勢；從負(fù)荷側(cè)來看，主要是發(fā)揮電力需求響應(yīng)機制的作用，形成儲能方式多元化、需求滿足定制化、數(shù)字交互智能化的能源消費模式；從儲能側(cè)來看，則要加快抽水蓄能電站建設(shè)，大力發(fā)展氫儲能和電化學(xué)儲能，推動新型儲能發(fā)展，推廣“新能源+ 儲能”“微電網(wǎng)+ 儲能”等多種模式的運用。此外，還可以通過調(diào)度側(cè)，主動響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度信息，構(gòu)建主動防御、智能決策的新一代調(diào)控體系，支撐大電網(wǎng)監(jiān)控預(yù)警和分析決策。

圖1 新型電力系統(tǒng)的構(gòu)成

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)行動指南

2021年2月，被稱為“美國電力工廠”的得克薩斯州在遭遇極寒天氣后，出現(xiàn)了大規(guī)模的停電，400 萬戶人家在天寒地凍時無電可用。為什么會出現(xiàn)此種局面？直接原因是極寒天氣引發(fā)得克薩斯州的第一大電源——天然氣發(fā)電機組出力不足，以及第二大電源——風(fēng)電機組被“凍結(jié)”。

近年來，天然氣、風(fēng)能、太陽能成為得克薩斯州發(fā)電主力軍，但得克薩斯州電力系統(tǒng)的儲能和靈活性調(diào)節(jié)能力未能跟上其向綠色能源轉(zhuǎn)型的步伐。該案例充分說明，在可再生能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時，電力系統(tǒng)具備靈活調(diào)節(jié)能力是很重要的，這也對我國建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提出了警示。

如何把握機遇，贏得未來？在打造新型電力系統(tǒng)的行動指南下，本文從五個路徑進(jìn)行分析。

路徑一：多能互補的發(fā)電形式，電網(wǎng)配套支撐上網(wǎng)

未來新型電力系統(tǒng)將形成以新能源發(fā)電為主，風(fēng)光水火儲多能互補的態(tài)勢，這樣可以保證高質(zhì)量的電力供應(yīng)，增強供電可靠性，減少斷電風(fēng)險。結(jié)合我國各地區(qū)的資源分布情況、能源需求特點、土地建設(shè)條件等，我國未來將在西部和北部地區(qū)開展大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地建設(shè)，在東中部地區(qū)開展分布式光伏電站建設(shè)，在東南沿海地區(qū)開展海上風(fēng)電基地建設(shè)，統(tǒng)一規(guī)劃，推進(jìn)海上風(fēng)電集中連片規(guī)?；_發(fā)，保障新能源能夠及時并網(wǎng)和消納。同時，我國將積極開展煤電靈活性改造，提倡天然氣發(fā)電，大力發(fā)展氫儲能、電化學(xué)儲能和抽水蓄能，為新型電力系統(tǒng)提供靈活性保證。

路徑二：大力推進(jìn)主干網(wǎng)和微電網(wǎng)建設(shè)，提升數(shù)字化水平

我國能源和負(fù)荷中心呈天然逆向分布的特點。詳細(xì)來說，從電力供給角度，我國76%的煤炭、80%的風(fēng)能、90%的太陽能分布在西部和北部地區(qū)，80%的水能分布在西南部地區(qū)，然而從電力需求來看，70%以上的電力消費集中在東中部地區(qū)，因此能源富集地區(qū)距離東中部電力需求中心1 000～4 000 千米（數(shù)據(jù)來源：李文華. 重磅|獨家揭秘中國特高壓前世今生[N]. 中國能源報，2021-03-30）。

針對這種能源資源分布特點，我們需要科學(xué)規(guī)劃、加快建設(shè)以新能源為主的電力輸送通道，促進(jìn)高比例新能源的消納。以發(fā)展特高壓主干網(wǎng)和微電網(wǎng)為核心的電網(wǎng)布局可以實現(xiàn)新能源按能源資源分布因地制宜地接入：在跨省、跨區(qū)主干網(wǎng)方面，利用特高壓電網(wǎng)可以實現(xiàn)我國能源資源的遠(yuǎn)距離輸送，改變我國電力供應(yīng)依靠當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展格局，實現(xiàn)我國能源資源的大范圍優(yōu)化配置，同時，促進(jìn)我國能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍消納；在配電網(wǎng)方面，提升配電網(wǎng)新能源消納能力，通過交/直流混合柔性配電網(wǎng)、電化學(xué)儲能、有序充電等技術(shù)加強配電網(wǎng)互聯(lián)互通和智能控制能力；微電網(wǎng)作為提高供電可靠性和促進(jìn)分布式電源并網(wǎng)的重要解決方案，將在工業(yè)園區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等地成為使用熱點。

此外，提升電網(wǎng)的智能化水平也是新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重點。通過大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、5G、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)的運用，廣泛布局智能傳感器、智能網(wǎng)關(guān)，提高智能采集感知能力，可以有效提升電網(wǎng)控制水平和實時交互水平，讓電網(wǎng)“更聰明”。

路徑三：推進(jìn)新一代調(diào)控系統(tǒng)建設(shè)

隨著我國大電網(wǎng)的建設(shè)步伐加快，新能源和分布式電源的快速發(fā)展，特高壓交/直流電網(wǎng)和微電網(wǎng)的廣泛接入，電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)格局和電網(wǎng)運行狀態(tài)都已發(fā)生了顯著的變化，這對電網(wǎng)的安全管控提出了新的挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)在三個方面：①調(diào)度控制對象呈現(xiàn)海量增長態(tài)勢，控制對象從以源為重點擴展到“源網(wǎng)荷儲”各環(huán)節(jié)；②由于新能源裝機容量的快速增長和跨區(qū)輸電規(guī)模的擴大，系統(tǒng)穩(wěn)定策略的適應(yīng)性變差，容易產(chǎn)生故障，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)器無法更好地發(fā)揮作用；③對通信系統(tǒng)或軟件程序的功能也提出了新的要求，一旦這些系統(tǒng)或軟件發(fā)生故障，電網(wǎng)運行將面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險。因此,電網(wǎng)亟須建立具備全網(wǎng)范圍精益化調(diào)度控制和決策支撐能力的新一代調(diào)控系統(tǒng)。

新一代調(diào)控系統(tǒng)是依托先進(jìn)的信息通信技術(shù)和測量技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等，全面覆蓋電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)和儲能側(cè)各環(huán)節(jié)，是能高速、智能、敏捷感知的電網(wǎng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

為推動我國新一代調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，需要重點關(guān)注以下四個方面：①要聚焦一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括仿真分析、在線狀態(tài)感知技術(shù)，并研究適應(yīng)電網(wǎng)特性的繼電保護(hù)新原理，加強信息共享，為大電網(wǎng)全景監(jiān)控、全局分析和決策等提供基礎(chǔ)保障；②通過運用云計算、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等信息技術(shù)，構(gòu)建由數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動、由運行控制平臺和云計算平臺支撐的調(diào)度自動化系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)在線智能響應(yīng)和趨勢分析，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷和預(yù)測等，預(yù)測電網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)和潛在風(fēng)險，保障電網(wǎng)安全，提升電網(wǎng)優(yōu)化決策能力和調(diào)節(jié)能力；③要加強電力調(diào)度監(jiān)管，增加量化考核機制，保障電網(wǎng)安全可靠運行；④建立主動安全防護(hù)體系。隨著“源網(wǎng)荷儲”的深度協(xié)同，調(diào)度量變得大而廣，而且?guī)砀鼜?fù)雜的安全性問題，因此在進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度時要做好安全防護(hù)工作。

路徑四：發(fā)揮負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)作用

電力需求響應(yīng)是指電力用戶根據(jù)分時電價等價格信號或資金補貼等激勵措施，主動調(diào)整其用電活動，減少（增加）用電，以促進(jìn)電力供需平衡，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的行為。因此，電力需求響應(yīng)策略分為基于價格的電力需求響應(yīng)策略和基于激勵的電力需求響應(yīng)策略。目前，我國基于價格的電力需求響應(yīng)策略主要包括分時電價、階梯電價和尖峰電價；基于激勵的電力需求響應(yīng)策略則是通過事先簽訂用戶協(xié)議調(diào)整電力負(fù)荷，主要有可中斷負(fù)荷和直接控制負(fù)荷。

我國開展電力需求響應(yīng)的時間較短，于2012年才開始進(jìn)行科學(xué)實證。但隨著實施電力需求響應(yīng)帶來的積極影響不斷擴大，越來越多的地區(qū)加入探索電力需求響應(yīng)的隊列中來，這些地區(qū)陸續(xù)開展削峰填谷、促進(jìn)可再生能源消納、調(diào)動儲能參與等需求響應(yīng)實施工作。在電力需求響應(yīng)價格補償機制方面，目前我國主要采用固定補貼價格和動態(tài)補貼系數(shù)的形式，補貼資金主要來自政府，但隨著市場化程度的提升，補貼來源呈現(xiàn)多樣化的趨勢。響應(yīng)機制方面也呈現(xiàn)出了新的特點，各地逐步積極探索電力需求響應(yīng)的市場化交易機制，浙江、山東等地將電力需求響應(yīng)資源納入電力現(xiàn)貨市場的交易范疇，國網(wǎng)冀北電力有限公司則將電力需求響應(yīng)納入華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場。

目前，我國電力需求響應(yīng)面臨諸多挑戰(zhàn)，電力市場建設(shè)還處在初級階段，現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場的建設(shè)仍在探索中。為了更好地推動我國電力需求響應(yīng)的發(fā)展，在政策方面，完善電力需求響應(yīng)激勵機制，設(shè)立專項基金，明確政府、電力企業(yè)、用戶方等的責(zé)任，鼓勵用戶綠色用能，引導(dǎo)用戶合理用電；在技術(shù)方面，通過廣泛部署數(shù)據(jù)采集終端，提高需求側(cè)的大數(shù)據(jù)分析能力，并且建立相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；在市場方面，良好的市場機制是電力需求響應(yīng)融入市場、參與電力系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，因此需要建立并完善電力需求響應(yīng)市場運營機制，明確各需求響應(yīng)主體的角色定位及盈利方式，運用市場價格影響需求的時間和水平。

路徑五：構(gòu)建電力市場體系

新能源發(fā)電占比快速提高，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和新能源的消納帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時對電力市場深入建設(shè)提出了更高的要求。具體表現(xiàn)在四個方面：①常規(guī)能源大量被新能源代替，給電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻帶來了很大壓力，需要建立合理的輔助服務(wù)費用分?jǐn)倷C制和成本補償機制，調(diào)動各類電源和用戶的積極性，保障電網(wǎng)安全；②由于風(fēng)電等新能源發(fā)電的強隨機性、波動性和間歇性的特點，電力供應(yīng)保障難度加大，需研究如何建立日前交易調(diào)整和補償機制，確保在日前和實時運行中為新能源發(fā)電留足消納空間；③由于我國能源和負(fù)荷特性對跨區(qū)通道的建設(shè)與運行提出迫切要求，因此需要進(jìn)一步研究如何完善跨區(qū)、跨省交易機制，保障可再生能源的充分消納，還需要研究可再生能源的優(yōu)先發(fā)電權(quán)、中長期交易及消納責(zé)任權(quán)重等相關(guān)問題；④針對部分發(fā)電機組無法在市場交易中獲利的情形，研究并建立收益調(diào)整機制，以保障各方利益和電網(wǎng)安全運行。

在保障電網(wǎng)安全運行的前提下，國家應(yīng)充分激發(fā)市場競爭活力，構(gòu)建具有中國特色的電力市場體系。具體做法包括：①要完善適應(yīng)新型電力系統(tǒng)特點的電力市場頂層設(shè)計，明確省間、省內(nèi)交易定位，隨著跨省、跨區(qū)骨干電網(wǎng)、區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)、配電網(wǎng)、微電網(wǎng)多層次電網(wǎng)體系的建成，需要相應(yīng)形成更大范圍的多層次電力交易平臺，促進(jìn)大范圍的資源優(yōu)化配置和電力消納，同時要推進(jìn)多種能源類型的競爭性電力市場建設(shè)，研究相應(yīng)機制保障可再生能源優(yōu)先并網(wǎng)；②利用市場發(fā)現(xiàn)價格、以價格引導(dǎo)電力資源配置的手段，實現(xiàn)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)資源的最優(yōu)配置；③要完善電力輔助服務(wù)市場，引導(dǎo)更多主體參與輔助服務(wù)市場，保持對服務(wù)參與者的經(jīng)濟吸引力，增強電網(wǎng)靈活性；④選擇具備一定經(jīng)濟條件、市場化程度高的地區(qū)作為先行試點，建立容量市場，引入容量電價，通過差異化的容量電價解決不同電源類型的投資差異問題，化解新能源與煤電爭奪電力市場份額的矛盾。