“雙碳”目標下的新型電力系統藍圖及關鍵技術研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 蔣慶明 齊 磊 朱 文 陶洪強 李小龍

1 引言

新型電力系統的發展是幫助電力系統從粗放式發展，轉變為集約型低碳發展的重要技術手段。在電力行業中重點應用可持續發展的再生能源，能提高電能在消費市場中占有的比重，降低化石能源的使用量，真正實現深度低碳或者零碳的轉變。在傳統的電力行業發展模式中，一直以新型技術較少的發電路徑經營，但在當前“雙碳”目標下，實現電力系統各個發電環節的低碳與零碳，需要先進的新型技術作為支撐依靠，結合高比例新能源應用與電網結合等技術應用特征，融合碳排放技術與碳交易新市場的領域特點，實現新型技術與電力系統的協同發展。

2 新型電力系統特征

新型的電力系統是我國未來電力行業發展的中堅力量，其特征可歸為以下五個方面。

第一，新型電力系統的可再生能源與清潔能源高比例應用。新型電力系統大幅度提高風能、潮汐能、太陽能等清潔能源作為發電的主要動力，促進電力系統的轉型升級，也是實現我國雙碳目標最為重要的手段[1]。

第二，電力電子設備的研發和應用。在我國傳統的電力系統中，電力電子設備的作用主要體現在電磁變換設備中，其在控制方式、設備交互等方面沒有新型電力電子設備高效智能。伴隨著當前我國電力耗量的不斷增大，大規模的交直流輸電設備與新能源機組的應用帶動了電力電子設備的發展進步。擴大電力電子設備的應用范圍，不斷提升電力電子設備的研發質量，對我國新型電力系統的發展將產生積極影響。

第三，形成多種能源互補的綜合利用模式，創建“能源互聯網”。在電力系統的行業內部隨著多種新型技術的引入和應用，許多類型的新能源正在探索著融合應用的模式，讓發電工作的內涵和功能不斷的延伸，充分發揮電力系統的資源配置平臺作用。形成以電力系統為核心，多種能源應用并存的“能源互聯網”模式，無論是單純的電力互聯，還是在不同能源利用發展下演變出的商業模式，或是基于互聯網思維對能源應用技術進行的改造與創新，都是在能源互聯網理念下進行的能源信息與能源應用不斷整合與促進的過程，這種過程不是一蹴而就的，需要長期的實踐進行完善[2]。

第四，電力系統智能信息技術應用形成智能電網。智能電網用先進的技術手段將未來的數據科技融入到電力生產供應等各個環節之中，在未來的電力系統的設計調度中起著不可或缺的關鍵作用。智能電網也將先進的儲能技術與設施納入了電力系統。比如“電轉氣”這樣具有大規模應用潛力的儲能系統，可以將多余的發電轉化成氫氣或甲烷等清潔能源，實現與天然氣管網等系統的立體互聯。

第五，實現電力系統低碳生產向零碳生產的轉型。“雙碳”目標下對于構建新型電力系統的要求并不僅僅是減排、低碳，在建設新型電力系統的過程中要著眼于未來零碳生產的目標，將其作為電力系統生產的根本發展導向。在其觀念的指引下提升清潔能源的開發利用水平，為電力系統整體的建設轉型提供保障[3]。

3 雙碳目標下新型電力系統藍圖規劃

3.1 向高比例清潔能源深度脫碳的電力系統轉型

在目前的研究中，新型電力系統的低碳規劃主要針對供電規劃進行。與此同時，新型電力系統深度脫碳需要開發高比例的清潔能源。如圖1所示，我國當下的清潔能源雖然應用占比逐年增高，但是煤炭的應用量還是比較龐大。

圖1 各類能源年發電量

有研究的主要思想是對現有的只考慮電力和電力平衡的電力規劃模型進行擴展，從柔性規劃的角度考慮新型電力系統的靈活性，應建立一種相對平衡的新型電力系統靈活性規劃模型。總體而言，當前“碳視角”的低碳電力規劃研究與新型電力系統高比例清潔能源電力規劃研究相對獨立，二者之間并無太大聯系，這無疑制約了對新型電力系統研究的發展。清潔能源接入新型電力系統是我國支持碳減排的主要手段，而這種能源的大規模接入的根本動力是基于能源互聯網觀念“源—網—荷—儲”協同規劃方案的支持。值得注意的是，現有的新型電力系統低碳規劃研究大多僅從電力規劃的角度出發，缺乏對“源—網—荷—儲”全過程的協同規劃。基于此種情況，未來新型電力系統從清潔能源轉型規劃方法應從“源—網—荷—儲”研究角度，向開發高比例電力系統進行深度脫碳的方向研究[4]。

3.2 從“碳視角”出發進行未來電網發展形態規劃

由化石能源主導向可再生能源高比例并網轉變的過程，是電力系統實現“碳中和”目標的重要舉措，這種觀念的應用將從根本上改變傳統電力系統的結構。對于能源互聯網下“源—網—荷—儲”的結構形式，其理論研究成果與目前電網偏向實戰性的規劃有所不同，此類規劃往往側重于未來對電網發展的理論規劃，研究的結果偏向前瞻性，超前當前的電網發展。

目前，世界上很多的發達國家對電網與清潔能源的耦合性進行了研究，很多的研究也關注到了電網發展與經濟、社會的實踐應用之間的必然聯系，考慮到了電網系統之間復雜的關系。這些研究的對區域的電網規劃格局與能源利用效率會有良好的參考價值。然而，目前的研究結果多以“電”為中心視角，根據電力系統的傳統觀念進行節能減排布局的規劃，對于以“碳”為視角的電力系統減排研究少之又少。從圖2所示的視角對比，未來的新型電力系統研究應基于經濟、社會的發展程度，應用“碳”視角對電力系統的整體布局進行新的規劃嘗試，推動電力系統向著零碳排的目標邁進[5]。

圖2 “電視角”與“碳視角”下的電力系統對比

3.3 選擇最優發展路徑，建設長期發展布局

我國電力系統從傳統的發展模式向新型電力系統的轉變是一個長期的過程，當前我國對新能源的應用與技術研發還不夠成熟，很多的新能源種類還未被有效的開發。我國仍處于工業化發展階段，工業化和城市化持續推進，二氧化碳排放量在一定時間里還會有所增加。在以產業結構調整、行業節能和非化石能源發展為主要減排手段的前提下，短期內碳減排或對經濟運行帶來某些壓力和挑戰。故此我國電力系統向著零碳轉型需要行業人士抱有持久戰的信心，不僅要明確我國新型電力系統模式的發展目標，更要分析我國新型電力系統轉型的關鍵路徑和技術手段。高碳的傳統電力行業發展模式面臨發展壓力。我國承諾將在2060年前實現“碳中和”，這就要求電力行業應在30年間大幅度降低碳的排放，對此，利用化石能源發電的高碳電力產業和企業應保持清醒認識，積極應對雙碳目標下的機遇與挑戰[6]。

4 支撐新型電力系統規劃的關鍵技術

4.1 新型電力系統“源—荷”精細化預測

在傳統電力系統的發展模式對比下，新型電力系統的多樣性與靈活性將進一步增強，新型電力系統對清潔能源的靈活性進行準確建模和預測，是對新型電力系統規劃研究的必要前提，在“源—荷”的視角下對其進行精細化的預測把控。例如，風能和太陽能作為當前利用率較高的清潔能源，其電能的轉換輸出波動分別受風速和光照強度的影響，其變化較大、靈活性較高。因此，在新型電力系統精細化預測的過程中，應結合地區的光強和風速的概率分布特征，因地制宜，建立清潔能源隨機輸出模型，這種模型建立的常用精細化預測方法，會直接影響新型電力系統規劃方案的真實性與有效性。

4.2 新型電力系統低碳電力市場機制

1997年12月，《聯合國氣候變化框架公約》第3次締約方大會在日本京都召開。149個國家和地區共同簽署了減低溫室氣體的《京都議定書》。其目標是“將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，進而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害。”自協議簽訂以來，世界上的大部分國家都展開了對低碳市場，“碳交易”模式的研究。如圖3所示的當今碳市場與碳交易框架，雖然自1997年以來陸續有許多的“碳交易”模式推行，但是目前全球范圍內還未建立起統一的碳交易規則，對于低碳電力市場機制的完善產生了影響。

圖3 碳市場與碳交易的研究框架

我國在低碳電力市場建設的背景下，對電力系統的運行調度問題進行了長時間的研究，對電力系統與“碳交易”市場的相關作用和市場運行機制進行了完善，這些措施都是開展新型電力系統建設與規劃的關鍵措施支撐。當前，雖然我國系統的低碳電力市場機制正在逐步的完善，但是在未來的新型電力系統建設過程中，以“碳交易”為視角下，建立富有我國特色的新型電力碳交易市場體制的任務還任重道遠，低碳電力市場背景下對電網的調度問題還存在研究的短板。

4.3 新型電力系統多主體協同規劃

4.3.1 “發—輸”協同規劃

當前，普遍采用“預防—攻擊—糾正”的思想來規劃新型電力系統建設方案對不確定因素的穩健性。在預防階段，以安裝和擴建變量作為決策變量，以經濟為目標解決主要規劃問題。在攻擊階段，以運行變量為決策變量、能量流平衡、容量范圍等，以新型電力系統運行約束為主要邊界條件，以新型電力系統運行成本為求解包含不確定場景的運行子問題。在糾正階段，通過求解可靠性綜合癥子問題，確定新型電力系統規劃方案是否具備應對嚴重不確定場景的能力，通過在主問題上加入可靠性約束，迭代增加新型電力系統規劃方案的穩健性。

4.3.2 “源—網—荷—儲”協同規劃

低碳電力市場的建設與開發聯動區域多種能源利用的互補技術，極大地提高了能源應用的靈活性。新型電力系統可以提供多種供能方式，即供電側和用戶側雙向互補，滿足用戶的負荷需求，供電穩定能力將進一步增強。儲能設備和柔性負載可以有效消除參數隨機性對配電網的負面影響，參與電網調峰、調頻、調壓等輔助服務，提高電網安全水平和運行效率。其運行的協同規劃結合當下的計算機電子信息技術，可以更加高效的應用到當前電力系統的日常管理中。

例如，當前南方電網中推行的調峰輔助服務電力現貨市場技術支持系統，如圖4，基于“源—網—荷—儲”協同規劃的理念支持系統基于電力現貨市場建立技術支持的系統統一平臺，實現調峰需求管理、市場申報、日前出清、日內出清、市場結算等功能，實現調峰系統與節調系統與OCS 系統的互聯。這種系統架構的推行節省了電力企業日常生產的管理成本，通過電子技術的支持為我國電力企業的高質量發展提供幫助。

圖4 系統技術架構

5 結語

構建新型電力系統，對于推動我國能源結構轉型，助力實現“雙碳”目標具有重要意義。目前，國內外對新一代電力系統低碳規劃的研究仍處于起步階段，需要進一步完善和發展。