構建以新能源為主體的新型電力系統建議

曹正清，葉鈺琰

（中電投廣西核電有限公司，廣西 南寧 530012）

0 引言

新型電力系統在構建過程中具有一定復雜性，因此對其進行全面分析，做出超前判斷十分必要，這是系統構建中應解決的問題。在此過程中需充分考慮到的電源、能源、負荷、網絡等多個方面，明確系統構建思路，進而推動電力行業向著更好方向發展[1]。

1 新型電力系統發展中面臨的變化

電力系統在推動碳中和、碳達峰過程中，應注重電力系統的升級轉型，在此過程中，技術基礎、物質基礎會發生較為深刻的變化，其中主要體現在這幾方面：首先，一次能源性發生的變化。在電力系統中，一次能源主體能夠從可運輸與可存儲化石能源逐漸向不能存儲、不能運輸，以及和氣象環境有關的太陽能資源、風能資源轉變，供應一次性能源時具有較大不確定性。其次，功能變化和能源布局變化[2]。結合我國在太陽能、風能方面的分布情況，開發新能源時應運用分散和集中結合的方式，如果電源總體實際接入的位置比較偏遠，則低電壓等級越發深入。今后新能源將成為主體電源，成為電力電量提供者，并且形成調節、支撐以及故障穿越多種構網能力。再次，形態變化和網絡規模變化。北部和西部建設的清潔能源基地為中東部地區對應負荷中心進行輸電的格局不發生改變，電網規模會明顯擴大。同時電網形態由原本交直流之間混聯逐漸向柔直電網、微電網方向轉變。最后，特性和復合結構發生的變化。在社會不斷發展過程中，能源消費呈現出明顯電氣化，整體用電需求明顯增加，并且配電網具有有源化特點，多能可以進行靈活轉換。從負荷上來講，由原本單一用電逐漸向著一體化發展，實際支撐能力和調節能力增強比較明顯。除此之外，技術基礎也會發生變化，對于電源并網技術來講，從交流同步逐漸向著電力電子方向轉變，同時系統進行同步運行過程中的機理從原本物理特性作為主導逐漸向著人為控制計算作為主導轉變。

2 當前電力生產消費的全新特點

當前我國經濟發展獲得了歷史性成就，總體運行平穩，結構進行了不斷優化，國內生產總值超過一百萬億元。電力生產消費呈現出全新特點。首先，電氣化進程加快。生產領域、生活領域電氣化實現率呈現出持續提升狀態，在工業領域中約占25%，建筑領域中在16%左右。同時在交通領域當中，鐵路方面實現的電氣化程度比較高，整體提升明顯。同時產業用電量呈現出迅速增長。在一定程度上表明經濟結構獲得了較大程度的優化升級。除此之外，新業態在用電量方面呈現出良好的經濟增長活力，信息技術和傳統產業之間展開了深度融合，新業態、新技術以及新模式逐漸涌現，行業用電量增長迅速。其次，電力進行低碳轉型明顯加速。基于電源投資進行分析，非化石能源在比重上可以達到90%，而煤電投資整體規模呈現出逐年下降趨勢。基于清潔能源進行分析，企業、國家加強了清潔能源的發展力度，獲得的效果較為顯著。基于技術指標和經濟指標進行分析，電力整體效能水平獲得了持續性提升，在應用新工藝與新技術過程中，運營水平、管理水平、技術水平等均獲得了明顯提升，電力進行節能減排也因此獲得了新成效。

3 電力系統發展中面臨的挑戰

3.1 調節系統平衡

首先，供需平衡理論受到挑戰，新能源在所占比例不斷升高過程中，系統調節以及供需雙側在資源方面呈現出明顯不確定性，系統原本平行機制從不確定負荷確定發電跟蹤逐漸向不確定負荷和不確定發電轉變，供需雙側在運行時會依賴于外部條件，并且依賴程度較高，因此電力系統中運用的供需平衡理論需要進一步進行完善[3]。其次，日內調節難度較大。新能源呈現出的隨機波動性應運用可控能源具有的深度調節能力進行抵銷。當前電力系統的調節能力基本上已經得到了全面挖掘，但是仍然需要強大的調節能力適應新能源在消納時的實際需要。因此遠期能源作為主要能源以后，由于常規能源占比明顯下降，以及和負荷方面的側調節能力比較有限，難以使日內消納需求獲得充分滿足。最后，季節調節需求明顯增加。進行新能源發電時，和用電之間存在季節不能匹配的情況，處于冬季和夏季時為用電高峰期，但是新能源出力與平均水平相比更低，處于春季和秋季時，新能源大發的情況下為用電低谷。當前運用的存儲技術僅能使日內調節需要獲得滿足，存在的季節消納矛盾會變得更為突出。

3.2 綜合供電成本

新能源在使用過程中，不僅包括場站本體成本，也包括系統調節成本、靈活電源投資、補強投資、大電網擴展等多項成本[4]。新能源如果電量滲透率超出10%～15%以后，將會使系統成本迅速進入臨界點，今后新能源場站降低成本難以充分對沖新能源產生的系統成本。同時在滲透率不斷提高過程中，系統成本在疏導時更加困難，進而整體供電成本將會受到顯著影響。

3.3 運行安全穩定

首先，穩定基礎理論收到了挑戰，新能源發電和常規機組動態性特征和同步機制存在一定區別，造成暫態功角對應的穩定性定義并不適用。并且電力電子設備的高比例特點造成系統呈現出控制策略主導、多時間尺度進行交織、離散性、切換性特征，這就需要針對向有關過渡過程理論、非工頻穩定性相協調理論等進行完善。其次，控制理論需進行創新。傳統模式下，電力系統進行資源控制時主要運用大容量設備，設備為同質化。新型電力系統在構建過程中，大量電力電子設備與新能源會接入等級電壓中，使資源異質化、碎片、時變化受到控制。

4 構建以新能源為主體的新型電力系統的基本保障

4.1 確保新能源和電力供應消納

在電源側方面，首先應注重電力供應能力的有效提高，促進北部地區、西部地區建立新能源基地，運用因地制宜方式推動東中分布式新能源的發展。重視海上風電向遠海進行拓展。煤電由原本控容減量以及增容控量逐漸向減容減量發展，將保障作用充分發揮出來，實現對存量資產的合理利用，制定退出路徑時，應進行科學規劃。同時積極開發水電，將西南水電建設作為重點，使沿海地區進行核電建設時在有序狀態下進行，適時組建內陸核電。其次，要注重有功調節能力的提高，針對運煤電機組做出靈活改造，提高機組深度調峰能力以及調節迅速。新建煤電需呈現出良好調峰能力。在此過程中，應注重天然氣方面調峰電源的發展，將其具有的功率調節迅速、啟停耗時較短優勢充分發揮出來，建設時可以將其設置在電網靈活度較差，發電滲透率較高的區域中。新能源需根據一定比例進行儲能配置。在電網側方面，新能源的使用會進一步加大遠距離外送與規模性集中開發程度，需要建設跨區域或者是跨省輸電通道，重視資源優化配置的實現，建設相關平臺，并且將受端交流電網、送端交流電網以及聯網規模的擴大，進而使大規模以及跨區域的輸電需求獲得充分滿足。并且積極建設與微網、分布式發展的配電網，使電網充分體現出智能性，推動冷、熱、電、氣之間能夠進行協調控制和互補，適應分布清潔能源在多元負荷用電與并網方面的需要，保證終端能源進行消費時的整體節能提效效果。

4.2 運用顛覆性技術

建設將新能源作為主體的全新電力系統過程中，運用傳統技術難度較大，需進行技術革新，運用顛覆性技術。由于顛覆性技術存在較大突破難度，具有較強不確定性，因此需要長期進行高投入。在此過程中應加強對技術的支持，加強技術攻關工作，使電力系統構建和碳中和目標實現時獲得充分技術支撐。對于新型儲能技術來講，應盡量體現出安全性、大容量、低成本、長壽命，使儲能形態上體現出廣域協同特點，資源的具有明顯的可控、可觀性，進而使不同場景中特有的技術需求可以獲得充分滿足。對于直流組網技術來講，應將柔性直流優勢充分發揮出來，針對新能源進行多點大規模匯集，并且使其不出現同步電源并網情況，將能源輸送對應的多端特高壓相關柔直技術作為重點，進而在缺少同步電源支撐和網架薄弱的區域中實現對新能源的集中性開發。

5 以新能源為主體新型電力系統建設的策略

5.1 建設新型電力系統試點

在青海、西藏等地區，可再生能源在資源稟賦方面較好，發電量、發電裝機容量在全國占據前列，在青海地區，截至到2021 年11 月份，全省發電裝機達到了4070 萬kW，水電裝機為1193 萬kW，整體占比達到29.31%，而火電裝機為393 萬kW，整體占比達到9.66%。并且新能源在能源發電裝機方面為2484 萬kW，整體占比達到61.03%。西藏電網光伏裝機容量139 萬kW，平均利用小時數約1320h，全年發電量為16.97 億kWh。可以在上述區域中建設新型電力系統試點，將電網的拉動、支撐、服務功能充分發揮出來，為社會經濟實現可持續發展創造良好條件，并且為全國范圍內建設新型電力系統提供經驗支持。同時上述數據也在一定程度上表明新能源和傳統能源相比，優勢比較明顯。

5.2 發揮科技引領作用

市場經濟背景下應特別重視建設重大科技對應的攻關計劃，推動產學研政用的深度結合，促進科技創新體系構建。同時在新型電力系統方面，針對基礎理論應加強研究，將電力系統對應協調控制技術、循環利用、高效碳捕捉等作為重點研究內容。可以運用聯合方式加強對核心技術的研制攻關，建設科技示范工程，使電工電氣裝備方面的技術水平獲得明顯提升。在建設科技示范工程過程中，可以和高校之間進行聯合，在獲得人才支持的同時，也能實現度這方面科技人才的培養。在進行核電發現時，就AP1000 核電廠來講，使用發電機屬于三相交流隱極同步發電機，專屬達到1500/min，即定繞組屬于冷水，而定子鐵心屬于氫冷，并且轉子屬于氫冷，氫氣壓力0.55MPa。對于發現及端部來講，通過單環雙流密封瓦對氫氣進行密封。

5.3 推動核電新能源的使用

當前在發展核電的道路上，多國正在同步推進。對于中國而言，積極發展核電還可有效帶動出口，助力經濟穩增長。事實表明，安全如期達成“雙碳”目標，核電“蓄能”勢在必行。隨著歐洲能源危機不斷發酵，核電發展重新受到重視。在我國，2021 年底召開的全國能源工作會議將“積極安全有序發展核電”作為重點任務，核電建設經過長時間放緩后，再次明確將“積極”推動核電發展。在日益緊迫的“雙碳”目標下，作為凈零排放的基荷電源，核電“蓄能”可謂正當時。越來越多的國家和企業意識到需要核電來補齊能源系統缺口。打造清潔低碳的新型能源系統，核能的優勢顯而易見。因此在新型電力系統進行構建過程中，應注重對核電的研究與應用。2020 年，由發電形成的二氧化碳實際排放量在21Gt 到24Gt，煤電鏈造成歸一化健康風險為20.12 死亡/百萬kW，核電僅為4%，即使可再生資源、水電、煤炭生產獲得充分利用，截止2050 年電力缺口仍會有200GW，核電成為填補缺口的重要途徑。

5.4 健全電力相關政策體系

應制定適應煤電從電力電量供應者逐漸向調節支撐提供者的方向轉變的產業政策，使今后電力供應過程中存在安全運行風險獲得充分保證。針對光熱發電、海上風電給予一定補貼和政策支持，推進示范項目的實施，構建標準性體系，使產業獲得更好高的綜合效益，為可持續發展的實現創造良好條件。同時注重考慮不同類型儲能功能作用的發揮，了解受益對象，建立誰受益便由誰承擔的基本原則建立成本相關疏導機制，進而推動儲能行業實現迅速發展。

6 結語

總之，構建將新能源作為主體的全新電力系統能夠在一定程度上推動碳中和目標的實現，使我國開展的能源革命可以向更深層次邁進，可以使生態環保與能源安全問題獲得有效解決。在此過程中，應注重產業升級，積極轉變經濟發展傳統方式。具體實施時，可以從建設新型電力系統試點，發揮科技引領作用，重視市場資源配置，健全電力相關政策體系這幾方面進行，進而使電力行業在發展過程中更具社會適應性。