構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的思考和建議
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)，是黨中央基于保障國家能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)施作出的重大決策部署，為新時(shí)期能源行業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要戰(zhàn)略指引，有利于加快我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系步伐，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會綠色轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。
（作者：李鵬）
一、新形勢下新能源發(fā)展的歷史機(jī)遇以及電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
當(dāng)前，我國正處于工業(yè)化后期，經(jīng)濟(jì)對能源的依賴程度高，而我國能源消費(fèi)以化石能源為主，2020年化石能源占一次能源比重達(dá)84%。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國能源結(jié)構(gòu)將加速調(diào)整，清潔低碳發(fā)展特征愈加突出。
（一）碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)推動(dòng)新能源向“主體能源”轉(zhuǎn)變
隨著經(jīng)濟(jì)社會的轉(zhuǎn)型發(fā)展和能源利用效率的不斷提升，能源消費(fèi)總量將會在碳排放量達(dá)到峰值后逐步下降，但電能消費(fèi)總量一直呈上升趨勢，預(yù)計(jì)將從2020年的7.5萬億千瓦時(shí)增長至2060年的15—18萬億千瓦時(shí)。
新能源將迎來跨越式發(fā)展的歷史機(jī)遇，成為電能增量的主力軍，實(shí)現(xiàn)從“補(bǔ)充能源”向“主體能源”的轉(zhuǎn)變。預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模超16億千瓦，裝機(jī)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(shí)，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(shè)逐步放緩，新能源發(fā)展將進(jìn)一步提速。預(yù)計(jì)到2060年，風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模超50億千瓦，裝機(jī)占比超80%，新能源發(fā)電量超9.6萬億千瓦時(shí)，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(jī)波動(dòng)性強(qiáng)。以電動(dòng)汽車為代表的新型負(fù)荷尖峰化特征明顯，最大負(fù)荷與平均負(fù)荷之比持續(xù)提升。發(fā)電側(cè)隨機(jī)性和負(fù)荷側(cè)峰谷差加大將對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)造成較大的沖擊，要實(shí)現(xiàn)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)愿景目標(biāo)，我們還需要應(yīng)對以下問題：
一是電力系統(tǒng)的可靠容量不足。風(fēng)電、光伏因其自身出力特性，可靠性偏低。經(jīng)研究，到2030年，在全國范圍內(nèi)相對均勻分布的情況下，新能源裝機(jī)超10億千瓦，每年將有30天以上出力低于裝機(jī)容量的10%，置信容量僅為1億千瓦。
假設(shè)峰值負(fù)荷約18億千瓦，水電裝機(jī)5億千瓦，可靠容量約3.5億千瓦，核電裝機(jī)3億千瓦，可靠容量約3億千瓦，風(fēng)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(fù)荷及電動(dòng)汽車等可調(diào)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(fù)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(fù)荷區(qū)的重要途徑。但隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，各地區(qū)用電量需求與日俱增，預(yù)計(jì)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(dá)到3萬億千瓦時(shí)，未來可能會達(dá)到5萬億千瓦時(shí)。
如果絕大部分從三北地區(qū)遠(yuǎn)距離輸送，按照80%的比例測算，送電規(guī)模將達(dá)到4萬億千瓦時(shí)，這就需要建設(shè)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(yùn)行，無疑這將難以實(shí)現(xiàn)。
三是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及長周期調(diào)節(jié)能力不足。光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑹o轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也嚴(yán)重不足，因此，當(dāng)電力系統(tǒng)中大量的新能源機(jī)組替代常規(guī)電源時(shí)，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力將顯著下降。另一方面，目前的電化學(xué)儲能等技術(shù)只能解決電力系統(tǒng)的短期調(diào)節(jié)問題，且受成本等因素制約，月度調(diào)節(jié)和季度調(diào)節(jié)還存在很大障礙。
而氫能、CCUS等技術(shù)在一定時(shí)期內(nèi)很難取得突破性進(jìn)展實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)局部地區(qū)出現(xiàn)極端天氣狀況時(shí)，高比例、大規(guī)模新能源的電力系統(tǒng)將面臨長周期調(diào)節(jié)能力不足的挑戰(zhàn)。
二、新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、特征與關(guān)鍵技術(shù)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(gè)環(huán)節(jié)，有利于體現(xiàn)清潔電力的多重價(jià)值，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會低碳轉(zhuǎn)型，是推動(dòng)能源革命落地的創(chuàng)新實(shí)踐。
（一）新型電力系統(tǒng)的內(nèi)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(nèi)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(gòu)建新型電力系統(tǒng)的本質(zhì)，是要滿足高占比新能源電網(wǎng)的運(yùn)行需求，通過打通能源供需各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲高效互動(dòng)。
其次，新型電力系統(tǒng)是釋放電能綠色價(jià)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(diào)度，通過綠色電力能源中介，引導(dǎo)能源生產(chǎn)和消費(fèi)產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)電能綠色價(jià)值順利傳導(dǎo)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(shù)賦能形成多網(wǎng)融合。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的突出特征是機(jī)器社交，能源真正的終端用戶并不是個(gè)體的人，而是各類用能設(shè)備，能源網(wǎng)的終極形態(tài)一定是用能設(shè)備之間互聯(lián)互通和機(jī)器社交。未來能源網(wǎng)將以能源的分布式生產(chǎn)和利用為突出特征，在云大物鏈等數(shù)字化技術(shù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)化成自平衡、自運(yùn)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(dú)發(fā)展形成孤立的能源網(wǎng)，未來電力基礎(chǔ)設(shè)施將變成一個(gè)平臺，數(shù)字技術(shù)將深化能源網(wǎng)與政務(wù)網(wǎng)、社群網(wǎng)的融合互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合、共同發(fā)展。
用戶側(cè)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(yùn)行的重要因素，有效挖掘用戶側(cè)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(jīng)濟(jì)可行的重要措施。
源網(wǎng)荷儲互動(dòng)將成為新型電力系統(tǒng)運(yùn)行常態(tài)，可中斷負(fù)荷和虛擬電廠得到普及應(yīng)用，電力負(fù)荷將實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的剛性、純消費(fèi)型向柔性、生產(chǎn)與消費(fèi)兼具型轉(zhuǎn)變。
配電網(wǎng)將成為電力發(fā)展的主導(dǎo)力量。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的過程，實(shí)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(jiān)強(qiáng)，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(dān)絕大部分系統(tǒng)平衡和安全穩(wěn)定的責(zé)任，絕大多數(shù)交易也將在配電網(wǎng)內(nèi)完成。現(xiàn)有的配電網(wǎng)最終需要在物理層面實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，成為電力系統(tǒng)的主導(dǎo)力量。
電力交易將主導(dǎo)調(diào)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(diào)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(shí)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(jī)制的逐步完善成為核心交易內(nèi)容，并且大部分交易將在配電網(wǎng)內(nèi)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(guān)鍵技術(shù)展望
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是一項(xiàng)系統(tǒng)而長遠(yuǎn)的工程，離不開科技創(chuàng)新與技術(shù)突破。
一是源網(wǎng)荷儲雙向互動(dòng)技術(shù)。通過數(shù)字化技術(shù)賦能，推動(dòng)“源隨荷動(dòng)”向“源荷互動(dòng)”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲多方資源的智能友好、協(xié)同互動(dòng)。
二是虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。通過在新能源并網(wǎng)中加入儲能或運(yùn)行在實(shí)時(shí)限功率狀態(tài)，并優(yōu)化控制方式為系統(tǒng)提供調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)峰和調(diào)相支撐，提升新能源并網(wǎng)友好性。
三是長周期儲能技術(shù)。長時(shí)儲能與大型風(fēng)光項(xiàng)目的組合將大概率替代傳統(tǒng)化石能源，成為基礎(chǔ)負(fù)載發(fā)電廠，對零碳電力系統(tǒng)中后期建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
四是虛擬電廠技術(shù)。源網(wǎng)荷儲一體化項(xiàng)目的推廣應(yīng)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(shù)。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(shù)的研發(fā)與突破，將有助于實(shí)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(yùn)行提供保障。
三、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的思路與建議
落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，電力行業(yè)責(zé)任重大，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是時(shí)代賦予的責(zé)任和使命，需要電源、電網(wǎng)、用戶等產(chǎn)業(yè)鏈各方的共同努力，要以大力發(fā)展新能源為基礎(chǔ)，以增加系統(tǒng)靈活性資源為保障，推動(dòng)分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展，構(gòu)筑堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸配和電力消費(fèi)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(jiān)持集中式與分布式并舉，有序推進(jìn)三北地區(qū)等資源富集區(qū)新能源開發(fā)以及中東部負(fù)荷地區(qū)分布式能源建設(shè)，加大新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)力度。
同時(shí)，推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)水電、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等融合發(fā)展，構(gòu)建生態(tài)能源體系，推廣水風(fēng)光互補(bǔ)、漁光農(nóng)光互補(bǔ)、光伏治沙等新業(yè)態(tài)，探索多能互補(bǔ)、智慧協(xié)同的能源生態(tài)發(fā)展道路。
增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性資源。鼓勵(lì)新能源項(xiàng)目配置一定規(guī)模的煤電、水電、儲能等調(diào)節(jié)性資源，通過“新能源+調(diào)節(jié)性電源”的模式提高新能源出力的穩(wěn)定性。
積極推動(dòng)具備條件的火電項(xiàng)目進(jìn)行靈活性改造，努力為系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)可行、規(guī)模較大的調(diào)節(jié)能力。以增加清潔能源消納、增強(qiáng)調(diào)頻調(diào)峰能力為目標(biāo)，科學(xué)有序發(fā)展抽水蓄能、電化學(xué)儲能項(xiàng)目。加強(qiáng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷、虛擬電廠等技術(shù)的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷一體化協(xié)同發(fā)展。
推動(dòng)分布式、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)融合發(fā)展。加強(qiáng)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，通過配電資產(chǎn)的深度鏈接構(gòu)建基于傳統(tǒng)電網(wǎng)物理架構(gòu)的數(shù)字電網(wǎng)。支持分布式可再生能源+儲能系統(tǒng)建設(shè)，通過就近取材、就地消納，擺脫對大電網(wǎng)的依賴，形成多個(gè)獨(dú)立微網(wǎng)，各個(gè)微電網(wǎng)之間互相備用支撐，實(shí)現(xiàn)“綠能”身邊取。
研究顯示，當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電量占比超過30%至40%時(shí)，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(shù)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用。加強(qiáng)新能源功率預(yù)測、虛擬同步發(fā)電機(jī)、柔性直流輸電、分布式調(diào)相機(jī)等技術(shù)研發(fā)，充分挖掘工業(yè)大用戶、電動(dòng)汽車等需求側(cè)響應(yīng)資源，通過電源、電網(wǎng)以及用戶側(cè)技術(shù)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(shí)，儲能、虛擬電廠和直流微網(wǎng)等技術(shù)具有削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓作用，是支撐新能源跨越式發(fā)展的重要技術(shù)手段，建議國家層面統(tǒng)籌謀劃，出臺相應(yīng)的頂層設(shè)計(jì)文件，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)，加大技術(shù)攻關(guān)，積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，助力行業(yè)科學(xué)、規(guī)范、有序發(fā)展。
（作者供職于國家電力投資集團(tuán)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(yīng)對氣候變化目標(biāo)協(xié)同研究”項(xiàng)目。）
