構建以新能源為主體的新型電力系統框架

闞黎明 張汝波

（1 山東電工運檢工程有限公司，山東 濟南 250022；2 山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250022）

為應對全球氣候變化、環境污染和能源戰略等問題，世界各國正積極推動能源系統的低碳化、清潔化和可持續化轉型。落實到能源結構上，具體體現為電能替代與清潔替代。然而，當前終端能源消費中的電能比例僅為20%，電能替代有巨大的發展空間。全球能源系統正面臨一場規模巨大的技術革命。以風電和光伏為代表的非水可再生能源是這場能源革命中最具活力的組成部分。國際能源署預計2020 年全球風電與光伏裝機容量較2019 年將分別增加超過65GW（增速10.4%）和107GW（增速18.3%）。風電和光伏等新型可再生能源具有發電過程中零碳排放和零邊際成本等優點，未來必將成為能源轉型中電能替代與清潔替代的主體。為應對未來高比例可再生能源電力系統面臨的諸多新挑戰，核心是解決可再生能源間歇性帶來的時空不確定性與并網方式帶來的高比例電力電子化兩大關鍵科學問題。

一、電力生產總量跨上新臺階，電力結構向綠色低碳方向快速轉變

根據國家統計局和中國電力企業聯合會(以下簡稱中電聯)統計，2020年末，全國發電裝機容量220058 萬千瓦，比上年末增長9.5%。其中，火電裝機容量124517萬千瓦，增長4.7%;水電裝機容量37016萬千瓦，增長3.4%;核電裝機容量4989 萬千瓦，增長2.4%;并網風電裝機容量28153 萬千瓦，增長34.6%;并網太陽能發電裝機容量25343 萬千瓦，增長24.1%。“十三五”時期，我國年均新增發電裝機13507萬千瓦，煤電年均新增裝機3564萬千瓦。截至2020 年底，我國煤電裝機容量10.8 億千瓦，占總裝機比重49%，占總發電量比重60.8%，年裝機容量增長趨勢放緩，發電量緩慢增長。

二、電力低碳轉型持續加快，綠色發展動能強勁

從電源投資看，非化石能源投資比重上升到九成。“十三五”期間，煤電投資規模逐年下降，全國重點發電企業煤電投資額從2015 年的1061 億元，逐年下降至2020 年的382 億元，煤電投資所占比重從27%下降至2020 年的7.3%。非化石能源投資比重持續上升，從70.5%上升至90.2%；其中，2020年非化石能源發電投資同比增長77.1%，當年新增非化石能源裝機1.4 億千瓦，創歷史新高。從發電裝機看，煤電裝機容量比重歷史性降至50%以下。截至2020 年年底，全國全口徑發電裝機容量22 億千瓦，“十三五”期間年均增長7.6%。其中，非化石能源裝機年均增速達13.1%，占比從34.8%升至44.8%；新能源裝機占比從11.3%升至24.3%，五年累計提高13 個百分點。2020 年底，全國全口徑煤電裝機容量10.8 億千瓦，完成了2020 年底煤電裝機控制在11 億千瓦以內這一規劃目標；“十三五”期間，煤電裝機容量年均增長3.7%，占比從2015 年的59%下降至2020 年的49.1%，比重首次降至50%以下。

三、火電污染控制和碳減排成效顯著

根據中電聯統計分析，與2010 年相比，2019 年全國火電(其中煤電裝機和發電量占比均為90%左右)顆粒物排放量由160 萬噸下降至18 萬噸，下降88.8%;二氧化硫排放量由926 萬噸下降至89 萬噸，下降90.4%，與2006 年的峰值相比下降約93.4%;氮氧化物排放量由950 萬噸下降至93 萬噸，下降90.2%，與2011 年的峰值相比下降約90.7%。1978 年，火電碳強度約1312 克/千瓦時，2019 年降到838 克/千瓦時。以2005 年為基準年，2006—2019 年，通過發展非化石能源，降低供電煤耗和線損率等措施，電力行業累計減少二氧化碳排放約159.4 億噸。

四、高比例可再生能源電力系統挑戰

（一）穩定與保護

風電和光伏均需要直接或間接通過電力電子裝置并網。其電壓頻率支撐特性與水電、火電等常規機組有較大差別。因此，隨著高比例可再生能源接入電網的規模不斷增大，系統動態特性將發生深刻變化，對系統穩定運行構成新的挑戰。同時，對系統保護裝置提出了新的要求。故障連鎖脫網與電能質量問題在系統中比例甚至低比例滲透階段有可能出現。對于機組本身，電力電子裝備過流耐受能力比同步發電機差。當機端發生故障時，由于無法像常規機組一樣維持并網點電壓，風電和光伏電源在電網產生故障時往往更加傾向于盡快脫離電網。由于換流器抗干擾能力弱，在可再生能源發展早期全球便已發生了大量大規模脫網事故。此外，在可再生能源機組的局部并網點，電力電子裝置功率開關元件的高頻開斷動作將產生高頻諧波并注入電網，使并網點產生電壓畸變與閃變，影響并網點的電能質量。在并網點電壓較低、結構薄弱且可再生能源滲透率較高的電網，電壓波動與閃變嚴重程度將會加劇，但通常超出并網標準情況較少。

（二）經濟安全運行

在運行時間尺度上，可再生能源帶來的一系列挑戰源自其固有波動性與隨機性。可再生能源電源出力上限通常不可調度，且其變化規律往往與負荷曲線變化不匹配，甚至呈現反調峰特性。風電場高出力時段可能在負荷較低的深夜，而日中負荷高峰時出力較低。光伏出力在傍晚開始下降，相對晚高峰亦呈現反調峰特性。凈負荷的波動需要靈活性資源，比如可調常規電源、儲能電站和區外來電等調整出力以保證平衡。隨著波動程度的增加，對調峰與爬坡速率等資源總量的需求進一步增大。反映在電力市場上，可再生能源并網將對電力市場的平穩運行產生結構性影響。由于可再生能源發電邊際成本幾乎為零，加之其反調峰特性，這將導致市場中電力供需關系不穩定，直接反映為頻發的極端電價，這在目前的中比例滲透地區電力市場已經有所反映。進一步地，在高比例滲透階段，隨著可再生能源裝機容量的不斷升高，能量市場出清價格不斷走低，將擠壓火電電源等傳統行業的利潤空間，多方利益主體矛盾突出。如何設計合理的市場機制，調動輔助服務資源，合理分攤成本是市場組織面臨的另一大挑戰。

五、加快新型電力系統構建進程

新型電力系統構建是“十四五”時期的主要任務之一。但筆者認為，這個任務并不是要在“十四五”期間全面完成，而是貫穿實現把碳達峰、碳中和目標的全過程。新型電力系統不能夠脫離“發、輸、變、配、用、儲”各環節的技術、設備、工程實體而獨立存在，所以新能源成為主體能源必然是一個漸進的過程。隨著新能源的發展，傳統化石能源尤其是煤電必然要逐步退出，這需要一定的時間;同時，技術發展仍然處在非常活躍的階段，在能源電力轉型中必須高度關注各項技術的發展，防止技術鎖定、投資鎖定。從宏觀角度而言，新型電力系統的構建與中國把碳達峰、碳中和目標的實現路徑具有方向的一致性，但是，新能源的發展是推動、引導、實現把碳達峰、碳中和目標的基本動力，是“先行官”，所以，新型電力系統的構建完成時間應適當超前于把碳達峰、碳中和目標。

六、建設高彈性、數字化、智能化電力系統

打造多元融合高彈性電網。適應高比例新能源、高比例電力電子設備需要，促進系統各環節全面數字化、智能化。建立全網協同、數字驅動、主動防御、智能決策的新一代調控體系。加強源網荷儲多向互動，多能互聯，推進多種能源形式之間的優化協調，提高電力設施利用效率，提升整體彈性。加強預測預警體系建設，保障極端事件下的電力系統恢復能力。持續開展煤電機組靈活性改造。煤電功能定位由主體電源逐步轉變為調節電源，需大規模實施煤電機組靈活性改造，從整體上提升機組的靈活調節能力。要加強規劃引導，有序安排改造項目，30萬千瓦、60萬千瓦亞臨界機組，應優先實施靈活性改造。同時要完善輔助服務補償機制，保障煤電機組的合理收益。大力加強儲能體系建設。加快抽水蓄能建設。既要推進單機容量30 萬千瓦以上、電站容量百萬千瓦以上的抽水蓄能項目建設，又要因地制宜，建設中、小型抽水蓄能項目，對具備條件的水電站進行抽水蓄能改造。鼓勵各類電化學儲能、物理儲能的開發應用。

七、構建新型電力系統的建議

（一）保障電力安全

保障電力安全包括對電能在“量”和“質”兩方面的要求。但是，從科學性和系統經濟性來看，在任何時間、任何范圍、任何條件、對任何對象都百分之百地保障電力供應，這是無法實現的。在低碳電力轉型過程中，由于隨機性高、波動性大的新能源發電大規模進入電力系統，電網、電力負荷、熱電聯產的熱力供應等都將受到不同程度的影響，一些新型風險(如互聯網黑客攻擊等)對電力系統也會形成安全隱患，這些因素對電力安全提出了更為嚴峻的挑戰，因此，需要針對電力安全的新特點，制定專門的量化指標和防范要求。

（二）在保障安全的前提下啟動核電建設，在維護生態的前提下啟動大型水電建設

對于中國這樣一個以煤為主的能源大國而言，離開核電和大型水電將難以完成碳中和任務。而且，對于一個以可再生能源為主體的巨型電力系統而言，沒有一定的基礎性高能量密度的電源作為支撐，將很難運行。因此，我國不能放棄核電和水電建設，而是要在保障安全的前提下啟動核電建設，在維護生態的前提下啟動大型水電建設。

結束語

構建以新能源為主體的新型電力系統，是能源電力行業服務碳達峰、碳中和的重要責任和使命。以新能源為主體的新型電力系統，對于推動構建清潔低碳安全高效的能源體系、更好地服務碳達峰、碳中和，具有十分重要的意義