聚焦 | “双碳”目标倒逼新型电力系统建设提速

截至2020年底，我国风电装机2.81亿千瓦、光伏发电装机2.53亿千瓦，合计达5.34亿千瓦。要实现碳达峰、碳中和目标，到2030年我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，这意味着风电、太阳能发电装机还将至少增加6.66亿千瓦。为此，近日召开的中央财经委员会第九次会议提出，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，这为推动能源电力转型发展指明了方向。

在能源革命和数字革命相融并进，以及碳达峰、碳中和目标的大背景下，能源电力行业正发生前所未有的变化。以安全可靠、清洁经济、智慧开放、可持续发展的能源节约型社会为目标，以高渗透率的可再生能源、高比例的电力电子设备、高速增长的直流负荷“三高”为主要特征的新一代电力系统正在逐步形成。特别值得关注的是，碳中和将加速电力增长零碳化进程，发展清洁和循环经济，更需要坚强大电网和智能配电系统协同发展，相得益彰，逐步向综合能源系统演化。

当前，我国已成为世界级的能源生产和消费大国，形成了煤炭、电力、石油、天然气、新能源、可再生能源全面发展的能源供给体系，能源事业发展取得举世瞩目的成就，但过去粗犷式能源发展导致的生态环境问题日趋严重，能源综合利用效率相对偏低。目前，由于大量可再生能源出现，能源开发将向集中生产与分布式生产并重转变，根据资源的自然禀赋和负荷时空特性，新的能源必须连接到系统，或通过远距离输送，或就地到最终用户，可再生能源将逐步成为电网中的主要一次能源来源。优化调整电源结构，保障能源供给安全清洁可持续发展是重中之重。

新型电力系统面临的主要挑战是：高渗透率的分布式可再生能源将对电网安全稳定运行带来冲击，特别是大量分布式能源聚合体对电网运行能力和调度水平带来严峻考验，因此需加快整体电力系统结构改造，为可再生能源消纳提供有力保障；分散能源资源将大量小规模资产连接到配电网，并出现新的电网参与者，如当地能源社区和消费者；可再生能源渗透率与弃电率整体呈现正相关关系，降低弃电率成为挑战，也是未来电力系统改造升级和投资布局的重点。为保障可再生能源高效消纳，需提升对风电和太阳能发电出力的预测精度，为机组组合和调度做好预案,也要加强对发电侧、输电侧、用户侧、储能侧的灵活性改造、建设，提升深度调峰和快速响应能力。

为保证电能供给质量（电压、频率等），风电和太阳能发电在并网发电过程中也需要必要的辅助服务，从而产生消纳成本，导致电价上升。借鉴发达国家电力系统低碳发展的标杆德国的历程，2019年，德国电力系统可再生能源发电占比突破40%，电费比2015年增长约8%。因此，可再生能源的全系统消纳成本将随着渗透率提升而增加，电力市场、价格、体制机制和各种不确定因素将影响电网发展。

提高现有电力系统的利用率，以达到物尽其用、提质增效是重要工作。同时，积极应对极端天气和气候变化，保障可靠供电，也是电力系统面临的一大任务。

未来电网将成为实现各能源网络有机互联的链接枢纽，以及含有源-网-荷-储的多元、非线性、时空变化、网中网的复杂大系统，是能源互联网的基础和核心，应具有先进的人工智能装备、充足的系统灵活性、高标准的系统可靠性。

具体而言，电网将呈现大电网、局域电网和微电网并存的电网格局：广域大电网可有机整合各种可再生能源的时空互补性，并实现资源密集区域的电力向负荷密集区域的大容量远距离输送；局域电网和微电网可就地利用分散资源，将大量小规模资产连接到配电网，并出现新的电网参与者，如当地能源社区和消费者，形成众多的产用储一体化聚合体。

同时，分布式能量自治单元——就地收集、存储和使用能源的微单元，成为被控制的一个简单可调度负荷，可以在数秒内作出响应，以满足电网系统需要。对于用户，微电网可以成为一个可定制的电源，向用户提供差异化（电能质量、电压等级、交直流供电模式、供电可靠性等）服务。通过能源载体的电力转换，终端用户和电网的耦合加强，反之亦然。此外，对现有电网输配电能力的提升挖潜、精益化资产管理将是重要任务。

负荷侧:电能是未来最重要的终端能源，终端电气化是大方向，将带来新负载模式，如电动汽车快速充电，其特点是短时内高功率充放电会对电网造成冲击。

自下而上采用物联网（如电动车等可控负荷）及身联网(如健身环，心脏起博持器等)和人工智能等新技术，将为负荷的柔性化和优化响应奠定基础。另外，直流已在用户身边，电子设备等直流负荷快速增长，风光储直柔的直流微电网和聚合体将大幅增加，大量并网主体如分布式电源、微电网、电动汽车(V2G)、新型交互式用能设备等多兼具生产者与消费者双重身份。在高比例新能源背景下，“源随荷动”式传统的解决电力系统平衡问题的基本方式将出现“荷随源动”的趋势。

因此，应研究出台由各个利益相关者参与的有吸引力的价格机制，让具有强大响应能力的用户参与调峰。负荷的柔性处理和主动响应将是能源电力改革的新蓝海。

储能：储能技术是支撑可再生能源普及的战略性技术，也是提高电力系统灵活性和可靠性的关键技术。

电力系统的灵活性越高，调节能力越强，则越能满足高比例可再生能源带来的调峰、调频和备用需求，保障电能供给质量。随着技术发展和材料革命，越来越多不同技术路线的规模化储能，如抽水蓄能电站和燃气调峰电站、氢能、碳捕集与利用技术和储能装置，以及蓄电(机械转换、化学转化等)和蓄热(水/冰蓄冷、热化学存储)等将根据不同需求在源网荷侧安装，参与控制，平衡时空变化的源与荷。因此，要加强对发、输、用侧和储能侧的灵活性建设，提升深度调峰和快速响应能力，提高供电可靠性和电能质量。

电力系统运行模式：将逐步演变为以可再生能源发电为主、交直流混合电网、源网荷储协同互动，灵活智能控制运营成为重中之重。

以大电网为“主干网”，以微网、能量自治单元为“局域网”，能够“即插即用”，以开放对等的信息-能源一体化架构，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，提供共享能量和信息平台及协作的机会。此外，大电网和微电网二者相互补充，相得益彰，因地制宜成为关键。应从现有系统中唤醒沉睡的资源，实现源网荷储的高效和最大利益化的优化调节利用。

能源和电力物理信息系统：将产生海量多源、离散的大数据，为数字化能源电力奠定基础，实现信息流、能源流、业务流融合。

信息化对智能电网的支撑作用，正逐步由以IT技术为核心转变为以数据数字化为核心。值得注意的是，未来的信息服务模式，将由应用建设向数据分析服务模式转变，实现数字赋能。

大量高新技术集成融合：从技术上向新一代电力系统升级，“大云物移智”等新技术将逐渐成为标配。

其中，人-机-物高度融合，无人化、芯片传感、数字化等新技术和多功能融合的新设备、材料、新器件将层出不穷，能量的产、输、配、转换和使用均具备一定智能，能源互联网将具备“智慧、能自学习、能进化”的生命体特征。

理想目标：向着综合能源互联体系演进，逐步实现综合能源体系。

以电为核心、网为平台，以因地制宜的多元能源结构为基础，信息能源基础设施一体化的综合能源体系将朝着低碳化、高效化、数字化及可持续发展的清洁循环经济方向发展，形成以“能源结构生态化、产能用能一体化、资源配置高效化”为特征的全新的能源生态体系。

回顾人类三次工业革命，都源于重大科学发现和理论突破。传统的能源竞争，就是哪里有资源，就去抢夺，甚至是战争。但是，以风能、太阳能为代表的新能源，其竞争方式不是资源竞争，而是核心技术竞争。

目前，世界上主要国家和地区均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口，因此，我们应深刻理解“科技独立自强是发展大局的根本支撑”，开展独立自主的创新，必须深入分析面临的挑战及技术成熟性、可行性、经济性，前瞻未来发展，进而科学理智地制定切实可行的技术路线，群策群力，努力践行。应以清洁、低碳、数字、高效和物联为发展方向，以安全高效、循环可持续为驱动和目标，以研究与创新为支撑、智慧互连共享为核心，孕育新模式、新业态，推动跨界融合，实现产学研用协同。同时，从基础理论、新材料、关键技术、软硬件设备到真正能复制的工程示范，探索颠覆性技术，实现能源技术自主创新，保障可再生能源和新型电力系统理智、健康、有序发展，助力碳达峰、碳中和目标实现。

（作者系山东大学特聘教授）