汤广福：电力系统支撑我国能源转型发展的思考与对策

当前，世界范围内的能源发展正面临日益严重的资源紧缺、环境污染、气候变化等问题。应对气候变化，践行低碳发展已经成为全球关注的焦点和世界各国可持续发展的共识。

2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上提出“2030碳达峰、2060碳中和”目标，并之后多次在国际会议上不断强调中国应对气候变化的坚定决心。未来能源从高碳向低碳、从低效向高效、从污染到清洁已是发展的必然规律。电力系统是能源转型的关键支撑，构建新一代电力系统，以适应我国能源结构优化、转型升级的需求，成为当前电力发展中最迫切的任务之一。

（来源：微信公众号“中国电力企业管理”  ID：zgdlqygl  作者：汤广福）

能源转型发展战略

我国是世界能源生产和消费大国，一方面能源结构高碳特征明显，另一方面能耗偏高。近年来，我国单位GDP能耗不断下降，但仍为世界平均能耗水平的1.5倍左右。根据中国工程院研究报告预测，2035年我国能源生产总量将达47亿吨标准煤，消费总量达57亿吨标准煤，与2019年相比将提高约10亿吨标准煤，能源需求持续增长。

同时，我国能源进口总量不断增长。我国石油和天然气供需矛盾日益突出，能源对外依存度长期处于高位且有进一步快速增加的趋势。2017年，我国超过美国，成为全球第一大石油进口国，2018年，我国超过日本，成为世界最大天然气进口国。油气进口通道安全强烈依赖地缘政治，受到地区政治不稳定因素的影响，油气供应面临着严重威胁。同时我国还有少量的优质进口煤的需求。因此能源安全、能源供应的问题仍然相当严峻。

我国的控排任务也十分艰巨。目前，我国是全球温室气体排放量最大的国家，2019年二氧化碳排放量为102亿吨，约占世界总量的28.8%。考虑到二氧化碳减排的全技术链技术可行性，在能源终端更多地利用电、氢是必然选择。目前，我国能源效率与电能在终端能源消费中的比例远低于发达国家水平，节能减排潜力巨大。

对照现状来看2060年碳中和目标，我国能源电力未来发展的艰巨性不言而喻，特别是在“十四五”和“十五五”时期，需要集中解决过去一直在回避和拖延的尖锐矛盾。如果继续保持当前的发展现状和转型速度，很难在2060年实现碳中和目标。因此，2060碳中和目标需要有更具体，更明确的实施路线图。

从欧美发达国家实现能源独立的方式来看，各个国家根据自身的资源禀赋走上了不同的能源独立之路。美国自20世纪70年代的两次石油危机后，开始推进能源独立战略。2005年，美国页岩油气革命取得成功，油气产量大幅增长。其中石油对外依存度降低到20%左右，天然气从2017年开始实现净出口，整体能源对外依存度从30.2％的峰值下降到2019年的3.6%。美国能源独立战略取得重大突破，导致了世界能源版图和政治、经济、军事等格局的变化；欧盟则大力开发可再生能源，并在全球范围内率先开启了去煤化、去核化的进程。2011 年，欧盟公布了《2050年能源路线图》，确定欧盟能源战略的总目标“2050年可再生能源达到能源总消费量的50%，在现有基础上降低温室气体排放至少80%”。2018年，欧盟能源消费中油气占比达到61.7%，非化石能源占比25.2%，煤炭占比13.2%；日本能源发展战略是节能优先，发展能源新技术。日本能源资源匮乏，能源自给率很低，化石能源对外依存度超过97%。2018年，日本单位GDP能耗为0.91吨标准油/万美元，仅为世界平均水平的57%，“节能优先”计划还进一步提出了到2030年单位GDP能耗降至0.81吨标准油/万美元的目标。同时，日本大力发展氢能、储能等能源新技术，抢占技术制高点，以提高能源自给能力。

从能源发展的历史来看，人类社会已经完成了两次能源转型：第一次转型是煤炭时代取代薪柴成为主体能源；第二次转型是石油和天然气取代煤炭成为主体能源。接下来，人类将从“石油时代”和“天然气时代”向“可再生能源时代”转型。如今，欧美所有发达国家已进入石油、天然气时代，即液态时代，而我国能源消费仍以煤炭为主，处于固态时代。当前，我国能源转型的路径是从固态直接进入可再生时代，其难度和挑战可想而知。因此，更需要统一意见、科学决策，否则在“十四五”、“十五五”乃至更长时间里，我国能源转型都可能处于僵持状态。

美国天然气发电占比高达35.4%，灵活性电源丰富；英国天然气发电占比39.4%。德国天然气发电占比为12%，是欧盟国家中天然气占比最低的。在天然气等灵活电源的支撑下，美国的风光发电占比为10.3%，英国是31.6%，德国是32.2%。其中德国以14%左右的灵活电源（天然气+抽水蓄能）支撑起了32%的风光发展，转型成效非常明显。我国目前的电力系统仍然以煤电为主体电源，具有灵活调节能力的燃油、燃气发电量占比不到3.5%，灵活性电源远低于发达国家的水平，这是我国能源转型中最关键的约束因素之一。

到2030年，我国非化石能源消费占比需达到25%，但这个水平只相当于欧盟现在的水平。考虑到我国石油和天然气的对外依存度，以及我们所面临的整个能源国际环境，必须要大力发挥电力系统在能源转型中的核心作用，电力系统应率先在2050年实现碳中和。

电力系统面临的挑战

面向能源转型的目标，电力系统面临着巨大压力。

新能源发电占比增大

新能源资源的波动性和随机性，对电力系统的功率平衡、抗冲击能力提出了巨大挑战。我国风电电量主要集中在春、冬两季，约占60%；光伏电量主要集中在夏、秋两季，也约占60%。从传统电力系统的角度来看，由于新能源的巨大不确定性，其保证出力几乎为零。目前，我国部分地区（如青海省）的风电、光伏总装机量已经达到50%，要做到实时平衡难度极大。在调度运行中，新能源参与电力平衡是一项极具风险和挑战性的工作，只能用剩余电力空间消纳新能源，其消纳能力取决于灵活电源的配置。

新能源发电设备的低抗扰性和弱支撑性，对电网自身安全及运行控制带来了巨大挑战。新能源发电的惯性小，其大规模接入不仅降低了系统的抗扰动能力，还使得系统惯量降低、调频能力下降，导致频率变化加快、波动幅度大、频率越限风险增加；新能源机组无功支撑能力较常规电源弱，随着新能源占比迅速提高，系统动态无功储备及支撑能力急剧下降，电压稳定问题突出。

新能源发电并网大量使用电力电子装置，使得电力系统电力电子化程度不断加剧，系统特性发生深刻变化，宽频稳定性问题日益显现。在新能源装机集中的地区，大量电力电子装备的共同作用，可能引发系统宽频振荡问题。近年来，我国河北和新疆等风电汇集地区频现宽频振荡现象。

源网荷协调难度加大

能源结构转型给源-网-荷各层级带来新的变化，协调调度面临巨大挑战。在发电侧，高比例风能、太阳能等可再生能源发电具有强波动性和间歇性，很难预测；在负荷侧，随机负荷增多导致负荷侧的整体不确定性增强，工业负荷中大量采用变频设备，以及高铁、电动汽车等电气化交通负荷的迅猛发展，强非线性负荷数量急剧增加；传统单一的“源随荷动” 模式亟需变革，同时也增加了调度控制的难度。

用户侧供需互动需求加大

电能在交通、工业、商业、居民生活等领域得到更广泛应用，占终端能源消费比重持续提升，用电能效亟需提高；冷、热、电多种能源共存，分布式电源广泛接入，多源高效综合利用、大型电力用户用电能效管理的需求急剧增加；用户侧多种能源互联互通、开放共享、供需互动，能源消费者同时也是能源生产者，能源消费模式更加多样化；电动汽车等大规模分散储能，具备“负荷/电源”角色灵活转换能力，对未来电网调节能力提升、电网服务模式改变带来了新的挑战。2030年，在无序充电情形下，国家电网公司峰值负荷将增加1.53亿千瓦，相当于区域峰值负荷的13.1%，对现有用户侧配电网容量、供电设施提出了更高的要求。

体制机制创新

随着电力体制改革进一步深入，售电公司和分布式电源大量出现，行业外公司采用创新方法开展跨界经营，对电力市场和电力体制机制创新带来巨大挑战；地方性电力企业、发电企业、水、油、热、气等公用事业企业进入电力运营市场；分布式能源企业、工业园区等与客户直接交易；阿里巴巴、腾讯等综合服务平台提供商通过个性化电力金融平台开展购售电服务。

综上可知，能源电力业态正在加速变化，面对的挑战和压力非常大，而且这些挑战会比我们想象的来得更早、更快。转型压力迫在眉睫，如果还延续过去的发展方式，能源转型很有可能“转不过去”。

碳中和目标下的能源转型发展建议

加强灵活电源建设，支撑新能源发展

加强调峰能力建设，提升系统灵活性是解决新能源发展问题，提高新能源开发和利用效率的关键。可再生能源的间歇性和波动性，要求具有动态调节范围大、调节速度快的灵活电源作为支撑。

目前，欧美很多发达国家的能源转型都是以大量灵活电源（30%左右）作为基础支撑。习近平主席在气候雄心峰会上提出，2030年，我国风光装机规模将达到12亿千瓦，因此我国必须大力发展灵活性电源，适度提高抽水蓄能、燃气发电的占比，同时加强火电机组灵活性改造，以提升电力系统的调峰能力。2030年，我国天然气年产量可能超过3800亿方，较之当前新增2000亿方，如果都用于发电，可配套建设4亿千瓦机组，从而将气电装机的比例提升到14%以上。但需要解决燃气轮机的自主化、LNG管道规划、气电选点和容量与电网的协调配置等问题。

在火电调峰方面，通过机组灵活性改造，可实现火电机组深度调峰（纯凝机组20%~100%，热电机组30%~100% ）和快速调峰（4%/分），以充分发挥火电在提高系统调峰能力和促进新能源消纳方面的重要作用。另外可以研发并统筹建设一些专用的调峰机组，用于对局部高比例可再生能源地区进行大幅度调峰。

对于热电联产机组，需要实施“以热定电”，即在满足热用户热负荷的情况下，将电负荷降至最低，让出空间以满足深度调峰要求。通过技术升级实现热电联产机组增加20%额定容量调峰能力、最小技术出力达到40%~50%额定容量的目标，将热电机组进行适应性的深度调峰，为高比例新能源消纳创造条件。

总体来看，如果不加大天然气发电投入，那么至少近期转型很难成功，远期是否成功，一是看储能的发展情况，二是看火电机组灵活性改造情况。但至少在近十年里，无法依靠储能实现转型成功。目前储能在电力系统中尚未实现规模化应用，而火电灵活性改造在增强系统灵活性、助力风光电源大量入网的同时，也降低了火电机组的能效，其运行可能增加了碳排放和污染物，因此需要综合评估火电灵活性改造所带来的的绿色收益与损耗。

转变电网发展方式，增加电网灵活性

能源转型的发展，要求电网也必须进行灵活性和可控性的提升。

2004年，欧洲基于柔性输电技术制订了“Super grid（超级电网）”规划，并列入欧盟347法案，大幅度增加了电网的灵活性，实现北欧水电、北海风电和北非太阳能的大规模、广域互联，促进可再生能源的大范围、高比例消纳。

目前德国已经建设和规划了数十条柔性直流输电工程，通过大范围互补和电力交易等措施，实现了在相对较低灵活调节电源（14.3%）占比下的新能源并网。通过区域电网的互联互通，发挥相联电网的间接储能作用，可以实现资源优化利用，并减少系统总成本；通过大范围的风光互补，可以解决单一类型和地区新能源发电受季节和天气等因素制约的问题，提高供电的可靠性和资源的利用效率；通过柔性直流和直流电网的建设，实现交流电网和直流电网协同发展、优势互补，构建未来交直流复合电网，对多种能源形式发电实现时空互补和灵活调节，实现西部可再生能源高效开发利用；在输电和配电侧大范围采用灵活交流输电技术，通过电力电子装备与传统交流电网相结合，以增强交流电网调节和潮流优化能力，并提供紧急功率和电压支援，支撑可再生能源接纳，并提升电网安全水平和运行效率。

目前我国电网在加强柔性电网建设方面的意识还很薄弱。因此，当务之急就是要尽快转变电网建设思路，如果继续以传统的技术来发展电网，未来很有可能一些重资产又要推倒重建，造成社会资源的极大浪费。

多种储能综合应用，增强电网调峰能力

储能技术可以在高比例新能源电力系统中起到调节电能平衡、平抑波动的作用，从而促进新能源的高比例利用。现阶段抽水蓄能仍然是大规模电能存储的最佳手段，在一些地区的电力系统调峰调频中发挥了重要作用。在未来一段时期内，为适应新能源发展，我国抽水蓄能容量将快速增长，预计到2030年将达到1亿千瓦，在全部电源装机中占比3.5%左右。但受地理条件的限制，抽水蓄能后续增长将逐步放缓，预计2050年达到1.6亿千瓦，但届时我国新能源装机可能达到50亿千瓦，因此，仅靠抽水蓄能，仍然不足以支撑如此规模的新能源发电并网。因此，未来还需要加快发展电化学储能、压缩空气储能、氢储能等大容量储能技术发展，在新能源发电基地配置适当规模的集中式储能电站，实现储能系统与新能源、电网的协调优化运行；在小区、楼宇、家庭、工厂等用户侧，建设分布式储能设备，以及电动汽车有序充放电及充电桩高效利用，参与电网灵活调节。通过集中式和分布式储能相结合，从源侧和荷侧统筹协调来增加电网调峰能力。

加强信息物理融合，促进源网荷储互动

为了适应能源转型，用户侧也必须进行智能化提升，提高需求侧管理水平，充分挖掘需求侧资源，以平衡电力供需，促进源网荷友好互动。

2008年德国启动“E-Energy以ICT为基础的未来能源系统”促进计划，开展能源互联网关键技术与商业模式的开发和应用。通过供电系统的数字联网保证稳定高效供电，并通过现代信息和通信技术优化整个能源供应和消费系统。德国以14%的灵活性电源支撑了30%的风光发电，E-Energy能源系统发挥了很大作用。在德国，每个家庭用户都能跟电网公司互动，无论是购买清洁电，还是统计一年中化石能源消费量，或是使用低谷电给电动汽车充电等，种种诉求都可以有效传达并得到回应。因此，我们需要结合售电体制改革，推动电源、电网、用户之间的互动更加深入和广泛，使用户参与市场竞争的热情越来越高，深化应用源网荷友好互动技术，实现系统实时平衡由传统的源随荷动变为源-网-荷互动，支撑分布式能源和电网新业态发展。

加强综合能源服务、智能电网和车联网技术，推动建设以配电系统为纽带，以电为中心，冷-热-电-气-储多能融合的综合能源服务系统，提高用电能效和经济效益，提供新型增值服务；加大智能化终端开发，提升电网与用户友好互动水平，开发新业态，增加广大电力用户参与感、获得感；持续扩大车联网规模，建立智慧交通整体能源供给方案，拓展“出行+引流”、有序充电、辅助调频、削峰填谷等新型服务模式。

在电力市场支撑技术方面，需提升电力市场化程度以及运作水平、丰富交易品种、扩大交易规模，探索虚拟电厂等新业态、新业务、新模式下的电力市场机制。

加强基础研究，提升电网支撑能力

随着能源转型的发展，电网的智能化控制水平需要大幅度提升，因此必须开展基础性支撑技术的研发，开发更多的新器件、新装备。开发人工智能、电力芯片、大功率电力电子器件、电工新材料等，促进电网技术水平的大幅提升，提高电网对可再生能源消纳和对能源转型的支撑能力。

未来，如果整个电力市场进一步放开，将形成一个上亿级的市场，成千上万的家庭用户都可能参与市场交易，这种量级的调度，目前传统的调度方式是无法应对的，必须将人工智能等新技术应用到电网调度之中，涉及大量深度算法的一系列基础问题都需要加强研究。目前全球能源互联网研究院正在大力投入对以上技术的研发；此外，大功率器件也是我国能源发展中“卡脖子”的问题。国外产品价格高昂，我国必须拥有自主研发的设备和器件；电工材料的价格随着电网建设的加快水涨船高，增加了电网建设成本。安全性和经济性，是能源转型必须面对的问题，因此必须夯实我国能源转型基础支撑能力，才能有效提升电网的可控性、灵活性。

综上，我国在能源转型过程中，所面临的形势比欧美发达国家更加严峻，转型的路径也有所不同。因此必须做好顶层设计，整体布局、深入研究，采用大量变革性的技术和举措，才能保证能源转型顺利推进。

本文刊载于《中国电力企业管理》2021年01期，作者系中国工程院院士，现任全球能源互联网研究院有限公司副院长，长期从事灵活交流输电和高压直流输电技术领域研究、开发及应用，在高电压大功率电力电子装备的系统设计、设备研发、试验技术和工程应用等方面作出了突出贡献。