“雙碳”目標下新型電力系統典型特征與發展挑戰綜述

范榮全,楊 云,許 珂,胥威汀

(1.四川省新型電力系統研究院有限公司, 四川 成都 610041;2.國網四川省電力公司,四川 成都 610041)

0 引 言

隨著全球氣候關注度以及可持續發展呼聲的提高, 能源轉型成為各國政府和能源行業的重要議題,而電力系統作為關鍵的能源基礎設施,扮演著重要的角色。在實現“碳達峰、碳中和”目標的指引下,構建以新能源為主體的新型電力系統應運而生[1-4]。

為應對全球氣候變化和可持續發展,中國明確提出2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的目標。在實現“雙碳”目標的戰略背景下,舊有的電力系統無法滿足日益嚴格的碳排放要求。為了應對這一挑戰,構建新型電力系統已成為不可避免的趨勢。

為此,中國已采取了諸多政策和措施,包括鼓勵可再生能源的開發和利用、推動能源轉型以及加強能源效率等,促進新型電力系統的建設。同時,在智能電網技術和能源儲存技術方面加大研發,以提高電力系統的靈活性和智能化水平,實現供需平衡和能源管理的優化。

下面在相關新型電力系統研究的基礎上,結合國家能源政策與形勢的最新變化,對電力系統的發展歷程、新型電力系統的認識、典型特征及構建新型電力系統面臨的挑戰4個方面進行了綜述研究,以期為“雙碳”目標下新型電力系統的規劃發展及相關研究工作的開展提供參考與借鑒。

1 認識新型電力系統

1.1 新型電力系統的多層含義

在國家能源政策與形勢變化的背景下,對新型電力系統的認識也不斷更新。目前還沒有針對新型電力系統的統一定義和描述。

部分大型能源企業提出了相關的認識:國家電網以新能源為主要供給,形成了以能源電力安全為基本前提,以滿足經濟社會發展的電力需求為首要目標的結構化認識[5];南方電網從綠色高效、柔性開放和數字賦能[6]3個方面體現了對新型電力系統的認識。

中國科學院院士提出新型電力系統包含以下主要特征:高比例可再生能源、高比例電力電子裝備、多能互補綜合能源、信息物理融合智慧能源、清潔高效低碳零碳、高韌性本質安全可靠。國家氣候戰略中心學術委員會采用清潔化、低碳化和智能化來概括傳統電力系統和新型電力系統的本質區別。清華四川能源互聯網研究院提出了新型電力系統的“四新”,即新結構、新形態、新技術以及新機制。

2022年5月《新型電力系統導論》提出:新型電力系統以綠色低碳、安全可控、智慧靈活、開放互動、數字賦能、經濟高效為基本特征[7],結構上有更強新能源消納能力,形態上源網荷儲深度融合互動,技術上各環節數字化和智能化,經濟上電力和碳市場協同發展。

1.2 哲學中的新型電力系統

中國傳統文化與哲學觀點一脈相承,講究矛盾的雙方既是相互對立,又是相互依存的,不能消除任何一方,須達到相互平衡。

電力系統的對立統一關系如圖1所示。電力系統的發展來源于需求,發展與需求是相互促進依存的關系。直流和交流是相互對立又相互依賴的,沒有絕對的優劣之分,應在不同應用場景下發揮最佳優勢。電力的供應和需求是既相互對立又相互依賴的。電力系統的發展與技術進步緊密相關,而技術的發展并不是單一走向、單一維度、一往直前的,而是有上升、有回落,有橫線、有曲線,呈螺旋式上升發展的。

圖1 電力系統的對立統一關系

在電力系統發展的過程中,安全-經濟-環保的“矛盾三角形”將長期存在,如圖2所示。在新型電力系統中:從安全角度考慮,需要解決系統轉動慣量下降、寬頻振蕩以及高/低電壓穿越等問題,需要通過合理設計和控制策略來解決,以確保系統的穩定運行和電力供應的安全性;從環保角度,需要在能源安全穩定保供的前提下,逐步穩步替代傳統能源,實現新能源的大規模應用和發展,同時不斷釋放負荷側電氣化水平潛力;在經濟方面,不僅要考慮到新能源發電、電網接入以及系統調節的成本,還應顧及到靈活調節資源、清潔能源外送以及環境屬性所帶來的效益。三者相互對立又相互統一,需要找到最佳的平衡點,才能實現可持續發展。

圖2 安全-經濟-環?！懊苋切巍?/p>

哲學方法論與人文結合指出新型電力系統的發展與人類社會進步、先進技術迭代以及消費行為習慣緊密相關。另外,哲學和傳統文化為新型電力系統的發展指明了方向,即電力系統的技術發展是與需求緊密相關、相互促進的,通過如交直流之爭等矛盾引起的發展或否定之否定,最終將呈螺旋式迭代上升。

2 新型電力系統的典型特征

與傳統電力系統相比,新型電力系統在電源側、電網側、負荷側具有新的典型特征。

2.1 電源側典型特征

1)電源類型發生轉變

以往電力系統使用的一次能源主要是化石能源,而在構建的新型電力系統中,新能源將逐步成為新的電源主體,主要包含風能、太陽能等清潔能源。

2)電源布局發生轉變

根據中國風能、太陽能等新能源的資源分布情況,新能源在開發過程中主要以集中式、分散式為主。

2.2 電網側典型特征

在主網側將呈現更大規模的超、特高壓交直流互聯。超大規模同步電網改異步電網,設備也更加智能化、小型化、分散化。

同時,隨著新型源荷主體的大量接入,配電網形態特征也將發生重大變化。從電源結構來看,具有“主網+分布式電源”、儲能[8]、能源產消者、供給多元化等新要素;網架結構和運行方式有變化,電力潮流從單向變為雙向[9];負荷類型方面,各類柔性負荷接入使負荷特性愈趨復雜;電力裝備方面,大量電力電子裝備并網,各環節的電力電子化進程加快。

新型電力系統通過運用5G、人工智能、大數據、數字孿生等新一代信息通信技術[10],達到廣泛互聯互通、智能友好互動以及全局協同計算的目的,實現可控負荷智能感知、虛擬電廠自動響應、分布式電源智慧上網,從而形成如圖3所示的數字化主動配電網,以提升電網的智能化水平。

圖3 數字化主動配電網框架

另外,新型配電網具備靈活調節能力,能夠更好地利用負荷側資源,通過源網荷儲多向互動的方式,進一步加強電源、電網和負荷之間的協調與交互。通過引入虛擬電廠等一體化聚合模式,新型配電網能夠參與電力市場的中長期交易、輔助服務交易和現貨交易等。這樣的安排可以實現電網資源的全局統籌、跨區協同和區域自治,形成一個如圖4所示的多元源荷儲聚合的新型能源自治體系,促進能源的高效利用和可持續發展。

圖4 多元源荷儲聚合的新型能源自治體系

2.3 負荷側典型特征

傳統負荷體量不斷增大,用戶用電需求也越來越高。近年來,隨著經濟社會發展和人們生活水平提高,傳統負荷體量龐大,如空調的社會保有量估計約5.4億臺。2022年,經濟復蘇帶來用電高需求,全社會用電量8.6 PWh,同比增長3.6%;據中電聯預測,2023年全社會用電量將達到約9.15 PWh,全年增速在6%左右[11]。

新型負荷如雨后春筍般快速發展。近年來,分布式電源、電動汽車和儲能等新型負荷快速發展,在配電側接入的容量越來越大,更多新型用能場景涌現。預計到2025年,電動汽車作為移動分布式儲能裝置,其充換電服務電量將超過50 TWh。因此可以預見,新型負荷的比例在未來會繼續增加,具備高隨機性、高靈活性和高可靠性的特點,傳統負荷與新型負荷將長期交織并存。

在某些場景下負荷可以轉換為電源。分布式電源、用戶側儲能、電動汽車反向放電[12]、虛擬電廠[13]等逐步應用推廣,部分負荷不再是單一流向而是參與電網側的雙向能量互動。同樣的,抽水蓄能通過消耗電能在低負荷時抽水至上水庫儲能,并在高負荷時放水發電,實現了雙向能量互動。

3 構建新型電力系統面臨的挑戰

隨著新型電力系統電源側、電網側、負荷側新特征的出現,構建新型電力系統也將面臨許多新的挑戰[14-16],主要包括管理及體制機制、經濟性、技術性三類挑戰。

3.1 管理及體制機制挑戰

1)經濟屬性、社會屬性和政治屬性交織帶來的關聯影響問題。新型電力系統集經濟屬性、社會屬性和政治屬性于一體,引起新的更為復雜的管理及體制機制挑戰,超越通常的工程技術經濟研究領域和理論。

2)新型電力系統安全、經濟、環保的對立和統一問題。如何在保障能源安全供應(保供應、保安全)的前提下,經濟高效地實現雙碳目標,是一個復雜的系統性問題,經濟-安全-環?！懊苋切巍睂㈤L期存在。

3)適應新型電力系統發展的配套政策、機制問題?！缎滦碗娏ο到y發展藍皮書》[17]提出:配套政策與體制機制是構建新型電力系統的制度保障,是充分發揮市場在資源配置中的決定性作用。

4)非對稱信息帶來的管理技術和利益分配博弈問題。新型電力系統背景下,用戶數據更加多元化,電網在需要獲取傳統的用戶負荷數據外,還需要獲取光伏、儲能等數據,在獲取過程中由于技術、管理等原因可能會出現與用戶之間信息不對稱的問題,進而導致產生難以解決的正和博弈問題。

3.2 經濟性挑戰

1)目前,新型儲能發展亟需成本疏導。鋰、釩等電化學儲能和鹽穴、飛輪等物理儲能設施均缺乏高效的成本回收機制。特別是氫能源和燃料電池等雖清潔低碳、存用靈活,但成本高且配套設施不完善,目前普及程度有限。然而,隨著市場規模擴大以及政府對儲能技術的持續支持,氫能發電技術將更加成熟、成本也會大幅降低。在未來,預計氫能等技術可能在電力行業得到廣泛應用,例如小型便攜式氫儲能。當然這種發展趨勢也將給電力系統的安全生產運營提出巨大挑戰。

2)微電網“自平衡”導致的經濟性問題。微電網“自平衡”是能源電力發展新的形態,是行業適應社會發展的趨勢之一。但能源電力也是國家安全的基本要素,如何在滿足清潔能源分布式開發與就地消納的基礎上,保障缺電等特殊時期的供電需求和成本的合理疏導,需要統籌兼顧其政治、社會和經濟性。

3)新型電力系統發展的投資和收益的平衡問題。新型電力系統規劃、建設、運行等環節的投資決策對于其可持續發展至關重要。在開展大規模特高壓建設、電網改造、電網智能化設備配置、儲能等靈活性資源的投資和考慮多元主體參與電力市場建設等多方面,需要兼顧投資和收益的平衡。

4)人工智能等前沿技術的投資收益問題。人工智能等技術的不斷成熟,使其將逐步滲透到電力系統發電、輸電、配電、用電等各個環節,實現提升設備工作效率、輔助智能監控和決策、解決人工誤操作等問題。這些環節涉及的設備規模和消耗的人力資源都非常龐大,形成一定的市場規模后,能帶來不錯的投資收益。

3.3 技術性挑戰

1)分布式光伏接入配電網帶來的挑戰[18]。分布式光伏電源接入配電網是一種新興的能源發電方式,可以有效地利用太陽能資源并分散能源生產,減少對傳統能源的依賴。但同時也給配電網帶來了一些問題。

首先,分布式光伏電源接入配電網可能引發電壓調整問題。由于光伏電源的功率波動性較大,接入配電網后,可能會導致電壓不穩定,尤其在光照強度變化較大的情況下。因此,需要配電網進行相應的電壓調整和穩定措施,以確保電力供應的可靠性和穩定性。其次,保護配置是分布式光伏電源接入配電網所面臨的另一個問題。在傳統的電力系統中,保護配置主要是針對集中式發電系統設計的,而分布式光伏電源的接入會導致電力流向的變化且不確定性增加。因此,配電網需要重新評估保護配置,確保對分布式光伏電源的故障進行及時的隔離和保護,以防止故障擴散并影響整個配電網的運行。此外,分布式光伏電源接入配電網還涉及電能質量、電量計量計費和供電可靠性等問題。

總而言之,分布式光伏電源接入配電網為能源領域帶來了新的發展機遇,但也面臨著一系列問題;需要合理的規劃和技術措施來解決相關問題,實現分布式光伏電源與配電網的有機融合,推動清潔能源的可持續發展。

2)新能源出力損失與電能質量問題[19]。在新能源發電裝機規模達到一定比例后,在通常氣象變化下存在新能源出力損失以及與其他能源發電的補位能量平衡和電能質量問題。圖5展示了在一天中風能、光伏等新能源的發電量與電網的實際出力及負荷曲線,新能源發電并網會帶來間歇性和波動性的問題,同時還可能存在孤網問題、諧波問題等,影響電網的電能質量。

圖5 新能源參與的電網出力及負荷曲線

3)適應新型電力系統發展的各類發電機組配置比例問題。新型電力系統的核心特征之一,是新能源如風能和太陽能等,逐漸成為主要的電力供應來源。這種轉變是為了減少對傳統化石燃料的依賴,降低碳排放,實現清潔能源的可持續利用。而新能源發電的隨機性、波動性以及帶來的安全問題都需要一定的調節性資源進行補充。因此,為了確保新型電力系統的安全和穩定運行,需要適量的水電、火電等可控電源作為基石,提供基礎的調節服務,同時,一定配比的儲能也將發揮全時間尺度的系統調節能力,以滿足系統的需求。

4)多重復雜特性電源共存狀態下發電連續性出力的協同控制問題。新型直流匯集接入技術能解決新能源間歇性問題,高比例新能源將極大增加電源側的不可控性。傳統電力系統多種電源簡單疊加的形態將不再適應新型電力系統的要求,風光互補、新能源+水電、新能源+儲能、新能源+氫能、風光水火儲一體化等多元協同開發模式的創新能更好地實現多時間尺度下的優化配置。

5)超大范圍、超大規模同步電網的系統穩定[20]、短路電流和安全問題。從安全性角度來看,大同步電網具有短路電流問題突出和大面積停電的風險。由于大同步電網存在大量的電力設備和復雜的電力傳輸網絡,發生短路故障時會導致巨大的短路電流,對電力設備和系統造成嚴重的沖擊;發生故障或其他意外情況時,可能會導致整個區域范圍內的停電。同時,大同步電網還存在連鎖反應事故的問題。與中小同步電網相比,大同步電網的影響范圍更廣,可能會造成巨大的損失。

此外,還存在交直流并存和大量電力電子元器件所帶的協同控制與系統振蕩問題、新型電力系統抵御自然災害的能力問題、多重因素耦合下的總能量需求預測問題、適應新型電力系統發展的儲能布局與配置問題[21]、大規模儲能帶來的協同控制問題以及大規模、大容量、快充動力電池對配電網帶來的問題等。

4 結 語

綜上所述,新型電力系統是由多種復雜特性電源共存,具有自主可控的超大規模交直流電能傳輸分配網絡,龐大靈活多變的不同能量形態轉換終端集群,集經濟屬性、社會屬性、政治屬性為一體的高安全可靠的能量轉換、傳輸和分配的超大規模智慧系統。

上面從電力系統的發展歷程和形勢入手,提煉了關于新型電力系統的認知,建議采用“對立統一、相互促進”的發展觀來看待并指導新型電力系統建設;并總結了新型電力系統在電源側、電網側、負荷側的典型特征,梳理了電源類型和布局、主配網形態、多要素接入與聚合、源網荷儲互聯互動等重要轉變趨勢;最后,從管理及體制機制、經濟性、技術性3個角度闡述了構建新型電力系統所面臨的挑戰,也從中捕捉到了一系列關鍵的發展機遇和突破重點,為今后的相關研究提供參考和建議。