新型電力系統構建“源網荷儲”新生態

王秀強

實現“碳達峰、碳中和”目標是國家重要戰略、全球主要經濟體的一致行動。“雙碳”目標的達成是一個系統工程，關鍵路徑是能源結構調整與節能降耗，能源是主戰場，電力系統革新是核心。這是構建新型電力系統的時代背景和理論基礎。

電力系統是由發輸變配用各領域、源網荷儲各環節、技術體制各層面緊密耦合形成的有機整體。在新型電力系統的構建過程中，傳統電力結構、發展模式、利益格局、技術特征等均面臨革命性變化。傳統電力系統的技術特征、運行機制、基礎設施均將發生革命性的變化。

隨著新能源滲透率提高，電力系統將呈現“雙高”特性——高比例新能源、高比例電力電子設備接入。基于新能源發電具有隨機性、波動性、分散性等特點，電源側出力波動加大，負荷側不確定性增加，電力系統功率平衡壓力增加，電網安全運行風險加大。

與此同時，在新型電力系統的構建過程中，將催生大量新技術、新業態，電力系統“源網荷”生態發生重大變化。

表現為，能源生產端形成多元化清潔能源供應體系，以風電、光伏等新能源發電為供應主體，化石能源電源的功能變為兜底保障、調節與支撐；電網側呈現交直流混聯大電網與多種形態電網并存的格局，傳統大電網與局域網互補共生；負荷側電氣化水平大幅提升，用能模式向多能互補、源荷互動發展。

（一）發電側：新能源為主體，煤電兜底保障

在新型電力系統的構建過程中，新能源與化石能源之間的博弈將從激烈對撞向共存共生轉變。

“雙碳”目標的實現將新能源推向快速發展的黃金賽道。風電、光伏發電是裝機主體、電力與電量供應主體。從發展規模看，新能源裝機占比、發電量占比將大比例提升。

2020年底，我國新能源發電累計裝機容量達到5.35億千瓦，同比增長29.4%，占全國總裝機容量的比重達到24.3%。2020年新能源發電新增裝機容量首次突破1億千瓦，達到1.2億千瓦，占全國電源新增總裝機容量的63%；全國新能源發電量7276億千瓦時，約占總發電量的10%，同比提高約1個百分點。

在“雙碳”戰略下，“十四五”“十五五”期間新能源將呈現跨越式發展，全國年均新增規模可能會在“十三五”基礎上倍增，“十四五”期間每年新增風光裝機規模在1億千瓦以上，“十五五”期間每年新增風光規模1.5億千瓦以上。預計2025年，我國新能源發電累計裝機容量有望突破10億千瓦，新能源裝機占比將達到40%左右，發電量占比將接近20%左右。

中國科學院院士周孝信研究認為，2030年風電、太陽能總裝機達到16.1億千瓦，2033年非水可再生能源發電裝機占比超過50%，裝機占比首次超過煤電；2060年非水可再生能源發電裝機占比超過82%；2051年新能源發電量比重超50%。

全球能源互聯網發展合作組織則提出更為樂觀的發展情景。他們研究認為，2030年、2050年、2060年，中國清潔能源裝機將分別增至25.7億、68.7億、76.8億千瓦，分別占比67.5%、92%和96%，實現能源生產體系全面轉型。對于煤電而言，我國煤電總量應控制在2025年達到峰值，2050年電力系統要實現近零排放，2060年煤電完全退出。

在風電、光伏大規模發展同時，氫能等新興能源受益于技術進步、成本下降雙驅動，其應用市場規模將更廣泛；水電、生物質能發電、光熱發電等構成多元化的非化石能源生態。此時，新能源是電力系統安全穩定運行的責任主體，同時需要具備一定的主動支撐、系統調節與故障穿越能力，分攤電力系統成本上升的壓力。

化石能源電源占比不斷下降是大勢所趨，將由基礎電源成為調節電源轉變，化石能源電源向兜底保障、調節與支撐功能轉變。但需要注意的是，煤電的戰略地位仍不容小覷，尤其在寒潮或高溫等特殊情境下，風電、光伏出力減少，缺少煤電負荷兜底，電力系統的實時平衡將被打破。

2021年1月，湖南、浙江等省份拉閘限電，北京市重啟燃煤供熱機組，在此背后負荷大幅增加，新能源發電負荷銳減，不得不由煤電承擔迎峰度冬的重任。2020年8月，美國加州由于連續酷熱造成電力短缺；2021年2月，美國得克薩斯州因極寒天氣發生電力短缺。面對突發狀況的出現，新能源無法獨立支撐電力系統，需要電力系統在更大范圍內的互濟來解圍。風光與煤電是互補關系，絕非替代關系。

在能源生產方式上，電源生態大中小容量并存，集中式和分布式布局并存，在網離網運營并存。未來新能源高比例接入將呈現集中式與分布式并重的態勢，包括西北、華北、東北地區的大規模風光基地、東部沿海地區的海上風電基地，以及數量可觀、就近消納的分布式電源。

（二）電網側：大電網與微網共榮共生

電網是電力系統的中樞，在電力系統的調度、控制、管理中發揮重要作用。新型電力系統的運行模式下，電網企業的功能定位、商業模式、運行特征等也隨之變化。

在全球電力工業180年的發展進程中，前150年以大電網模式為主。分布式電源、微電網、局域網等的出現，推動了大電網與微電網之間的融合。大電網的公共屬性將進一步增強，主要承擔跨區域、遠距離資源輸配責任，配網側資產配置以響應用戶負荷變化為原則，承擔區域電力安全平穩運行的保底責任。

在新型電力系統下，電網運行生態特點表現為：（1）特高壓外送通道投資規模提高，以支撐大規模新能源并網消納；（2）微電網、局域網、大規模柔直等新型組網技術快速發展，大電網與微電網融合發展，交流大電網與交直流配網并存；（3）配網向智能柔性的主動配電網轉變，具有靈活控制和運行能力，可以支持分布式新能源、電動汽車、儲能等用能設施和分布式發電設備海量接入，滿足功率雙向流動和多元負荷用電需要；（4）電網與管網、通信網、電視網、交通網等融合共治，共同參與智慧城市、智慧生活建設，數字智能電力生態系統形成。

從投資視角看，為保障電網安全、穩定運行，國內特高壓、柔性直流投資預計加快，電化學儲能、抽水蓄能、氫能、充電樁、燃煤機組靈活性改造等具備靈活性調節能力的資產收益將大幅提高，配網側一二次融合設備、智能電表、智能開關等智能終端的投資需求將大幅增加。

從智能電網的技術特征看，電網利用小微傳感、邊緣計算、電力物聯網、大數據挖掘等技術手段，構建具備云-邊協同、海量數據處理、數據驅動分析、高度智能化決策等能力的電網平臺，實現電網運營、業務管理和產業融合全面數字化。

（三）負荷側：由源隨荷動”轉向“源網荷互動”

傳統電力系統是一個超大規模的非線性時變能量平衡系統，生產組織模式是“源隨荷動”，用精準可控的發電系統，去匹配基本可測的用電系統。新型電力系統下，隨著風光滲透率的提高，以及儲能、分布式電源、UPS電源、制冷制熱設備、充電樁等多元化可調節負荷的大規模接入，發電側、負荷側預測難度加大。

從負荷側的特點看：（1）工業、交通、建筑等負荷側電能替代水平大幅提升；（2）能源產品和服務需求多樣化，水、熱、冷、電、氣等多重能源深度耦合，能源梯級利用、能效診斷與能效提升等綜合服務需求成為常態；（3）負荷側通過儲能、分布式發電等多種設備的接入，配網側從單一、被動、通用化的能源消費模式向融合多種需求、主動參與、定制化的雙向交互模式轉變，用能模式由“源隨荷動”將向“源網荷互動”轉變；（4）負荷側數據廣泛交互、價值共享，通過數字化手段可以實現終端用能狀態全面感知和智慧互動；

此外，在未來城市能源管理系統中，虛擬電廠控制平臺將在城市配網中將廣泛應用。城市虛擬電廠通過物聯網實時匯總終端用電設備的狀態和需求信息，實現對分布式發電機組、可控負荷、儲能設施實時調控管理，通過與輸電網的信息實時交互實現電力供需平衡。還可以將相關信息實時傳輸至電碳市場中心和電網調度控制中心，構建分時、梯度的虛擬電廠群，主動響應電網調度信號，參與電力市場交易和電網運行。