編者按:深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統,是黨中央基于保障國家能源安全、實現可持續發展、推動碳達峰、碳中和目標實施作出的重大決策部署,為新時期能源行業以及相關產業發展提供了重要戰略指引,有利于加快我國構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系步伐,推動經濟社會綠色轉型和高質量發展。
一、新形勢下新能(neng)源發展的歷史機遇以及電力系統面臨的挑戰
當前,我國(guo)(guo)正處于工業化(hua)后期,經濟對能(neng)源(yuan)(yuan)的依(yi)賴程度高(gao),而我國(guo)(guo)能(neng)源(yuan)(yuan)消費以化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)(yuan)為主,2020年化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)(yuan)占(zhan)一(yi)次能(neng)源(yuan)(yuan)比重達84%。碳達峰、碳中和目標下,我國(guo)(guo)能(neng)源(yuan)(yuan)結構將加(jia)速調整(zheng),清潔低碳發展特征愈加(jia)突出(chu)。
(一)碳達峰、碳中和目標推動新能(neng)源向“主體能(neng)源”轉變
隨著(zhu)經濟社(she)會的轉型(xing)發展(zhan)和能源(yuan)利用效(xiao)率的不(bu)斷提升,能源(yuan)消(xiao)費總量(liang)將(jiang)會在碳(tan)排(pai)放量(liang)達(da)到峰值(zhi)后逐步下降,但電能消(xiao)費總量(liang)一(yi)直(zhi)呈上升趨勢,預計(ji)將(jiang)從2020年的7.5萬億(yi)千瓦(wa)時(shi)增長至2060年的15—18萬億(yi)千瓦(wa)時(shi)。
新(xin)能(neng)源(yuan)將迎來跨越式發展的(de)(de)歷史機(ji)遇,成為電能(neng)增量(liang)(liang)的(de)(de)主力軍,實現從(cong)(cong)“補充(chong)能(neng)源(yuan)”向(xiang)“主體能(neng)源(yuan)”的(de)(de)轉(zhuan)變。預計到2030年,風電、光伏裝機(ji)規模(mo)超16億千瓦(wa),裝機(ji)占(zhan)比從(cong)(cong)2020年的(de)(de)24%增長至47%左右(you),新(xin)能(neng)源(yuan)發電量(liang)(liang)約3.5萬(wan)億千瓦(wa)時,占(zhan)比從(cong)(cong)2020年的(de)(de)13%提(ti)高(gao)至30%。
2030年(nian)后,水電、核(he)電等傳統非化石能(neng)源受(shou)資源和站址約束,建(jian)設逐步(bu)(bu)放(fang)緩,新(xin)能(neng)源發展(zhan)將(jiang)進一步(bu)(bu)提速。預(yu)計到2060年(nian),風電、光伏裝(zhuang)機規(gui)模超50億千瓦,裝(zhuang)機占(zhan)比超80%,新(xin)能(neng)源發電量超9.6萬億千瓦時,占(zhan)比超60%,成為電力系(xi)統的重要支(zhi)撐。
(二)新型電力系統面臨(lin)的挑戰
新(xin)能源具有(you)典(dian)型(xing)的(de)間歇性特征,出力隨機波動性強。以(yi)電動汽(qi)車為代表的(de)新(xin)型(xing)負(fu)荷(he)尖峰化特征明顯,最大(da)負(fu)荷(he)與平均負(fu)荷(he)之比持續提升。發電側隨機性和負(fu)荷(he)側峰谷差加(jia)大(da)將(jiang)對傳統電力系(xi)統造成較大(da)的(de)沖(chong)擊,要實現(xian)構建以(yi)新(xin)能源為主體的(de)新(xin)型(xing)電力系(xi)統愿景目(mu)標,我們還需要應對以(yi)下(xia)問題:
一(yi)是(shi)電力(li)系(xi)統的(de)可(ke)靠容(rong)量不足(zu)。風電、光伏因(yin)其自身出(chu)力(li)特性(xing)(xing),可(ke)靠性(xing)(xing)偏低。經(jing)研究(jiu),到2030年,在(zai)全國范圍(wei)內相對均勻分布的(de)情況(kuang)下(xia),新能源裝(zhuang)機超10億(yi)千(qian)瓦(wa)(wa),每(mei)年將(jiang)有30天以上(shang)出(chu)力(li)低于裝(zhuang)機容(rong)量的(de)10%,置信容(rong)量僅為1億(yi)千(qian)瓦(wa)(wa)。
假設峰值負荷(he)約18億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),水(shui)電(dian)(dian)裝機5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),可靠(kao)容(rong)量約3.5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),核電(dian)(dian)裝機3億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),可靠(kao)容(rong)量約3億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),風(feng)電(dian)(dian)、光(guang)伏(fu)可靠(kao)容(rong)量按1億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa)、其(qi)他可再生(sheng)電(dian)(dian)源可靠(kao)容(rong)量按0.5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa)估列,再考慮可中斷負荷(he)及(ji)電(dian)(dian)動汽車等可調節容(rong)量約5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),那(nei)么電(dian)(dian)力系統可靠(kao)容(rong)量缺口約5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa),也就是說,對(dui)于穩定電(dian)(dian)源(火電(dian)(dian))的需求仍(reng)有5億(yi)(yi)(yi)(yi)千(qian)(qian)(qian)瓦(wa)(wa)。
二是傳(chuan)統大(da)電網難以滿(man)足未來電力(li)輸送需求(qiu)。長期(qi)以來,我國能源資源與(yu)負荷呈逆向分布,大(da)電網是連接三(san)北地區(qu)(qu)等(deng)資源區(qu)(qu)與(yu)中(zhong)東部負荷區(qu)(qu)的重要途徑。但隨著經(jing)濟社(she)會(hui)的發展,各地區(qu)(qu)用(yong)電量(liang)需求(qiu)與(yu)日俱增,預計到2030年,僅(jin)廣(guang)東、福建、浙江、江蘇和(he)山(shan)東五(wu)省的全(quan)社(she)會(hui)用(yong)電量(liang)就將(jiang)達到3萬(wan)億千(qian)瓦(wa)時,未來可能會(hui)達到5萬(wan)億千(qian)瓦(wa)時。
如果絕大部分(fen)從(cong)三北地區(qu)遠(yuan)距離輸送,按(an)照(zhao)80%的比例測(ce)算(suan),送電規模將(jiang)達到4萬億千瓦時,這就需要建設約(yue)100條特高壓送電通道,且每條特高壓不(bu)受電磁環網制約(yue),全年滿功率運行,無疑這將(jiang)難以實現。
三是(shi)電(dian)力(li)系統(tong)轉動慣(guan)量(liang)(liang)以及(ji)長周期調節能(neng)(neng)力(li)不(bu)足。光伏發(fa)電(dian)利用(yong)半導體的(de)(de)光電(dian)效應將(jiang)光能(neng)(neng)轉變為(wei)電(dian)能(neng)(neng),無轉動慣(guan)量(liang)(liang),風力(li)發(fa)電(dian)轉動慣(guan)量(liang)(liang)也(ye)嚴重不(bu)足,因(yin)(yin)此,當電(dian)力(li)系統(tong)中(zhong)大量(liang)(liang)的(de)(de)新能(neng)(neng)源機(ji)組替代常(chang)規電(dian)源時(shi),系統(tong)頻率調節能(neng)(neng)力(li)將(jiang)顯著下降(jiang)。另(ling)一方面,目前的(de)(de)電(dian)化學儲能(neng)(neng)等(deng)(deng)技術只能(neng)(neng)解決電(dian)力(li)系統(tong)的(de)(de)短期調節問題,且(qie)受(shou)成本等(deng)(deng)因(yin)(yin)素制約,月(yue)度(du)調節和季度(du)調節還存在很大障礙。
而氫能、CCUS等技術在一定時(shi)期(qi)內很難取得突破性進(jin)展實現大(da)規模應(ying)用,當局部地區出現極端天(tian)氣(qi)狀況時(shi),高比例、大(da)規模新能源的電力系統(tong)將面臨(lin)長周期(qi)調節能力不足(zu)的挑戰。
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二、新(xin)型電力系統的內(nei)涵、特征與關(guan)鍵技術展望
新型(xing)電力(li)系(xi)統以新能(neng)源為主體(ti)(ti),貫通清潔(jie)(jie)能(neng)源供需(xu)各個(ge)環節,有利于(yu)體(ti)(ti)現清潔(jie)(jie)電力(li)的多重(zhong)價值,促進經(jing)濟社會低碳轉型(xing),是推動能(neng)源革命(ming)落(luo)地的創新實踐(jian)。
(一)新型電力(li)系統的內涵
新(xin)能源成為主體能源只是新(xin)型電力系(xi)統的(de)基本(ben)特征,它有著(zhu)更深刻(ke)的(de)內涵。
首先,新(xin)型電(dian)(dian)力(li)系統是貫通(tong)清潔能源(yuan)供(gong)給和需求(qiu)(qiu)的(de)橋梁。構建新(xin)型電(dian)(dian)力(li)系統的(de)本質(zhi),是要滿(man)足(zu)高(gao)占比(bi)新(xin)能源(yuan)電(dian)(dian)網的(de)運行需求(qiu)(qiu),通(tong)過打(da)通(tong)能源(yuan)供(gong)需各個(ge)環節,實現源(yuan)網荷儲高(gao)效互動。
其次,新型電力(li)系統是釋放(fang)電能綠(lv)色價值的(de)有(you)效(xiao)途徑。新型電力(li)系統有(you)利(li)于清潔能源(yuan)的(de)優化配置和(he)(he)調度,通過(guo)綠(lv)色電力(li)能源(yuan)中介,引導(dao)能源(yuan)生產(chan)和(he)(he)消(xiao)費產(chan)業鏈的(de)綠(lv)色轉型,實現電能綠(lv)色價值順(shun)利(li)傳導(dao)至終端用戶(hu)。
(二(er))新型(xing)電力系統(tong)的(de)典型(xing)特征
新(xin)型(xing)電力(li)系統的(de)核心(xin)是新(xin)型(xing),具有(you)鮮(xian)明(ming)的(de)特征:
數(shu)字(zi)技術賦(fu)能(neng)(neng)(neng)(neng)形成(cheng)多網(wang)(wang)融合。物聯網(wang)(wang)時代的(de)突出特(te)征是機器社交(jiao),能(neng)(neng)(neng)(neng)源真正的(de)終端用(yong)(yong)戶并不(bu)是個體的(de)人,而是各類用(yong)(yong)能(neng)(neng)(neng)(neng)設(she)備,能(neng)(neng)(neng)(neng)源網(wang)(wang)的(de)終極(ji)形態(tai)一(yi)定是用(yong)(yong)能(neng)(neng)(neng)(neng)設(she)備之間(jian)互(hu)聯互(hu)通和機器社交(jiao)。未來(lai)能(neng)(neng)(neng)(neng)源網(wang)(wang)將以能(neng)(neng)(neng)(neng)源的(de)分布式生產和利用(yong)(yong)為突出特(te)征,在云大(da)物鏈等數(shu)字(zi)化技術驅(qu)動下(xia)進化成(cheng)自平衡、自運行、自處理的(de)源網(wang)(wang)荷(he)一(yi)體化智慧能(neng)(neng)(neng)(neng)源系統。
因此,能源(yuan)不會單獨發(fa)展形成孤(gu)立的能源(yuan)網,未來電力(li)基礎設(she)施將變成一個(ge)平(ping)臺,數字(zi)技(ji)術將深化能源(yuan)網與政務網、社群網的融合(he)互動,實(shi)現多網融合(he)、共同發(fa)展。
用(yong)戶側將深(shen)度參與電(dian)(dian)(dian)力系統的(de)平衡(heng)。受限于新(xin)能源的(de)出力特性(xing),靈活性(xing)資源將是保障電(dian)(dian)(dian)力系統穩定運行的(de)重要因素,有效挖掘用(yong)戶側的(de)靈活性(xing)、減少(shao)電(dian)(dian)(dian)力系統峰谷差(cha)、提高電(dian)(dian)(dian)源利(li)用(yong)效率將成(cheng)為經(jing)濟可(ke)行的(de)重要措施(shi)。
源網荷(he)儲互動將(jiang)成為新型電力系統運行常態(tai),可(ke)中斷負荷(he)和虛擬電廠得到普(pu)及應用,電力負荷(he)將(jiang)實(shi)現由傳統的剛性、純(chun)消費型向柔性、生產與消費兼具型轉變。
配電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網將成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)發展的(de)主(zhu)導(dao)力(li)量。構建新(xin)型電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統的(de)過程(cheng),實際上(shang)是一次配電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網的(de)革命。傳統電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統通(tong)常骨干電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網最(zui)為(wei)(wei)(wei)堅強,越到(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網末(mo)端(duan)系(xi)統越脆弱。但是,新(xin)型電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統中配電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網將承擔絕大部分系(xi)統平衡和安(an)全穩定的(de)責任(ren),絕大多數交易也將在配電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網內完成(cheng)(cheng)。現有的(de)配電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網最(zui)終(zhong)需要在物(wu)理層(ceng)面(mian)實現重構,成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統的(de)主(zhu)導(dao)力(li)量。
電(dian)(dian)力交(jiao)(jiao)易將(jiang)主導調(diao)度(du)體(ti)系(xi)。未來,新型電(dian)(dian)力系(xi)統(tong)將(jiang)以(yi)滿足用戶的(de)交(jiao)(jiao)易需求為主,調(diao)度(du)的(de)主要(yao)目的(de)是確保用最(zui)小的(de)系(xi)統(tong)成(cheng)本完成(cheng)用戶交(jiao)(jiao)易行(xing)為的(de)實施。用戶與發電(dian)(dian)企(qi)業的(de)直(zhi)接交(jiao)(jiao)易將(jiang)成(cheng)為絕大部分電(dian)(dian)量的(de)銷售(shou)(shou)模式,靈活(huo)性資(zi)源也將(jiang)隨(sui)著現貨市(shi)場機(ji)制(zhi)的(de)逐步完善成(cheng)為核心交(jiao)(jiao)易內容,并且大部分交(jiao)(jiao)易將(jiang)在配電(dian)(dian)網內完成(cheng),隔墻售(shou)(shou)電(dian)(dian)將(jiang)成(cheng)為主要(yao)交(jiao)(jiao)易方式。
(三)新型電力系統的關鍵技術展望
構建新型電(dian)力系統是(shi)一項系統而長遠的工程,離(li)不開科(ke)技創新與技術(shu)突(tu)破。
一是源網荷儲雙向(xiang)互動技(ji)(ji)術。通(tong)過數字化技(ji)(ji)術賦能(neng),推動“源隨(sui)荷動”向(xiang)“源荷互動”轉(zhuan)變,實(shi)現(xian)源網荷儲多方(fang)資源的智能(neng)友(you)好、協(xie)同互動。
二是虛擬同步(bu)發(fa)電機技術。通過在(zai)新(xin)(xin)能(neng)源(yuan)并(bing)(bing)網(wang)(wang)中加入儲能(neng)或運行(xing)在(zai)實(shi)時限功率狀態,并(bing)(bing)優(you)化控制方式為系統(tong)提供調(diao)頻、調(diao)壓、調(diao)峰和調(diao)相支撐(cheng),提升新(xin)(xin)能(neng)源(yuan)并(bing)(bing)網(wang)(wang)友好性。
三是長周(zhou)期儲(chu)能技術(shu)。長時儲(chu)能與大型風光項(xiang)目的(de)組合將大概(gai)率(lv)替代(dai)傳統化石能源(yuan),成為基礎負載發電廠,對零碳電力系統中后(hou)期建設(she)產生深遠的(de)影響。
四是虛(xu)擬(ni)電(dian)廠(chang)技術。源(yuan)網(wang)荷儲(chu)一體化項(xiang)目的(de)(de)推廣應用(yong),以(yi)及(ji)分布式能(neng)源(yuan)、微網(wang)、儲(chu)能(neng)的(de)(de)快速發展為(wei)虛(xu)擬(ni)電(dian)廠(chang)提供了豐(feng)富(fu)的(de)(de)資源(yuan),虛(xu)擬(ni)電(dian)廠(chang)將成為(wei)電(dian)力系統平衡的(de)(de)重要組成。
五是其他(ta)技術。新能源直流組網(wang)、直流微(wei)電(dian)網(wang)、交直流混聯配電(dian)網(wang)等技術的研(yan)發(fa)與突破,將有助于實現更高比例的新能源并網(wang),為電(dian)力系統的安全穩定運行提供保障。
三、構建新型電力系統的思(si)路與(yu)建議
落實(shi)碳(tan)達峰、碳(tan)中(zhong)(zhong)和(he)目(mu)標,電(dian)(dian)(dian)力(li)行業責任(ren)重(zhong)大,構(gou)建(jian)以(yi)新能(neng)源為(wei)主(zhu)體(ti)的新型電(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)是時代(dai)賦予的責任(ren)和(he)使命,需(xu)要電(dian)(dian)(dian)源、電(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)、用(yong)戶(hu)等產業鏈各方的共(gong)同努力(li),要以(yi)大力(li)發(fa)展新能(neng)源為(wei)基礎,以(yi)增加系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)靈活性資源為(wei)保(bao)障,推動分布式(shi)、微電(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)與大電(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang)融(rong)合(he)發(fa)展,構(gou)筑堅強(qiang)電(dian)(dian)(dian)網(wang)(wang),加強(qiang)技術創新和(he)推廣應用(yong),實(shi)現發(fa)電(dian)(dian)(dian)、輸配(pei)和(he)電(dian)(dian)(dian)力(li)消費系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)協同融(rong)合(he)、共(gong)同發(fa)展,助力(li)電(dian)(dian)(dian)力(li)行業率先碳(tan)中(zhong)(zhong)和(he)。
大(da)力(li)發展新能(neng)(neng)源(yuan)。堅持集中式與分布式并(bing)舉,有(you)序推(tui)進三北地(di)區等(deng)資源(yuan)富集區新能(neng)(neng)源(yuan)開發以及中東部負荷地(di)區分布式能(neng)(neng)源(yuan)建設,加大(da)新能(neng)(neng)源(yuan)產業開發力(li)度。
同(tong)時,推動新能(neng)源(yuan)產業與傳統水電、環保、農(nong)業等(deng)融合(he)發展,構建生(sheng)態能(neng)源(yuan)體系,推廣(guang)水風光(guang)互補、漁(yu)光(guang)農(nong)光(guang)互補、光(guang)伏(fu)治(zhi)沙等(deng)新業態,探索多能(neng)互補、智慧(hui)協同(tong)的能(neng)源(yuan)生(sheng)態發展道(dao)路(lu)。
增強系統靈活性(xing)資源。鼓勵(li)新能(neng)源項目配(pei)置一定規(gui)模的(de)煤電(dian)、水電(dian)、儲能(neng)等調節性(xing)資源,通(tong)過“新能(neng)源+調節性(xing)電(dian)源”的(de)模式(shi)提高(gao)新能(neng)源出力(li)的(de)穩定性(xing)。
積極(ji)推(tui)動具備條件的(de)火電項目進行靈活性改造,努力(li)為(wei)系統提供(gong)經濟可(ke)行、規模較大的(de)調(diao)節能(neng)力(li)。以(yi)增加(jia)清潔(jie)能(neng)源(yuan)消納(na)、增強(qiang)調(diao)頻(pin)調(diao)峰能(neng)力(li)為(wei)目標,科學(xue)有(you)序發展抽(chou)水蓄能(neng)、電化(hua)學(xue)儲能(neng)項目。加(jia)強(qiang)可(ke)調(diao)節負荷、虛擬(ni)電廠等技術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)應用,實現(xian)源(yuan)網荷一(yi)體化(hua)協同(tong)發展。
推動分布式、微電(dian)(dian)(dian)網(wang)與(yu)大電(dian)(dian)(dian)網(wang)融合發(fa)展(zhan)。加強(qiang)數字技術應用(yong),通過配電(dian)(dian)(dian)資產的深度鏈接構(gou)建基于(yu)傳統電(dian)(dian)(dian)網(wang)物理架構(gou)的數字電(dian)(dian)(dian)網(wang)。支持分布式可再生能(neng)源+儲(chu)能(neng)系統建設,通過就近(jin)取(qu)材、就地消納,擺脫對大電(dian)(dian)(dian)網(wang)的依賴,形成多(duo)個獨立微網(wang),各個微電(dian)(dian)(dian)網(wang)之間(jian)互相備用(yong)支撐,實現“綠能(neng)”身邊(bian)取(qu)。
研究顯示,當風電(dian)(dian)、光伏發電(dian)(dian)量(liang)占比超過30%至40%時,大電(dian)(dian)網(wang)系統(tong)的(de)頻(pin)率、電(dian)(dian)壓、功角穩定(ding)極限及高昂(ang)的(de)成本(ben)決定(ding)了(le)其消納新能(neng)源的(de)天(tian)花板。因(yin)此,分布式、微電(dian)(dian)網(wang)與(yu)大電(dian)(dian)網(wang)的(de)融合發展將成為(wei)未(wei)來電(dian)(dian)力系統(tong)的(de)重要支撐。
加(jia)快技(ji)術(shu)創新(xin)和(he)推廣應(ying)用。加(jia)強新(xin)能源(yuan)功率預測、虛(xu)擬同步發(fa)(fa)電(dian)(dian)機、柔(rou)性直流輸(shu)電(dian)(dian)、分(fen)(fen)布(bu)式(shi)調相機等(deng)技(ji)術(shu)研發(fa)(fa),充分(fen)(fen)挖(wa)掘工(gong)業大用戶(hu)、電(dian)(dian)動汽(qi)車等(deng)需求側(ce)響應(ying)資源(yuan),通過電(dian)(dian)源(yuan)、電(dian)(dian)網(wang)以及用戶(hu)側(ce)技(ji)術(shu)創新(xin)提高(gao)新(xin)能源(yuan)消納利用水平和(he)保障電(dian)(dian)力(li)系統安(an)全(quan)穩定。
同時,儲能(neng)、虛擬電廠和直(zhi)流微網等技(ji)術具有削(xue)峰填谷、調(diao)頻調(diao)壓作用,是(shi)支撐(cheng)新能(neng)源跨越式發(fa)展(zhan)的(de)(de)重(zhong)要技(ji)術手段(duan),建議國家層面統籌(chou)謀劃,出臺相應的(de)(de)頂層設(she)計文件,加強產業(ye)引導,加大技(ji)術攻關(guan),積極推動相關(guan)技(ji)術標準的(de)(de)制(zhi)定,助(zhu)力(li)行業(ye)科學、規范(fan)、有序發(fa)展(zhan)。
注:本文作者為國家電投戰略規劃部副主任李鵬。