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5G">作者：黄思维
在近日举行的“2021全球十大工程成就暨2021全球工程前沿发布会”上，中国工程院院士、华能集团董事长舒印彪在报告中指出，在中国全力推行“双碳”目标的背景下，电力系统和能源系统承担着重要的责任。他表示：“新型电力系统是对传统电力系统的继承和发展，不是颠覆，也不是推倒重来。”
舒印彪
在能源系统的碳排放中，能源活动占排放总量的88%，电力系统排放占37%。要实现碳达峰、碳中和，电力系统有两个任务：一是使电力系统朝着零碳电力系统发展，就是将传统的电力系统变成以新能源为主体的新型电力系统；二是大力驱动电气化。以下为报告整理。
一、新型电力系统需三个发展阶段
新能源在新型电力系统中，占比要达到多少才能够实现“双碳”目标？这就要研究新型电力系统里电源结构的演变，而这涉及四个基本问题的研究。
第一，要对中长期用电需求进行预测。在过去几十年间，用电需求预测总会出现一些问题。在研究电力系统的发展规划与演变过程时，一定要考虑电力系数究竟是多少，以确保用户能安全可靠、经济高效地用电。第二是新能源的资源和出力特性的分析，要评估风能、太阳能等资源的条件和可开发的规模，研究新能源发电的随机性、波动性和互补性。第三，要优化新能源和各类电源的结构。要按照碳达峰、碳综合的目标进行电力与电量的平衡，包括对短期、中期和长期进行生产模拟。第四，要开展安全性的评估，得保证电力系统能够安全稳定地运行。
对各种能源结构经济性的组合评价，涉及技术、经济、资源等多方面的约束，按照安全、经济、高效的原则，要进行多方案、多路径的比较分析，才能优化提出我国能源转型目标和新型电力系统的发展路径。
通过研究发现，新型电力系统中的新能源包括电气化，要实现“70、80、90”的目标。70指的在终端能源中电气化要占到70%，现在只有27% ；非化石能源的消费比重到2060年要达到80%以上，而现在只有16%；第三个重要指标是在非化石能源的发电量占比能达到90%。
因此，新型电力系统的发展过程也要经历三个阶段，即电源结构的演变。第一个阶段是在2030年碳达峰之前，电力的碳排放要优于油气行业，进入峰值的平台期。在这一阶段电力需求的增长按照4.2%设定，装机容量到2030年为40亿千瓦，用电量达将达11.8万亿千瓦。2021年用电量为8万亿千瓦——从8万亿到11.8万亿，在增加的3.8万亿中，新增电力需求的80%要由清洁能源来满足。到2030年左右我国煤电发电量占比要下降到42%，预计清洁能源发电量占比将接近50%。
第二个阶段是深度的低碳阶段。从2031年到2050年，电力系统的碳排放经过两到三年平台期后要快速下降，电力系统的碳排放从40亿吨下降到10亿吨，实现深度低碳的电力系统。
第三个阶段是零碳阶段。从2051年到2060年10年间，要从深度低碳发展到零碳。在这个过程中还要保留一定规模的火电，产生的碳排放通过CCUS技术移除。这一阶段的发电装机容量要达到70亿千瓦，发电量要达到15.7万亿千瓦，清洁能源发电量的占比达到90%，其中新能源、水电、核电发电量的占比要达到61%、13%和16%。
从2051年到2060年期间，新能源发电占比要超过60%，相当于现在煤电发电的占比，届时双方比例要互换。那么，新能源为主体究竟占比要达到多少？根据我们研究的情况是60%左右。而电力系统中新能源的不断演变，对传统的电力系统提出了巨大的技术挑战，这需要一系列的重大的技术和理论上的突破。
新型电力系统有四个显著的特征。第一个特征就是将以化石能源为主体的电力系统，变成以新能源为主体的电力系统；第二个技术特征是将电力系统变为电力电子系统；第三，新型电力系统的形态和功能呈现多样化，将形成以电为中心，电力系统作为平台，多种能源相互补充、灵活转化的功能扩展；第四，新型电力系统和现代电力系统相比，要从自动化、智能化变为自动化、智能化和数字化向融合，大云物移智链等现代信息通信技术将在新型电力系统里边广泛应用，数字技术与电力技术实现深度融合。
二、新型电力系统面临的科技问题
在新型电力系统的科学技术方面，首先其安全稳定机理更趋复杂，这体现在运行特性上，由连续可控的电源变为热可控或强度确定性的电源。传统的电力系统是常规电源主导，发电出力是连续可控的，如ADC、EDC等控制策略和控制的技术已经非常成熟。新型电力系统将由新能源为主导，但新能源受天气变化影响，又具有随机性、波动性间歇性，它的发电出力是不可控的或具有高度不确定性。
电力系统的稳定运行中有两大指标，即频率处于稳定的50赫兹与稳定的电压。而在新型电力系统中面临两大技术难题，一是电力电量实施平衡的问题。新能源的日内波动很大，2020年我国新能源装机已经达到5亿千瓦，但它的日最大波动为1.7亿千瓦，占最大负荷的16%。到2050年，新能源装机达到42亿千瓦，最大的日功率缺额波动将达到10亿千瓦，占最大负荷的40%，这是一个很大的问题。
从周的平衡和月的平衡看，经常出现连续的阴天、无风、寒潮等天气，新能源出力的不确定性很强。如2020年西北风电中，低于10%的装机最长为5天，华东光伏的出力低于20%的装机为8天。
此外，新能源发电还存在着季节性的差异。风电夏季比冬季的利用小时数要少。2020年4月，风电发电量达到全社会用电量的9%，而7月风电发电量只是全社会用电量的4%。这就是第一个平衡的问题，影响到电力系统用户的安全可靠供电。
第二是安全问题。双高电力系统的安全稳定机理发生了根本改变，这也是新型电力系统需要解决的最为突出的问题。能否在新型电力系统下保证电网的安全稳定，保证传统电力系统安全。如2016年的9月28号，强台风袭击了澳洲的南部地区，这一地区电力电子类的电源出力占比为55%，输电线路相继故障。大量的风机脱网，系统的转动惯量不足，系统频率以每秒钟6耗赫兹下降，最终导致系统的频率崩溃。
第二个例子就是2019年的8月19号，由于遭受了雷击，英国一条400千伏的线路出现故障，随之海上风电出现脱网。此时的负荷为73.7万千瓦，同时燃气电站也出现故障，损失出力64万千瓦，系统频率由此下降从而引起连锁反应，分布式电源脱网，造成了大面积停电。
第三个例子是2021年2月中旬，美国得克萨斯州遭受暴风雨极端天气，大量的风电机组停运，风机、天然气的管道等因结冰无法运行，400万用户失去供电、供暖长达一周的时间，电价涨到了几十美元一度。
此外，2021年7月，法国南部森林发生火灾，法国与西班牙间一条400千伏的联络线跳闸，在故障前西班牙用电负荷2990万千瓦，联络线的输入为250万千瓦，只占用电负荷的8.4%。西班牙新能源装机占比36%，故障发生后系统频率降至48.65赫兹，跌落幅度远超预计值，被迫大量切除了负荷。
2015年9月19号，四川锦屏到江苏一条特高压直流发生了双极闭锁故障。当时华东电网的负荷是1.4亿千瓦，锦屏直流仅占华东负荷的3.5%。故障发生后华东电网的频率降到49.56赫兹，跌落的幅度远超预计值，通过紧急的调控240秒以后，系统才恢复到正常频率。这都说明电力系统的形态、机理都发生了更大的变化。
从上述这些例子来看，我国现在的电力系统中，新能源的比重还没有达到西班牙那么高就出现了这些情况。为什么事先没有预先到这些？说明对新能源新型电力系统出现的问题尤其是电压稳定、频率稳定的机理认识还不重视，甚至不清晰、不清楚。
三、理论和技术需突破与创新
对传统电力系统的分析理论和一些控制方法，也不完全适用于新型电力系统；新能源对电网的友好性也需要提升；过去基于传统电力系统的一些理念、思维、方法和管理，都不能够墨守成规，按照过去的方法来解决新问题。
首先，建立新型电力系统要深化一些基础理论的研究。第一要建立新型电力系统安全稳定性的认知体系，以维持同步稳定性为基础。我国建立了电力系统安全的三道防线，经受住了实践考验，已经30多年没有发生大面积停电事故，保持着大型电力系统完全稳定运行的世界纪录。
新型电力系统的物理形态、动态特性和稳定机理发生了重大改变。需要研究建立强度决定性，非线性系统的数学模数、模型和稳定域，同时要对新型电力系统的供需平衡、随机规划、安全稳定分析、协同控制等理论方法进行新的认知。
第二要在机电系统建模的基础上，对海量电力电子装备的随机复杂系统进行建模，实现机电、电磁暂态混合仿真，全电磁暂态仿真技术的研究。要利用人工智能、数字孪生等技术，增强电力电子系统的仿真分析研究能力。建立与双高电力系统相适应的安全控制体系，控制模式，要由传统集中的控制为主，发展为集中加分散的协调控制。
第三要构筑新型电力系统的主动防御体系，要基于新型电力系统的可观可测，通过预测、预判、预警和预控，实现安全风险的主动防御。要发挥电力电子装备快速调节的特点，实现大范围多资源协同快速控制，增强故障的事中、事后防御和恢复能力，提高新型电力系统的韧性。
同时，要推进一系列关键技术的突破。一是新能源的灵活调节技术，发展电网友好型的能源，提升新能源高电压、低电压穿越的能力，惯量相应、一次调频与无功调压的能力，发展虚拟同步、光热发电、电网友好型等新型电源技术，提高新能源的主动支撑能力。第二是发展技术煤电清洁高效利用技术。提高效率、加快灵活性改造，使煤电向调节性电源转变，要突破低成本、低能耗的CCS/CCUS技术，发展生物质，耦合、碳捕集等负碳技术。
第三要发展先进电网技术，如特高压、柔性输电、直流电网、宽禁带电力电子器件等技术。要发挥大电网的作用，实现时间差，季节差互补，实现风光水火互济，跨地区、跨流域的补偿调节，各类定员资源充分共享，互为备用。要发展主动配电网和直流配电技术，提高分布式电源和微电网的灵活性，互动性和电能利用效率。
第四是用户侧的主动响应技术。过去在传统电力系统中强调很少的，在新型电力系统中变得非常重要。用户主动响应，是新型电力系统区别于传统电力系统的重要内容。缺少用户的主动响应，构建新型电力系统的经济成本将不可承受，同时要发挥我们在一些空调、电动汽车等柔性负荷的作用。
四、储能是调节能力的重要组成部分
要推广智慧用能的管理，充分挖掘用户可调节资源，加强电动汽车、智能家电、家庭储能、可中断负荷等负荷能力的建设，到2030年我国负荷需求侧响应的能力要得到大幅提升。
储能技术是新型电力系统调节能力的重要组成部分。在各种形式的储能当中，抽水蓄能最可靠、最经济，电化学储能是进步最快、发展潜力最大的新型储能。要大力推广抽水蓄能技术，加快电化学储能的稳定性、系统集成、梯次利用、纳米材料等关键技术的应用。这里提到的是全时间尺度储能的发展，即日内储能、周内储能和季节性的长期平衡需要的储能。
数字技术是新型电力系统里最显著的特点。数字化是新型电力系统具备的显著的技术特征，要推进多科学、多领域的集成创新，实现新能源与数字技术的深度融合。提高新能源的预测精度，现在已经有了很大的进展。要增强用户侧主动负荷的响应能力，要应对随机性的问题都需要数字化。
最后一个重点技术就是电力市场技术。电力市场将在激励各类灵活性资源参与系统调节，促进新能源消纳，保障系统安全性和容量的充裕性等方面将发挥重要作用。我国“统一市场、两级运作”的电力市场架构已经建立，2020年的市场化交易电量已经达到43%。要通过市场化建设，使各类能源能够共享，在市场上得到合理的回报。
高科技与产业化授权转载
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