2021年3月15日，習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委第九次會議上提出構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動，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)。這一重大部署在業(yè)內(nèi)引發(fā)了廣泛思考，對我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是極具前瞻性、開創(chuàng)性的戰(zhàn)略挑戰(zhàn)和系統(tǒng)工程，將對電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控機(jī)制、政策法規(guī)機(jī)制、電價(jià)市場機(jī)制及技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新等方面提出若干挑戰(zhàn)，亟須凝聚行業(yè)內(nèi)外各方力量，針對基礎(chǔ)理論機(jī)制和重大核心技術(shù)開展系統(tǒng)性的深入研究，統(tǒng)籌好發(fā)展與安全、存量與增量、短期與中長期、源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)的關(guān)系，明確路徑、形成合力、統(tǒng)籌推進(jìn)，以新型電力系統(tǒng)的建設(shè)推進(jìn)能源電力行業(yè)又一次根本性變革。
對于新型電力系統(tǒng)的幾個認(rèn)識
一是關(guān)于新能源的定義。新能源相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，但其定義一直不斷變化與更新。綜合國內(nèi)外關(guān)于新能源定義的有關(guān)描述，新能源的基本定義是相對于傳統(tǒng)能源而言，在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的能源。對于現(xiàn)今的電力行業(yè)來說，光伏發(fā)電、風(fēng)電是當(dāng)前全球技術(shù)經(jīng)濟(jì)最成熟、發(fā)展最快、規(guī)模效應(yīng)最大的兩種發(fā)電類型，是可預(yù)期的新能源主要增量來源，因此后文中新能源特指風(fēng)、光新能源。
二是對于以新能源為主體的認(rèn)識。在新型電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展過程中，新能源將逐步占據(jù)電量主體、出力主體和責(zé)任主體的地位。新能源主體地位的第一性應(yīng)表現(xiàn)為電量主體，新能源電量的多少直接關(guān)系碳減排量的多少，“雙碳”目標(biāo)也對新能源電量和占比提出了明確要求。新能源電量的主體性，是新型電力系統(tǒng)的最終目標(biāo)和主驅(qū)動力。新能源也將逐漸表現(xiàn)為出力主體。據(jù)估測，2060年，新能源機(jī)組出力占系統(tǒng)總負(fù)荷大于50%的累計(jì)時段可達(dá)全年時長的46%，表明全年近一半時間的新能源機(jī)組出力可占主體地位。新能源必須成為支撐新型電力系統(tǒng)的責(zé)任主體。新能源作為主體電源，必須具備自主支撐電網(wǎng)電壓和頻率的能力。目前在不具備這些能力的情況下，部分國家對新能源機(jī)組出力占比進(jìn)行了限制。
新能源發(fā)電量占據(jù)主體地位、新能源機(jī)組承擔(dān)支撐系統(tǒng)運(yùn)行的主體責(zé)任是新型電力系統(tǒng)建成的兩個重要標(biāo)志。
對新型電力系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的分析
一是關(guān)于源，特別是新能源。要明確電的二重屬性，即從社會管理者和用戶的角度看，表現(xiàn)為商品屬性；從專業(yè)監(jiān)管者的角度看，表現(xiàn)為安全屬性。綠色是商品屬性，價(jià)格應(yīng)該由市場來決定。要明確新能源“到戶”利用的綜合成本，雖然新能源發(fā)電設(shè)備的單位容量成本不斷下降，但大電網(wǎng)和兜底電源的成本和投資并不會因新能源增加而明顯減少，總體來看綜合總成本呈增加趨勢，將呈現(xiàn)環(huán)境-安全-經(jīng)濟(jì)矛盾三角形態(tài)，需要在運(yùn)行調(diào)控機(jī)制、電價(jià)市場機(jī)制、政策法規(guī)機(jī)制方面進(jìn)行創(chuàng)新，通過構(gòu)建新型電力系統(tǒng)加以協(xié)調(diào)解決。要明確新能源利用率和發(fā)電量占比之間的關(guān)系，“雙碳”目標(biāo)下，新能源電量滲透率與利用率之間相互制約，以新能源利用率為目標(biāo)的消納模式亟須轉(zhuǎn)變。新能源高滲透率和高利用率不可兼得，合理利用率隨滲透率的增加而降低。為達(dá)到滲透率目標(biāo)，應(yīng)適當(dāng)降低利用率，以保障系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
二是關(guān)于網(wǎng)，也就是電力系統(tǒng)。要明確大電網(wǎng)仍然是必需的，具體表現(xiàn)在中東部的分布式新能源資源總量不足以支撐當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求，而西部、北部的富集新能源仍需要跨區(qū)外送，需要通過大電網(wǎng)、大平臺才能實(shí)現(xiàn)高比例新能源的消納，依托大電網(wǎng)才能保障能源電力供應(yīng)的安全。要明確新型電力系統(tǒng)仍是以交流同步機(jī)制為主。根據(jù)生產(chǎn)模擬測算，基準(zhǔn)場景下2030年同步機(jī)組的出力占總負(fù)荷之比大于50%、80%的累計(jì)時段將達(dá)全年時長的100%和約61%；2060年同步機(jī)組出力占總負(fù)荷之比大于40%、50%的累計(jì)時段仍達(dá)全年時長的84%和53%。基于測算結(jié)果，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中，同步機(jī)組在相當(dāng)一段時期承擔(dān)組網(wǎng)作用，風(fēng)、光等新能源機(jī)組鎖相同步控制較為成熟，因此新型電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行機(jī)制仍是以交流同步運(yùn)行機(jī)制為主。
三是關(guān)于儲能、新能源汽車等新要素。儲能在新型電力系統(tǒng)的電力電量平衡中起到重要的靈活調(diào)節(jié)作用，支撐供需雙側(cè)動態(tài)匹配，促進(jìn)新能源有效利用；應(yīng)該覆蓋發(fā)輸變配用全環(huán)節(jié)，參與規(guī)劃、生產(chǎn)、運(yùn)行、輔助服務(wù)等全過程，承擔(dān)能源樞紐站緩沖節(jié)點(diǎn)作用；引導(dǎo)海量電動汽車有序充放電，挖掘可中斷、可調(diào)節(jié)的多源負(fù)荷資源，有效增加系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。
關(guān)于電力系統(tǒng)對碳中和貢獻(xiàn)度的幾個判斷
一是滿足終端用電負(fù)荷增長需求，通過電能替代幫助其他行業(yè)轉(zhuǎn)移碳排放。與2020年相比， 2025年新增電量中有6000億千瓦時來源于電能替代，可減少其他行業(yè)二氧化碳排放2.9億噸，占其碳減排任務(wù)的4.6%。與2025年相比，2030年新增電量中有5500億千瓦時來源于電能替代，減少其他行業(yè)二氧化碳排放2.6億噸，占其碳減排任務(wù)的4.1%。
二是服務(wù)源端高比例風(fēng)、光等非化石能源發(fā)電的接入和送出，支撐源端的清潔替代減排。根據(jù)預(yù)測，2030、2060年風(fēng)光新能源裝機(jī)規(guī)模將分別達(dá)到12億～17億千瓦和50億千瓦，裝機(jī)占比分別提高到33%～41%和63%。以2020年為基準(zhǔn)，2030年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排16.6億～22.3億噸；2060年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排86.8億噸。
三是電力行業(yè)能源燃燒碳排放持續(xù)下降，助力碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。2030年后，能源燃燒碳排放加速下降，2060年降至10億噸左右，考慮土地利用及土地利用變化（LULUCF）后全行業(yè)溫室氣體基本實(shí)現(xiàn)近零排放，能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)。各情景下遠(yuǎn)期排放水平和結(jié)構(gòu)趨于一致。其中，碳排放源方面，能源燃燒二氧化碳排放、工業(yè)過程和其他溫室氣體排放持續(xù)下降，2060年分別下降至10億噸左右和10億噸以下，發(fā)電碳排放約5億噸。
四是電力行業(yè)碳吸收能力持續(xù)加強(qiáng)，支撐全社會整體碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。碳匯凈增量逐年增加，2060年LULUCF等預(yù)計(jì)吸收量達(dá)到15億～20億噸，碳捕集利用和封存（CCUS）累計(jì)吸收6億噸，全社會整體實(shí)現(xiàn)溫室氣體負(fù)排放。分領(lǐng)域看，發(fā)電和工業(yè)領(lǐng)域幾乎實(shí)現(xiàn)近零排放，建筑、交通、工業(yè)過程和其他溫室氣體排放則較多依賴碳匯實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的幾個特征
一是表現(xiàn)為變流器與同步機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)、光等通過變流器并網(wǎng)接入的新能源電源將成為電量供應(yīng)主體；水電、核電作為重要的非化石能源發(fā)電組成，煤電、氣電配合CCUS實(shí)現(xiàn)近零排放，起到保供和調(diào)節(jié)作用。可見，傳統(tǒng)同步電源仍將占有一定比例，新型電力系統(tǒng)將是一個變流器電源和傳統(tǒng)同步電源混合發(fā)電的電力系統(tǒng)。
即使在新能源出力大于傳統(tǒng)同步電源的發(fā)電場景，仍然存在頻率、電壓、功角以及寬頻振蕩等安全穩(wěn)定問題。需要加強(qiáng)對系統(tǒng)認(rèn)知和基礎(chǔ)理論研究，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，在設(shè)備研制和系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段考慮并網(wǎng)控制及系統(tǒng)支撐需求，提前布局。
二是表現(xiàn)為綜合能源系統(tǒng)。電力在未來能源結(jié)構(gòu)中占比不斷提高、能源支柱定位不斷加強(qiáng)，將形成以電網(wǎng)為樞紐平臺的綜合能源系統(tǒng)。電、熱、冷、氣等能源深度耦合，在工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域?qū)嵤╇娔芴娲瑢?shí)現(xiàn)多類型能源轉(zhuǎn)化與互補(bǔ)，以及多種儲能設(shè)備、用能負(fù)荷乃至于多系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合，以提高能源系統(tǒng)的安全性、靈活性和綜合利用效率。
但受制于電能無法大規(guī)模儲存的特性，以及風(fēng)、光一次能源的不確定性，電力系統(tǒng)面臨長時間尺度上的平衡難題，存在能源供給安全風(fēng)險(xiǎn)。需要綜合利用氫能、低碳利用的化石能源等多種供給形式，宜電則電、宜熱則熱、宜氣則氣，選擇適宜的能源利用形式。
三是表現(xiàn)為彈性系統(tǒng)。電力是未來其他行業(yè)的基礎(chǔ)能源，電力安全將成為能源安全的重要內(nèi)涵和重要保障，電力系統(tǒng)將肩負(fù)更加重大的政治責(zé)任、經(jīng)濟(jì)責(zé)任和社會責(zé)任。電力系統(tǒng)必須建設(shè)成為具有一定恢復(fù)能力的彈性系統(tǒng)，即具有對極端事件的預(yù)防、抵御、響應(yīng)以及快速恢復(fù)供電的能力。
但能源轉(zhuǎn)型下電力系統(tǒng)的不確定性、開放性、復(fù)雜性增加，所要應(yīng)對的極端事件增多，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。需要建立風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制，建立電力系統(tǒng)與社會系統(tǒng)、電力行業(yè)與其他行業(yè)的協(xié)防、協(xié)控機(jī)制；界定電力的安全屬性和商品屬性，加強(qiáng)構(gòu)建“生命線工程”。
四是表現(xiàn)出信息物理社會系統(tǒng)（CPSS）特性。電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化使信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進(jìn)一步融合，綜合能源系統(tǒng)的開放性與多元化使其與人類社會活動和外部環(huán)境交織耦合，呈現(xiàn)出CPSS特性。
但受人類社會行為影響，其具有多利益主體關(guān)聯(lián)、多環(huán)節(jié)/多過程耦合、多目標(biāo)/多約束制衡等復(fù)雜因素；依靠信息和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲互動，網(wǎng)絡(luò)終端多樣、業(yè)務(wù)開放廣泛、信息內(nèi)容海量、網(wǎng)絡(luò)暴露面廣，信息和網(wǎng)絡(luò)安全難度大。需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論體系研究，完善仿真和分析手段，加強(qiáng)社會行為科學(xué)及其與能源電力系統(tǒng)相互作用研究，提升信息安全、網(wǎng)絡(luò)安全。
五是呈現(xiàn)為復(fù)雜巨系統(tǒng)。新能源發(fā)電空間分布廣、單體數(shù)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜。目前，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)大型新能源場站超4000個、低壓接入的分布式發(fā)電系統(tǒng)約170萬個。其中，西北新能源場站超1500個，安控系統(tǒng)規(guī)模大、策略復(fù)雜，220千伏及以上安控裝置達(dá)到1152套，單個場站安控策略定值超1000個。未來，全國集中式和分布式新能源發(fā)電單元將達(dá)數(shù)千萬個，信號數(shù)量可達(dá)數(shù)十億，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一個多時空尺度、多層級、多系統(tǒng)耦合的復(fù)雜巨系統(tǒng)。
但系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行極其復(fù)雜，控制措施配置和實(shí)施難度極大，需要對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和規(guī)則化處理，通過分層分區(qū)、各種儲能、電力市場等技術(shù)，解決不確定性出力與負(fù)荷間的時空不匹配問題，通過“大云物移智”等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可觀、可知、可控。
對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的相關(guān)建議
一是要解決好安全問題。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，隨著生產(chǎn)和消費(fèi)側(cè)電能占比的提高，電力作為基礎(chǔ)能源的作用和地位愈加重要，而電力生產(chǎn)又以強(qiáng)不確定性的風(fēng)光為主，各時空尺度的能源安全（主要體現(xiàn)在電力）挑戰(zhàn)巨大，從毫秒級的設(shè)備安全、秒/分的運(yùn)行控制安全、小時/天調(diào)度安全、周/年的供給安全，以及物理、功能、跨行業(yè)和社會等廣義空間尺度的安全。需要從全社會的視角審視電力安全問題，需要通過創(chuàng)新解決電力安全問題。
二是要多行業(yè)、多主體統(tǒng)籌推進(jìn)。電力安全是一復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要各級政府、各行各業(yè)協(xié)同，通過政策、法規(guī)和體制機(jī)制創(chuàng)新，業(yè)態(tài)、市場和電價(jià)機(jī)制創(chuàng)新，以及技術(shù)創(chuàng)新共同解決。
三是要明確階段，分步實(shí)施。從能源電力系統(tǒng)的發(fā)展來看，近期是能源轉(zhuǎn)型期，任務(wù)是市場、法規(guī)、技術(shù)的研發(fā)；中期是新型電力系統(tǒng)形成期，完善政策法規(guī)和市場電價(jià)機(jī)制，解決新型電力系統(tǒng)構(gòu)建和安全運(yùn)行問題；遠(yuǎn)期是新一代能源系統(tǒng)形成期，解決能源近零排放和能源電力安全問題，全面建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
作者：中國工程院院士 郭劍波
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