本文摘要：摘 要:构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和目标的重要手段。在高比例可再生能源和高比例电力电子设备的双高趋势下，电力系统将从源随荷动的确定性电量平衡向源网荷储多元协同概率性电量平衡过渡，从以机械电磁设备为主的高转动惯量系统向电力电子器
摘 要:构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段。在高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”趋势下，电力系统将从“源随荷动”的确定性电量平衡向源–网–荷–储多元协同概率性电量平衡过渡，从以机械电磁设备为主的高转动惯量系统向电力电子器件为主的低转动惯量系统演化，势必对电力系统的发电、输电、配电、用电等多环节提出更高的要求。本文结合近年来中国电力低碳转型的成效及国家碳排放现状，阐述了未来新型电力系统对于“双碳”的贡献。在此基础上，从安全运行、可靠供电、经济高效及数智转型4个层面论述了构建新型电力系统的关键技术，并从稳定问题复杂化、防控措施待强化、灵活资源多样化、运行方式灵活化、供电需求品质化、市场机制多元化、能源利用高效化、能源生态数字化、运营管控智能化9个方面梳理总结了建设新型电力系统将要面对的主要挑战。新型电力系统重点将在发电侧利用清洁能源替代化石能源以降低发电碳排放，在用电侧推动电气化转型以减少传统终端用能过程碳排放两个方面助力“双碳”目标实现，迫切需要统筹考虑4个层面的问题：1)安全运行是根本前提，由于新型电力系统动态特性改变及演化机理不明，不仅需要解决各类新型电力系统稳定性问题，也要应对电压、频率的支撑不足，以及应对措施不完善的严峻挑战。2)可靠供电是核心目标，解决新能源发电波动性、间歇性所带来的电力电量平衡问题，需要让更多的灵活性资源参与到电力系统功率平衡调节中，同时，还需要统筹调度系统各环节的灵活性资源，保障电力系统可靠、高品质供电。3)经济高效是必然要求，目前尚缺乏合理的电力市场机制与碳市场机制作为提高系统经济效益的有效手段，中国在源、网、荷、储各方面的能效仍有较大提升空间。4)数智转型是关键支撑，电力业务亟需通过数字技术与智能控制技术改造生产及管理模式，“大云物移智链”等技术在能源电力领域的融合创新和实际应用同样面临诸多挑战。规划、设计、建设、运行以新能源为主体的新型电力系统需要结合新理论、新技术、新市场、新政策，研究系统安全运行中的稳定机理与防控措施，挖掘系统灵活性资源并维持系统可靠供电，设计合理的电力市场与碳市场机制，不断提高能源生产–传输–存储–转换–消费等环节的效率，朝着从高碳电力系统向深度低碳或零碳电力系统转型的目标持续迈进。
关键词:碳达峰;碳中和;新能源;电力系统
全球经济和工业水平的迅猛发展，促使能源需求急剧增长。传统化石能源在生产、转化过程中会产生大量二氧化碳，其引发的气候问题已日益威胁全球生态安全。截至2021年4月22日，全球已经有120多个国家陆续宣布了碳中和目标。碳中和是指在规定时间内，二氧化碳的人为移除抵消人为排放，达到相对“零排放”。当前，中国已将减碳列入国家重要发展目标，力争于2030年前达到碳排放峰值，2060年前实现碳中和。
目前，中国电力系统碳排放还处于较高水平，占全社会碳排放的40%左右，其中煤电是碳排放的主要来源，故提升电网新能源发电比例是实现减碳目标的重要途径。国家电网公司、南方电网公司已发布助力“碳达峰、碳中和”的有关文件，推动构建以新能源为主体的新型电力系统。在发电侧，采用清洁能源代替化石能源，降低发电碳排放;在输配电侧，提高传输效率，减少损耗;在用电侧，实施用能电气化改造，减少传统终端用能过程中的碳排放。针对传统能源供应体系中电力、热能、天然气各自独立、社会基础设施资源利用率低下、缺乏统筹规划等问题，有必要构建以电为中心、电网为平台的综合能源系统[1]，实现能源广泛互通互济。
此外，“数字新基建”对于推动数字技术与传统电网产业深度融合发展具有重要意义，以此加速产业数字化和数字产业化，以电网数字化转型助推新型电力系统建设。中国风电和光伏发电装机容量自2010年起开始大幅增长，但在电力系统中，风光发电量的占比仍然很低，2019年仅占到2.9%和5.4%。然而，在中国“双碳”目标下，到2060年预测中国风电和光伏发电装机容量占比之和需达到约80%，发电量占比之和达到约70%[2–4]。未来高比例新能源并网将给新型电力系统带来诸多挑战，包括安全稳定运行、电力电量平衡、新型市场机制建设，以及数字化与智能化提升等，具体表现如下：
1)传统电力系统采用出力可控的火电机组发电，而新型电力系统采用出力具有随机性、波动性和间歇性的新能源机组发电[5]。2)传统电力系统采用同步发电机旋转惯量作为电网支撑，其安全稳定控制理论较为完善;而新型电力系统中的大量新能源发电设备缺乏惯量支撑，且应对电力扰动鲁棒性差[6]，其稳定机理与控制方法有待研究[7]。3)传统电力系统由确定性一次能源保障供电可靠性与经济性，在规划设计、稳定分析、平衡调控、电力市场等方面均以确定性条件进行技术研究和工程应用;而新型电力系统主要由波动的可再生能源为负荷供电，在规划设计、平衡调控等方面均以不确定性条件进行技术研究和工程应用。
4)传统电力系统的发电成本较低，而新型电力系统建设将大幅增加电网发、输、配、用各环节的建造和运行成本。5)传统电力系统数据量较小，对数据传输、处理能力等要求较低;而新型电力系统具有数据量大、多样化、相互关联等特点，对电网信息传输、数据处理等多方面提出了更高的要求。实现传统电力系统向新型电力系统转变，安全运行是根本前提，可靠供电是核心目标，经济高效是必然要求，数智转型是关键支撑。与此同时，新型电力系统在安全、可靠、经济及数智化进程方面还存在诸多挑战，需要新理论、新技术、新市场、新政策共同支撑。
本文首先阐述了新型电力系统对实现“双碳”目标的贡献;然后，从安全运行、可靠供电、经济高效和数智转型4个层面分析了新型电力系统面临的主要挑战，包括稳定问题复杂化、防控措施待强化、灵活资源多样化、运行方式灵活化、供电需求品质化、市场机制多元化、能源利用高效化、能源生态数字化，以及运营管控智能化;最后，从强化基础研究、攻克关键技术、推进工程应用的维度给出应对上述挑战建议采取的主要具体措施，以期吸引更多学者参与对新型电力系统的探讨与研究。
1新型电力系统对“双碳”的贡献
中国电网公司已经在推动能源电力转型中取得了丰富的实践成果。截至2020年底，为建设坚强智能电网，保障新能源及时并网消纳，中国电网公司已投资约2.4万亿元，以加强输电网络及清洁能源电站建设。在电网侧，跨区域输电能力达2.3亿kW，其中输送清洁能源电量占总输电量比例达43%。
在能源消费侧，采用加快建设电动汽车充电网络，民航机场、沿海和内陆码头不断推广以电代油，工业领域推广电窑炉、电锅炉等举措，累计实现替代电量8677亿kW·h，电能消费占终端能源消费比例约27%。此外，为促进能源高效利用，研发并全面掌握特高压核心技术和全套设备制造能力，建成国家风光储输、张北柔直等示范工程;建设“新能源云平台”，在新能源电厂并网与运行控制领域也获得一系列成果。
随着发电侧清洁能源替代程度的深化，系统稳定机制复杂、调节资源稀缺等问题愈加凸显。如何最大化消纳新能源，实现更高要求下新型电力系统的安全、可靠、经济运行，仍面临诸多挑战。未来新型电力系统的构建还需继续围绕能源供给清洁化、能源消费电气化不断推进。当前，中国为减少能源利用中的碳排放，仍在不断推动能源生产与消费结构朝着清洁、高效、低碳的方向良性发展[8]，并以电为中心、电网为平台带动能源系统转型。
同时总结了构建新型电力系统的路径及挑战。薛钦源等[9]通过计算能源供给多样性的方法说明了中国能源供应的现状并指出了一次能源结构发展和结构优化所面对的问题及对应的建议。在加快节能减排，防治大气污染的新形势下，中国正不断努力在能源供给侧构建多元清洁能源供应体系。国家光伏装机量占全球的45%左右，并持续为光伏发电成本降低做出贡献，中国风电装机量以20%年均增速提升。
在“十三五”期间，为保障新能源及时并网消纳，通过煤电灵活性改造和系统调节能力的提升，促使风电和太阳能发电量达5872亿kW·h，减少燃煤消耗2.5亿t，减排二氧化碳当量4.5亿t。此外，能源技术创新同样意义重大，当前中国已实现核能、光热等新型发电方式的自主设计、建造和运营，其运行安全性与社会认可度都在不断提升[10]。
构建新型电力系统除推进新能源利用，实现电力生产减排外，在能源消费方面，随着转型发展配套政策出台实施、技术进步降本增效、电网改革与能耗双控深入推进、输配电技术不断突破，中国能源消费结构中电能消费的地位愈加突出。为了降低对传统能源的依赖，减少温室气体排放，工业、交通、建筑领域的电气化转型及能效管理也在不断推进。在工业生产过程中，传统的更换设备、优化燃料等措施已经无法满足工业部门更高的减碳需求。
为了从根本上大幅降低工业传统方式下发电、产热时的碳排放，需要大力推动热电联产、碳捕获与储能技术的大规模应用。在交通方面，运载工具的电气化转型是最为有效、贡献最大的减排措施。同理，在建筑领域提升技术水平如热泵的应用等举措，加强了建筑节能改造，对减排同样有重大意义[10]。为如期实现碳中和，中国将继续推进新型电力系统的构建，抓住能源发展新形势下的机遇，积极应对各层面下的挑战，通过多种路径加快实现能源供给侧清洁替代、能源消费侧电能替代。
2安全运行层面的挑战
2.1稳定问题复杂化
新型电力系统高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”趋势下，电力系统动态特性改变及演化机理不明，稳定问题变得更为复杂。一方面，新能源设备接入电网引发的运行方式改变将从一定程度上影响经典稳定性问题;另一方面，系统动态行为改变将引发新的稳定性问题。
2.1.1对经典稳定性问题的影响由图2可知，经典电力系统稳定性问题包括了功角稳定、电压稳定与频率稳定。新能源机组的渗透率、机组类型、地理位置、接入电网强度、运行工况、控制策略与控制参数决定了其对经典稳定性问题的影响程度。
1)功角稳定方面。在低频振荡中，具有代表性的稳定性问题是由发电机主导的功角稳定性问题，大规模新能源发电机组接入会改变电网结构和潮流分布，可能影响功角的暂态稳定性，引入新的低频振荡现象[11]。低频振荡的频率范围一般是0.2～2.0Hz，在区域联网背景下，传统发电机组发电进行远距离输送依然存在，高比例新能源并网可能加剧功角稳定问题[12]，恶化区域电网之间的机电振荡模式，引发联络线低频功率振荡。此外，新能源的接入可能会改变原有的网架结构和动态过程，使得原本稳定运行的电力装备偏离其最优运行点，进而可能引发低频振荡现象。
2)电压稳定方面。新能源机组的电压–无功响应能力将影响系统电压稳定性。高比例风电、光伏接入强度较弱的电网时电压稳定控制难度增大[13]，且容易引发新能源机组脱网，进而影响系统电压稳定性。
3)频率稳定方面。高比例电力电子化导致的系统惯量下降、新能源出力功率波动都将降低系统频率的鲁棒性[14]。在分析方法上，传统电力系统稳定性问题多单独针对功角稳定、电压稳定与频率稳定开展分析研究[15–17]。随着新能源大量接入、系统规模扩大、运行方式增多，多种不同稳定性问题相互耦合，如何进行准确的稳定性模式判别[18]，厘清不同稳定性问题相互演化规律也是未来经典稳定性问题研究的挑战之一。
Jadidbonab等[19]采用随机规划方法处理风力发电与需求的不确定性，作为评估和提高含风力发电与热能需求的电力系统稳定性基础。陈磊等[20]通过简化的代数方程和仿真分析得出了随着风电机组替换常规机组比例增大，系统稳定性具有从功角稳定向电压稳定转化的特性的结论。毛安家等[7]则进一步研究高比例新能源电力系统暂态稳定和电压稳定的演化机理，给出了基于常规机组最大替换功率的稳定性演化的量化指标。
2.1.2新型稳定性问题的出现
在新型电力系统中，电力电子变流器将广泛应用于发、输、配、用电各个环节，由此引发的新型电磁振荡现象出现在：电力电子设备与串联补偿装置[21]、电力电子设备与交流系统[22–23]、电力电子设备与直流系统[24]，以及电力电子设备之间[25]。同时，电力系统互联为振荡能量在电网中广域传播提供了有利条件，可能加剧电磁振荡的严重程度[26]。
从振荡频率的角度来讲，新型振荡现象的频带较宽，包括了低频、次同步、超同步及谐波，从Hz至kHz量级的振荡均有可能发生。其中：低频振荡多是由于新能源接入改变了系统的稳态运行点，较少见到有关于其直接引发低频振荡的工程案例;次同步振荡是新能源接入后较为普遍的振荡现象，在国内外均有较多报道，其主要机制是电力电子装置控制环节设定不合理，或难以适应系统环境导致的;谐波振荡则主要是由于电力电子装置的开关动态引发的，这也是电力电子装置接入后对区域电网最直接的影响。
3可靠供电层面的挑战
大规模新能源发电接入背景下，受地理环境和气象条件因素影响，新能源发电出力具有波动性、间歇性、能量密度低等特点[42]。同时，中国用电需求呈现冬、夏“双峰”特征，峰谷差不断扩大，北方地区冬季高峰负荷往往接近或超过夏季高峰，保障电力供应的难度逐年加大。从实际运行情况看，依靠常规电源满足电网高峰负荷需求仍然是实现电力电量平衡的主要方式。在极端天气下，很难保证充足的供电裕度支撑电力系统可靠运行。此外，由于传统电力系统灵活性不足，导致中国各地始终存在弃风、弃光问题，不利于“双碳”目标的实现。
4经济高效层面的挑战
4.1市场机制多元化
建设新型电力系统将大幅增加电网各环节的建造和运行成本，同时，考虑到新能源发电成本较高，且短时间无法通过技术创新大幅降低成本，因此设计合理的电力市场与碳市场机制是当前提高系统经济效益的有效手段[55]。根据市场类型和交易机制的差异，本文总结了电能市场、辅助服务市场、碳市场在“双碳”背景下的主要挑战和完善市场机制的主要路径。
4.2能源利用高效化
建设经济高效的新型电力系统对能源利用高效化提出新挑战。中国在源、网、荷、储各方面仍然具备较大的能效提升空间，实现“双碳”目标要求电网各主体通过技术层面、管理层面达到能源利用高效化目标，提升用能经济效益。
4.2.1技术层面
电能的生产、转换、传输、利用与存储等环节的技术创新是中国实现节能降碳、经济高效和可持续发展的关键，源、网、荷、储各环节仍有节能改造空间，主要表现为新能源发电效率有待提高、输变电损耗有待降低、部分储能技术在能量转化过程中损耗较大、部分用电设备效率较低、产业链相对较长等问题。
通过高能效设备研发、用能结构调整以及循环经济发展等方式，深度挖掘发电企业和电力用户在发用电过程中的节能潜力，在技术层面实现能源利用高效化。在发电侧，需通过提高新能源集群预测精度、热电联产等方法提升清洁能源发电效率。在电网侧，采用高压直流输电等技术减少输电损耗。在储能侧，应当考虑储电、储热、储气、储氢等多类型储能设施有效结合、互补应用，以降低储能损耗[63]。在用电侧，要求解决大量电动汽车有序充电及充电桩高效利用的问题;同时，研发工业节能装置，推广居民节能电器，通过数智化实现工艺流程节能、低温余热回收等多种举措，以达到提高能效的目的。
5数智转型层面的挑战
建设以新能源为主体的数字化、智能化电力系统需要在能源互联网的基础上，应用大数据、云计算、物联网、人工智能、移动互联网和区块链等先进数智转型技术[66]，优化电网中的能量流和信息流，增强电网经济性、灵活性、可靠性等基本指标。中国电力系统的数智化建设已具有一定的基础，例如，国家电网公司推进的“网上电网”应用，从技术、功能、形态等方面推动了传统电力系统的数智化转型，为加快建设以新能源为主体的新型电力系统提供了重要的技术支撑。
6结 论
构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标、遏制气候变暖的必然要求。随着发电侧清洁能源替代程度的深化，新型电力系统将逐渐呈现稳定问题复杂化、防控措施待强化、灵活资源多样化、运行方式灵活化、供电需求品质化、市场机制多元化、能源利用高效化以及能源生态数字化与运营管控智能化等趋势。建设以新能源为主体的新型电力系统，在安全运行、可靠供电、经济高效和数智转型4个方面对电网提出了更高的要求和挑战。为应对上述挑战采取的主要措施包括：
1)完善稳定机理分析与应对措施研究;2)挖掘系统灵活性资源，并采用概率性方法分析决策;3)设计合理的电力市场与碳市场机制;4)提高能源利用效率;5)融合信息传输、信息安全、信息处理等新技术的同时，提高电力智能化程度。采用上述措施应对新型电力系统挑战的同时，还需要充分结合新理论、新技术、新市场、新政策。本文综述了“双碳”目标下新型电力系统建设面临的关键技术挑战和可能的解决方案，以期为能源电力领域的专家学者进一步研究探讨起到抛砖引玉的作用。
参考文献：
JiaHongjie,WangDan,XuXiandong,etal.Researchonsomekeyproblemsrelatedtointegratedenergysystems[J].AutomationofElectricPowerSystems,2015,39(7):198–207.
贾宏杰,王丹,徐宪东,等.区域综合能源系统若干问题研究[J].电力系统自动化,2015,39(7):198–207.]
[1][2]全球能源互联网发展合作组织.中国2060年前碳中和研究报告[R].北京:全球能源互联网发展合作组织,2020.LiHui,LiuDong,YaoDanyang.Analysisandreflectiononthedevelopmentofpowersystemtowardsthegoalofcarbonemissionpeakandcarbonneutrality[J].ProceedingsoftheCSEE,2021,41(18):6245–6259.
李晖,刘栋,姚丹阳.面向碳达峰碳中和目标的我国电力系统发展研判[J].中国电机工程学报,2021,41(18):6245–6259.]
[3]TangBaojun,LiRu.Impactofreducedrenewableenergycostsoncarbonpeakandcarbonneutralityofpowerindustry[J].EnterpriseEconomy,2021,40(8):53–63.
唐葆君,李茹.可再生能源成本下降对电力行业碳达峰与碳中和的影响[J].企业经济,2021,40(8):53–63.]
[4]DingMing,LinYujuan,PanHao.Probabilisticproductionsimulationconsideringtimesequencecharacteristicsofloadandnewenergy[J].ProceedingsoftheCSEE,2016,36(23):6305–6314.
丁明,林玉娟,潘浩.考虑负荷与新能源时序特性的随机生产模拟[J].中国电机工程学报,2016,36(23):6305–6314.]
作者：肖先勇，郑子萱*
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/29408.html
