郭劍波院士：電力系統必須尋找新的平衡模式

　　近年來，國內外能源電力供給安全均受到了嚴峻考驗。2021年2月，美國得克薩斯州極端寒潮天氣導致新能源出力不足，全州電力負荷大增，電價飆升至每千瓦時9美元，一戶居民一個月電費達到1萬美元。2016年9月、2019年8月澳大利亞和英國分別發生因新能源支撐能力不足、惡劣天氣導致的大停電事故。而我國東北、四川等地也陸續出現了由一次能源引起的電力短缺事件。

　　經濟社會的發展使人類對電力供應的需求持續增加。尤其是在清潔低碳目標的前提下，“保供應、保安全、促消納”矛盾交織，如何穩定安全地提供充足電力，成為電力系統需要積極應對的挑戰。

　　隨著新能源利用技術、智能電網技術、儲能技術等多個領域的創新技術實現應用，電力系統正在推進的演化和變革，有望“一石三鳥”地滿足經濟、生態、用電安全三方面的共同要求。

　　中國工程院院士、國家電網有限公司一級顧問郭劍波認為，“清潔低碳、安全充裕、經濟高效、供需協同、靈活智能”的新型電力系統是未來的演進發展方向。那么，新型電力系統離我們還有多遠?如何構建新型電力系統?目前還存在哪些難點?近日，科技日報記者就上述問題專訪了郭劍波。

　　新能源發電對電力系統安全穩定有何影響

　　記者：“雙碳”目標下，提升新能源發電比例被視為增加發電量的最優解。您如何看待這一觀點?

　　郭劍波：從實現綠色低碳的角度出發，增加新能源的發電比例是解決人類能源問題的最佳方案之一。風、光等可再生能源近年來發展迅速。將風、光等可再生能源進行電力轉化，在成本、效率方面逐漸可以滿足大規模應用的要求，最近10年我國陸上風電成本下降了60%、光伏成本下降了80%左右。

　　從能源供應的安全角度看，大力發展新能源也將為我國能源的可持續發展開辟新的支撐路徑。增加新能源發電供給有望進一步優化能源結構、提高能源自給率，保障能源安全。

　　但是，在認可新能源發電優勢的同時，也要考量其對電力系統安全穩定的影響。當前我國電力系統有著較高的安全穩定水平，30多年未發生大面積停電事故，保持著特大規模電網安全運行的世界紀錄。這樣的成績，與傳統電力系統經過100多年構建所形成的設備、系統、技術、政策、法規等各方面的“自洽”密切相關。

　　隨著新能源發電比例的逐漸增加，新能源發電波動性、弱支撐性等特點所帶來的安全穩定問題逐步凸顯。傳統電力系統的“自洽”必須尋找新的平衡模式，逐步演進為新的“自洽”，進而保持我國電力系統一以貫之的、高水平的安全穩定。

　　記者：風光發電波動性、弱支撐性對電力系統的影響大嗎?為什么?

　　郭劍波：新能源有波動性、隨機性，通俗理解就是“不可靠”，風、光發電不能滿足“一插就有電”的供電需求。更具體地說，電具有商品屬性，用戶購買電，對電的供應有質量標準的要求，即連續可靠，電壓、頻率、波形要滿足標準要求，否則就是不合格的商品。“不合格的電”會帶來如燒毀電器、高精密儀器無法正常運行等問題，甚至造成巨大的生產損失。

　　此外，在極端惡劣天氣情況下。國內外均有停電事故或電力供應不足事故發生。我國近60年的氣象數據表明，極端天氣發生頻率呈上升趨勢，在長周期范圍內，極端天氣用電負荷與新能源發電出力也呈反調節特性，即“極熱無風，晚峰無光”的特性，這無疑增加了新能源電力供電安全風險。

　　從電的商品角度出發，我們會發現，新能源發電在電的經濟和環境成本方面貢獻很大，但在電的安全質量方面貢獻相對較小，這與新能源的特性密切相關。比如，為了滿足用電需求，傳統電廠都有備用機制，達到“即便用戶多要電我也有”的效果，以防止運行預測不準確。煤電廠留備用的任務已經制度化，包括備好發電用燃煤、相應機組等一系列方案。而風電光伏要形成備用機制，經濟性較差。其能源基礎是難以儲留的太陽能、風能，目前無法形成制度化的備用方案和穩定的備用供給。

　　提高新能源發電比例需多方協調配合

　　記者：我國中東部風、光資源技術可開發量總計20億千瓦以上，遠不能滿足當地用電負荷需求，仍需依賴我國西北地區、東北地區的跨區輸送電量。電力空間平衡的需求帶來哪些挑戰?

　　郭劍波：從能源分布角度看，“胡煥庸線”以東屬經濟發達地區，“胡煥庸線”以西是資源富集地區，存在著能源逆向分布的情況。隨著新能源發電量的增加，新能源發電的大容量遠距離外送面臨的問題更多、挑戰更大。

　　目前對于超過1000公里的大容量遠距離輸電來說，最經濟的方式是直流輸送。但直流輸送的整流和逆變過程(交流電與直流電的變換過程)，需要強電源的支撐。而新能源發電則是以電力電子換流器并入電網，這種方式承受過電流能力低，通過這種方式產生的是“弱電源”。打個比方，直流輸電的整流和逆變過程需要電源的支撐，傳統技術中，電源的支撐能力可能如同3頭牛、5頭牛扛著這項工作，因此在系統有波動時，電源也能扛得住。而新能源并網時接入的換流器如同眾多“小螞蟻”，其匯集而成的力量也要承擔運送“糧草”(電力)的任務，但承受系統故障沖擊的能力低，這就導致大容量遠距離外送的系統安全性面臨挑戰。

　　記者：增加新能源發電比例還有哪些工作要做?需要哪些方面的協調和配合?

　　郭劍波：隨著新能源發電比例的增加，電力行業已經開始關注新能源發電入網對電力安全貢獻薄弱的問題。

　　例如，技術方面存在的一個瓶頸是，新能源大規模并網帶來的寬頻振蕩問題在不同國家和地區相繼發生，其振蕩頻率覆蓋范圍廣，從數十赫茲到數百赫茲乃至上千赫茲，機理復雜。針對上述問題，學界和產業界均開展了相關研究。如在振蕩的抑制方面，可以通過建立千萬千瓦級新能源發電集群全電磁暫態仿真平臺，利用仿真重現的手段，幫助預防和解決振蕩事故;在新能源機組發電的安全穩定性方面，主動建立并支撐電網頻率和電壓的構網型技術也得到了積極的發展。

　　持續提升新型電力系統的穩定性不完全是個技術問題，還與體系有關。以新型電力系統解決供需矛盾，不可能一蹴而就。比方說，過去的面粉種類有“75粉”“85粉”，同樣是100斤麥子，有的能打出75斤面粉，有的能打出85斤面粉，兩種面粉的價格肯定是不一樣的。因為前一種除去了10斤“麩糠”，進行了質量升級的工作。現在的新能源發電由于本身特點，將使得電力系統低慣量、低阻尼、弱電壓支撐等特點凸顯，就好像摻雜了“麩糠”的面粉，但在并網時電力安全和質量成本未能體現在相關的核算中。隨著產消者的出現，需適當修訂現行的《電力法》，使其適應新型電力系統，也就是說要實現責權利對等。我們在鼓勵新商業模式和商業形態興起的同時，也應該賦予其同等的責任。

　　構建新型電力系統關鍵是形成新的“自恰”

　　記者：構建新型電力系統最大的挑戰是什么?目前有哪些應對舉措?

　　郭劍波：為解決新能源電力系統存在的問題，當前也涌現出不少技術和方案，比如，通過儲能技術提高新能源發電的利用率。但當前這些技術和方案仍未能同時較好地解決安全保供、治理環境、提升經濟效益三方面的問題。新能源出力具有隨機性、波動性，電力電量時空分布極度不均衡，帶來充裕性挑戰;新能源的弱支撐性導致故障對電網造成的打擊強度增加，帶來安全性挑戰;新能源發電成本下降，但系統匹配的調節和安全成本大幅增加，需要政策機制的引導和保障，帶來經濟性和體制機制挑戰。安全—經濟—環境“矛盾三角形”將長期存在。如何在可接受范圍內給出可以普及的、最優的問題解決方案，是新能源電力系統面臨的難題。

　　從新型電力系統的構建來看，最大挑戰是如何形成新的“自洽”。我們應該意識到，構建新型電力系統的根基是安全保供，它的起點和演進過程均需要依靠傳統電力系統。新型電力系統不是通過推翻傳統系統重新建立起來的。新型電力系統是在能源電力系統基礎上持續演進的過程，應該客觀、科學地認識新能源發電的弱點，通過開發安全穩定、成本可及、可持續發展的技術彌補這些問題，逐步形成新系統的“自洽性”。

　　記者：如何理解新型電力系統的演進方向?如何構建各參與主體、各關鍵要素協同發展的生態?

　　郭劍波：環境問題、能源危機和新能源成本下降必將加速新能源的發展，而新能源比例的增加將使得新型電力系統面臨的安全、經濟、體制機制等挑戰來得更快、更猛烈、更復雜。因此，必須加快科技創新和推廣應用，加強社會—能源—電力系統的協同，不斷完善政策法規。

　　政策應進一步鼓勵智慧技術的應用。新型電力系統是一個物理信息社會系統，電力系統的運行與社會行為、信息交互的關系將會更加緊密。以電動車為例，新型電力系統通過交互和調度，能夠實現在太陽光充足時，讓電動車多充些電、消耗負荷，在沒太陽的時候則讓電動車給電網供些電。這樣的交互也可以發展到溫感負荷的使用中，讓每個電力的使用者都能為電力系統穩定貢獻“平衡力”。

　　政策還將平衡新能源開發利用的著力點。當前，新能源開發受到行業產業的高度重視，但新能源真正發揮效果是在應用中。發電后如何滿足不同用電場景、如何更便于行業企業的應用?在這些方面，技術創新開發仍舊不足。

　　可見，新型電力系統的形成，離不開包括政策法規作為“指揮棒”的方向引導作用。

　　記者：黨的二十大報告指出，加快規劃建設新型能源體系。如何正確理解新型電力系統與新型能源體系的關系?

　　郭劍波：首先，從量的關系上來說，據預估，到2060年能源消費側的電力消費占比將是所有能源消費的50%以上，甚至可能達到70%，新型電力系統將逐步從新型能源體系的重要部分變成主要部分。其次，從相互之間的作用關系來看，能源低碳靠電力、電力安全靠能源。新型電力系統是源網荷儲協同的系統。在新型電力系統演進過程中，需要迎接多能源利用、多行業發展對電力系統提出的挑戰，還要兼顧解決世界能源理事會提出的能源“三難指數”(即能源安全、能源公平、環境可持續性)的矛盾。

　　因此，必須運用大系統觀，從能源體系和社會體系的視角出發，認識新型電力系統演化趨勢和發展規律。在新的歷史條件下，要結合中國特有的實際情況，系統全面地考量安全經濟環境因素，并以之為基礎推進新型電力系統建設。

　　來源：科技日報 記者 張佳星