范榮全,楊 云,許 珂,胥威汀

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

0 引 言

隨著全球氣候關(guān)注度以及可持續(xù)發(fā)展呼聲的提高, 能源轉(zhuǎn)型成為各國政府和能源行業(yè)的重要議題,而電力系統(tǒng)作為關(guān)鍵的能源基礎(chǔ)設(shè)施,扮演著重要的角色。在實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的指引下,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)應(yīng)運而生[1-4]。

為應(yīng)對全球氣候變化和可持續(xù)發(fā)展,中國明確提出2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的目標(biāo)。在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略背景下,舊有的電力系統(tǒng)無法滿足日益嚴格的碳排放要求。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)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(fā)和利用、推動能源轉(zhuǎn)型以及加強能源效率等,促進新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。同時,在智能電網(wǎng)技術(shù)和能源儲存技術(shù)方面加大研發(fā),以提高電力系統(tǒng)的靈活性和智能化水平,實現(xiàn)供需平衡和能源管理的優(yōu)化。

下面在相關(guān)新型電力系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合國家能源政策與形勢的最新變化,對電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程、新型電力系統(tǒng)的認識、典型特征及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)4個方面進行了綜述研究,以期為“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃發(fā)展及相關(guān)研究工作的開展提供參考與借鑒。

1 認識新型電力系統(tǒng)

1.1 新型電力系統(tǒng)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(tǒng)的認識也不斷更新。目前還沒有針對新型電力系統(tǒng)的統(tǒng)一定義和描述。

部分大型能源企業(yè)提出了相關(guān)的認識:國家電網(wǎng)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(jīng)濟社會發(fā)展的電力需求為首要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)化認識[5];南方電網(wǎng)從綠色高效、柔性開放和數(shù)字賦能[6]3個方面體現(xiàn)了對新型電力系統(tǒng)的認識。

中國科學(xué)院院士提出新型電力系統(tǒng)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(zhì)安全可靠。國家氣候戰(zhàn)略中心學(xué)術(shù)委員會采用清潔化、低碳化和智能化來概括傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新型電力系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出了新型電力系統(tǒng)的“四新”,即新結(jié)構(gòu)、新形態(tài)、新技術(shù)以及新機制。

2022年5月《新型電力系統(tǒng)導(dǎo)論》提出:新型電力系統(tǒng)以綠色低碳、安全可控、智慧靈活、開放互動、數(shù)字賦能、經(jīng)濟高效為基本特征[7],結(jié)構(gòu)上有更強新能源消納能力,形態(tài)上源網(wǎng)荷儲深度融合互動,技術(shù)上各環(huán)節(jié)數(shù)字化和智能化,經(jīng)濟上電力和碳市場協(xié)同發(fā)展。

1.2 哲學(xué)中的新型電力系統(tǒng)

中國傳統(tǒng)文化與哲學(xué)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(tǒng)的對立統(tǒng)一關(guān)系如圖1所示。電力系統(tǒng)的發(fā)展來源于需求,發(fā)展與需求是相互促進依存的關(guān)系。直流和交流是相互對立又相互依賴的,沒有絕對的優(yōu)劣之分,應(yīng)在不同應(yīng)用場景下發(fā)揮最佳優(yōu)勢。電力的供應(yīng)和需求是既相互對立又相互依賴的。電力系統(tǒng)的發(fā)展與技術(shù)進步緊密相關(guān),而技術(shù)的發(fā)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(fā)展的。

圖1 電力系統(tǒng)的對立統(tǒng)一關(guān)系

在電力系統(tǒng)發(fā)展的過程中,安全-經(jīng)濟-環(huán)保的“矛盾三角形”將長期存在,如圖2所示。在新型電力系統(tǒng)中:從安全角度考慮,需要解決系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shè)計和控制策略來解決,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電力供應(yīng)的安全性;從環(huán)保角度,需要在能源安全穩(wěn)定保供的前提下,逐步穩(wěn)步替代傳統(tǒng)能源,實現(xiàn)新能源的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展,同時不斷釋放負荷側(cè)電氣化水平潛力;在經(jīng)濟方面,不僅要考慮到新能源發(fā)電、電網(wǎng)接入以及系統(tǒng)調(diào)節(jié)的成本,還應(yīng)顧及到靈活調(diào)節(jié)資源、清潔能源外送以及環(huán)境屬性所帶來的效益。三者相互對立又相互統(tǒng)一,需要找到最佳的平衡點,才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖2 安全-經(jīng)濟-環(huán)?！懊苋切巍?/p>

哲學(xué)方法論與人文結(jié)合指出新型電力系統(tǒng)的發(fā)展與人類社會進步、先進技術(shù)迭代以及消費行為習(xí)慣緊密相關(guān)。另外,哲學(xué)和傳統(tǒng)文化為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向,即電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展是與需求緊密相關(guān)、相互促進的,通過如交直流之爭等矛盾引起的發(fā)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(tǒng)的典型特征

與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比,新型電力系統(tǒng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)具有新的典型特征。

2.1 電源側(cè)典型特征

1)電源類型發(fā)生轉(zhuǎn)變

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

2)電源布局發(fā)生轉(zhuǎn)變

根據(jù)中國風(fēng)能、太陽能等新能源的資源分布情況,新能源在開發(fā)過程中主要以集中式、分散式為主。

2.2 電網(wǎng)側(cè)典型特征

在主網(wǎng)側(cè)將呈現(xiàn)更大規(guī)模的超、特高壓交直流互聯(lián)。超大規(guī)模同步電網(wǎng)改異步電網(wǎng),設(shè)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(wǎng)形態(tài)特征也將發(fā)生重大變化。從電源結(jié)構(gòu)來看,具有“主網(wǎng)+分布式電源”、儲能[8]、能源產(chǎn)消者、供給多元化等新要素;網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行方式有變化,電力潮流從單向變?yōu)殡p向[9];負荷類型方面,各類柔性負荷接入使負荷特性愈趨復(fù)雜;電力裝備方面,大量電力電子裝備并網(wǎng),各環(huán)節(jié)的電力電子化進程加快。

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

圖3 數(shù)字化主動配電網(wǎng)框架

另外,新型配電網(wǎng)具備靈活調(diào)節(jié)能力,能夠更好地利用負荷側(cè)資源,通過源網(wǎng)荷儲多向互動的方式,進一步加強電源、電網(wǎng)和負荷之間的協(xié)調(diào)與交互。通過引入虛擬電廠等一體化聚合模式,新型配電網(wǎng)能夠參與電力市場的中長期交易、輔助服務(wù)交易和現(xiàn)貨交易等。這樣的安排可以實現(xiàn)電網(wǎng)資源的全局統(tǒng)籌、跨區(qū)協(xié)同和區(qū)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(xù)發(fā)展。

圖4 多元源荷儲聚合的新型能源自治體系

2.3 負荷側(cè)典型特征

傳統(tǒng)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(jīng)濟社會發(fā)展和人們生活水平提高,傳統(tǒng)負荷體量龐大,如空調(diào)的社會保有量估計約5.4億臺。2022年,經(jīng)濟復(fù)蘇帶來用電高需求,全社會用電量8.6 PWh,同比增長3.6%;據(jù)中電聯(lián)預(yù)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(fā)展。近年來,分布式電源、電動汽車和儲能等新型負荷快速發(fā)展,在配電側(cè)接入的容量越來越大,更多新型用能場景涌現(xiàn)。預(yù)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(wù)電量將超過50 TWh。因此可以預(yù)見,新型負荷的比例在未來會繼續(xù)增加,具備高隨機性、高靈活性和高可靠性的特點,傳統(tǒng)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(zhuǎn)換為電源。分布式電源、用戶側(cè)儲能、電動汽車反向放電[12]、虛擬電廠[13]等逐步應(yīng)用推廣,部分負荷不再是單一流向而是參與電網(wǎng)側(cè)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(fā)電,實現(xiàn)了雙向能量互動。

3 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

隨著新型電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)新特征的出現(xiàn),構(gòu)建新型電力系統(tǒng)也將面臨許多新的挑戰(zhàn)[14-16],主要包括管理及體制機制、經(jīng)濟性、技術(shù)性三類挑戰(zhàn)。

3.1 管理及體制機制挑戰(zhàn)

1)經(jīng)濟屬性、社會屬性和政治屬性交織帶來的關(guān)聯(lián)影響問題。新型電力系統(tǒng)集經(jīng)濟屬性、社會屬性和政治屬性于一體,引起新的更為復(fù)雜的管理及體制機制挑戰(zhàn),超越通常的工程技術(shù)經(jīng)濟研究領(lǐng)域和理論。

2)新型電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、環(huán)保的對立和統(tǒng)一問題。如何在保障能源安全供應(yīng)(保供應(yīng)、保安全)的前提下,經(jīng)濟高效地實現(xiàn)雙碳目標(biāo),是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性問題,經(jīng)濟-安全-環(huán)?！懊苋切巍睂㈤L期存在。

3)適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的配套政策、機制問題?！缎滦碗娏ο到y(tǒng)發(fā)展藍皮書》[17]提出:配套政策與體制機制是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的制度保障,是充分發(fā)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(shù)和利益分配博弈問題。新型電力系統(tǒng)背景下,用戶數(shù)據(jù)更加多元化,電網(wǎng)在需要獲取傳統(tǒng)的用戶負荷數(shù)據(jù)外,還需要獲取光伏、儲能等數(shù)據(jù),在獲取過程中由于技術(shù)、管理等原因可能會出現(xiàn)與用戶之間信息不對稱的問題,進而導(dǎo)致產(chǎn)生難以解決的正和博弈問題。

3.2 經(jīng)濟性挑戰(zhàn)

1)目前,新型儲能發(fā)展亟需成本疏導(dǎo)。鋰、釩等電化學(xué)儲能和鹽穴、飛輪等物理儲能設(shè)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(shè)施不完善,目前普及程度有限。然而,隨著市場規(guī)模擴大以及政府對儲能技術(shù)的持續(xù)支持,氫能發(fā)電技術(shù)將更加成熟、成本也會大幅降低。在未來,預(yù)計氫能等技術(shù)可能在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,例如小型便攜式氫儲能。當(dāng)然這種發(fā)展趨勢也將給電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)運營提出巨大挑戰(zhàn)。

2)微電網(wǎng)“自平衡”導(dǎo)致的經(jīng)濟性問題。微電網(wǎng)“自平衡”是能源電力發(fā)展新的形態(tài),是行業(yè)適應(yīng)社會發(fā)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(fā)與就地消納的基礎(chǔ)上,保障缺電等特殊時期的供電需求和成本的合理疏導(dǎo),需要統(tǒng)籌兼顧其政治、社會和經(jīng)濟性。

3)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的投資和收益的平衡問題。新型電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運行等環(huán)節(jié)的投資決策對于其可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。在開展大規(guī)模特高壓建設(shè)、電網(wǎng)改造、電網(wǎng)智能化設(shè)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(shè)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(shù)的投資收益問題。人工智能等技術(shù)的不斷成熟,使其將逐步滲透到電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電等各個環(huán)節(jié),實現(xiàn)提升設(shè)備工作效率、輔助智能監(jiān)控和決策、解決人工誤操作等問題。這些環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備規(guī)模和消耗的人力資源都非常龐大,形成一定的市場規(guī)模后,能帶來不錯的投資收益。

3.3 技術(shù)性挑戰(zhàn)

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

首先,分布式光伏電源接入配電網(wǎng)可能引發(fā)電壓調(diào)整問題。由于光伏電源的功率波動性較大,接入配電網(wǎng)后,可能會導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定,尤其在光照強度變化較大的情況下。因此,需要配電網(wǎng)進行相應(yīng)的電壓調(diào)整和穩(wěn)定措施,以確保電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。其次,保護配置是分布式光伏電源接入配電網(wǎng)所面臨的另一個問題。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中,保護配置主要是針對集中式發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的,而分布式光伏電源的接入會導(dǎo)致電力流向的變化且不確定性增加。因此,配電網(wǎng)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(wǎng)的運行。此外,分布式光伏電源接入配電網(wǎng)還涉及電能質(zhì)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(wǎng)為能源領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇,但也面臨著一系列問題;需要合理的規(guī)劃和技術(shù)措施來解決相關(guān)問題,實現(xiàn)分布式光伏電源與配電網(wǎng)的有機融合,推動清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。

2)新能源出力損失與電能質(zhì)量問題[19]。在新能源發(fā)電裝機規(guī)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(fā)電的補位能量平衡和電能質(zhì)量問題。圖5展示了在一天中風(fēng)能、光伏等新能源的發(fā)電量與電網(wǎng)的實際出力及負荷曲線,新能源發(fā)電并網(wǎng)會帶來間歇性和波動性的問題,同時還可能存在孤網(wǎng)問題、諧波問題等,影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖5 新能源參與的電網(wǎng)出力及負荷曲線

3)適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的各類發(fā)電機組配置比例問題。新型電力系統(tǒng)的核心特征之一,是新能源如風(fēng)能和太陽能等,逐漸成為主要的電力供應(yīng)來源。這種轉(zhuǎn)變是為了減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴,降低碳排放,實現(xiàn)清潔能源的可持續(xù)利用。而新能源發(fā)電的隨機性、波動性以及帶來的安全問題都需要一定的調(diào)節(jié)性資源進行補充。因此,為了確保新型電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)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(chǔ)的調(diào)節(jié)服務(wù),同時,一定配比的儲能也將發(fā)揮全時間尺度的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,以滿足系統(tǒng)的需求。

4)多重復(fù)雜特性電源共存狀態(tài)下發(fā)電連續(xù)性出力的協(xié)同控制問題。新型直流匯集接入技術(shù)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(cè)的不可控性。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)多種電源簡單疊加的形態(tài)將不再適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的要求,風(fēng)光互補、新能源+水電、新能源+儲能、新能源+氫能、風(fēng)光水火儲一體化等多元協(xié)同開發(fā)模式的創(chuàng)新能更好地實現(xiàn)多時間尺度下的優(yōu)化配置。

5)超大范圍、超大規(guī)模同步電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定[20]、短路電流和安全問題。從安全性角度來看,大同步電網(wǎng)具有短路電流問題突出和大面積停電的風(fēng)險。由于大同步電網(wǎng)存在大量的電力設(shè)備和復(fù)雜的電力傳輸網(wǎng)絡(luò),發(fā)生短路故障時會導(dǎo)致巨大的短路電流,對電力設(shè)備和系統(tǒng)造成嚴重的沖擊;發(fā)生故障或其他意外情況時,可能會導(dǎo)致整個區(qū)域范圍內(nèi)的停電。同時,大同步電網(wǎng)還存在連鎖反應(yīng)事故的問題。與中小同步電網(wǎng)相比,大同步電網(wǎng)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(xié)同控制與系統(tǒng)振蕩問題、新型電力系統(tǒng)抵御自然災(zāi)害的能力問題、多重因素耦合下的總能量需求預(yù)測問題、適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的儲能布局與配置問題[21]、大規(guī)模儲能帶來的協(xié)同控制問題以及大規(guī)模、大容量、快充動力電池對配電網(wǎng)帶來的問題等。

4 結(jié) 語

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

上面從電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程和形勢入手,提煉了關(guān)于新型電力系統(tǒng)的認知,建議采用“對立統(tǒng)一、相互促進”的發(fā)展觀來看待并指導(dǎo)新型電力系統(tǒng)建設(shè);并總結(jié)了新型電力系統(tǒng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)的典型特征,梳理了電源類型和布局、主配網(wǎng)形態(tài)、多要素接入與聚合、源網(wǎng)荷儲互聯(lián)互動等重要轉(zhuǎn)變趨勢;最后,從管理及體制機制、經(jīng)濟性、技術(shù)性3個角度闡述了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn),也從中捕捉到了一系列關(guān)鍵的發(fā)展機遇和突破重點,為今后的相關(guān)研究提供參考和建議。