雙碳目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑

儲(chǔ)麗麗

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 雙碳目標(biāo)分析

我國(guó)對(duì)能源結(jié)構(gòu)體系改革有著十分緊迫的要求，需要降低二氧化碳排放并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，為了減少碳排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源接結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，需要在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展可再生資源、提升電能終端消費(fèi)比例，最終實(shí)現(xiàn)高碳電力系統(tǒng)向低碳電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。在雙碳目標(biāo)下，需要從整體上優(yōu)化能源的布局方式，建立以新能源為主體的電力系統(tǒng)，建立綠色低碳、高效節(jié)能的能源體系。

2 雙碳目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)建設(shè)的挑戰(zhàn)分析

2.1 新能源接入比例更高

風(fēng)電、光伏能源都屬于波動(dòng)新能源，由于電能生產(chǎn)具有隨機(jī)性和間歇性，導(dǎo)致很難參與到電網(wǎng)的電力平衡中。比例增加之后還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)更嚴(yán)重的隨機(jī)波動(dòng)，增加電網(wǎng)調(diào)頻工作的負(fù)擔(dān)。并且，高比例的新能源接入到系統(tǒng)中后，會(huì)取代常規(guī)機(jī)組，將會(huì)造成電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力被進(jìn)一步削弱，將會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)更為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1]。比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容易由于嚴(yán)重的自然災(zāi)害停機(jī)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。因此，在新能源接入比例增加之后，電力安全受到了更為巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 電網(wǎng)深度電力電子化

由于新能源的大量使用，集中式、分布式的項(xiàng)目系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，因此電網(wǎng)中需要使用大量的變流裝備，以滿足持續(xù)進(jìn)行新能源的推廣，以及電力系統(tǒng)對(duì)電力的使用要求[2]。比如電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性相比過(guò)去已經(jīng)出現(xiàn)了明顯變化，由于電磁寬頻震蕩問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)內(nèi)部的安全性和穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)的控制設(shè)備必須采取更為有效的技術(shù)應(yīng)對(duì)全新的安全威脅。

2.3 資源不平衡問(wèn)題

我國(guó)的新能源資源豐富地區(qū)集中在西部，而工業(yè)生產(chǎn)、人口密集區(qū)域集中在中東部，導(dǎo)致我國(guó)的能源分布存在十分嚴(yán)重的不平衡問(wèn)題，新能源基地遠(yuǎn)離能源負(fù)荷中心，很難將電能就地消納，嚴(yán)重制約了新能源技術(shù)的發(fā)展。所以一些西部地區(qū)電網(wǎng)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)大面積放棄風(fēng)能、光能的情況。為了解決資源不平衡的問(wèn)題，還需要加強(qiáng)電力系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)化建設(shè)和智能化建設(shè)等創(chuàng)新工作，優(yōu)化資源配置水平，有效解決大規(guī)模新能源并網(wǎng)的消納需求。

2.4 電力技術(shù)和電力能源之間的深度融合

由于新型電力系統(tǒng)存在穩(wěn)定性的問(wèn)題，因此需要提升電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘能力和信息防范能力[3]。隨著信息通信技術(shù)和電力能源技術(shù)的結(jié)合，能夠推動(dòng)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更為全面的物理整合，提升電力系統(tǒng)的感知能力，強(qiáng)化對(duì)電力系統(tǒng)的管理。需要建立更為完善的感知、采集、儲(chǔ)存、管理系統(tǒng)，并做好及時(shí)分析工作，挖掘存在的管理問(wèn)題，快速開(kāi)展管理工作。

3 新型電力系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

3.1 源—荷精細(xì)化預(yù)測(cè)

相對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，新一代電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有更強(qiáng)的隨機(jī)性，尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源，發(fā)電量很難受人類控制，因此需要建立可以應(yīng)對(duì)隨機(jī)情況的決策模型，方便開(kāi)展對(duì)電力系統(tǒng)的管理和控制工作[4]。風(fēng)能和太陽(yáng)能會(huì)受到風(fēng)速、陽(yáng)光照射強(qiáng)度的影響，因此可以根據(jù)光照強(qiáng)度和風(fēng)速的分布特性，建立能源的隨機(jī)出力模型，完成對(duì)發(fā)電狀況的預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)模型對(duì)電源側(cè)出力的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)直接影響電力系統(tǒng)規(guī)劃的有效性，根據(jù)時(shí)間尺度預(yù)測(cè)，可以將預(yù)測(cè)尺度分為中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)、短期預(yù)測(cè)、超短期預(yù)測(cè)，其中長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)最困難，期預(yù)測(cè)精度會(huì)直接決定其他兩種預(yù)測(cè)工作的精度，目前對(duì)中長(zhǎng)期出力預(yù)測(cè)是研究中最重要的內(nèi)容。新型能源系統(tǒng)受到可再生能源地理環(huán)境、分布情況、氣候狀況、區(qū)域布局狀況的影響，所以目前的預(yù)測(cè)模型建設(shè)都會(huì)針對(duì)多種不同方面的情況進(jìn)行探索，其中使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和智能方法是完成精確中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的最佳途徑。在針對(duì)光伏的發(fā)電出力預(yù)測(cè)中，使用了聚類法完成對(duì)中長(zhǎng)期光伏出力狀況的預(yù)測(cè)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)果擬合光伏發(fā)電的曲線，可以滿足光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)需求。可以長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)為基準(zhǔn)建立中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，也能進(jìn)一步建立中長(zhǎng)期出力預(yù)測(cè)模型，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)可以完成對(duì)歷史圖像的劃分，并進(jìn)行歷史電量序列的推導(dǎo)，通過(guò)綜合不同模型完成預(yù)測(cè)工作。

在新型電力系統(tǒng)的消費(fèi)側(cè)也會(huì)有很多新型負(fù)荷參與到電網(wǎng)的調(diào)度中，通過(guò)將用戶的差異化負(fù)荷需求、質(zhì)能流動(dòng)用比進(jìn)行綜合分析，能夠獲得用戶的用電方式變化，以及建立起更為完善的能源設(shè)備配置方式[5]。目前針對(duì)用戶的用電負(fù)荷預(yù)測(cè)使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、向量機(jī)、小波分析等理論，在人工智能理論和實(shí)踐應(yīng)用增加，以及大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛使用，使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)被廣泛應(yīng)用在負(fù)荷應(yīng)用領(lǐng)域，成為對(duì)用戶側(cè)展開(kāi)預(yù)測(cè)的新方式。

3.2 低碳電力市場(chǎng)的機(jī)制分析

低碳電力市場(chǎng)以新型電力系統(tǒng)作為最基本的應(yīng)用場(chǎng)景，其內(nèi)部的碳交易、電力市場(chǎng)互動(dòng)機(jī)制、運(yùn)營(yíng)模式是目前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。隨著各國(guó)對(duì)碳排放控制的重視，很多國(guó)家都加強(qiáng)了對(duì)碳交易市場(chǎng)建設(shè)的探索，但是目前還沒(méi)有形成系統(tǒng)化的碳市場(chǎng)交易規(guī)則，一般都采取免費(fèi)分配和拍賣兩種方式打包碳配額。我國(guó)已經(jīng)建立了很多碳交易試點(diǎn)，積累了很多碳市場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于電力市場(chǎng)和碳交易市場(chǎng)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，所以結(jié)合兩者的交互關(guān)系，通過(guò)建立適合我國(guó)國(guó)情的低碳市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制和運(yùn)營(yíng)方式，對(duì)改革我國(guó)電力系統(tǒng)具有十分重要的意義。

3.3 碳水平的表征和評(píng)估

碳核算是進(jìn)行量化評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)碳水平的重要依據(jù)，有利于新型系統(tǒng)低碳評(píng)價(jià)體系的建設(shè)，具有比較廣的適用范圍，可以針對(duì)宏觀情況、微觀情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。常用的方法包括排放因子法、實(shí)測(cè)法、質(zhì)量平衡法三種。其中質(zhì)量平衡法以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，通過(guò)分析生產(chǎn)行為，可以進(jìn)行碳排放的預(yù)測(cè)和估算，該方法更適合對(duì)宏觀情況的研究，但目前并沒(méi)有形成比較統(tǒng)一的分析方法[6]。實(shí)測(cè)法使用所有收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行碳排放量的預(yù)測(cè)，該方法的短期預(yù)測(cè)精度很高，但是長(zhǎng)期宏觀尺度預(yù)測(cè)效果很差。

目前，不同的預(yù)測(cè)方法都存在適用場(chǎng)景的問(wèn)題，必須綜合電力系統(tǒng)生產(chǎn)、電力輸送、運(yùn)行、回收等環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合分析，才能準(zhǔn)確對(duì)談水平進(jìn)行預(yù)測(cè)。為此，應(yīng)該繼續(xù)從全生命周期角度分析電力系統(tǒng)的碳排放行為，加強(qiáng)預(yù)測(cè)實(shí)踐工作。通過(guò)綜合系統(tǒng)的運(yùn)行特性、碳排放量所受到的影響，分析和總結(jié)電力系統(tǒng)運(yùn)行影響的要素，有助于實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。

評(píng)價(jià)和分析指標(biāo)是目前對(duì)碳水平進(jìn)行評(píng)估的主要難點(diǎn)，在研究領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有很多人參與了相關(guān)的研究工作。通過(guò)分析電力系統(tǒng)碳排放的產(chǎn)生機(jī)理，分析電力行業(yè)碳排放結(jié)構(gòu)的影響，構(gòu)建電力系統(tǒng)的識(shí)別方法，可以滿足表征的需求，還可以專門建立低碳電網(wǎng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，圍繞電網(wǎng)的規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備等指標(biāo)，可以建立更為具有精確性的表征方式。

4 新型電力系統(tǒng)的發(fā)展路徑

新能源是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要力量，在雙碳目標(biāo)下，新能源會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為我國(guó)的主要能源，還需要合理使用技術(shù)，并采取有效措施實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。

4.1 電源側(cè)優(yōu)化

在雙碳目標(biāo)下，新能源發(fā)展會(huì)得到更多支持，為了滿足發(fā)展需要，電源側(cè)需要具備更高的靈活性，通過(guò)加強(qiáng)新能源的儲(chǔ)能控制、多能互補(bǔ)，滿足能源的可靠供應(yīng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

新能源發(fā)電技術(shù)方面的發(fā)展。新能源發(fā)電由于會(huì)受到自然條件的影響，因此必須要保證對(duì)發(fā)電的預(yù)測(cè)精度，尤其要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電、光電的預(yù)測(cè)，可以給新能源的使用帶來(lái)更好的基礎(chǔ)。加強(qiáng)預(yù)測(cè)有助于提升發(fā)電的可控性，但也需要對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的交易進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，從而建立性能靈活的電源發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源的多樣化供應(yīng)，滿足對(duì)源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力的要求?？梢允褂锰摂M同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，保證對(duì)風(fēng)光發(fā)電更強(qiáng)的干涉性能，提升電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能技術(shù)的使用。由于新能源發(fā)電量、發(fā)電效率受到自然因素的影響，規(guī)律性比較差，所以需要儲(chǔ)能技術(shù)將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要用電時(shí)投入使用，就能進(jìn)一步提升新能源提供供電的穩(wěn)定性。為此，需要加強(qiáng)新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃，研究化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能等方式，促進(jìn)能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)新能源的接入和消納。通過(guò)大力推廣分布式新能源系統(tǒng)，方便新能源的消納，提升對(duì)可再生能源的利用效率。

建立多種可再生能源互補(bǔ)的系統(tǒng)。通過(guò)使用風(fēng)能、光能、水能、氫能等能源，構(gòu)建不同能源之間具有時(shí)間、空間耦合性的能源系統(tǒng)，建立連續(xù)性更強(qiáng)的互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多元化的能源互補(bǔ)，并建立多種能源協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)，滿足新能源的應(yīng)用需求。

建立更為健全的保障機(jī)制。通過(guò)加強(qiáng)保障機(jī)制，能夠推動(dòng)市場(chǎng)建設(shè)的完善，吸引更多企業(yè)向新能源系統(tǒng)建設(shè)投入。為此，應(yīng)該建立更為完善的輔助市場(chǎng)，適應(yīng)新能源等清潔能源的推廣，構(gòu)建起更為靈活的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制和保障機(jī)制，強(qiáng)化市場(chǎng)中的清潔能源使用力度。

4.2 建立高效率的配置平臺(tái)

電網(wǎng)是連接電力生產(chǎn)和消費(fèi)的樞紐平臺(tái)，針對(duì)隨機(jī)性更強(qiáng)的新能源系統(tǒng)，需要采用全新的配置方式，應(yīng)對(duì)新能源生產(chǎn)存在的波動(dòng)性、間歇性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)消納，發(fā)揮電網(wǎng)的橋梁紐帶作用。

優(yōu)化電網(wǎng)架構(gòu)。新型電力系統(tǒng)需要電網(wǎng)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)范圍更大、更為清潔高效的能源配置平臺(tái)，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)特高壓直流輸電、柔性直流輸電等電力工程技術(shù)的研究，滿足大跨度的電力輸送需求，有效實(shí)現(xiàn)新能源的消納。不同電網(wǎng)區(qū)域，應(yīng)該加強(qiáng)跨區(qū)互補(bǔ)的建設(shè)，促進(jìn)區(qū)域之間的靈活聯(lián)網(wǎng)配置，提升供電網(wǎng)絡(luò)的可靠性，以及滿足大范圍能源資源配置的要求。

加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用。增加數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用可以提升電網(wǎng)的感知能力、控制能力以及反應(yīng)速度，在電力系統(tǒng)中，可以使用的技術(shù)包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，圍繞新型電力系統(tǒng)的控制需求，建立電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的智慧管理能力，以及針對(duì)消費(fèi)、交易、儲(chǔ)存等問(wèn)題的決策能力。

4.3 挖掘負(fù)荷側(cè)資源需求潛力

在雙碳背景下，對(duì)能源的消費(fèi)將會(huì)形成全新的模式，負(fù)荷的結(jié)構(gòu)也會(huì)朝著多元化的方向發(fā)展，負(fù)荷的變化特性也會(huì)更為復(fù)雜。需要加強(qiáng)對(duì)需求側(cè)潛力的挖掘，加強(qiáng)電力系統(tǒng)的雙向互動(dòng)，建立起全新的電源消納模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)功能互補(bǔ)，提升能源消費(fèi)的電氣化水平。

強(qiáng)化對(duì)負(fù)荷側(cè)的管理。通過(guò)挖掘用戶側(cè)可調(diào)節(jié)的資源，利用數(shù)字化手段可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)調(diào)節(jié)，以及完成對(duì)所需信息的監(jiān)測(cè)工作，滿足對(duì)負(fù)荷的控制需求，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)充電樁、分布式電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管理，可以繼續(xù)對(duì)用戶資源進(jìn)行更深層次的挖掘，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部資源的聯(lián)合互動(dòng)。為進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)用戶側(cè)的控制，也要加入對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)使用，提升對(duì)負(fù)荷的反應(yīng)能力。

強(qiáng)化對(duì)負(fù)荷側(cè)電力需求市場(chǎng)相應(yīng)機(jī)制的建設(shè)。通過(guò)符合聚合商參與實(shí)踐的全新盈利模式，可以激勵(lì)更多的負(fù)荷聚合商參與到市場(chǎng)交易中，實(shí)現(xiàn)更有效的能源消納。對(duì)于后續(xù)涌現(xiàn)出來(lái)的全新能源模式，也要繼續(xù)探索新業(yè)態(tài)，建立起更加靈活的市場(chǎng)，滿足運(yùn)營(yíng)模式需求，提升需求側(cè)的響應(yīng)力度，實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建具有很高的復(fù)雜性，需要大量技術(shù)同時(shí)使用，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，提升電網(wǎng)的感知能力和控制精度，完善在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)的管理工作，加強(qiáng)對(duì)其他輔助市場(chǎng)的構(gòu)建，為電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型創(chuàng)造良好條件，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)?！?/p>