新型电力系统面临的挑战及应对思考
郭剑波，王铁柱，罗魁，秦晓辉，荆逸然，赵兵，马士聪
（国家电网有限公司，中国电力科学研究院有限公司）
1.研究背景
为应对气候变化，落实《巴黎协定》，中国承诺2030年左右二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和。能源结构由高碳向低碳转型，是实现“双碳”目标的关键，而电力又是其主战场。电力系统将成为能源供应、消费以及传输转换的主要环节，需要支撑清洁能源的消纳、保障终端多种用能的需求，形成可支撑多种能源品种交叉转换的现代能源体系枢纽和平台。美国、英国、欧盟等发达国家/地区在政府主导下持续推动能源低碳转型和电力系统变革，丹麦2021年新能源发电量占比超过50%，德国和英国可再生能源发电量占比约40%。与此同时，近年来国外高比例新能源电力系统事故频发。因此，必须加快新型电力系统的研究和建设。本文从我国“双碳”目标下的能源和电力场景出发，分析我国新型电力系统所面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出应对措施和关键技术建议，并总结提炼新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。以期为能源电力行业从业人员提供有益参考。
2.本文亮点
构建新型电力系统是我国实现双碳目标和能源转型的重要途径。随着能源结构变革的深入推进，电力系统的结构和特性也将发生深刻变化，安全‒经济‒环境“矛盾三角形”是构建新型电力系统将面临的长期挑战。本文简要介绍了我国“双碳”目标下的能源和电力场景，系统分析了我国新型电力系统面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出了值得关注的关键技术，最后总结提炼了新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。
3.重点内容
1）能源电力发展场景
据预测，2030年我国终端电气化水平上升至39%，全社会用电量将达到11.8万亿kW·h，电源装机总量将达到40亿kW，风光发电装机超过煤电成为第一大电源，但煤电仍然是电力电量供应主体。电力行业将承接其他行业转移的碳排放，碳减排任务和压力更大。
2060年我国一次能源消费中非化石能源占比将达到80%以上；非化石能源发电量占90%以上；电能占终端能源消费比例将超过70%。全社会用电量达到约15.7万亿kW·h，电源装机将超过67亿kW；风光装机占比超过60%，发电量占比超过50%，成为电量供应主体，但在电力平衡中占比仍然较低；化石能源电量占比小于7%，考虑碳捕获、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技术，电力行业实现净零排放。
（a）我国一次能源结构演变过程
（b）我国终端能源结构演变过程
图1 我国2020—2060年能源场景
2）新型电力系统面临的挑战
新能源发电出力具有随机性、波动性，电力电量时空分布极度不均衡，丰饶和短缺交织，带来充裕性挑战；新能源发电大规模替代常规机组，新能源的弱支撑性导致电网“空心化”加剧，故障造成打击强度增加，新能源调节和耐受能力相对于同步机又不足，带来安全性挑战；新能源发电成本下降，但系统匹配的调节和安全成本大幅增加，新能源高电量场景需要多行业、多系统协调实现，需要政策机制的引导和保障，带来经济性和体制机制挑战。安全‒经济‒环境“矛盾三角形”将长期存在，也是新型电力系统面临的长期挑战。
a. 充裕性挑战
新能源各时间尺度波动需要系统匹配相应时间尺度的灵活调节能力，还需要电力系统、能源系统甚至社会系统(用电行为、需求侧响应等)协同。我国中东部风、光资源技术可开发量远不能满足当地负荷用电需求，能源电力空间平衡的需求和挑战大，需解决能源经济社会统筹、输电走廊规划、系统安全保障等问题。
图2 新能源出力占系统总负荷比例的最小值、平均值和最大值
b. 安全性挑战
系统惯量降低、调频能力下降，频率越限风险增加，低压并网，电压支撑和调节能力弱，功角稳定特性复杂，不确定性增加，宽频带振荡等问题出现。
图3 某区域电网故障后频率曲线对比
c. 经济性和体制机制挑战
新能源发电边际成本低、系统成本高，发电开发门槛低、建设快，利益主体庞杂交织，多目标协同难度大。
3）应对措施及关键技术
安全‒经济‒环境“矛盾三角形”是新型电力系统面临的长期挑战，需要通过科技创新、政策改进等措施不断缓解三者矛盾，使其在新平衡态下支撑能源转型和“双碳”目标的实现，支撑国民经济健康发展。应对思路如图4所示，下面推荐若干关键技术供参考。
图4 应对措施和关键技术
a. 灵活能力建设
通过对源‒网‒荷侧进行改造提升和协调优化、增加储能资源、发挥互联电网对新能源出力的尺度平滑作用等措施，可以提高电力系统的供电保障和新能源消纳能力。
b. 电网技术研发与创新
系统性认知新型电力系统的安全稳定机理，加强电力系统规划的权威性和强制性，加快新能源并网/组网技术的创新研究与应用，建立在快速感知、智能决策和“三道防线”等基础上的运行控制。
c. 综合提升技术
虚拟电厂：通过先进通信技术和控制架构，实现分散的各种能源设备的聚合和协调优化。
电力气象：气象条件是高比例新能源电力系统最关键的外部影响因素，近年来极端天气下的停电事故呈上升趋势。
CCUS技术：在双碳目标下，化石能源发电、钢铁等领域需要配合CCUS技术进行深度脱碳，实现近零排放。据多方预测，2060年我国碳捕集量为6~12亿t/年。
数字孪生与人工智能：提升对物理系统的认知、诊断、预测、决策和管理能力，应对系统的复杂性和不确定性，提升智能化水平。
d. 政策和市场机制
完善电价市场机制，加强辅助服务市场建设，以市场化手段推动系统综合成本的合理传导；建设碳市场、绿证市场，通过市场化的方式解决环境问题；界定和协调电力的安全属性与商品属性。
4）新型电力系统变革
“双碳”目标背景下，新型电力系统在本质特征上有显著的变化。新的特征带来了系统要素变化、要素关联关系的变化，需要进一步加强系统观、全局观，从系统层面重新审视、认知电力系统，厘清新的矛盾主体和矛盾演化规律，以适应新型电力系统发展与建设的需求。
新的功能定位：国民经济和人民生活中社会责任提升、全局性和基础性作用增强、安全性特征凸显，给政府政策法规制定和监管、电力企业运营带来了挑战。
新的供需特性：新能源电力具有强不确定性和低保障性，“极热无风、晚峰无光”以及负荷与新能源出力共同受极端天气影响的负相关性等特征明显，供需呈现新的特性，时空平衡难度增大。
新的产业基础：新型电力系统建立在新型产业链基础上，物质基础、技术体系和瓶颈环节将发生变化。关键矿物原料等产业链的供应安全成为能源资源供应安全新的组成部分。
图5 部分能源技术的矿物单位需求量
新的结构形态：电源结构、电网形态、负荷形态均发生变化，新的结构形态决定了新型电力系统是以电力为平台、电网为枢纽核心的多能源、多层级综合能源系统，需要对系统进行结构化和规则化处理，合理选择能源利用方式。
新的市场机制：现有以电量竞争为主的市场机制功能不完善，与多层级多种类市场体系的功能需求不匹配，需要调动协调市场参与主体共同参与辅助服务等多层级市场。
新的政策法规：比如规划的法律地位和责任关系、电力监管的重点和方式、电力商品和安全属性的统筹、供电营业区与微电网/产销者的关系、电力可获得的公平属性等等。
4.结论
电力是能源革命主战场，新型电力系统是现代能源体系的枢纽和平台。新型电力系统的发展构建过程将长期面临安全‒经济‒环境矛盾叠加、“保供应、保安全、促消纳”问题交织的挑战。需要充分认识和掌握新型电力系统演进的客观规律和各阶段主要矛盾，坚持先立后破，有计划分步骤实施行动。
