- 新型電力系統(tǒng)：清潔高效又智能
- 2024年09月21日 來源：光明日報
提要：在保障電力安全的前提下，滿足經(jīng)濟社會電力發(fā)展的需求。我國具有豐富的風能、太陽能等新能源資源和容量充裕的輸配電網(wǎng)絡。新型電力系統(tǒng)的開發(fā)與利用正在加速能源綠色低碳轉型升級，保證電力高效穩(wěn)定供應。
電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會的基礎設施，是人類歷史上最復雜、最龐大的工程系統(tǒng)之一，它的存在和運行對于我們的日常生活至關重要，從照明、家庭電器到工業(yè)生產(chǎn)、信息通信，無一不依賴于電力的穩(wěn)定供應。新型電力系統(tǒng)清潔高效、靈活智能，可在保障電力安全的前提下，滿足經(jīng)濟社會電力發(fā)展的需求。我國具有豐富的風能、太陽能等新能源資源和容量充裕的輸配電網(wǎng)絡。新型電力系統(tǒng)的開發(fā)與利用正在加速能源綠色低碳轉型升級，保證電力高效穩(wěn)定供應。
電力系統(tǒng)是最復雜的人造系統(tǒng)之一
電力系統(tǒng)的早期發(fā)展可以追溯到19世紀末，?直流電系統(tǒng)被廣泛使用。隨著技術的進步，?交流電系統(tǒng)逐漸取代直流電系統(tǒng)，?成為電力系統(tǒng)的主要形式。20世紀初，電力系統(tǒng)開始迅速擴展，電網(wǎng)互聯(lián)的概念逐漸形成。二戰(zhàn)后，各國加快了電力基礎設施建設，形成了大規(guī)模的電網(wǎng)。進入21世紀，?全球氣候變化和能源轉型的需求給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇，高新技術的應用為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化提供技術支持，電力系統(tǒng)迎來新的發(fā)展浪潮。
電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，是電能生產(chǎn)與消費的完整鏈條。發(fā)電是電力系統(tǒng)的起點，將各種一次能源（如煤炭、天然氣、核能、風能、太陽能等）轉化為電能；輸電系統(tǒng)負責將發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過高壓線路遠距離傳輸?shù)阶冸娬净蜇摵芍行模请娏ο到y(tǒng)中高效傳輸?shù)膭用}；變電系統(tǒng)將高壓電力通過變壓器降低到適合配電的電壓等級；配電系統(tǒng)將電力從變電站通過配電線路輸送到終端用戶，并進行最后的電壓調(diào)整；用電環(huán)節(jié)涉及工業(yè)、商業(yè)、居民等終端用戶的實際用電過程，以及設備運行、耗電量管理及電費計算等。
應對氣候變化 電力系統(tǒng)邁向綠色低碳
隨著溫室氣體排放的增加，全球氣溫不斷上升，極端天氣頻發(fā)。為應對這一趨勢，我國宣布力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，并于2060年前實現(xiàn)碳中和目標。近年來，我國加速推動能源結構轉型，大力發(fā)展可再生能源，制定碳達峰行動方案，力求在全球應對氣候變化的行動中發(fā)揮關鍵作用。
面對氣候變化，逐步建設新型電力系統(tǒng)，推動能源結構轉型，減少溫室氣體排放，是能源電力行業(yè)的重要議題。傳統(tǒng)的以火力為主的發(fā)電形式受限于化石燃料資源存量和溫室氣體排放，難以獨立和全面支撐可持續(xù)發(fā)展的需求。在此背景下，以風力、光伏為代表的新能源發(fā)電因其清潔、對環(huán)境影響小的優(yōu)勢，受到各國的重視。
自2010年以來，我國在新能源發(fā)電領域取得了顯著進展。2010年，全國風電和光伏裝機容量僅為數(shù)千萬千瓦，處于起步階段。隨著政策支持的加強，特別是《可再生能源法》和全額保障性收購制度的出臺，風光發(fā)電迅速增長。隨著技術進步和成本下降，風光產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)模化。至2024年6月底，全國發(fā)電裝機達30.7億千瓦，其中新能源裝機16.53億千瓦，占比53.8%，首次超過煤電。這一進展為全球能源轉型提供了重要經(jīng)驗，助力我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，邁向綠色低碳未來。
新能源電力接入電網(wǎng) 新型電力系統(tǒng)更靈活智能
隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機波動的負荷需求與電源之間實現(xiàn)能量的供需平衡，其結構形態(tài)、運行控制方式以及規(guī)劃建設與管理發(fā)生根本性變革，形成了以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費為主體的新一代電力系統(tǒng)，即新能源電力系統(tǒng)。圍繞能源轉型和“雙碳”目標的國家需求，中國工程院院士劉吉臻依托新能源電力系統(tǒng)全國重點實驗室提出了以“多源互補、源網(wǎng)協(xié)同、供需互動、靈活智能”四個技術創(chuàng)新為引領的新型電力系統(tǒng)發(fā)展新形態(tài)。
多源互補是新型電力系統(tǒng)的關鍵特征。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要依賴單一能源發(fā)電，受到資源和效率的限制，隨著風能、太陽能等新能源的引入，電力系統(tǒng)的能源來源變得更加多樣化。通過優(yōu)化不同能源的組合，能夠充分發(fā)揮各類資源的優(yōu)勢，降低對單一能源的依賴，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
源網(wǎng)協(xié)同是新型電力系統(tǒng)優(yōu)化運行的核心。傳統(tǒng)電網(wǎng)將發(fā)電和輸電系統(tǒng)視為獨立運作的部分，缺乏系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)。面對分布式發(fā)電與新能源的廣泛接入，發(fā)電與電網(wǎng)間的互動日益錯綜復雜。構建源網(wǎng)協(xié)同控制體系，可實現(xiàn)發(fā)電側與電網(wǎng)側的深度協(xié)調(diào)與優(yōu)化調(diào)度，顯著增強電網(wǎng)的適應力與響應速度，支撐更高比例新能源的接入和利用。
供需互動是新型電力系統(tǒng)高效運行的關鍵。傳統(tǒng)電網(wǎng)具有穩(wěn)定的發(fā)電和用電平衡特征，而隨著新能源發(fā)電比例的增加，其隨機性和波動性對電力供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)。通過引入需求側資源，可以釋放調(diào)節(jié)潛力，有效平衡電力供需，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時，分布式智能電網(wǎng)和需求側管理技術使電力需求響應更加靈活精準，提高供需匹配效率。
靈活智能是新型電力系統(tǒng)的特點。傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴大規(guī)模集中式電站供電，而新能源發(fā)電系統(tǒng)支持分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)了多樣化的電力供應模式。通過大數(shù)據(jù)和人工智能等技術手段，智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的智能監(jiān)測和優(yōu)化控制，提升系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性。
新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨技術挑戰(zhàn)
盡管新型電力系統(tǒng)的前景令人期待，但其發(fā)展過程仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在充裕性、安全性、經(jīng)濟性三個維度。
充裕性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一，來自風光發(fā)電相對于系統(tǒng)負荷的充裕性，即如何在不同時空預留足夠的靈活性資源來保障源荷雙側的電力電量平衡。在一般氣象條件下，光伏和風力發(fā)電能力取決于光照輻射、風速、溫度等參數(shù)，由于現(xiàn)有預測水平難以消除氣象預測偏差，仍需提前預留火電、儲能等靈活調(diào)節(jié)資源作為發(fā)電備用。當電力系統(tǒng)遭遇極端天氣等迅速且劇烈的氣象變化時，常常伴隨著風光機組低溫切出、溫控型負荷激增、輸變電設備故障等突發(fā)情況，亟須火電、儲能等快速響應資源提供電力充裕性來彌補瞬時功率缺額。而當系統(tǒng)遭遇長時間電煤供應短缺、極熱無風、極寒無光等情況時，則又需要氣電、水電等異質資源提供電量充裕性來彌補長周期的供需缺口。凡此種種，在大力發(fā)展新能源的同時，新型電力系統(tǒng)必須權衡其對電力電量充裕性的挑戰(zhàn)。
安全性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之二，來自高比例新能源和高比例電力電子器件的“雙高”特性，及其所誘導的安全性挑戰(zhàn)。一是新能源固有隨機性導致系統(tǒng)功率分布的不確定性高，常態(tài)化靜態(tài)安全分析需要適應從確定性向不確定性的過渡；二是新能源“集群化”和“分布式”的發(fā)展趨勢：前者以“沙戈荒”大型風光基地為代表，設備—場站—場群—網(wǎng)側換流站串聯(lián)，并最終依賴配套送出工程實現(xiàn)大范圍能量轉移。多環(huán)節(jié)嵌套導致故障的傳播流程復雜，單一設備故障可能引發(fā)系統(tǒng)性功率缺失；后者則以微電網(wǎng)、零碳園區(qū)為代表，就地平衡消納為主。擾動距離用戶近、涉及線路多、接入設備雜，對保護裝置的速度和精度要求高。亟須系統(tǒng)性突破故障后的新能源電力系統(tǒng)保護及源網(wǎng)協(xié)同控制技術；三是電源側、電網(wǎng)側、負荷側大量電力電子換流設備的應用，使得電力系統(tǒng)的慣量下降，相對于傳統(tǒng)的以同步電源為主的火電系統(tǒng)而言，對于大小擾動的抵御性下降，亟須拓展不依賴于同步電源的保護新理論。
經(jīng)濟性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之三，來自經(jīng)濟性，也即電力市場化機制所決定的資源優(yōu)化配置效率。當前，面對高比例新能源在全國范圍內(nèi)轉移傳輸?shù)奶卣鳎瑐鹘y(tǒng)的面向化石能源、以就近供需平衡為主的市場機制，顯現(xiàn)出全局統(tǒng)籌能力不足的局限；儲能、分布式發(fā)電等新技術提高了負荷側電力自發(fā)自用的水平，富裕的電力和負荷調(diào)節(jié)能力甚至可以反向支撐大電網(wǎng)。然而，傳統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)主要依托于行政手段，缺乏源荷互動的靈活性和激勵性。新形勢下亟須建設全國統(tǒng)一的電力市場，推動跨省跨區(qū)電力市場化交易和源網(wǎng)荷儲深度互動，完善電力中長期、現(xiàn)貨、輔助服務交易有機銜接機制。
市場機制進一步引導了電力系統(tǒng)的形態(tài)演化。目前，綠電交易、碳市場、虛擬電廠等新需求新概念層出不窮，它們本質上都是市場化的工具。如何預測不同市場機制下新能源、火電、氫能、儲能協(xié)同發(fā)展與演進路徑，在多變的環(huán)境中運用上述政策工具實現(xiàn)對系統(tǒng)形態(tài)結構的調(diào)整，形成面向長周期的新能源電力系統(tǒng)演化規(guī)劃的理論和方法，仍有待研究。
面對日益嚴峻的氣候危機與能源安全挑戰(zhàn)，構建新型電力系統(tǒng)已成當務之急。在此過程中，一方面需大力推動新能源的開發(fā)與利用，另一方面也要充分發(fā)揮傳統(tǒng)能源作為“壓艙石”的重要作用，穩(wěn)步推進新型電力系統(tǒng)建設，為“雙碳”目標的實現(xiàn)提供重要支撐！
