中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
1 論文所解決的問(wèn)題及意義
新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。一方面，未來(lái)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷和儲(chǔ)能形態(tài)都將發(fā)生深度變革。新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑受技術(shù)發(fā)展、政策支持等因素影響，存在較大的不確定性，加之電力行業(yè)技術(shù)資金密集，存在高度的路徑依賴，技術(shù)路線試錯(cuò)成本極高，必須在滿足低碳、安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，科學(xué)制定新型電力系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方案。另一方面，新型電力系統(tǒng)在平衡理論、安全穩(wěn)定特性、成本優(yōu)化和疏導(dǎo)機(jī)制等方面將發(fā)生深刻變化，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需要回答一系列科學(xué)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。本文首先刻畫了新型電力系統(tǒng)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷與儲(chǔ)能形態(tài)的重大變化；在此基礎(chǔ)上，從平衡理論、穩(wěn)定機(jī)理、成本優(yōu)化與疏導(dǎo)等方面提出新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的科學(xué)問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題；最后，提出了支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)方向。
2 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的形態(tài)問(wèn)題
電力系統(tǒng)是世界上最復(fù)雜的人造系統(tǒng)，根據(jù)不同時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求和技術(shù)進(jìn)步的程度分階段發(fā)展?！半p碳”目標(biāo)對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展增加了碳排放約束，對(duì)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷產(chǎn)生巨大影響，不同路徑下系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、安全水平及成本差別顯著，亟需解決新型電力系統(tǒng)的發(fā)展形態(tài)問(wèn)題。
電源形態(tài)：在供電安全和清潔低碳的約束下，新型電力系統(tǒng)電源形態(tài)受技術(shù)發(fā)展和成本優(yōu)化的影響，如圖1所示。在化石能源發(fā)電向低碳清潔能源發(fā)電過(guò)渡的過(guò)程中，電源形態(tài)的核心技術(shù)主要是能源清潔高效發(fā)電技術(shù)：化石能源發(fā)電技術(shù)以煤電與碳捕集、利用與封存聯(lián)合(CCUS)技術(shù)為主，非化石能源發(fā)電技術(shù)以新能源與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能聯(lián)合技術(shù)為主。
圖1 電源不同技術(shù)形態(tài)與發(fā)展路徑
電網(wǎng)形態(tài)：我國(guó)資源與負(fù)荷需求呈逆向分布，以“西電東送”大規(guī)?？鐓^(qū)輸電為主要特征的輸電網(wǎng)形態(tài)將在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)存在。在送端，能源開發(fā)呈現(xiàn)新能源基地化、布局連片化、出力同質(zhì)化、通道集群化，連鎖故障引發(fā)大電網(wǎng)事故風(fēng)險(xiǎn)增加，由此帶來(lái)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、大基地接網(wǎng)方式、直流輸電技術(shù)等一系列需要深入研究的問(wèn)題。在受端，隨著特高壓直流的大規(guī)模饋入，以及分布式電源和海上風(fēng)電的發(fā)展，受端電網(wǎng)呈現(xiàn)“電力電子化”、電源“空心化”特征，電壓、頻率穩(wěn)定等安全風(fēng)險(xiǎn)凸顯。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)將向新型配電網(wǎng)加速演進(jìn)，在配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行方面產(chǎn)生重大變革。在規(guī)劃方面，以分層分區(qū)平衡理念優(yōu)化資源配置，既規(guī)范分布式電源有序接入，又統(tǒng)籌主配微協(xié)同發(fā)展，如圖2所示。在運(yùn)行方面，強(qiáng)化平衡單元的柔性互聯(lián)和集群自洽，推動(dòng)分布式資源動(dòng)態(tài)聚合與協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的主動(dòng)支撐。
圖2 新型配電網(wǎng)分層分區(qū)平衡示意圖
負(fù)荷形態(tài)：在中國(guó)式現(xiàn)代化發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，未來(lái)能源消費(fèi)高度電氣化，我國(guó)電力需求仍將保持剛性增長(zhǎng)。隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí)，新質(zhì)生產(chǎn)力加快形成，城鎮(zhèn)化率持續(xù)提升并趨于穩(wěn)定，鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)品需求減少，高技術(shù)及裝備制造業(yè)、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等將成為電力消費(fèi)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?。多重因素影響下，電力系統(tǒng)負(fù)荷特性呈現(xiàn)尖峰化、季節(jié)性波動(dòng)和強(qiáng)不確定性等顯著特征，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率，在需求側(cè)也要積極探索負(fù)荷柔性化技術(shù)。
儲(chǔ)能形態(tài)：隨著儲(chǔ)能大規(guī)模發(fā)展，電力系統(tǒng)構(gòu)成要素將由“源網(wǎng)荷”向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)能從系統(tǒng)運(yùn)行的輔助角色逐步成為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分?，F(xiàn)有儲(chǔ)能類型都可在系統(tǒng)短周期日內(nèi)平衡中發(fā)揮作用，但無(wú)法用于解決連續(xù)多日無(wú)風(fēng)無(wú)光新能源低出力情況下的電力電量平衡問(wèn)題，要么經(jīng)濟(jì)代價(jià)極大。以太陽(yáng)能、風(fēng)能為電源主體時(shí)，面向周平衡、月平衡的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能不可或缺。未來(lái)隨著各種儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，需要取長(zhǎng)補(bǔ)短、互為補(bǔ)充，構(gòu)建總量充裕、結(jié)構(gòu)合理、成本最優(yōu)的儲(chǔ)能體系。
3 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的科學(xué)問(wèn)題
科學(xué)問(wèn)題1：如何解決高比例新能源隨機(jī)、波動(dòng)與間歇性帶來(lái)的電力電量平衡問(wèn)題。
新能源出力受天氣影響顯著，不僅在日內(nèi)具有顯著的隨機(jī)性和波動(dòng)性，而且隨著季節(jié)變化呈現(xiàn)不同時(shí)長(zhǎng)的間歇性，改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)平衡機(jī)制，從可控的電源跟蹤變化的用電負(fù)荷單向平衡模式，轉(zhuǎn)變?yōu)樵春呻p隨機(jī)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)多主體互動(dòng)的復(fù)雜平衡模式。為實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電力系統(tǒng)電力電量平衡的精準(zhǔn)刻畫與評(píng)估，需要掌握氣候氣象與新能源出力的時(shí)空耦合機(jī)理，研究新型電力電量平衡理論與方法，如圖3所示。
圖3 電力電量平衡理論研究架構(gòu)
科學(xué)問(wèn)題2：如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜特性新型電力系統(tǒng)在多時(shí)間尺度下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
在新能源大規(guī)模發(fā)展的情況下，源側(cè)、輸電側(cè)、負(fù)荷側(cè)將出現(xiàn)大量電力電子設(shè)備，主導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行特性的物理基礎(chǔ)發(fā)生根本變化。一方面，電力電子設(shè)備通過(guò)控制向電網(wǎng)交換的功率改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)根據(jù)阻抗自然分布的特性，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的調(diào)節(jié)也改變了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點(diǎn)；另一方面，電力電子設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備完全不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)重塑系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)行為，引發(fā)機(jī)-電-磁-控強(qiáng)耦合的新型穩(wěn)定特性。“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理從依賴旋轉(zhuǎn)機(jī)械的物理特性，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囉陔娏﹄娮釉O(shè)備的復(fù)雜控制特性，新型電力系統(tǒng)的頻率、電壓等傳統(tǒng)與新型穩(wěn)定問(wèn)題愈發(fā)突出。
4 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題
實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”，不僅是自然科學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也是重大的經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題，包含三個(gè)方面：
一是“雙碳”目標(biāo)下構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的均衡理論視角。新型電力系統(tǒng)將給社會(huì)及產(chǎn)業(yè)提供了兩種生產(chǎn)要素“電”和“綠”，新型電力系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的耦合聯(lián)動(dòng)更加凸顯、關(guān)系更為復(fù)雜，需要解決多目標(biāo)、多約束、多變量，復(fù)雜巨系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題。
二是如何在滿足安全和綠色約束下尋找最低成本轉(zhuǎn)型路徑。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是資源-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)性工程，構(gòu)建成本很大程度上取決于各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和競(jìng)爭(zhēng)，這其中科技創(chuàng)新和技術(shù)路徑選擇是核心。
三是如何疏導(dǎo)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建成本。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)不僅是電力行業(yè)的任務(wù)，也是各行各業(yè)和公眾的共同責(zé)任。其巨大的構(gòu)建成本電力行業(yè)無(wú)法單獨(dú)承受，需要全社會(huì)分擔(dān)。
5 新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)
為解決新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中面臨的基本問(wèn)題，需要加快源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)核心技術(shù)突破。本文提出對(duì)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建有重大影響的關(guān)鍵技術(shù)，并展望其未來(lái)發(fā)展方向。
碳捕集、利用與封存技術(shù)：CCUS技術(shù)可有效降低煤電的碳排放水平，使得系統(tǒng)在滿足碳排放約束的情況下，提高煤電的發(fā)電量上限。因此，CCUS是影響新型電力系統(tǒng)中煤電裝機(jī)規(guī)模的關(guān)鍵技術(shù)，甚至決定新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建路徑。CCUS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：碳捕集技術(shù)需要進(jìn)一步提高捕集效率，降低系統(tǒng)整體能耗和捕集成本；碳封存技術(shù)需要解決“注不進(jìn)、封不住”的問(wèn)題。
長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)：長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)能有效解決新能源長(zhǎng)時(shí)低出力情形下的系統(tǒng)平衡問(wèn)題，是通過(guò)發(fā)展大規(guī)模新能源來(lái)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)這一技術(shù)路線的關(guān)鍵。目前，尚未有一種儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)能夠滿足要求的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)出現(xiàn)。面向周平衡、月平衡的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)需要具備能量損失小、使用壽命長(zhǎng)、資源環(huán)境限制小、成本低等特征。
大電網(wǎng)安全防御技術(shù)：大電網(wǎng)安全是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)電網(wǎng)安全防御技術(shù)基于機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定理論，建立了“三道防線”。在未來(lái)“雙高”背景下，需要重新認(rèn)識(shí)新型電力系統(tǒng)安全運(yùn)行機(jī)理，發(fā)展適應(yīng)高比例“電力電子化”的電網(wǎng)安全控制技術(shù)，拓展傳統(tǒng)三道防線的內(nèi)涵，構(gòu)建“主動(dòng)預(yù)防+被動(dòng)防御”雙維度三道防線，如圖4所示。
圖4 大電網(wǎng)安全防御體系示意圖
再電氣化技術(shù)：目前，我國(guó)能源消費(fèi)側(cè)碳排放主要集中在工業(yè)、建筑、交通領(lǐng)域，未來(lái)需重點(diǎn)提升以上三個(gè)領(lǐng)域的再電氣化技術(shù)水平。在工業(yè)領(lǐng)域，加快鋼鐵、有色、建材、化工等高耗能產(chǎn)業(yè)電氣化進(jìn)程；在建筑領(lǐng)域，積極推進(jìn)建筑用能電氣化和建筑光伏一體化；在交通領(lǐng)域，加快實(shí)現(xiàn)“以電代油”，促進(jìn)電動(dòng)汽車、電氣化鐵路、軌道交通、港口岸電、電動(dòng)船舶等發(fā)展。
碳排放核算與分?jǐn)倷C(jī)制：源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)碳排放的準(zhǔn)確計(jì)量與責(zé)任分?jǐn)?，是影響新型電力系統(tǒng)減碳降碳的重要因素。在碳排放核算技術(shù)方面，要建立包括碳計(jì)量、核算、標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證等多個(gè)方面的碳足跡管理體系，建立與國(guó)際接軌的碳排放標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系。在碳排放分?jǐn)倷C(jī)制方面，做到實(shí)時(shí)分配源網(wǎng)荷儲(chǔ)各主體之間的碳排放權(quán)責(zé)，在碳市場(chǎng)機(jī)制下建立面向新型電力系統(tǒng)的多時(shí)空碳排放責(zé)任分?jǐn)偱c約束體系。
6 結(jié)語(yǔ)
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，新型電力系統(tǒng)建設(shè)至關(guān)重要，亟需超前謀劃，做好頂層設(shè)計(jì)。本文首先從電源、電網(wǎng)、負(fù)荷與儲(chǔ)能4方面分析了新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的形態(tài)問(wèn)題；在此基礎(chǔ)上，提出了2個(gè)科學(xué)問(wèn)題和1個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題；最后，提出了CCUS、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、大電網(wǎng)安全防御、再電氣化、碳排放核算與分?jǐn)倷C(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向。希望本文能為我國(guó)新型電力系統(tǒng)的深入研究與示范實(shí)踐提供參考與借鑒。
