高比例水電新型電力系統(tǒng)理論模型探索

王永平,劉 暢,胥威汀,潘 婷,陳雨帆,胡雅璐

(1. 四川省新型電力系統(tǒng)研究院有限公司, 四川 成都 610041;2. 國網(wǎng)四川省電力公司,四川 成都 610041;3. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京 102206)

0 引 言

隨著氣候變化、能源枯竭、國際能源環(huán)境復(fù)雜等一系列問題的日益凸顯,開展能源清潔替代、推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型已成為各國的普遍共識。新型電力系統(tǒng)作為新型能源體系的載體,對新型能源體系構(gòu)建具有至關(guān)重要的意義。2014年中國能源安全新戰(zhàn)略提出以來,包括新能源在內(nèi)的可再生能源持續(xù)快速發(fā)展,能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化?，F(xiàn)有新型電力系統(tǒng)研究[1-3]及頂層設(shè)計(jì)[4]解析了中國新型電力系統(tǒng)的特征內(nèi)涵,明確了新型電力系統(tǒng)發(fā)展的主要階段及重點(diǎn)任務(wù),為新型電力系統(tǒng)的建設(shè)提供了戰(zhàn)略指引。上述研究主要著眼于全國以化石能源為主體的基本盤?？紤]到各省能源結(jié)構(gòu)、資源稟賦和發(fā)展路徑差異,需進(jìn)一步結(jié)合不同省份在全國新型電力系統(tǒng)中的作用和定位,因地制宜差異化開展以省為實(shí)體的新型能源體系構(gòu)建,先行先試開展理論探索和創(chuàng)新實(shí)踐,為全國新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供落地方案。

以四川、云南、青海、西藏等省份為代表的地區(qū)水電資源豐富,可再生能源資源裝機(jī)容量已超過80%。參考已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供應(yīng)的國家和地區(qū)的能源結(jié)構(gòu):冰島主要以水電和地?zé)釣橹?巴拉圭、阿爾巴尼亞、剛果均以水電為主?？梢娝芨患貐^(qū)具有能源低碳轉(zhuǎn)型的先天優(yōu)勢,需加快研究高比例水電新型電力系統(tǒng)的發(fā)展模式和理論體系,從而更好地帶動(dòng)全國能源低碳化進(jìn)程。在可再生能源新型電力系統(tǒng)構(gòu)建方面,文獻(xiàn)[5]分析了以風(fēng)電和光伏為代表的非水可再生能源電力系統(tǒng)邁向高比例可再生能源過程的三大階段,并從穩(wěn)定控制、電力電量時(shí)空平衡、多樣化清潔電力等方面分析了新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[6]闡述了純清潔能源電力系統(tǒng)、碳中和電力系統(tǒng)、100%可再生能源電力系統(tǒng)(100% renewable energy power system,REPS)在內(nèi)的電力系統(tǒng)清潔化3 種形態(tài)及REPS面臨的挑戰(zhàn)。從國際高比例可再生能源地區(qū)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)看,文獻(xiàn)[7]以丹麥可再生能源系統(tǒng)發(fā)展路徑為例,闡述了歐盟在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展。在新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵要素方面,文獻(xiàn)[8]對“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”四要素進(jìn)行拓展,新增“碳目標(biāo)”“數(shù)字化”兩大要素,構(gòu)建了新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)碳數(shù)”六大關(guān)鍵要素,對完善新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵要素具有重要作用。然而,新型電力系統(tǒng)的核心控制中樞是驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)清潔能源高效并網(wǎng)消納、促進(jìn)降碳目標(biāo),也是其區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的重要要素,但尚未見智能化的控制中樞要素研究的相關(guān)內(nèi)容。

上述研究成果重點(diǎn)針對高比例可再生能源系統(tǒng)的發(fā)展形態(tài)、面臨的挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)等方面,對水能富集地區(qū)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建有一定借鑒意義。然而,目前尚未見以省為實(shí)體的高比例水電新型電力系統(tǒng)構(gòu)建基本要素和理論體系的研究。為此,下面以省為實(shí)體對高比例水電新型電力系統(tǒng)理論模型進(jìn)行探索:首先,分析了高比例水電新型電力系統(tǒng)的定位與內(nèi)涵,并以四川新型電力系統(tǒng)作為高比例水電新型電力系統(tǒng)典型案例,開展了“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”五位一體關(guān)鍵要素梳理,構(gòu)建了理論模型框架并分析了其動(dòng)態(tài)演變過程;然后,分析四川新型電力系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)和演變趨勢;最后,介紹了四川當(dāng)前正在開展的新型電力系統(tǒng)理論探索與實(shí)踐思路。

1 高比例水電新型電力系統(tǒng)

1.1 與新型電力系統(tǒng)的關(guān)系

總體而言,高比例水電新型電力系統(tǒng)是新型電力系統(tǒng)中的一類,依托水能富集地區(qū)的優(yōu)質(zhì)水電資源稟賦,加速水、風(fēng)、光等多類型可再生能源開發(fā)利用,從而形成能源安全、結(jié)構(gòu)多元、清潔低碳的新型電力系統(tǒng)。其與新型電力系統(tǒng)的關(guān)系包括兩個(gè)方面:

1)是新型電力系統(tǒng)的先期示范樣板。中國要建設(shè)“新能源占比逐漸提升的新型電力系統(tǒng)”[9],需充分立足中國清潔能源資源稟賦,堅(jiān)持“先立后破”[9]。以水電、新能源等清潔能源資源富集地區(qū)為抓手,開展新型電力系統(tǒng)先行先試,以先“低碳”地區(qū)帶動(dòng)后“低碳”地區(qū)能源轉(zhuǎn)型,是“先立后破”的重要部分。以四川為實(shí)例探索打造四川特色高比例水電新型電力系統(tǒng),對全國新型電力系統(tǒng)構(gòu)建具有重要示范作用。一方面,四川風(fēng)能、太陽能等新能源能可開發(fā)容量超100 GW,正逐步實(shí)現(xiàn)從“以水電為主”到“水風(fēng)光并舉”的轉(zhuǎn)變,與國家整體發(fā)展路徑具有較強(qiáng)的相似性;另一方面,四川已構(gòu)建“省內(nèi)省外”兩個(gè)西電東送的電網(wǎng)格局,從全國范圍看,四川新型電力系統(tǒng)是西電東送送端省份的典型實(shí)踐;從省內(nèi)看,正處在新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的四川,川西地區(qū)能源資源與川東全國“第四經(jīng)濟(jì)增長極”負(fù)荷的逆向分布特性,折射了全國新型電力構(gòu)建助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題,可為全國新型電力系統(tǒng)發(fā)展提供創(chuàng)新思路和示范樣板。

2)是新型電力系統(tǒng)的后期戰(zhàn)略支撐。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中,四川既注重省內(nèi)能源電力供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展同步,大力促進(jìn)清潔電力與天然氣資源協(xié)同發(fā)展,力爭為全國新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供穩(wěn)定的戰(zhàn)略大后方;同時(shí),四川又注重與其他省份廣泛互聯(lián)、參與全國電力電量平衡,推動(dòng)形成大電網(wǎng)為主導(dǎo),微電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)等多種電網(wǎng)形態(tài)并存的格局,已成為全國重要的清潔能源送出基地和全國重要的樞紐電網(wǎng)。未來還將進(jìn)一步成為清潔能源接續(xù)轉(zhuǎn)送基地,在全國戰(zhàn)略發(fā)展格局中具備一定的輻射作用和能源支撐作用,為全國新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供重要參考和有力支撐。

1.2 價(jià)值內(nèi)涵

2023年,國家能源局發(fā)布《新型電力系統(tǒng)藍(lán)皮書》,明確了新型電力系統(tǒng)“安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合”四大特征[4]。國家全面深化改革委員會(huì)第二次會(huì)議明確要加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng),為中國電力系統(tǒng)發(fā)展指明了方向。四川水電技術(shù)可開發(fā)容量148 GW,目前四川水電裝機(jī)容量超過80%,是中國典型的省級高比例水電電力系統(tǒng),承擔(dān)著西電東送能源基地和戰(zhàn)略樞紐的重要使命。下面以國家對新型電力系統(tǒng)發(fā)展要求和基本特征定位為重要參考,立足四川能源資源稟賦和電網(wǎng)特性,以四川能源發(fā)展路徑為基礎(chǔ),分析高比例水電新型電力系統(tǒng)的價(jià)值內(nèi)涵。

高比例水電新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提,以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)及服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展為核心目標(biāo),以電力系統(tǒng)“橫向多能互濟(jì)、縱向源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)”的多向協(xié)同、靈活互動(dòng)為堅(jiān)強(qiáng)支撐,以技術(shù)創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新為基礎(chǔ)保障,以大型水電為基礎(chǔ)、支持高比例綠電電力電量貢獻(xiàn)的新型能源體系建設(shè)為主線任務(wù)的新時(shí)代電力系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)供需高效協(xié)同,支持經(jīng)濟(jì)低碳能源供應(yīng)。

從基本特征看,其具備安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧經(jīng)濟(jì)等特征,支持利用儲(chǔ)能、調(diào)峰機(jī)組、需求響應(yīng)等靈活性調(diào)節(jié)資源,實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展、互濟(jì)互利、能源安全、結(jié)構(gòu)多源、供需協(xié)同,具有應(yīng)對極端氣候、極限場景能力。

從戰(zhàn)略定位看,高比例水電新型電力系統(tǒng)是中國新型電力系統(tǒng)的先期示范樣板和后期戰(zhàn)略支撐,立足中國重要清潔能源基地和清潔能源接續(xù)轉(zhuǎn)送基地的基本方略,肩負(fù)清潔能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略大后方的重要使命。

從關(guān)鍵要素看,在“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”四要素的基礎(chǔ)上,拓展以智慧能源大腦為核心的“腦”關(guān)鍵要素,形成涵蓋“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”的五大關(guān)鍵要素?！澳X”以數(shù)字化和市場化為核心抓手,體現(xiàn)了新型電力系統(tǒng)智慧融合的關(guān)鍵特征,包括“電”腦和“碳”腦兩個(gè)關(guān)鍵部分,為新型電力系統(tǒng)提供戰(zhàn)略指引和決策支持。

2 四川新型電力系統(tǒng)要素梳理與模型構(gòu)建

四川是典型的水能富集地區(qū),具備開展新型電力系統(tǒng)探索實(shí)踐的必要條件和先天優(yōu)勢。因此,重點(diǎn)以四川典型場景探索,結(jié)合四川新型電力系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際問題和發(fā)展需求,圍繞“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”五大要素,提煉理論模型和發(fā)展路徑,形成以省為實(shí)體的高比例水電新型電力系統(tǒng)理論體系。

2.1 四川新型電力系統(tǒng)要素解析

如第1章所述,高比例水電新型電力系統(tǒng)的核心要素包括“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”五大要素,其關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

2.1.1 “源”:構(gòu)建以清潔能源為主體、結(jié)構(gòu)多元的電源結(jié)構(gòu)

保障能源安全是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的首要任務(wù),從國內(nèi)外相關(guān)地區(qū)停電事故分析看,結(jié)構(gòu)性能源短缺和事故性停電是威脅能源安全的兩大誘因[10-12]。當(dāng)前,四川電源結(jié)構(gòu)以水電為主,風(fēng)光新能源發(fā)展處于起步階段,能源結(jié)構(gòu)相對單一,易受極端天氣因素影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能源短缺風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建多元供給結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)互聯(lián)互濟(jì)是結(jié)構(gòu)性問題的主要破解方式。未來,四川水電開發(fā)速度逐步減緩,結(jié)構(gòu)性供需矛盾進(jìn)一步凸顯,需要促進(jìn)風(fēng)光資源開發(fā)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,加快形成省內(nèi)水風(fēng)光能源為主、多元化的供應(yīng)結(jié)構(gòu),同時(shí)通過多能互補(bǔ)提升,充分發(fā)揮新能源、水電參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的能力,提升系統(tǒng)整體靈活性資源水平,提升整體電力供應(yīng)保障能力。加強(qiáng)跨省跨區(qū)多源互濟(jì),深刻把握承接西部清潔能源接續(xù)轉(zhuǎn)送的發(fā)展契機(jī),拓展特高壓單一外送格局,促進(jìn)跨區(qū)域差異化能源結(jié)構(gòu)高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展。具有一定的極限場景應(yīng)對能力,降低極端場景或單一品類能源短缺對電力系統(tǒng)造成的影響。

2.1.2 “網(wǎng)”:構(gòu)建資源優(yōu)化配置平臺

1) 加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)與電源發(fā)展統(tǒng)籌協(xié)調(diào),加快推進(jìn)特高壓交直流輸電工程建設(shè),推動(dòng)電網(wǎng)提檔升級,促進(jìn)特高壓送受互濟(jì),具備電力資源跨區(qū)快速調(diào)度能力,實(shí)現(xiàn)更大范圍(省內(nèi)、省間)、更高效率的資源優(yōu)化配置。

2) 加強(qiáng)主網(wǎng)與配電網(wǎng)互動(dòng)互濟(jì),形成“省-地-配-微”多級協(xié)同、柔性互動(dòng)的發(fā)展格局。

3) 實(shí)現(xiàn)由靜態(tài)方式向動(dòng)態(tài)方式轉(zhuǎn)變,通過動(dòng)態(tài)潮流、動(dòng)態(tài)無功控制等理論模型,促進(jìn)交直流輸電通道跟隨電源結(jié)構(gòu)多階梯運(yùn)行,進(jìn)一步提升電網(wǎng)靈活控制水平和電網(wǎng)資源配置能力。

4) 加強(qiáng)不同能源品種的互濟(jì)發(fā)展,促進(jìn)電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣、氫、分布式清潔能源等供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同,實(shí)現(xiàn)多類型能源互聯(lián),避免因能源網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致多類型能源網(wǎng)絡(luò)故障。

2.1.3 “荷”:構(gòu)建多樣化清潔用能結(jié)構(gòu)體系,建設(shè)多元互動(dòng)支撐能力

依托城鄉(xiāng)能源革命、交通電氣化發(fā)展等戰(zhàn)略契機(jī),促進(jìn)分布式新能源+儲(chǔ)能、生物質(zhì)能廣泛利用,形成多樣化、清潔化的用能結(jié)構(gòu)體系。培育“源網(wǎng)荷儲(chǔ)+”、虛擬電廠、負(fù)荷聚合商等新型用能主體和調(diào)節(jié)方式,依托市場機(jī)制和數(shù)字化支撐體系,實(shí)現(xiàn)最后一公里的靶向控制,具備用戶精準(zhǔn)響應(yīng)能力以及豐富的可中斷負(fù)荷用于電力系統(tǒng)“避峰填谷”。

2.1.4 “儲(chǔ)”:構(gòu)建跨時(shí)空、多樣化儲(chǔ)能體系

加強(qiáng)新型儲(chǔ)能應(yīng)用,促進(jìn)“源網(wǎng)荷”各側(cè)儲(chǔ)能快速發(fā)展,“新能源+儲(chǔ)能”、電網(wǎng)替代性儲(chǔ)能、智能微電網(wǎng)等“區(qū)域充電寶”應(yīng)用場景全面推廣,系統(tǒng)靈活性資源量顯著上升,具備系統(tǒng)應(yīng)急保障能力。因地制宜發(fā)展抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等多品種儲(chǔ)能示范與應(yīng)用推廣。適時(shí)推動(dòng)包括電制氫-氫儲(chǔ)能-氫燃料電池等在內(nèi)的新技術(shù)應(yīng)用示范,打造電氫耦合的能源存儲(chǔ)新業(yè)態(tài)。

2.1.5 “腦”:形成“電-碳”雙控型能源控制中樞

“電-碳”雙控型能源控制中樞包括“電”腦和“碳”腦兩個(gè)關(guān)鍵部分。“電”腦以源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)數(shù)據(jù)融合數(shù)字化技術(shù)為依托,以支撐電力安全可靠供應(yīng)、促進(jìn)高比例可再生能源有效消納、提升可再生能源電力貢獻(xiàn)能力為核心目標(biāo),是促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展和互聯(lián)互動(dòng)的核心智慧體?！疤肌蹦X以能源大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ),以實(shí)現(xiàn)能源低碳轉(zhuǎn)型與服務(wù)社會(huì)低碳經(jīng)濟(jì)為核心目標(biāo),支撐電力與多類型清潔能源協(xié)調(diào)互濟(jì),促進(jìn)碳市場與電力市場協(xié)同發(fā)展,是“電”與“碳”聯(lián)結(jié)的核心樞紐?！澳X”這一要素的出現(xiàn)有力推動(dòng)新型電力系統(tǒng)向著智能化、高效化、低碳化的智慧融合方向發(fā)展。

2.2 理論模型框架

根據(jù)上述五大要素及其關(guān)鍵技術(shù)梳理,形成四川新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的理論模型框架,形成以源網(wǎng)提檔升級為基礎(chǔ),以新型電力系統(tǒng)機(jī)制為保障,以網(wǎng)源協(xié)調(diào)匹配、多能互補(bǔ)提升為核心支撐,涵蓋動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)、動(dòng)態(tài)潮流控制、儲(chǔ)能輔助運(yùn)行、網(wǎng)荷互動(dòng)補(bǔ)充4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的“梁柱型”理論模型體系,具備極限場景應(yīng)對能力,如圖2所示。

圖2 理論模型框架

2.2.1 以源網(wǎng)提檔升級為基礎(chǔ)

從當(dāng)前電網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)看,四川正處于新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵時(shí)期,源網(wǎng)加速提檔升級是構(gòu)建四川新型電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ),新能源等清潔能源加速發(fā)展,超特高壓骨干網(wǎng)絡(luò)加速建設(shè),形成相互獨(dú)立、互聯(lián)互濟(jì)的主網(wǎng)結(jié)構(gòu);同時(shí)對配電網(wǎng)網(wǎng)架進(jìn)行設(shè)備改造,建設(shè)靈活可靠的配電網(wǎng),支撐電從身邊來和電從遠(yuǎn)方來兩條路徑暢通且高效,構(gòu)成新型電力系統(tǒng)的重要物理載體。

2.2.2 以新型電力系統(tǒng)機(jī)制為重要橫梁

隨著新能源裝機(jī)容量快速增長,加之大量徑流式水電豐枯特性明顯且調(diào)節(jié)能力不足,電網(wǎng)靈活性資源不足問題日益凸顯。新型電力市場機(jī)制通過柔性市場機(jī)制引導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)源網(wǎng)荷儲(chǔ)依托市場化交易手段,創(chuàng)新挖掘系統(tǒng)內(nèi)水電、風(fēng)光新能源等電源的互動(dòng)調(diào)節(jié)能力,促進(jìn)負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)潛力釋放;通過現(xiàn)貨市場、中長期市場、輔助服務(wù)市場等多市場聯(lián)動(dòng)機(jī)制,提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活調(diào)節(jié)能力,充分發(fā)揮電力市場“看不見的手”的作用,助力實(shí)現(xiàn)電力資源在更大范圍內(nèi)共享互濟(jì)和優(yōu)化配置,推動(dòng)形成有更強(qiáng)新能源消納能力的新型電力系統(tǒng);同時(shí),通過綠色電力交易等手段,還原清潔能源的環(huán)境價(jià)值屬性,促進(jìn)電碳耦合發(fā)展,承擔(dān)新型電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的核心紐帶和關(guān)鍵承載,形成“梁拉型”理論模型的“橫梁”。

2.2.3 以源網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配和多能互補(bǔ)提升為支柱

從發(fā)展階段看,四川新型電力系統(tǒng)仍以結(jié)構(gòu)性供需平衡矛盾為主,豐期保消納、枯期互補(bǔ)提升保供應(yīng)需求迫切,極端氣候條件下電力電量雙缺問題依然嚴(yán)峻,源網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配和多能互補(bǔ)提升仍是解決上述難題的關(guān)鍵支撐,成為四川新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵支柱。源網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配,既包括源網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃、建設(shè)時(shí)序、運(yùn)行控制的最優(yōu)匹配,也包括源網(wǎng)關(guān)鍵特性、互動(dòng)能力的最優(yōu)匹配,是省內(nèi)電源與電網(wǎng)的匹配,也是省外電源與省間通道的匹配。多能互補(bǔ)是保供應(yīng)和促消納的關(guān)鍵手段,既是水、風(fēng)、光、生物質(zhì)等多種電源結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)提升,也是跨省跨區(qū)不同類型能源主體之間的互補(bǔ)互濟(jì),充分發(fā)揮四川水電的調(diào)節(jié)作用,挖掘綜合調(diào)節(jié)潛力,實(shí)現(xiàn)電力電量雙提升。

2.2.4 以涵蓋源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)4個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)為重要支撐

動(dòng)態(tài)潮流是新型電力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的重要體現(xiàn)。隨著新能源比例不斷提升,加之新型負(fù)荷隨機(jī)性波動(dòng)性不斷增強(qiáng),電網(wǎng)運(yùn)行方式將逐步由傳統(tǒng)僅考慮“冬大、冬小、夏大、夏小”4 種代表性運(yùn)行模式,過渡到更加豐富化、精細(xì)化的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式。通過動(dòng)態(tài)的有功及無功控制模型,提升電網(wǎng)的安全性和靈活性,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資源配置能力挖潛。儲(chǔ)能輔助運(yùn)行與網(wǎng)荷互動(dòng)補(bǔ)充是未來新型電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。從技術(shù)發(fā)展趨勢看,儲(chǔ)能技術(shù)不斷突破將為新型動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行方式、電力電量平衡模式帶來系統(tǒng)性的變革,是新型電力系統(tǒng)發(fā)展的重要“調(diào)節(jié)器”。網(wǎng)荷互動(dòng)是挖掘電網(wǎng)用戶側(cè)靈活資源的關(guān)鍵手段,是保障系統(tǒng)安全的重要力量。當(dāng)前階段受限于技術(shù)成熟度和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素,儲(chǔ)能和網(wǎng)荷互動(dòng)對四川新型電力系統(tǒng)建設(shè)具備一定的輔助支撐和補(bǔ)充作用,但尚未形成規(guī)模效應(yīng)。需以理論模型為引領(lǐng),加快技術(shù)創(chuàng)新和示范應(yīng)用,促進(jìn)負(fù)荷側(cè)成規(guī)模的響應(yīng)能力提升,為全面新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供理論和技術(shù)支撐。

2.3 理論模型框架的動(dòng)態(tài)演變

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷推進(jìn),數(shù)字化支撐技術(shù)不斷發(fā)展,新型市場機(jī)制的不斷完善,儲(chǔ)能技術(shù)不斷取得突破,“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”相關(guān)要素互聯(lián)、互通、互動(dòng)能力和“腦力”進(jìn)一步提升,各要素內(nèi)涵進(jìn)一步豐富和補(bǔ)充,高比例水電新型電力系統(tǒng)理論框架呈現(xiàn)更加立體、多維的態(tài)勢:以源網(wǎng)荷儲(chǔ)提檔升級為基礎(chǔ),以新型電碳市場機(jī)制為保障,以網(wǎng)源協(xié)調(diào)匹配、多能互補(bǔ)提升、儲(chǔ)能協(xié)同運(yùn)行、網(wǎng)荷多元互動(dòng)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制為五大關(guān)鍵支柱,如圖3所示。

圖3 演化后八大模型框架

源網(wǎng)荷儲(chǔ)提檔升級是在源網(wǎng)提檔升級的基礎(chǔ)上,加快開展新型儲(chǔ)能體系構(gòu)建,促進(jìn)新型儲(chǔ)能、抽水蓄能壓縮、空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等深化應(yīng)用。部分梯級水電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜匠樗钅?短時(shí)儲(chǔ)能與長時(shí)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)發(fā)展,系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不斷提升,電力平衡由時(shí)空緊耦合轉(zhuǎn)變?yōu)樗神詈?。?fù)荷側(cè)氫能、分布式光伏、沼氣發(fā)電等多種類型清潔能源革命持續(xù)深化,規(guī)?；煽刎?fù)荷與電網(wǎng)多元互動(dòng)、柔性互濟(jì)的基礎(chǔ)架構(gòu)搭建完成,網(wǎng)荷互動(dòng)已成為提升系統(tǒng)安全水平和促進(jìn)清潔能源高效消納的又一重要支撐。

新型電碳市場在新型電力市場的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了電力市場與碳市場的深度耦合,健全流域梯級水庫上下游利益共享機(jī)制、多能互補(bǔ)的新能源配置機(jī)制、靈活性資源價(jià)格機(jī)制,“西電東送”綠色電力的環(huán)境價(jià)值屬性充分顯現(xiàn),完善碳市場與電力市場的協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制,形成“用能-降碳”相互促進(jìn)新型市場格局。

五大關(guān)鍵支撐技術(shù)中,以由動(dòng)態(tài)無功響應(yīng)和動(dòng)態(tài)潮流控制模型組成的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制模型成為新型電力系統(tǒng)的核心支撐,為源網(wǎng)荷儲(chǔ)的柔性協(xié)調(diào)控制提供關(guān)鍵技術(shù)支持。源網(wǎng)協(xié)調(diào)匹配、多能互補(bǔ)提升、網(wǎng)荷多元互動(dòng)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模型在源荷逆向分布的大電網(wǎng)資源配置場景中成為四大關(guān)鍵環(huán)節(jié),在局域配電網(wǎng)/微電網(wǎng)場景中深度耦合形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)互聯(lián)互動(dòng)的新形態(tài),通過模型架構(gòu)確保主網(wǎng)與配電網(wǎng)的模型一致性和結(jié)構(gòu)匹配性,促進(jìn)主網(wǎng)與配電網(wǎng)協(xié)同互動(dòng)。

3 四川新型電力系統(tǒng)發(fā)展演化路徑

3.1 戰(zhàn)略目標(biāo)

通過理論創(chuàng)新和試驗(yàn)示范推動(dòng)高比例水電新型電力系統(tǒng)建設(shè),最終建成以水電和新能源為主體、新能源接納能力和運(yùn)行效率不斷提升、可承接西部地區(qū)大型清潔能源消納的系統(tǒng),有力支撐四川建設(shè)新能源比例逐步提升的世界級清潔能源基地,助力成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展,實(shí)現(xiàn)建設(shè)近零排放系統(tǒng)的宏遠(yuǎn)目標(biāo),為全國雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。

3.2 演化階段

根據(jù)四川新型電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃情況,將其分為轉(zhuǎn)型期、建設(shè)期、形成期和成熟期,各階段指標(biāo)權(quán)重演化規(guī)律如圖4所示[13]。

圖4 新型電力系統(tǒng)發(fā)展階段特征指標(biāo)權(quán)重演變

1)新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型期(至2025年)

關(guān)鍵特征:新能源快速發(fā)展,抽水蓄能、燃?xì)獾褥`活性資源啟動(dòng)建設(shè),負(fù)荷側(cè)靈活性資源響應(yīng)能力逐步顯現(xiàn),初步建成安全、高效、靈活的電網(wǎng)。此階段提高供電保障能力仍為發(fā)展重點(diǎn),安全高效權(quán)重最高,新能源發(fā)展迅速,靈活調(diào)節(jié)設(shè)備處于快速發(fā)展時(shí)期,清潔低碳和柔性靈活權(quán)重遞減。

實(shí)施路徑:重點(diǎn)優(yōu)化省內(nèi)電源結(jié)構(gòu),并挖掘電力系統(tǒng)各類靈活性資源,提升系統(tǒng)能效,保障負(fù)荷側(cè)用電安全可靠,加快推進(jìn)特高壓交直流電網(wǎng)建設(shè),初步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)提檔升級,網(wǎng)源匹配和互補(bǔ)提升的支柱性作用和建設(shè)成效初顯,現(xiàn)貨、輔助服務(wù)等多元市場機(jī)制逐步建立,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)電力穩(wěn)定供應(yīng)。

2)新型電力系統(tǒng)建設(shè)期(2026—2030年)

關(guān)鍵特征:水電開發(fā)速度逐步放緩,新能源加速開發(fā),電網(wǎng)提檔升級基本完成,抽水蓄能和儲(chǔ)能快速發(fā)展,源側(cè)、荷側(cè)調(diào)節(jié)能力持續(xù)提升,外電入川有序推動(dòng),清潔能源資源配置平臺能力提升,全面建成現(xiàn)代一流電網(wǎng)。此階段是實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期,迎來新能源大規(guī)模開發(fā),電力需求高速增長,安全高效、清潔低碳仍是主要方向。

實(shí)施路徑:強(qiáng)化數(shù)字智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,并在優(yōu)化省內(nèi)電源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)跨區(qū)交互與區(qū)內(nèi)交互能力,動(dòng)態(tài)有功無功控制能力顯著增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)提檔升級,網(wǎng)源匹配和互補(bǔ)提升支柱性作用顯著,實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展和多源互補(bǔ)互濟(jì),具備較強(qiáng)的網(wǎng)荷互動(dòng)能力,儲(chǔ)能輔助運(yùn)行支撐能力初步顯現(xiàn),綠電市場、碳市場等多元市場機(jī)制逐步健全完善,進(jìn)一步提升系統(tǒng)能源利用率。

3)新型電力系統(tǒng)形成期(2031—2035年)

關(guān)鍵特征:新能源發(fā)電占比快速提升,逐漸形成水電和新能源為發(fā)電主體的電源格局,源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步提升,外電入川持續(xù)深化,系統(tǒng)樞紐地位進(jìn)一步提升,綠色電力貢獻(xiàn)和價(jià)值進(jìn)一步凸顯,基本建成四川新型電力系統(tǒng)。此階段是全面普及智能化電力系統(tǒng)的發(fā)展時(shí)期,智慧經(jīng)濟(jì)維度的權(quán)重顯著提升。

實(shí)施路徑:強(qiáng)化“腦力”的建設(shè),進(jìn)一步增強(qiáng)跨區(qū)交互與區(qū)內(nèi)交互能力,負(fù)荷側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)調(diào)節(jié)作用進(jìn)一步提升,初步實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)提檔升級,網(wǎng)荷互動(dòng)和儲(chǔ)能輔助運(yùn)行成為系統(tǒng)重要支撐,四川新型電力市場體系初步建成,初步實(shí)現(xiàn)綠色電力價(jià)值變現(xiàn),源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦協(xié)同有序發(fā)展。

4)新型電力系統(tǒng)成熟期(2036—2060年)

關(guān)鍵特征:新型電力系統(tǒng)全面建成,清潔能源主體加強(qiáng)且近零排放系統(tǒng),已具備了應(yīng)對極端狀況的能力,水電角色由能源供應(yīng)者向具有高效支撐能力的“多面手”轉(zhuǎn)變,電能、氫能多種類型能源互濟(jì)共通,化石能源實(shí)現(xiàn)電力電量保障向輔助保障轉(zhuǎn)變。此階段新型電力系統(tǒng)在安全高效方面已經(jīng)較為成熟,相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重略有下降。

實(shí)施路徑:電力系統(tǒng)低碳化持續(xù)推進(jìn),依托最新技術(shù)突破持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài),電能與氫能耦合互濟(jì),“梁柱型”支撐模型體系搭建完善,促進(jìn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”協(xié)同發(fā)力,經(jīng)濟(jì)性、安全性穩(wěn)步提升。

4 高比例水電新型電力系統(tǒng)理論落地實(shí)踐

基于理論模型架構(gòu)分析,四川按照“理論引領(lǐng),創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”的思路,從理論創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新3個(gè)方面,率先開展了高比例水電新型電力系統(tǒng)的理論探索和創(chuàng)新實(shí)踐,如圖5所示。

圖5 四川新型電力系統(tǒng)的創(chuàng)新探索

4.1 要素梳理,先行先試

全面梳理“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”五大核心要素,形成了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的理論體系,并重點(diǎn)圍繞引領(lǐng)、消納、保障、互補(bǔ)、協(xié)助、挖潛、友好、互聯(lián)八大重點(diǎn)內(nèi)容,開展新型能源體系理論創(chuàng)新和探索實(shí)踐。從宏觀趨勢和指標(biāo)量化兩個(gè)方面,形成了新型電力系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系[13];從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)、體制機(jī)制等方面出發(fā),提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的分階段實(shí)施路徑[14],探索了水電為主的新型電力系統(tǒng)發(fā)展模式,為四川新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供戰(zhàn)略方向。先行先試,創(chuàng)新打造世界首例梯級水光蓄互補(bǔ)聯(lián)合示范項(xiàng)目,在四川新能源富集地區(qū)和水電富集地區(qū)探索“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”全要素新型電力系統(tǒng)示范區(qū)建設(shè),探索利用分布式清潔能源打造源網(wǎng)荷儲(chǔ)互聯(lián)互動(dòng)的零碳村、零碳園區(qū)等示范。

4.2 提檔升級,體系構(gòu)建

四川將加速建設(shè)特高壓交、直流網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)500 kV梯格型網(wǎng)絡(luò)向立體雙環(huán)網(wǎng)提檔升級。通過建設(shè)優(yōu)質(zhì)高效、安全柔性的電網(wǎng),安全保障清潔能源大規(guī)模開發(fā)。加快新能源開發(fā)利用,實(shí)現(xiàn)以水電為主電源結(jié)構(gòu)向水風(fēng)光多能互補(bǔ)結(jié)構(gòu)升級。加快研究適應(yīng)新型能源體系構(gòu)建的新型電力系統(tǒng)市場機(jī)制,著眼于四川新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的問題,設(shè)計(jì)四川省多元資源輔助服務(wù)市場機(jī)制并提出對應(yīng)發(fā)展規(guī)劃的政策建議,服務(wù)構(gòu)建支撐四川省電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的“蓄水池”。圍繞四川水、風(fēng)、光清潔能源資源發(fā)展主線條,創(chuàng)新市場機(jī)制和交易模式,促進(jìn)新型能源體系構(gòu)建,電氣化助力鄉(xiāng)村振興,因地制宜推動(dòng)沼氣、垃圾發(fā)電、廢水發(fā)電等能用利用新形式創(chuàng)新發(fā)展,推動(dòng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)+”“分布式電源+”發(fā)展模式應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量創(chuàng)新與統(tǒng)籌協(xié)調(diào),形成結(jié)構(gòu)多元、能源安全的新型能源體系。

4.3 價(jià)值挖掘,協(xié)調(diào)發(fā)展

立足四川清潔能源資源稟賦,積極服務(wù)綠色低碳優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略,深挖電力與減污降碳、電力與經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律?；谛滦碗娏ο到y(tǒng)碳計(jì)量、人工智能、大數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)系列數(shù)字化服務(wù)產(chǎn)品,探索建立綠電市場與碳市場的有效銜接。充分挖掘四川水電、風(fēng)光新能源等清潔能源綠色環(huán)境屬性價(jià)值,率先實(shí)現(xiàn)綠色能源價(jià)值變現(xiàn),促進(jìn)新型綠色能源體系與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結(jié) 語

新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要載體,關(guān)系中國能源安全和能源低碳轉(zhuǎn)型重大戰(zhàn)略,是一項(xiàng)系統(tǒng)性的重大工程。鑒于中國各省能源結(jié)構(gòu)和發(fā)展路徑差異巨大,明確不同省份在全國新型電力系統(tǒng)和新型能源體系中的作用和地位,因地制宜差異化開展以省為實(shí)體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新探索,具有戰(zhàn)略意義。上面著眼于四川、云南等省份高比例水電資源稟賦特征,開展高比例水電新型電力理論模型探索,分析了高比例水電新型電力系統(tǒng)的定位和內(nèi)涵,論證了高比例水電新型電力系統(tǒng)是全國新型電力系統(tǒng)的先期示范樣板和后期戰(zhàn)略支撐,提出了“先低碳”地區(qū)帶動(dòng)“后低碳”地區(qū)的發(fā)展思路,創(chuàng)新并解析了新型電力系統(tǒng)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)腦”五大關(guān)鍵要素,分析了高比例水電新型電力系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)及演化階段,構(gòu)建了不同發(fā)展階段的“梁柱型”理論模型框架,介紹了現(xiàn)階段四川新型電力理論模型實(shí)踐思路,為四川及能源結(jié)構(gòu)類似地區(qū)發(fā)展新型電力系統(tǒng)構(gòu)建提供了理論支撐。