構建新型電力系統(tǒng)的思考和建議
深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是黨中央基于保障國家能源安全、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推動碳達峰、碳中和目標實施作出的重大決策部署，為新時期能源行業(yè)以及相關產業(yè)發(fā)展提供了重要戰(zhàn)略指引，有利于加快我國構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系步伐，推動經濟社會綠色轉型和高質量發(fā)展。
（作者：李鵬）
一、新形勢下新能源發(fā)展的歷史機遇以及電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
當前，我國正處于工業(yè)化后期，經濟對能源的依賴程度高，而我國能源消費以化石能源為主，2020年化石能源占一次能源比重達84%。碳達峰、碳中和目標下，我國能源結構將加速調整，清潔低碳發(fā)展特征愈加突出。
（一）碳達峰、碳中和目標推動新能源向“主體能源”轉變
隨著經濟社會的轉型發(fā)展和能源利用效率的不斷提升，能源消費總量將會在碳排放量達到峰值后逐步下降，但電能消費總量一直呈上升趨勢，預計將從2020年的7.5萬億千瓦時增長至2060年的15—18萬億千瓦時。
新能源將迎來跨越式發(fā)展的歷史機遇，成為電能增量的主力軍，實現(xiàn)從“補充能源”向“主體能源”的轉變。預計到2030年，風電、光伏裝機規(guī)模超16億千瓦，裝機占比從2020年的24%增長至47%左右，新能源發(fā)電量約3.5萬億千瓦時，占比從2020年的13%提高至30%。
2030年后，水電、核電等傳統(tǒng)非化石能源受資源和站址約束，建設逐步放緩，新能源發(fā)展將進一步提速。預計到2060年，風電、光伏裝機規(guī)模超50億千瓦，裝機占比超80%，新能源發(fā)電量超9.6萬億千瓦時，占比超60%，成為電力系統(tǒng)的重要支撐。
（二）新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
新能源具有典型的間歇性特征，出力隨機波動性強。以電動汽車為代表的新型負荷尖峰化特征明顯，最大負荷與平均負荷之比持續(xù)提升。發(fā)電側隨機性和負荷側峰谷差加大將對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)造成較大的沖擊，要實現(xiàn)構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)愿景目標，我們還需要應對以下問題：
一是電力系統(tǒng)的可靠容量不足。風電、光伏因其自身出力特性，可靠性偏低。經研究，到2030年，在全國范圍內相對均勻分布的情況下，新能源裝機超10億千瓦，每年將有30天以上出力低于裝機容量的10%，置信容量僅為1億千瓦。
假設峰值負荷約18億千瓦，水電裝機5億千瓦，可靠容量約3.5億千瓦，核電裝機3億千瓦，可靠容量約3億千瓦，風電、光伏可靠容量按1億千瓦、其他可再生電源可靠容量按0.5億千瓦估列，再考慮可中斷負荷及電動汽車等可調節(jié)容量約5億千瓦，那么電力系統(tǒng)可靠容量缺口約5億千瓦，也就是說，對于穩(wěn)定電源（火電）的需求仍有5億千瓦。
二是傳統(tǒng)大電網(wǎng)難以滿足未來電力輸送需求。長期以來，我國能源資源與負荷呈逆向分布，大電網(wǎng)是連接三北地區(qū)等資源區(qū)與中東部負荷區(qū)的重要途徑。但隨著經濟社會的發(fā)展，各地區(qū)用電量需求與日俱增，預計到2030年，僅廣東、福建、浙江、江蘇和山東五省的全社會用電量就將達到3萬億千瓦時，未來可能會達到5萬億千瓦時。
如果絕大部分從三北地區(qū)遠距離輸送，按照80%的比例測算，送電規(guī)模將達到4萬億千瓦時，這就需要建設約100條特高壓送電通道，且每條特高壓不受電磁環(huán)網(wǎng)制約，全年滿功率運行，無疑這將難以實現(xiàn)。
三是電力系統(tǒng)轉動慣量以及長周期調節(jié)能力不足。光伏發(fā)電利用半導體的光電效應將光能轉變?yōu)殡娔埽瑹o轉動慣量，風力發(fā)電轉動慣量也嚴重不足，因此，當電力系統(tǒng)中大量的新能源機組替代常規(guī)電源時，系統(tǒng)頻率調節(jié)能力將顯著下降。另一方面，目前的電化學儲能等技術只能解決電力系統(tǒng)的短期調節(jié)問題，且受成本等因素制約，月度調節(jié)和季度調節(jié)還存在很大障礙。
而氫能、CCUS等技術在一定時期內很難取得突破性進展實現(xiàn)大規(guī)模應用，當局部地區(qū)出現(xiàn)極端天氣狀況時，高比例、大規(guī)模新能源的電力系統(tǒng)將面臨長周期調節(jié)能力不足的挑戰(zhàn)。
二、新型電力系統(tǒng)的內涵、特征與關鍵技術展望
新型電力系統(tǒng)以新能源為主體，貫通清潔能源供需各個環(huán)節(jié)，有利于體現(xiàn)清潔電力的多重價值，促進經濟社會低碳轉型，是推動能源革命落地的創(chuàng)新實踐。
（一）新型電力系統(tǒng)的內涵
新能源成為主體能源只是新型電力系統(tǒng)的基本特征，它有著更深刻的內涵。
首先，新型電力系統(tǒng)是貫通清潔能源供給和需求的橋梁。構建新型電力系統(tǒng)的本質，是要滿足高占比新能源電網(wǎng)的運行需求，通過打通能源供需各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲高效互動。
其次，新型電力系統(tǒng)是釋放電能綠色價值的有效途徑。新型電力系統(tǒng)有利于清潔能源的優(yōu)化配置和調度，通過綠色電力能源中介，引導能源生產和消費產業(yè)鏈的綠色轉型，實現(xiàn)電能綠色價值順利傳導至終端用戶。
（二）新型電力系統(tǒng)的典型特征
新型電力系統(tǒng)的核心是新型，具有鮮明的特征：
數(shù)字技術賦能形成多網(wǎng)融合。物聯(lián)網(wǎng)時代的突出特征是機器社交，能源真正的終端用戶并不是個體的人，而是各類用能設備，能源網(wǎng)的終極形態(tài)一定是用能設備之間互聯(lián)互通和機器社交。未來能源網(wǎng)將以能源的分布式生產和利用為突出特征，在云大物鏈等數(shù)字化技術驅動下進化成自平衡、自運行、自處理的源網(wǎng)荷一體化智慧能源系統(tǒng)。
因此，能源不會單獨發(fā)展形成孤立的能源網(wǎng)，未來電力基礎設施將變成一個平臺，數(shù)字技術將深化能源網(wǎng)與政務網(wǎng)、社群網(wǎng)的融合互動，實現(xiàn)多網(wǎng)融合、共同發(fā)展。
用戶側將深度參與電力系統(tǒng)的平衡。受限于新能源的出力特性，靈活性資源將是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素，有效挖掘用戶側的靈活性、減少電力系統(tǒng)峰谷差、提高電源利用效率將成為經濟可行的重要措施。
源網(wǎng)荷儲互動將成為新型電力系統(tǒng)運行常態(tài)，可中斷負荷和虛擬電廠得到普及應用，電力負荷將實現(xiàn)由傳統(tǒng)的剛性、純消費型向柔性、生產與消費兼具型轉變。
配電網(wǎng)將成為電力發(fā)展的主導力量。構建新型電力系統(tǒng)的過程，實際上是一次配電網(wǎng)的革命。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通常骨干電網(wǎng)最為堅強，越到電網(wǎng)末端系統(tǒng)越脆弱。但是，新型電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)將承擔絕大部分系統(tǒng)平衡和安全穩(wěn)定的責任，絕大多數(shù)交易也將在配電網(wǎng)內完成。現(xiàn)有的配電網(wǎng)最終需要在物理層面實現(xiàn)重構，成為電力系統(tǒng)的主導力量。
電力交易將主導調度體系。未來，新型電力系統(tǒng)將以滿足用戶的交易需求為主，調度的主要目的是確保用最小的系統(tǒng)成本完成用戶交易行為的實施。用戶與發(fā)電企業(yè)的直接交易將成為絕大部分電量的銷售模式，靈活性資源也將隨著現(xiàn)貨市場機制的逐步完善成為核心交易內容，并且大部分交易將在配電網(wǎng)內完成，隔墻售電將成為主要交易方式。
（三）新型電力系統(tǒng)的關鍵技術展望
構建新型電力系統(tǒng)是一項系統(tǒng)而長遠的工程，離不開科技創(chuàng)新與技術突破。
一是源網(wǎng)荷儲雙向互動技術。通過數(shù)字化技術賦能，推動“源隨荷動”向“源荷互動”轉變，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲多方資源的智能友好、協(xié)同互動。
二是虛擬同步發(fā)電機技術。通過在新能源并網(wǎng)中加入儲能或運行在實時限功率狀態(tài)，并優(yōu)化控制方式為系統(tǒng)提供調頻、調壓、調峰和調相支撐，提升新能源并網(wǎng)友好性。
三是長周期儲能技術。長時儲能與大型風光項目的組合將大概率替代傳統(tǒng)化石能源，成為基礎負載發(fā)電廠，對零碳電力系統(tǒng)中后期建設產生深遠的影響。
四是虛擬電廠技術。源網(wǎng)荷儲一體化項目的推廣應用，以及分布式能源、微網(wǎng)、儲能的快速發(fā)展為虛擬電廠提供了豐富的資源，虛擬電廠將成為電力系統(tǒng)平衡的重要組成。
五是其他技術。新能源直流組網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交直流混聯(lián)配電網(wǎng)等技術的研發(fā)與突破，將有助于實現(xiàn)更高比例的新能源并網(wǎng)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障。
三、構建新型電力系統(tǒng)的思路與建議
落實碳達峰、碳中和目標，電力行業(yè)責任重大，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是時代賦予的責任和使命，需要電源、電網(wǎng)、用戶等產業(yè)鏈各方的共同努力，要以大力發(fā)展新能源為基礎，以增加系統(tǒng)靈活性資源為保障，推動分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展，構筑堅強電網(wǎng)，加強技術創(chuàng)新和推廣應用，實現(xiàn)發(fā)電、輸配和電力消費系統(tǒng)協(xié)同融合、共同發(fā)展，助力電力行業(yè)率先碳中和。
大力發(fā)展新能源。堅持集中式與分布式并舉，有序推進三北地區(qū)等資源富集區(qū)新能源開發(fā)以及中東部負荷地區(qū)分布式能源建設，加大新能源產業(yè)開發(fā)力度。
同時，推動新能源產業(yè)與傳統(tǒng)水電、環(huán)保、農業(yè)等融合發(fā)展，構建生態(tài)能源體系，推廣水風光互補、漁光農光互補、光伏治沙等新業(yè)態(tài)，探索多能互補、智慧協(xié)同的能源生態(tài)發(fā)展道路。
增強系統(tǒng)靈活性資源。鼓勵新能源項目配置一定規(guī)模的煤電、水電、儲能等調節(jié)性資源，通過“新能源+調節(jié)性電源”的模式提高新能源出力的穩(wěn)定性。
積極推動具備條件的火電項目進行靈活性改造，努力為系統(tǒng)提供經濟可行、規(guī)模較大的調節(jié)能力。以增加清潔能源消納、增強調頻調峰能力為目標，科學有序發(fā)展抽水蓄能、電化學儲能項目。加強可調節(jié)負荷、虛擬電廠等技術的研究和應用，實現(xiàn)源網(wǎng)荷一體化協(xié)同發(fā)展。
推動分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展。加強數(shù)字技術應用，通過配電資產的深度鏈接構建基于傳統(tǒng)電網(wǎng)物理架構的數(shù)字電網(wǎng)。支持分布式可再生能源+儲能系統(tǒng)建設，通過就近取材、就地消納，擺脫對大電網(wǎng)的依賴，形成多個獨立微網(wǎng)，各個微電網(wǎng)之間互相備用支撐，實現(xiàn)“綠能”身邊取。
研究顯示，當風電、光伏發(fā)電量占比超過30%至40%時，大電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率、電壓、功角穩(wěn)定極限及高昂的成本決定了其消納新能源的天花板。因此，分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的融合發(fā)展將成為未來電力系統(tǒng)的重要支撐。
加快技術創(chuàng)新和推廣應用。加強新能源功率預測、虛擬同步發(fā)電機、柔性直流輸電、分布式調相機等技術研發(fā)，充分挖掘工業(yè)大用戶、電動汽車等需求側響應資源，通過電源、電網(wǎng)以及用戶側技術創(chuàng)新提高新能源消納利用水平和保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。
同時，儲能、虛擬電廠和直流微網(wǎng)等技術具有削峰填谷、調頻調壓作用，是支撐新能源跨越式發(fā)展的重要技術手段，建議國家層面統(tǒng)籌謀劃，出臺相應的頂層設計文件，加強產業(yè)引導，加大技術攻關，積極推動相關技術標準的制定，助力行業(yè)科學、規(guī)范、有序發(fā)展。
（作者供職于國家電力投資集團有限公司。本文出自中國能源研究會“‘十四五’能源發(fā)展與大氣污染防治及應對氣候變化目標協(xié)同研究”項目。）
