國網經研院院長潘爾生：“雙碳” 目標下如何構建新型電力系統?

　　能源行業是實現“碳達峰”“碳中和”目標的重點領域和關鍵環節。“雙碳”目標下，電力系統面臨哪些挑戰?如何有效應對這些風險挑戰，實現能源電力的轉型升級?本期“權威訪談”中，國網經濟技術研究院院長潘爾生將與大家分享他對于“雙碳”目標下構建新型電力系統的思考。

　　■ “碳達峰”“碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革

　　■ 要加快構建以新能源為主體的新型電力系統，為實現“碳達峰”“碳中和”目標貢獻力量

　　實現“碳達峰”“碳中和”目標，我國電力系統面臨哪些挑戰?

　　潘爾生：實現“雙碳”目標，必將伴隨著強隨機性、波動性的新能源大規模并網以及電動汽車、分布式電源等交互式設備大量接入。屆時，電力系統將呈現高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點，那么電力系統在供需平衡、系統調節、穩定特性、配網運行、控制保護和建設成本等方面都將發生顯著變化，也將面臨一系列新的挑戰。

　　一、供電保障難度更高

　　未來高比例新能源電力系統的供電保障難度會更高。這主要是由于新能源的頂峰能力嚴重不足，且出力受天氣影響較大。現階段電力負荷呈現午、晚高峰的雙峰特點。然而，風電大發一般是在后半夜，在兩個負荷高峰出力較低;光伏雖然在午高峰能夠起到較好的支撐作用，但是在晚高峰出力基本為零。

　　二、調節壓力持續增大

　　負荷“尖峰化”特性顯著，呈現負荷夏、冬季較高，春、秋季較低的“兩峰兩谷”特點，各區域電網95%以上最大負荷持續時間普遍低于60小時、對應用電量不足全年用電量的0.5%;新能源出力波動性強，從年分布看，風電電量集中在春、秋兩季，與用電量呈逆向分布特點;從日波動特性看，目前國網經營區域風電裝機1.7億千瓦，日最大波動率約為23%;光伏裝機1.8億千瓦，日最大波動率約為54%。

　　三、電網穩定特性發生重大變化

　　新能源機組無轉動慣量。新能源大量替代常規機組，系統頻率調節能力顯著下降， 在損失功率后頻率跌落速度更快、深度更大。新能源、常規直流無功支撐能力弱。新能源、常規直流難以向系統提供無功支撐，且新能源主要接入低電壓等級電網，與主網的電氣距離是常規機組的2~3倍，大規模接入后系統電壓調節能力顯著下降。

　　四、配電網運行控制更加復雜

　　首先，配電網發展形態將發生較大變化。隨著越來越多的新能源接入配電網就地消納，配電網將逐步演化為有源供電網絡，這也使得配電網電力電子化程度和網絡結構復雜度大大增加，進而加大了配電網運行控制的難度。其次，隨著“雙碳”目標的持續推進，配電主體將更加復雜多元，能源流向更加多樣，因而配電網運行靈活性也將面臨極大考驗。

　　五、二次系統的特性發生顯著變化

　　調度自動化要求更高。為實現清潔低碳發展目標，需要實時統籌調度全系統資源，建立源網荷儲協同互動機制，發展電力市場技術支撐手段，滿足對調度的合規性、精細化程度、信息透明度的更高要求。繼電保護配置難度更大。隨著電力電子裝置逐步增多、同步機組逐步減少，繼電保護的“四性”(靈敏性、可靠性、速動性、選擇性)難度更大，需要著力避免出現保護誤動、連鎖故障等情況。

　　六、系統成本不斷攀升

　　隨著新能源占比快速提高，為消納新能源付出的系統成本將會明顯上升，電力系統源網荷儲各環節建設和運營成本都要增加，且新能源發電成本下降不能完全實現對沖。與此同時，社會各界對于降電價的呼聲和期盼仍然強烈。因此，需要著力疏解供應側成本上升與需求側降低用能成本的矛盾，努力實現電力安全、綠色、廉價三者的綜合平衡。

　　能源電力的清潔低碳轉型已成為當今人類社會的普遍共識。有哪些可以從其他國家吸取的經驗，以助力我國“雙碳”目標的實現?

　　潘爾生：這里我想主要談一談德國能源轉型的路徑和啟示。德國自上世紀90年代起開始能源轉型，逐步削減傳統化石能源裝機，實現清潔能源替代。

　　一、德國能源轉型歷程和主要特點

　　1、清潔能源裝機跨越式增長，“清潔”發電量占比高。德國清潔能源裝機總量由1990年的400萬千瓦快速增長至2019年的1.24億千瓦、發電量占比超過40%。新能源裝機及發電量占比分別達到52%、30%。

　　2、碳排放總量穩步下降，電力行業貢獻突出。2019年德國碳排放總量為8.05億噸，較1990年的12.4億噸減少約35%，能源轉型以來碳減排成效顯著。電力行業在能源轉型中起到至關重要的推動作用，近十年電力行業減排1.14億噸，貢獻率超過80%。

　　3、能源消費總量已達峰值平臺，人均能源消費逐步回落。在經歷了早期經濟快速發展之后，德國能源消費總量在上世紀80年代初期達到頂峰，隨后四十年間消費總量保持穩定， 呈緩慢下降趨勢。人均能源消費量先增后減，已逐步回落至德國上世紀70年代水平。

　　二、德國推動能源轉型的舉措

　　1、在政策法規方面，強化政策支持引導，建立健全法規制度。1990年至今，德國先后出臺并多次修改了《電力入網法》和《可再生能源法》，逐步由政府引導、政策支持轉向開放市場競售體系，與時俱進的政策調整成為了推動能源轉型的重要基礎。疏導新能源補貼成本，建立價格附加機制。德國《可再生能源法》明確規定新能源補貼費用主要由用戶承擔。2020年，德國居民電價折合人民幣2.4元/度，已經達到歐洲最高水平，且仍呈上漲趨勢。德國居民電價中僅可再生能源附加費就高達0.53元/度(同時期我國居民用電平均電價僅約0.5元/度)。構建轉型框架，明確量化目標。德國能源轉型以氣候保護、退出核能、保障供能安全和提高競爭力為政策目標，核心戰略是發展可再生能源、減少一次能源能耗并提高能效，在電力、建筑、交通等領域明確了具體的調控目標。

　　2、在電源側方面，優化調整電源結構，實施火電機組靈活性改造。嚴控新增火電項目，淘汰調節能力差的老舊機組，為可再生能源發展騰出空間;通過降低煤電機組的最小出力、提高爬坡速率、縮短啟停時間以及對熱電聯產機組實施熱電解耦等方式提升火電機組調峰能力。大力推廣儲能應用。推廣屋頂光伏配套儲能電池應用，提高用戶自用率。推進大型儲能商業化應用，平衡風電和光伏出力波動，穩定電網頻率，并提供調峰調頻、電壓支撐等輔助服務，支撐電力系統以新能源為主體向用戶供電。

　　3、在電網側方面，加強電網互聯，提高可再生能源大范圍優化配置能力。德國目前通過32回線路與周邊法國、荷蘭、丹麥等9國互聯，規劃新增10回跨國互聯線路。歐洲大陸同步電網和靈活高效的電力交易機制為德國新能源機組大規模接入和可靠運行提供重要支撐。建設遠距離輸電通道，滿足海上風電開發外送。德國北部海域風電資源豐富，規劃裝機2470萬千瓦，截至2019年底已建成734萬千瓦。通過積極推進遠距離、大容量輸電通道建設，實現北部清潔電力送往南部負荷中心地區。

　　4、在負荷側方面，全面推進電能替代，完善需求側響應機制。通過發展分布式電采暖、電動汽車、蓄冷蓄熱技術等方式，提高電能在終端能源消費中的比重，通過小型工業用戶集成分布式新能源、儲能和用戶動態實時信息平臺，打造“虛擬電廠”集中參與需求側響應，大型高耗能企業獨立參與需求側響應。

　　5、在電力市場方面，積極參與歐盟統一電力市場，實現新能源在更大范圍自由優化配置。參與歐盟統一電力市場，不干涉自由定價和跨境電力交易。在成熟的電力市場保障下，充分發揮火電、核電、水電和新能源互補能力。

　　三、德國能源轉型的啟示與借鑒

　　總體來看，德國能源轉型有很多舉措，成效也十分顯著。我們應該結合自身國情，有選擇地加以學習和借鑒。

　　1、科學推動電力系統協調發展。持續調整優化電源結構，推動靈活性改造，增強電網調節能力。加強電網互聯、提升大容量遠距離輸電能力。堅持輸配電網協調發展，為能源資源優化配置提供可靠平臺。大力發展儲能技術，促進新能源的友好利用。

　　2、廣泛發揮全社會力量促進能源轉型。健全和完善電力市場機制，促進資源的流通和優化配置。采用征收附加稅費等方式，合理分攤能源轉型中的電價成本。提升需求側響應水平，大力推動電能替代。

　　能否請您結合我國電力系統的發展特點，重點闡述如何構建適應“雙碳”目標的新型電力系統?

　　潘爾生：面對新問題、新挑戰，構建新型電力系統需要重點在增調節、優電網、強技術、建機制四個方面下功夫，在實現清潔低碳的同時，做到安全可控、靈活高效、開放互動、智能友好。

　　一、增調節——多措并舉提升各環節靈活性，著力增強調節能力

　　1、積極推動煤電靈活性改造。煤電仍是我國電力系統最重要的靈活性資源供應主體，改造成本相對較低，能夠釋放大規模存量調節能力。

　　2、大力發展抽水蓄能電站。抽蓄電站是目前最為成熟的儲能設施，技術經濟性好，但建設周期長。要加快推進抽蓄電站建設，同時加大規劃選點力度、提前布局，為提升系統調節能力、消納更多新能源做好準備。

　　3、積極發展“新能源+調節性電源”模式。鼓勵存量和增量新能源打捆配置一定規模的煤電、水電、儲能等調節性電源，平抑新能源出力的波動性，提高電源側出力的可靠性和穩定性。

　　4、推動新能源向支撐電網轉變。需要通過技術改造、配置儲能等一系列措施，逐步使新能源為電網提供慣量、阻尼等主動支撐，具備調頻、調峰、調壓、黑啟動等功能，讓新能源接近“常規電源”，在承擔系統調節作用、支撐電網安全運行上發揮主體作用。

　　5、煤電要充分發揮托底保障作用，用好存量、嚴控增量。煤電是保障系統安全穩定和電力實時平衡的重要電源，要推動煤電更好發揮應急備用和調節性作用，對新增煤電項目要嚴格控制，對存量機組要積極推進技術改造，提高利用效能。

　　二、優電網——優化完善各級各類網絡結構，著力打造資源配置平臺

　　1、建設堅強智能電網。加大清潔電力外送消納力度。科學規劃布局一批跨區直流輸送通道;在部分地區適時進行電網優化升級，滿足清潔能源外送需求。提升輸電通道清潔能源比例。不斷壓縮配套電源中化石能源裝機，努力擴大水電、新能源外送電力規模;推動直流送端風光火儲一體化發展，提升輸電通道清潔電量占比。加強完善區域交流電網結構。進一步擴展和完善區域主網架結構，加強省間電網聯絡，支撐跨區直流安全、高效運行。推動電網規劃理念由確定性向概率性轉變。電網規劃需要考慮新能源帶來的隨機性，從傳統的確定性規劃向概率性規劃轉型，有效平衡安全與成本的關系，分析研究最優的電網規劃方案。大力推進電網節能降損。加大老舊高損配變改造力度，降低電網損耗;推進同期線損管理，強化節能調度，優化無功配置，加強諧波治理;通過需求側管理激發用戶響應潛能。

　　2、支持分布式電源和微電網發展。分布式電源是傳統發電形式的重要補充。在“雙碳”目標激勵下，分布式電源將迎來快速增長階段，但受到風光資源、建設條件等因素限制，分布式電源能量密度低，還需要與集中式電源共同發展。推進分布式電源就地就近接入。按照“能并盡并”的原則，大力推廣應用分布式電源并網典型設計，推動實現各類分布式電源靈活并網和消納。依托微電網實現分布式電源友好接入。微電網作為相對獨立的系統，能夠通過源網荷儲智能互動平抑分布式電源出力波動，有利于分布式電源的友好接入和就地消納。因地制宜確定微電網應用場景。微電網建設應緊密結合當地資源稟賦和供用電情況，兼顧技術指標與投資效益，統籌考慮建設運行方式，使其具有更強的生命力和可持續發展能力。推動微電網向更深層次發展。微電網未來仍有很大發展潛力，需要進一步推動微電網更加靈活和多元化發展，更好發揮對分布式電源的支撐作用。

　　3、構建新型電力系統運行控制體系。全方位提升新型電力系統負荷調度能力。構建源荷雙向互動支撐平臺，助力系統具備更強的調節能力。建設新一代調度控制系統。全面提升電網調度的數字化、自動化和智能化水平，支撐大電網安全運行、清潔能源消納、源網荷儲協同互動和電力市場化運營需求。全面提升新型電力系統故障機理認知能力與故障識別處理能力。探索高比例新能源、高比例電力電子裝備接入后的電網故障機理，構建快速高可靠性保護，保障“雙高”電力系統運行安全。構建新型電力系統綜合故障防御體系。以傳統電力系統三道防線為基礎，通過提升第一道防線、加強第二道防線和拓展第三道防線，以適應大規模新能源集中接入和特高壓直流大規模外送的電力系統新形態，形成基于廣域信息、多時間尺度信息協同的新型電力系統綜合故障防御體系。

　　三、強技術——加快新技術攻關和推廣應用，著力強化科技支撐

　　1、在電源側方面。新能源功率預測技術。高精度的風電、光伏功率預測是提高新能源消納利用水平和保障電力系統安全穩定的重要技術手段。虛擬同步發電機。通過采用虛擬同步機技術使新能源具備與同步發電機相似的外特性，為系統提供調頻和調壓支撐，逐步將新能源轉化為可控電源。碳捕集、利用與封存技術(CCUS)。火電廠通過配備CCUS裝置，實現碳捕集之后的再利用或永久封存，達到傳統火電機組低碳甚至零碳排放。

　　2、在電網側方面。柔性直流輸電。柔性直流輸電技術適用于新能源大規模集中接入的送端弱系統、無源系統電力外送，以及送端多新能源場站匯集電力、受端多落點直流組網疏散電力。此外，柔性直流還可應用于未來局部地區直流電網構建，促進新能源消納利用。分布式調相機。分布式調相機布置在新能源接入近區，能夠有效抑制新能源暫態過電壓水平，提高無功電壓支撐能力，避免新能源故障期間出現大規模脫網。

　　3、 在負荷側方面。虛擬電廠。虛擬電廠將分布式電源、可控負荷和分布式儲能有機結合，通過配套的信息采集與協調控制實現對各類分布式資源的有機整合，實現廣域空間多主體的協調運行，有效提升分布式資源的可控性。電制氫能及其利用。以氫為能源載體，通過電解制氫、運輸儲存、燃燒發電，實現“電—氫—電”的循環利用，貫穿源網荷儲各環節。目前電制氫產量和利用水平較低，成本偏高，儲運存在安全風險。未來需要聚焦電解和儲運技術研究，發揮規模效應，降低應用成本。

　　4、在儲能側方面。儲能作為靈活、快速的電力系統調節資源，可與變電站、新能源場站、新型負荷等聯合運行，通過充放電控制提升電網承載力與調節能力。新型電力系統下應積極探索利用儲能促進新能源電力消納、改善電網運行狀態、降低網絡損耗等應用模式，提高儲能運行靈活性，發揮其深度調節能力。我國儲能產業目前以電化學儲能為主，未來應著力圍繞成本、容量、環保、壽命、安全五個方面，加快攻克高性能材料、新型電解液添加劑、電池循環利用、能量系統集成與管理等技術難點。

　　四、建機制——建立健全體制機制推動共同行動，著力凝聚社會合力

　　1、推動電力系統由“源隨荷動”向“源荷互動”轉變。充分挖掘需求側響應資源。我國工業大用戶、空調、電采暖、電動汽車等負荷需求側響應潛力巨大，政府、電力企業、用戶等社會各方需要共同行動，精準挖掘需求側資源。加快全社會節能提效和單位GDP能耗持續降低。重點要加快調整產業結構，逐步淘汰落后高耗能產業，推動制造業向中高端轉移，使低能耗經濟成為國民經濟的主導;提高全社會節能意識，推廣采用節能環保汽車、高效能設備，強化建筑、供暖、家居家電節能。

　　2、多措并舉合理疏導系統成本。新能源平價上網不等于平價利用。新能源利用成本包括發電成本和系統成本兩個部分，其中發電成本近年來不斷下降，即將進入平價上網的時代;系統成本關注較少，且在不斷增加。系統成本現階段主要由電源、電網等供給側主體承擔，但最終還需要各相關環節合理分擔，以此支撐電力系統的可持續發展。靈活性改造、調峰運行等成本主要依靠輔助服務市場回收。按照“誰受益、誰負擔”的原則，積極推動新能源、核電、未參與深度調峰的電廠分擔深度調峰等輔助服務費用，合理疏導電廠調峰成本。建立健全電力價格聯動機制，推動輔助服務費用以合理方式向用戶側傳導。抽水蓄能電站固定成本需要依靠容量電價機制回收。目前，抽水蓄能難以通過電量進行成本回收，因此需要推動抽水蓄能電站采用兩部制電價，電量電價通過峰谷轉化價值回收抽水、發電等運行成本，容量電價用于回收固定成本，納入輸配電價統一疏導，促進抽水蓄能健康發展。未來可探索建立容量市場機制。容量市場是激勵保供電源、抽水蓄能電站建設，保障電源投資成本回收的一種有效機制，可以有效平衡保供電要求高與設備利用率低的矛盾。

　　3、發揮碳市場作用激發減排動力。構建公平合理的碳市場。需要充分發揮碳市場作用，合理控制火電機組碳排放配額，通過滾動核定供電基準值，有效激勵火電企業推動技術革新、努力降低碳排放總量和強度，同時調控碳交易成本。推動電-碳市場融合發展。將電力市場和碳市場的交易產品、參與主體、市場機制深度融合，重點在供給和需求兩端推動能源資源、配額交易等成本要素聯動協同配置，形成低碳綠色“產品”在各環節的市場競爭優勢，進一步激發全社會減排動力。

　　感謝潘院長今天接受我們的采訪，能否請您最后用一段話對“雙碳” 目標下電力系統的轉型升級作一個概括和展望?

　　潘爾生：“碳達峰”“碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，對于能源電力行業既是艱巨的挑戰，也是難得的機遇，更是不可推卸的責任。我們要深入貫徹習近平總書記的重要指示精神，加快構建以新能源為主體的新型電力系統，在電源側推動清潔化，在電網側推動智能化，在負荷側推動源荷互動及多能互補，為實現“碳達峰”“碳中和”目標貢獻力量!

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