系列解读“以新能源为主体的新型电力系统”：国际参考-北极星火力发电网

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2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上部署未来能源领域重点工作：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

（来源：微信公众号“清华能源互联网研究院” ID：thueiri 作者：赵东元）

21世纪以来，为应对气候变化和保护生态环境，通过大规模开发利用风能、太阳能等新能源，促进能源清洁低碳转型成为全球化趋势。

一、全球及主要国家地区可再生能源发展情况

根据国际可再生能源署（IRENA）统计，2019年全球各地区可再生能源装机如表1和表2所示[1]：

在总体趋势下，不同地区根据资源禀赋和政策环境提出了适宜自身发展的能源转型目标和技术路径。近十年美国、欧盟、德国、英国可再生能源发展如图1~4所示[1]。

图1近十年美国可再生能源装机增长情况（MW）

图2近十年欧盟可再生能源装机增长情况（MW）

图3近十年德国可再生能源装机增长情况（MW）

图4近十年英国可再生能源装机增长情况（MW）

二、重要国家的技术路径

1、美国

受美国能源部委托，美国国家科学院撰写并于2021年发布了《美国电力行业的未来》。该文是关于美国电力行业中长期发展趋势的报告，详尽地阐述了电网未来的新技术、电网结构、运行模式以及商业模式，并在建设现代化、可持续发展、稳定可靠的未来电网方面提供了政策与投资的建议。其核心技术路径如表3所示[3]：

表3美国未来电力系统技术体系

2、德国

德国是能源消费大国，自身油气资源较为缺乏。德国从20世纪90年代开始就将摆脱对进口能源的依赖作为其能源战略的重点任务，一方面积极推动降低能源需求与提高能源使用率，另一方面致力发展再生能源，以期达到能源供应脱碳的目标[4]。德国新能源战略中关于技术路径的主要内容：

（1）可再生能源将占未来能源结构中的最大份额。可再生能源扩张必须与提高能源效率、电网扩张和新储能设施建设相结合。

风电。扩张陆上风电和海上风电，到2030年海上风电规模达到25GW。采用更加高效、新型的风电机组替代老机组，实现机组更新，在现有场址上增加发电容量。加快减少风电场产生的少量温室气体排放，在航空法方面建立必要的法律基础。制定技术条件，避免风电机组对军用雷达的干扰。

高效利用生物质能。结合热电联产电厂加大生物质能源回收，提高能源效率和土地使用，改善生物质能发电等可控电力生产，促进可再生能源与能源供给的融合，发展生物质能综合利用。加大生物沼气（biomethane）利用，建立进入天然气管网的选择性。增加生物质燃料成分在燃油中的比例。

灵活的电源结构。通过建设更加灵活的燃煤、燃气电站和可再生能源发电，保持足够的平衡容量和备用容量。根据欧洲能源与气候一揽子政策，改善小型发电商的竞争环境。支持建设配备碳捕捉及储存CCS发电厂。发挥排放交易机制作用。

碳捕捉及储存CCS的作用。将使用CCS作为开发利用化石燃料发电的前提。同时，CCS技术将为德国创造未来技术设备出口机会。

建立基于市场的能源政策。加强与欧洲其他电力市场的联系，加快建立发挥功能的电力市场。电力市场设计包括：改善天然气市场的竞争性；电力调峰和电力平衡市场（Regulating Energy和Balancing Energy Markets）、储能及纳入欧盟和非欧盟的网络等。

（2）电网基础设施。可再生能源发展需要不断的优化其与常规能源的相互影响。电网基础设施和储能技术将发挥重要作用。要逐步将可再生能源接入市场，增加对可满足需求侧响应的发电机组的激励。

1）升级电网基础设施。加快电网扩张，2050年目标电网包含：继续发展现有电网；规划骨干电网和试验线路；建设北海电网，集群接入海上风电场；将德国电网接入欧洲电网。

2）智能电网。推进智能电表在全国安装智能电表、动态网络、储能设施、用户和电网管理等。此外，德国于2008 年在智能电网的基础上进行为期4 年的E能源（E－Energy）技术创新促进计划，之后还推进了IRENE、Peer Energy Cloud、ZESMIT和Future Energy Grid等计划。E-Energy计划将现代信息通讯技术与能源融合，使电网从一种分布式结构变为相互联系的互连结构，形成智能发电、智能电网、智能用电、智能储电为一体的能源互联网系统。

3）发展储能。在中期，开发全部抽蓄水电资源。在远期，利用挪威、阿尔卑斯山等境外水电资源。加强新型储能技术研发（如压缩空气、储氢、氢制沼气、电动汽车用电池）。允许储能系统进入能源市场。

（3）提高能源效率。

1）在私人住宅和公共领域挖掘能效潜力。改善建筑用能及建设高能效新建筑物。

2）挖掘工业能效潜力。

3）发展电动汽车。

4）国家氢能和燃料电池技术创新计划。

3、欧盟

欧盟总体电力发展模式是向分布式发电、交互式供电的分散型智能电网过渡，更加强调对环境的保护和可再生能源发电的发展。提出了近期、中期及长期的研究计划，其中主要研究方向[5]：

（1）清洁能源发电

燃料。发展生物燃料，侧重生物燃料生产的可持续性及与其他化石燃料的竞争力；完成国际热核聚变实验堆（ITER）聚变装置的建造。

可再生能源发电。一是最大风轮机的发电装机容量的倍增研发（主要应用于近海风场）；二是大规模光伏技术和太阳能集热发电技术的商业化实现；三是各种分布式发电设备制造技术；四是变速恒频风力发电系统的商业化开发。

（2）电力电子技术

一是逆变器设计及其控制和运行（风电、光伏、微型燃气轮机）；二是并网技术；三是太阳能充电控制技术；四是燃料电池功率调节系统；五是谐波抑制和能量管理。

（3）控制与运行

一是风电、太阳能转换最大化（风速、太阳光跟踪控制）；二是形成欧洲智能电网，尽可能使分布式能源电力并人电网；三是供电质量及其控制问题；四是含新能源发电的配电网设计和运行；五是不同新能源发电系统联合运行；六是系统保护方案等。

（4）储能技术

探索新储能技术及在成本方面实现突破，主要包括：抽水蓄能、压缩空气蓄能(CAES)、燃料电池、飞轮储能、超导磁储能(SMES)、超级电容器储能、储热等。

（5）对电网影响

一是对电力市场的影响；二是新能源项目的经济性分析；三是独立电力系统(微电网)的稳定性分析；四是新能源发电的并网对提高发电系统的稳定性、可靠性分析；五是含新能源发电的电力系统可靠性分析及评价等。

参考文献：

[1]国际可再生能源署（IRENA）《Renewable capacity statistics 2020》.

[2] 中电联.《全国电力可靠性年度报告》（2015~2018年）.

[3]美国国家科学院《美国电力行业的未来》（2021）.

[4] EnergyConcept：for an Environmentally Sound, Reliable andAffordable Energy Supply.

[5] 杨永明.欧洲电力系统灵活性现状及趋势

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