電力系統(tǒng)是能源體系的關鍵組成部分，電力行業(yè)碳排放占碳排放總量的40%以上，是我國能源轉(zhuǎn)型與碳減排的主戰(zhàn)場。3月15日，習近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議，指出要“實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。這為“雙碳”目標下我國電力系統(tǒng)形態(tài)演化與技術變革指明了戰(zhàn)略方向。
我國能源轉(zhuǎn)型中電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
為了構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，必須大力推進清潔能源的開發(fā)利用，風、光、水、核等清潔能源必須轉(zhuǎn)化為電能才能加以利用和轉(zhuǎn)換，因此電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中將起到核心作用。對我國而言，電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型的要求下，即要滿足復雜嚴苛的外部約束條件，又需應對自身變革帶來的多重挑戰(zhàn)，其總體難度遠超西方國家。
2020年我國發(fā)電量為7.51萬億千瓦時，居世界首位。為滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展與人民美好生活需要，未來我國用電需求仍將保持增長態(tài)勢，預計到2060年我國社會用電量將達到15.9萬億千瓦時。而作為規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)層次最復雜、強非線性和高維特性的人造系統(tǒng)，電力系統(tǒng)又是一個必須保證實時平衡的系統(tǒng)。這使得我國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型面臨諸多挑戰(zhàn)。
一是發(fā)電資源稟賦制約突出。風電、光伏發(fā)電具有顯著的間歇性、波動性特征，需要有一定比例的靈活調(diào)節(jié)電源作為支撐。2020年美國油氣發(fā)電量占比已超過60%，英國和德國的燃氣發(fā)電量占比也超過36%和16%，發(fā)達國家依靠大量的油氣發(fā)電，不僅推動了電源的低碳化，也給新能源消納提供了有力的支撐。我國在一次能源方面呈現(xiàn)富煤、缺油、少氣的特點，油氣發(fā)電量占比很小，缺乏大規(guī)模靈活調(diào)節(jié)電源給我國新能源消納帶來了巨大挑戰(zhàn)。
二是電源強隨機特性顯著。隨著未來新能源發(fā)電占比大幅增大，電力系統(tǒng)電源從可預測的火電和水電變?yōu)殡S機性更高的新型負荷、難以預測的風電和光伏發(fā)電，給系統(tǒng)實時平衡帶來巨大挑戰(zhàn)。以西北電網(wǎng)為例，其風電的最大日波動幅度達3200萬千瓦，相當于一個中型省份的用電負荷。同時，缺乏慣量與自主電壓參考的新能源發(fā)電裝置呈現(xiàn)明顯的低抗擾性和弱支撐性，給電網(wǎng)自身的安全及運行控制也帶來挑戰(zhàn)。
三是源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)控制困難。未來電源結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架形態(tài)的演化，將使得電力系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷、儲各層級物理特性變化，電力電量平衡難度增大。電源側(cè)和用戶側(cè)的集中/分布式新能源大量接入，一方面導致系統(tǒng)潮流分布不確定性急劇增加，另一方面帶來電力電子設備間復雜的寬頻耦合作用機制，使電網(wǎng)的脆弱性增強并在穩(wěn)定控制上面臨巨大挑戰(zhàn)。
四是用戶側(cè)供需互動大幅增加。未來電能占終端能源消費比重將進一步加大，同時新能源汽車、儲能系統(tǒng)等具備雙向能量流動特性的新型負荷占比將大幅提升。這給電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力、服務模式帶來全新挑戰(zhàn)。根據(jù)中國汽車協(xié)會預測，2030年我國電動汽車保有量將達到8000萬輛。如果這些電動車仍采用無序充電，將會導致電力系統(tǒng)的峰值負荷大幅增加，帶來高昂的建設成本，反之如果利用得當，也蘊含著巨大的電網(wǎng)調(diào)峰潛力。
五是全環(huán)節(jié)多維度數(shù)字賦能不足。為使新型電力系統(tǒng)的源、網(wǎng)、荷、儲等多環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)靈活協(xié)調(diào)、智能交互，必須全面采用數(shù)字化技術。目前我國能源電力系統(tǒng)的數(shù)字化水平整體較低，數(shù)字技術和物理系統(tǒng)融合不夠深入，支撐電網(wǎng)高度智能化運行的能力還不夠。同時，我國在人工智能算法、大數(shù)據(jù)理論等方面的基礎理論研究不足，在智能化電力設備所需的高端芯片、核心元器件等方面還存在一些“卡脖子”和短板技術。
六是電力市場機制有待完善。實踐證明，市場和技術間應相互協(xié)調(diào)促進，否則就會阻礙新技術發(fā)展與應用。我國現(xiàn)有電力市場機制還不能充分滿足高比例新能源電力系統(tǒng)的建設運行需求，市場在資源配置中的作用體現(xiàn)不夠?？缡】鐓^(qū)備用、用戶參與調(diào)頻、儲能等新業(yè)務形態(tài)的電價形成機制有待完善。同時，市場還不夠開放，投資主體多元化程度不足，推動社會資本有序參與抽蓄、儲能等新設施投資建設和長期運營機制不完善。
新型電力系統(tǒng)的“四化”特征
新能源裝機、電量占比不斷提升帶來的量變，將逐步引發(fā)電力系統(tǒng)在物理形態(tài)和技術框架上產(chǎn)生本質(zhì)性變化，從而使得新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的一些顯著特征，可以概括為“四化”，即電力電源清潔化、電力系統(tǒng)柔性化、電力系統(tǒng)數(shù)字化、電力系統(tǒng)電力電子化。
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電力行業(yè)碳排放占碳排放總量的40%以上，因此電源的清潔化是實現(xiàn)碳中和的關鍵。目前我國電力能源結(jié)構(gòu)仍以化石能源為主體，截至2020年，風電、光伏發(fā)電總裝機容量占比為24.32%，發(fā)電量占比僅為11.2%（火電占比71.2%）。未來電力系統(tǒng)的新能源占比將快速提升，并逐步成為主體和主導電源，預計到2060年，風電、光伏發(fā)電裝機占比將達70%以上并提供超過55%的電量。
但是，考慮到我國的資源稟賦約束，以及極端條件下的電力可靠供給，我國在較長時期內(nèi)，仍需維持一定的煤電裝機（預計2030和2050年發(fā)電量占比將為52%和20%），以充分發(fā)揮其在能量平衡與系統(tǒng)穩(wěn)定支撐中的基石作用。為此，必須大力發(fā)展清潔煤電技術，降低其碳排放水平。
通過風、光、水、核、煤等多種發(fā)電形式的協(xié)同發(fā)展，我國最終將形成風光領跑、多元協(xié)調(diào)的電源結(jié)構(gòu)，從而使電力電源快速實現(xiàn)清潔化，并推動電力系統(tǒng)于2050年左右率先實現(xiàn)“碳中和”。
?。ǘ╇娏ο到y(tǒng)柔性化
為了適應發(fā)電側(cè)大規(guī)模新能源帶來的強波動性，必須從多環(huán)節(jié)入手，全面提升電力系統(tǒng)運行的靈活性和可控性，實現(xiàn)柔性化發(fā)展。
一是加強靈活調(diào)節(jié)電源建設，提升系統(tǒng)靈活性。歐美發(fā)達國家的能源轉(zhuǎn)型以大量靈活電源作為支撐，而我國靈活電源比例過低，抽水蓄能和燃氣的總發(fā)電量占比不足4%，難以支撐更高比例的新能源消納。因此，必須提高抽水蓄能與燃氣發(fā)電的裝機容量占比，同時通過技術升級，大幅度提升煤電的快速靈活調(diào)節(jié)能力。
二是提升電網(wǎng)柔性傳輸能力，重構(gòu)電網(wǎng)形態(tài)。在新型電力系統(tǒng)中，輸、配電網(wǎng)不再是單純的電能傳輸通道，而是成為能量廣域時空互濟的紐帶，這對電網(wǎng)的拓撲形態(tài)和調(diào)控能力提出全新要求。如歐洲在2004年就制訂了“SuperGrid（超級電網(wǎng)）”建設規(guī)劃，大力發(fā)展柔性輸配電技術。目前德國憑借高度柔性化的電力系統(tǒng)，在不足15%的靈活電源裝機下，實現(xiàn)了40%以上的新能源電力消納。這對“缺油少氣”的我國具有很好的借鑒意義。因此，我國未來應構(gòu)建多區(qū)域柔性互聯(lián)的電網(wǎng)架構(gòu)，充分發(fā)揮電網(wǎng)的間接儲能作用，提升新能源承載能力。
三是提升電能存儲能力，助力電網(wǎng)削峰填谷。為彌補新能源的短期和中長期波動性，規(guī)模化的儲能是必需的手段。目前，抽水蓄能仍是大規(guī)模電能存儲的最佳手段，在儲能的功率、容量、時長、成本方面均占優(yōu)勢，但是在一定程度上要受到地理條件的限制。各種物理、化學儲能技術近年來得到了長足發(fā)展，但是離電力系統(tǒng)的需求仍有很大差距。氫能憑借能量密度高、存儲時間長的優(yōu)點，未來有潛力成為跨周、跨季節(jié)能量平衡的重要手段。
?。ㄈ╇娏ο到y(tǒng)數(shù)字化
電力系統(tǒng)數(shù)字化是通過數(shù)字技術與物理系統(tǒng)的深度融合，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的“數(shù)字賦能”，從而實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的全面感知與高度智能化運行。
一是提升數(shù)字分析水平，加強電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制能力。風、光等新能源發(fā)電所采用的雙饋式/直驅(qū)式風機、光伏逆變器等都使用了電力電子裝置，這些電力電子裝置代替了原有系統(tǒng)中的機械轉(zhuǎn)動設備，使得系統(tǒng)的動態(tài)過程將從常規(guī)的機電暫態(tài)為主變?yōu)殡姶艜簯B(tài)為主，分析計算需要在更復雜、更精細化的數(shù)學模型與更短的時間尺度下進行，因此必須發(fā)展更好的建模、解算方法與軟、硬件平臺。另外，由于新型電力系統(tǒng)在運行中存在大量強隨機波動因素，基于人工離線計算的傳統(tǒng)調(diào)度手段難以勝任，必須借助人工智能等手段實現(xiàn)高度智能化的調(diào)度控制。
二是促進多元用戶供需互動，提升需求側(cè)管理水平。通過廣域信息采集和互動技術，實現(xiàn)大范圍內(nèi)海量分散電源和負荷之間的協(xié)調(diào)聚合，使之作為整體深度參與電網(wǎng)供需平衡，可充分釋放需求側(cè)主動調(diào)節(jié)的潛力，緩解電源和負荷的波動性帶來的挑戰(zhàn)。在這一方面，德國依托E-Energy項目開展了廣泛的應用，取得了良好的效果。
三是加強數(shù)字與設備融合，提升設備智能化水平。設備是系統(tǒng)構(gòu)建的物理基礎，通過高精度分布式傳感、物聯(lián)網(wǎng)等先進數(shù)字技術與設備的深入融合，可實現(xiàn)電力裝備與系統(tǒng)的全方位實時化狀態(tài)感知，為廣域智能控制建立信息基礎。而我國目前在該領域的高端傳感器和核心芯片等技術仍存在欠缺。
（四）電力系統(tǒng)電力電子化
在新能源替代、柔性輸變電與新型負荷等多重內(nèi)、外部需求的共同驅(qū)動下，電力電子技術將在新型電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)得到更加廣泛的應用。預計2060年，我國電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、用各環(huán)節(jié)的電力電子化程度將達72%、50%和95%以上。隨著發(fā)電機、變壓器等常規(guī)電力裝置逐漸被電力電子裝置所取代，電力系統(tǒng)所需要考慮和控制的頻帶將從50赫茲左右擴展到數(shù)赫茲至數(shù)千赫茲的較寬范圍，而數(shù)以百萬計的電力電子裝備組成的系統(tǒng)，需要高速的協(xié)調(diào)控制才能實現(xiàn)良好運行，現(xiàn)有針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的機理、測量、運行、控制方法都難以適用，相關的控制、智能化水平也遠遠難以支撐。
一是在靈活交流輸電方面，我國已全面掌握各類型靈活交流輸電裝備技術并實現(xiàn)了工程示范和大范圍推廣。未來的新型電力系統(tǒng)中，靈活交流輸電技術將成為動態(tài)優(yōu)化潮流分布、提升高比例新能源條件下系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性的重要手段。
二是在特高壓直流輸電方面，我國自主研制出國際領先的±800千伏和±1100千伏特高壓直流核心裝備，可實現(xiàn)千萬千瓦級電能的超遠距離、超大容量傳輸。在新型電力系統(tǒng)中，特高壓直流仍將是“西電東送”戰(zhàn)略實施的重要手段。
三是在柔性直流與直流電網(wǎng)方面，我國自主研制出國際領先的柔性直流輸電裝備，并完成上海、廈門、舟山、渝鄂等系列工程示范，在風電并網(wǎng)、城市供電、大電網(wǎng)互聯(lián)等方面發(fā)揮出重要作用。在此基礎上，我國又進一步突破了直流電網(wǎng)技術，在張北建成世界首個直流電網(wǎng)工程，實現(xiàn)了張北地區(qū)100%新能源外送，并為綠色冬奧提供了基礎設施保障。作為靈活性最高、可控性最好的輸電技術，柔性直流和直流電網(wǎng)將在未來的新型電力系統(tǒng)中得到更廣泛的應用，成為新能源友好并網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)柔性互聯(lián)的重要技術手段。
在新型電力系統(tǒng)的“四化”本質(zhì)特征中，電力電源清潔化是推動能源轉(zhuǎn)型的內(nèi)在動力；電力系統(tǒng)柔性化是重構(gòu)電力系統(tǒng)形態(tài)的必然趨勢；電力系統(tǒng)數(shù)字化是升級電力系統(tǒng)的必要手段；“電力系統(tǒng)電力電子化”是重塑電力系統(tǒng)運行控制理論的客觀要求。新型電力系統(tǒng)的四大本質(zhì)特征相輔相成，成為有機融合的整體，也為開展新型電力系統(tǒng)理論和技術研究提供了出發(fā)點和落腳點。
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