新型电力系统构建的若干基本问题
舒印彪1，张正陵2，汤涌2，张风营2，仲悟之2，施浩波2，杨霖2，孔明2，顾卓远1
(1. 国家电网有限公司，北京市 西城区 100031
2. 北京怀柔实验室，北京市 怀柔区 101400)
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.242396
新型电力系统的构建是一项复杂的系统性工程。一方面，未来电源、电网、负荷和储能形态都将发生深度变革。新型电力系统发展路径受技术发展、政策支持等因素影响，存在较大的不确定性，加之电力行业技术资金密集，存在高度的路径依赖，技术路线试错成本极高，必须在满足低碳、安全、经济的基础上，科学制定新型电力系统顶层设计方案。另一方面，新型电力系统在平衡理论、安全稳定特性、成本优化和疏导机制等方面将发生深刻变化，新型电力系统构建需要回答一系列科学问题和经济学问题，为构建新型电力系统提供理论基础。本文首先刻画了新型电力系统电源、电网、负荷与储能形态的重大变化；在此基础上，从平衡理论、稳定机理、成本优化与疏导等方面提出新型电力系统构建的科学问题与经济学问题；最后，提出了支撑新型电力系统构建的关键技术方向。
电力系统是世界上最复杂的人造系统，根据不同时代经济发展的需求和技术进步的程度分阶段发展。“双碳”目标对电力系统发展增加了碳排放约束，对电源、电网、负荷产生巨大影响，不同路径下系统的物理结构、安全水平及成本差别显著，亟需解决新型电力系统的发展形态问题。
电源形态：在供电安全和清洁低碳的约束下，新型电力系统电源形态受技术发展和成本优化的影响，如图1所示。在化石能源发电向低碳清洁能源发电过渡的过程中，电源形态的核心技术主要是能源清洁高效发电技术：化石能源发电技术以煤电与碳捕集、利用与封存联合(CCUS)技术为主，非化石能源发电技术以新能源与长时储能联合技术为主。
图1 电源不同技术形态与发展路径
电网形态：我国资源与负荷需求呈逆向分布，以“西电东送”大规模跨区输电为主要特征的输电网形态将在较长时期内存在。在送端，能源开发呈现新能源基地化、布局连片化、出力同质化、通道集群化，连锁故障引发大电网事故风险增加，由此带来主网架结构、大基地接网方式、直流输电技术等一系列需要深入研究的问题。在受端，随着特高压直流的大规模馈入，以及分布式电源和海上风电的发展，受端电网呈现“电力电子化”、电源“空心化”特征，电压、频率稳定等安全风险凸显。
传统配电网将向新型配电网加速演进，在配电网规划和运行方面产生重大变革。在规划方面，以分层分区平衡理念优化资源配置，既规范分布式电源有序接入，又统筹主配微协同发展，如图2所示。在运行方面，强化平衡单元的柔性互联和集群自洽，推动分布式资源动态聚合与协同优化，实现配电网对大电网的主动支撑。
图2 新型配电网分层分区平衡示意图
负荷形态：在中国式现代化发展和“双碳”目标驱动下，未来能源消费高度电气化，我国电力需求仍将保持刚性增长。随着传统产业加速转型升级，新质生产力加快形成，城镇化率持续提升并趋于稳定，钢铁、水泥等高耗能产品需求减少，高技术及装备制造业、信息技术产业、现代服务业等将成为电力消费增长的主要动力。多重因素影响下，电力系统负荷特性呈现尖峰化、季节性波动和强不确定性等显著特征，将严重影响电力系统经济性和运行效率，在需求侧也要积极探索负荷柔性化技术。
储能形态：随着储能大规模发展，电力系统构成要素将由“源网荷”向“源网荷储”转变，储能从系统运行的辅助角色逐步成为新型电力系统构建的重要组成部分。现有储能类型都可在系统短周期日内平衡中发挥作用，但无法用于解决连续多日无风无光新能源低出力情况下的电力电量平衡问题，要么经济代价极大。以太阳能、风能为电源主体时，面向周平衡、月平衡的长时储能不可或缺。未来随着各种储能技术的不断发展，需要取长补短、互为补充，构建总量充裕、结构合理、成本最优的储能体系。
科学问题1：如何解决高比例新能源随机、波动与间歇性带来的电力电量平衡问题。
新能源出力受天气影响显著，不仅在日内具有显著的随机性和波动性，而且随着季节变化呈现不同时长的间歇性，改变了传统电力系统平衡机制，从可控的电源跟踪变化的用电负荷单向平衡模式，转变为源荷双随机、源网荷储多主体互动的复杂平衡模式。为实现对新型电力系统电力电量平衡的精准刻画与评估，需要掌握气候气象与新能源出力的时空耦合机理，研究新型电力电量平衡理论与方法，如图3所示。
图3 电力电量平衡理论研究架构
科学问题2：如何实现复杂特性新型电力系统在多时间尺度下的安全稳定运行。
在新能源大规模发展的情况下，源侧、输电侧、负荷侧将出现大量电力电子设备，主导系统运行特性的物理基础发生根本变化。一方面，电力电子设备通过控制向电网交换的功率改变了传统电力系统根据阻抗自然分布的特性，同时对电网参数的调节也改变了系统的稳定工作点；另一方面，电力电子设备与传统设备完全不同的动态响应特性会重塑系统整体的动态行为，引发机-电-磁-控强耦合的新型稳定特性。“双高”电力系统的稳定机理从依赖旋转机械的物理特性，逐步转变为依赖于电力电子设备的复杂控制特性，新型电力系统的频率、电压等传统与新型稳定问题愈发突出。
实现“碳达峰”“碳中和”，不仅是自然科学和工程技术问题，同时也是重大的经济学问题，包含三个方面：
一是“双碳”目标下构建新型电力系统的均衡理论视角。新型电力系统将给社会及产业提供了两种生产要素“电”和“绿”，新型电力系统与经济发展、产业结构的耦合联动更加凸显、关系更为复杂，需要解决多目标、多约束、多变量，复杂巨系统的协同优化问题。
二是如何在满足安全和绿色约束下寻找最低成本转型路径。构建新型电力系统是资源-技术-经济耦合的复杂系统性工程，构建成本很大程度上取决于各种技术经济比较和竞争，这其中科技创新和技术路径选择是核心。
三是如何疏导新型电力系统构建成本。构建新型电力系统不仅是电力行业的任务，也是各行各业和公众的共同责任。其巨大的构建成本电力行业无法单独承受，需要全社会分担。
为解决新型电力系统构建过程中面临的基本问题，需要加快源网荷储各环节核心技术突破。本文提出对新型电力系统构建有重大影响的关键技术，并展望其未来发展方向。
碳捕集、利用与封存技术：CCUS技术可有效降低煤电的碳排放水平，使得系统在满足碳排放约束的情况下，提高煤电的发电量上限。因此，CCUS是影响新型电力系统中煤电装机规模的关键技术，甚至决定新型电力系统的构建路径。CCUS技术的进一步发展，需要突破一些关键技术问题：碳捕集技术需要进一步提高捕集效率，降低系统整体能耗和捕集成本；碳封存技术需要解决“注不进、封不住”的问题。
长时储能技术：长时储能技术能有效解决新能源长时低出力情形下的系统平衡问题，是通过发展大规模新能源来构建新型电力系统这一技术路线的关键。目前，尚未有一种储能时长能够满足要求的长时储能技术出现。面向周平衡、月平衡的大规模长时储能技术需要具备能量损失小、使用寿命长、资源环境限制小、成本低等特征。
大电网安全防御技术：大电网安全是新型电力系统构建的重要基础。传统电网安全防御技术基于机电暂态稳定理论，建立了“三道防线”。在未来“双高”背景下，需要重新认识新型电力系统安全运行机理，发展适应高比例“电力电子化”的电网安全控制技术，拓展传统三道防线的内涵，构建“主动预防+被动防御”双维度三道防线，如图4所示。
图4 大电网安全防御体系示意图
再电气化技术：目前，我国能源消费侧碳排放主要集中在工业、建筑、交通领域，未来需重点提升以上三个领域的再电气化技术水平。在工业领域，加快钢铁、有色、建材、化工等高耗能产业电气化进程；在建筑领域，积极推进建筑用能电气化和建筑光伏一体化；在交通领域，加快实现“以电代油”，促进电动汽车、电气化铁路、轨道交通、港口岸电、电动船舶等发展。
碳排放核算与分摊机制：源网荷储各环节碳排放的准确计量与责任分摊，是影响新型电力系统减碳降碳的重要因素。在碳排放核算技术方面，要建立包括碳计量、核算、标准、认证等多个方面的碳足迹管理体系，建立与国际接轨的碳排放标准认证体系。在碳排放分摊机制方面，做到实时分配源网荷储各主体之间的碳排放权责，在碳市场机制下建立面向新型电力系统的多时空碳排放责任分摊与约束体系。
实现“双碳”目标，新型电力系统建设至关重要，亟需超前谋划，做好顶层设计。本文首先从电源、电网、负荷与储能4方面分析了新型电力系统构建的形态问题；在此基础上，提出了2个科学问题和1个经济学问题；最后，提出了CCUS、长时储能、大电网安全防御、再电气化、碳排放核算与分摊机制等关键技术的发展方向。希望本文能为我国新型电力系统的深入研究与示范实践提供参考与借鉴。
引文信息
舒印彪，张正陵，汤涌，等．新型电力系统构建的若干基本问题[J]．中国电机工程学报．2024，44(21)：8327-8340.
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责编：邱丽萍
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