“雙碳”目標(biāo)下新能源為主體的新型電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)、關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

　　摘　要:構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要手段。在高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”趨勢(shì)下，電力系統(tǒng)將從“源隨荷動(dòng)”的確定性電量平衡向源–網(wǎng)–荷–儲(chǔ)多元協(xié)同概率性電量平衡過渡，從以機(jī)械電磁設(shè)備為主的高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)向電力電子器件為主的低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)演化，勢(shì)必對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電等多環(huán)節(jié)提出更高的要求。本文結(jié)合近年來中國(guó)電力低碳轉(zhuǎn)型的成效及國(guó)家碳排放現(xiàn)狀，闡述了未來新型電力系統(tǒng)對(duì)于“雙碳”的貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，從安全運(yùn)行、可靠供電、經(jīng)濟(jì)高效及數(shù)智轉(zhuǎn)型4個(gè)層面論述了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并從穩(wěn)定問題復(fù)雜化、防控措施待強(qiáng)化、靈活資源多樣化、運(yùn)行方式靈活化、供電需求品質(zhì)化、市場(chǎng)機(jī)制多元化、能源利用高效化、能源生態(tài)數(shù)字化、運(yùn)營(yíng)管控智能化9個(gè)方面梳理總結(jié)了建設(shè)新型電力系統(tǒng)將要面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)重點(diǎn)將在發(fā)電側(cè)利用清潔能源替代化石能源以降低發(fā)電碳排放，在用電側(cè)推動(dòng)電氣化轉(zhuǎn)型以減少傳統(tǒng)終端用能過程碳排放兩個(gè)方面助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，迫切需要統(tǒng)籌考慮4個(gè)層面的問題：1)安全運(yùn)行是根本前提，由于新型電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性改變及演化機(jī)理不明，不僅需要解決各類新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，也要應(yīng)對(duì)電壓、頻率的支撐不足，以及應(yīng)對(duì)措施不完善的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2)可靠供電是核心目標(biāo)，解決新能源發(fā)電波動(dòng)性、間歇性所帶來的電力電量平衡問題，需要讓更多的靈活性資源參與到電力系統(tǒng)功率平衡調(diào)節(jié)中，同時(shí)，還需要統(tǒng)籌調(diào)度系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的靈活性資源，保障電力系統(tǒng)可靠、高品質(zhì)供電。3)經(jīng)濟(jì)高效是必然要求，目前尚缺乏合理的電力市場(chǎng)機(jī)制與碳市場(chǎng)機(jī)制作為提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段，中國(guó)在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各方面的能效仍有較大提升空間。4)數(shù)智轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵支撐，電力業(yè)務(wù)亟需通過數(shù)字技術(shù)與智能控制技術(shù)改造生產(chǎn)及管理模式，“大云物移智鏈”等技術(shù)在能源電力領(lǐng)域的融合創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用同樣面臨諸多挑戰(zhàn)。規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需要結(jié)合新理論、新技術(shù)、新市場(chǎng)、新政策，研究系統(tǒng)安全運(yùn)行中的穩(wěn)定機(jī)理與防控措施，挖掘系統(tǒng)靈活性資源并維持系統(tǒng)可靠供電，設(shè)計(jì)合理的電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)機(jī)制，不斷提高能源生產(chǎn)–傳輸–存儲(chǔ)–轉(zhuǎn)換–消費(fèi)等環(huán)節(jié)的效率，朝著從高碳電力系統(tǒng)向深度低碳或零碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)持續(xù)邁進(jìn)。

　　關(guān)鍵詞:碳達(dá)峰;碳中和;新能源;電力系統(tǒng)

　　全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平的迅猛發(fā)展，促使能源需求急劇增長(zhǎng)。傳統(tǒng)化石能源在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化過程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，其引發(fā)的氣候問題已日益威脅全球生態(tài)安全。截至2021年4月22日，全球已經(jīng)有120多個(gè)國(guó)家陸續(xù)宣布了碳中和目標(biāo)。碳中和是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，二氧化碳的人為移除抵消人為排放，達(dá)到相對(duì)“零排放”。當(dāng)前，中國(guó)已將減碳列入國(guó)家重要發(fā)展目標(biāo)，力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到碳排放峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

　　目前，中國(guó)電力系統(tǒng)碳排放還處于較高水平，占全社會(huì)碳排放的40%左右，其中煤電是碳排放的主要來源，故提升電網(wǎng)新能源發(fā)電比例是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的重要途徑。國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司已發(fā)布助力“碳達(dá)峰、碳中和”的有關(guān)文件，推動(dòng)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。在發(fā)電側(cè)，采用清潔能源代替化石能源，降低發(fā)電碳排放;在輸配電側(cè)，提高傳輸效率，減少損耗;在用電側(cè)，實(shí)施用能電氣化改造，減少傳統(tǒng)終端用能過程中的碳排放。針對(duì)傳統(tǒng)能源供應(yīng)體系中電力、熱能、天然氣各自獨(dú)立、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率低下、缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃等問題，有必要構(gòu)建以電為中心、電網(wǎng)為平臺(tái)的綜合能源系統(tǒng)[1]，實(shí)現(xiàn)能源廣泛互通互濟(jì)。

　　此外，“數(shù)字新基建”對(duì)于推動(dòng)數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)深度融合發(fā)展具有重要意義，以此加速產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，以電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型助推新型電力系統(tǒng)建設(shè)。中國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量自2010年起開始大幅增長(zhǎng)，但在電力系統(tǒng)中，風(fēng)光發(fā)電量的占比仍然很低，2019年僅占到2.9%和5.4%。然而，在中國(guó)“雙碳”目標(biāo)下，到2060年預(yù)測(cè)中國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量占比之和需達(dá)到約80%，發(fā)電量占比之和達(dá)到約70%[2–4]。未來高比例新能源并網(wǎng)將給新型電力系統(tǒng)帶來諸多挑戰(zhàn)，包括安全穩(wěn)定運(yùn)行、電力電量平衡、新型市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)，以及數(shù)字化與智能化提升等，具體表現(xiàn)如下：

　　1)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)采用出力可控的火電機(jī)組發(fā)電，而新型電力系統(tǒng)采用出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的新能源機(jī)組發(fā)電[5]。2)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)采用同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)慣量作為電網(wǎng)支撐，其安全穩(wěn)定控制理論較為完善;而新型電力系統(tǒng)中的大量新能源發(fā)電設(shè)備缺乏慣量支撐，且應(yīng)對(duì)電力擾動(dòng)魯棒性差[6]，其穩(wěn)定機(jī)理與控制方法有待研究[7]。3)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由確定性一次能源保障供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、穩(wěn)定分析、平衡調(diào)控、電力市場(chǎng)等方面均以確定性條件進(jìn)行技術(shù)研究和工程應(yīng)用;而新型電力系統(tǒng)主要由波動(dòng)的可再生能源為負(fù)荷供電，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、平衡調(diào)控等方面均以不確定性條件進(jìn)行技術(shù)研究和工程應(yīng)用。

　　4)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)電成本較低，而新型電力系統(tǒng)建設(shè)將大幅增加電網(wǎng)發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)的建造和運(yùn)行成本。5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、處理能力等要求較低;而新型電力系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、多樣化、相互關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)信息傳輸、數(shù)據(jù)處理等多方面提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，安全運(yùn)行是根本前提，可靠供電是核心目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)高效是必然要求，數(shù)智轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵支撐。與此同時(shí)，新型電力系統(tǒng)在安全、可靠、經(jīng)濟(jì)及數(shù)智化進(jìn)程方面還存在諸多挑戰(zhàn)，需要新理論、新技術(shù)、新市場(chǎng)、新政策共同支撐。

　　本文首先闡述了新型電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn);然后，從安全運(yùn)行、可靠供電、經(jīng)濟(jì)高效和數(shù)智轉(zhuǎn)型4個(gè)層面分析了新型電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，包括穩(wěn)定問題復(fù)雜化、防控措施待強(qiáng)化、靈活資源多樣化、運(yùn)行方式靈活化、供電需求品質(zhì)化、市場(chǎng)機(jī)制多元化、能源利用高效化、能源生態(tài)數(shù)字化，以及運(yùn)營(yíng)管控智能化;最后，從強(qiáng)化基礎(chǔ)研究、攻克關(guān)鍵技術(shù)、推進(jìn)工程應(yīng)用的維度給出應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)建議采取的主要具體措施，以期吸引更多學(xué)者參與對(duì)新型電力系統(tǒng)的探討與研究。

　　1新型電力系統(tǒng)對(duì)“雙碳”的貢獻(xiàn)

　　中國(guó)電網(wǎng)公司已經(jīng)在推動(dòng)能源電力轉(zhuǎn)型中取得了豐富的實(shí)踐成果。截至2020年底，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，保障新能源及時(shí)并網(wǎng)消納，中國(guó)電網(wǎng)公司已投資約2.4萬億元，以加強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)及清潔能源電站建設(shè)。在電網(wǎng)側(cè)，跨區(qū)域輸電能力達(dá)2.3億kW，其中輸送清潔能源電量占總輸電量比例達(dá)43%。

　　在能源消費(fèi)側(cè)，采用加快建設(shè)電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，民航機(jī)場(chǎng)、沿海和內(nèi)陸碼頭不斷推廣以電代油，工業(yè)領(lǐng)域推廣電窯爐、電鍋爐等舉措，累計(jì)實(shí)現(xiàn)替代電量8677億kW·h，電能消費(fèi)占終端能源消費(fèi)比例約27%。此外，為促進(jìn)能源高效利用，研發(fā)并全面掌握特高壓核心技術(shù)和全套設(shè)備制造能力，建成國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸、張北柔直等示范工程;建設(shè)“新能源云平臺(tái)”，在新能源電廠并網(wǎng)與運(yùn)行控制領(lǐng)域也獲得一系列成果。

　　隨著發(fā)電側(cè)清潔能源替代程度的深化，系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)制復(fù)雜、調(diào)節(jié)資源稀缺等問題愈加凸顯。如何最大化消納新能源，實(shí)現(xiàn)更高要求下新型電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。未來新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建還需繼續(xù)圍繞能源供給清潔化、能源消費(fèi)電氣化不斷推進(jìn)。當(dāng)前，中國(guó)為減少能源利用中的碳排放，仍在不斷推動(dòng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)朝著清潔、高效、低碳的方向良性發(fā)展[8]，并以電為中心、電網(wǎng)為平臺(tái)帶動(dòng)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。

　　同時(shí)總結(jié)了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的路徑及挑戰(zhàn)。薛欽源等[9]通過計(jì)算能源供給多樣性的方法說明了中國(guó)能源供應(yīng)的現(xiàn)狀并指出了一次能源結(jié)構(gòu)發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化所面對(duì)的問題及對(duì)應(yīng)的建議。在加快節(jié)能減排，防治大氣污染的新形勢(shì)下，中國(guó)正不斷努力在能源供給側(cè)構(gòu)建多元清潔能源供應(yīng)體系。國(guó)家光伏裝機(jī)量占全球的45%左右，并持續(xù)為光伏發(fā)電成本降低做出貢獻(xiàn)，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量以20%年均增速提升。

　　在“十三五”期間，為保障新能源及時(shí)并網(wǎng)消納，通過煤電靈活性改造和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的提升，促使風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量達(dá)5872億kW·h，減少燃煤消耗2.5億t，減排二氧化碳當(dāng)量4.5億t。此外，能源技術(shù)創(chuàng)新同樣意義重大，當(dāng)前中國(guó)已實(shí)現(xiàn)核能、光熱等新型發(fā)電方式的自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)，其運(yùn)行安全性與社會(huì)認(rèn)可度都在不斷提升[10]。

　　構(gòu)建新型電力系統(tǒng)除推進(jìn)新能源利用，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)減排外，在能源消費(fèi)方面，隨著轉(zhuǎn)型發(fā)展配套政策出臺(tái)實(shí)施、技術(shù)進(jìn)步降本增效、電網(wǎng)改革與能耗雙控深入推進(jìn)、輸配電技術(shù)不斷突破，中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中電能消費(fèi)的地位愈加突出。為了降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，減少溫室氣體排放，工業(yè)、交通、建筑領(lǐng)域的電氣化轉(zhuǎn)型及能效管理也在不斷推進(jìn)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的更換設(shè)備、優(yōu)化燃料等措施已經(jīng)無法滿足工業(yè)部門更高的減碳需求。

　　為了從根本上大幅降低工業(yè)傳統(tǒng)方式下發(fā)電、產(chǎn)熱時(shí)的碳排放，需要大力推動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)、碳捕獲與儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。在交通方面，運(yùn)載工具的電氣化轉(zhuǎn)型是最為有效、貢獻(xiàn)最大的減排措施。同理，在建筑領(lǐng)域提升技術(shù)水平如熱泵的應(yīng)用等舉措，加強(qiáng)了建筑節(jié)能改造，對(duì)減排同樣有重大意義[10]。為如期實(shí)現(xiàn)碳中和，中國(guó)將繼續(xù)推進(jìn)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，抓住能源發(fā)展新形勢(shì)下的機(jī)遇，積極應(yīng)對(duì)各層面下的挑戰(zhàn)，通過多種路徑加快實(shí)現(xiàn)能源供給側(cè)清潔替代、能源消費(fèi)側(cè)電能替代。

　　2安全運(yùn)行層面的挑戰(zhàn)

　　2.1穩(wěn)定問題復(fù)雜化

　　新型電力系統(tǒng)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”趨勢(shì)下，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性改變及演化機(jī)理不明，穩(wěn)定問題變得更為復(fù)雜。一方面，新能源設(shè)備接入電網(wǎng)引發(fā)的運(yùn)行方式改變將從一定程度上影響經(jīng)典穩(wěn)定性問題;另一方面，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為改變將引發(fā)新的穩(wěn)定性問題。

　　2.1.1對(duì)經(jīng)典穩(wěn)定性問題的影響由圖2可知，經(jīng)典電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題包括了功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定。新能源機(jī)組的滲透率、機(jī)組類型、地理位置、接入電網(wǎng)強(qiáng)度、運(yùn)行工況、控制策略與控制參數(shù)決定了其對(duì)經(jīng)典穩(wěn)定性問題的影響程度。

　　1)功角穩(wěn)定方面。在低頻振蕩中，具有代表性的穩(wěn)定性問題是由發(fā)電機(jī)主導(dǎo)的功角穩(wěn)定性問題，大規(guī)模新能源發(fā)電機(jī)組接入會(huì)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流分布，可能影響功角的暫態(tài)穩(wěn)定性，引入新的低頻振蕩現(xiàn)象[11]。低頻振蕩的頻率范圍一般是0.2～2.0Hz，在區(qū)域聯(lián)網(wǎng)背景下，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送依然存在，高比例新能源并網(wǎng)可能加劇功角穩(wěn)定問題[12]，惡化區(qū)域電網(wǎng)之間的機(jī)電振蕩模式，引發(fā)聯(lián)絡(luò)線低頻功率振蕩。此外，新能源的接入可能會(huì)改變?cè)�有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程，使得原本穩(wěn)定運(yùn)行的電力裝備偏離其最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)，進(jìn)而可能引發(fā)低頻振蕩現(xiàn)象。

　　2)電壓穩(wěn)定方面。新能源機(jī)組的電壓–無功響應(yīng)能力將影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。高比例風(fēng)電、光伏接入強(qiáng)度較弱的電網(wǎng)時(shí)電壓穩(wěn)定控制難度增大[13]，且容易引發(fā)新能源機(jī)組脫網(wǎng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

　　3)頻率穩(wěn)定方面。高比例電力電子化導(dǎo)致的系統(tǒng)慣量下降、新能源出力功率波動(dòng)都將降低系統(tǒng)頻率的魯棒性[14]。在分析方法上，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題多單獨(dú)針對(duì)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定開展分析研究[15–17]。隨著新能源大量接入、系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大、運(yùn)行方式增多，多種不同穩(wěn)定性問題相互耦合，如何進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)定性模式判別[18]，厘清不同穩(wěn)定性問題相互演化規(guī)律也是未來經(jīng)典穩(wěn)定性問題研究的挑戰(zhàn)之一。

　　Jadidbonab等[19]采用隨機(jī)規(guī)劃方法處理風(fēng)力發(fā)電與需求的不確定性，作為評(píng)估和提高含風(fēng)力發(fā)電與熱能需求的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性基礎(chǔ)。陳磊等[20]通過簡(jiǎn)化的代數(shù)方程和仿真分析得出了隨著風(fēng)電機(jī)組替換常規(guī)機(jī)組比例增大，系統(tǒng)穩(wěn)定性具有從功角穩(wěn)定向電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的特性的結(jié)論。毛安家等[7]則進(jìn)一步研究高比例新能源電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的演化機(jī)理，給出了基于常規(guī)機(jī)組最大替換功率的穩(wěn)定性演化的量化指標(biāo)。

　　2.1.2新型穩(wěn)定性問題的出現(xiàn)

　　在新型電力系統(tǒng)中，電力電子變流器將廣泛應(yīng)用于發(fā)、輸、配、用電各個(gè)環(huán)節(jié)，由此引發(fā)的新型電磁振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)在：電力電子設(shè)備與串聯(lián)補(bǔ)償裝置[21]、電力電子設(shè)備與交流系統(tǒng)[22–23]、電力電子設(shè)備與直流系統(tǒng)[24]，以及電力電子設(shè)備之間[25]。同時(shí)，電力系統(tǒng)互聯(lián)為振蕩能量在電網(wǎng)中廣域傳播提供了有利條件，可能加劇電磁振蕩的嚴(yán)重程度[26]。

　　從振蕩頻率的角度來講，新型振蕩現(xiàn)象的頻帶較寬，包括了低頻、次同步、超同步及諧波，從Hz至kHz量級(jí)的振蕩均有可能發(fā)生。其中：低頻振蕩多是由于新能源接入改變了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，較少見到有關(guān)于其直接引發(fā)低頻振蕩的工程案例;次同步振蕩是新能源接入后較為普遍的振蕩現(xiàn)象，在國(guó)內(nèi)外均有較多報(bào)道，其主要機(jī)制是電力電子裝置控制環(huán)節(jié)設(shè)定不合理，或難以適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境導(dǎo)致的;諧波振蕩則主要是由于電力電子裝置的開關(guān)動(dòng)態(tài)引發(fā)的，這也是電力電子裝置接入后對(duì)區(qū)域電網(wǎng)最直接的影響。

　　3可靠供電層面的挑戰(zhàn)

　　大規(guī)模新能源發(fā)電接入背景下，受地理環(huán)境和氣象條件因素影響，新能源發(fā)電出力具有波動(dòng)性、間歇性、能量密度低等特點(diǎn)[42]。同時(shí)，中國(guó)用電需求呈現(xiàn)冬、夏“雙峰”特征，峰谷差不斷擴(kuò)大，北方地區(qū)冬季高峰負(fù)荷往往接近或超過夏季高峰，保障電力供應(yīng)的難度逐年加大。從實(shí)際運(yùn)行情況看，依靠常規(guī)電源滿足電網(wǎng)高峰負(fù)荷需求仍然是實(shí)現(xiàn)電力電量平衡的主要方式。在極端天氣下，很難保證充足的供電裕度支撐電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行。此外，由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性不足，導(dǎo)致中國(guó)各地始終存在棄風(fēng)、棄光問題，不利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　4經(jīng)濟(jì)高效層面的挑戰(zhàn)

　　4.1市場(chǎng)機(jī)制多元化

　　建設(shè)新型電力系統(tǒng)將大幅增加電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的建造和運(yùn)行成本，同時(shí)，考慮到新能源發(fā)電成本較高，且短時(shí)間無法通過技術(shù)創(chuàng)新大幅降低成本，因此設(shè)計(jì)合理的電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)機(jī)制是當(dāng)前提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段[55]。根據(jù)市場(chǎng)類型和交易機(jī)制的差異，本文總結(jié)了電能市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、碳市場(chǎng)在“雙碳”背景下的主要挑戰(zhàn)和完善市場(chǎng)機(jī)制的主要路徑。

　　4.2能源利用高效化

　　建設(shè)經(jīng)濟(jì)高效的新型電力系統(tǒng)對(duì)能源利用高效化提出新挑戰(zhàn)。中國(guó)在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各方面仍然具備較大的能效提升空間，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)要求電網(wǎng)各主體通過技術(shù)層面、管理層面達(dá)到能源利用高效化目標(biāo)，提升用能經(jīng)濟(jì)效益。

　　4.2.1技術(shù)層面

　　電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、利用與存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新是中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳、經(jīng)濟(jì)高效和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)仍有節(jié)能改造空間，主要表現(xiàn)為新能源發(fā)電效率有待提高、輸變電損耗有待降低、部分儲(chǔ)能技術(shù)在能量轉(zhuǎn)化過程中損耗較大、部分用電設(shè)備效率較低、產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)較長(zhǎng)等問題。

　　通過高能效設(shè)備研發(fā)、用能結(jié)構(gòu)調(diào)整以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方式，深度挖掘發(fā)電企業(yè)和電力用戶在發(fā)用電過程中的節(jié)能潛力，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)能源利用高效化。在發(fā)電側(cè)，需通過提高新能源集群預(yù)測(cè)精度、熱電聯(lián)產(chǎn)等方法提升清潔能源發(fā)電效率。在電網(wǎng)側(cè)，采用高壓直流輸電等技術(shù)減少輸電損耗。在儲(chǔ)能側(cè)，應(yīng)當(dāng)考慮儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)氫等多類型儲(chǔ)能設(shè)施有效結(jié)合、互補(bǔ)應(yīng)用，以降低儲(chǔ)能損耗[63]。在用電側(cè)，要求解決大量電動(dòng)汽車有序充電及充電樁高效利用的問題;同時(shí)，研發(fā)工業(yè)節(jié)能裝置，推廣居民節(jié)能電器，通過數(shù)智化實(shí)現(xiàn)工藝流程節(jié)能、低溫余熱回收等多種舉措，以達(dá)到提高能效的目的。

　　5數(shù)智轉(zhuǎn)型層面的挑戰(zhàn)

　　建設(shè)以新能源為主體的數(shù)字化、智能化電力系統(tǒng)需要在能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等先進(jìn)數(shù)智轉(zhuǎn)型技術(shù)[66]，優(yōu)化電網(wǎng)中的能量流和信息流，增強(qiáng)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、靈活性、可靠性等基本指標(biāo)。中國(guó)電力系統(tǒng)的數(shù)智化建設(shè)已具有一定的基礎(chǔ)，例如，國(guó)家電網(wǎng)公司推進(jìn)的“網(wǎng)上電網(wǎng)”應(yīng)用，從技術(shù)、功能、形態(tài)等方面推動(dòng)了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型，為加快建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐。

　　6結(jié)　論

　　構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、遏制氣候變暖的必然要求。隨著發(fā)電側(cè)清潔能源替代程度的深化，新型電力系統(tǒng)將逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定問題復(fù)雜化、防控措施待強(qiáng)化、靈活資源多樣化、運(yùn)行方式靈活化、供電需求品質(zhì)化、市場(chǎng)機(jī)制多元化、能源利用高效化以及能源生態(tài)數(shù)字化與運(yùn)營(yíng)管控智能化等趨勢(shì)。建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，在安全運(yùn)行、可靠供電、經(jīng)濟(jì)高效和數(shù)智轉(zhuǎn)型4個(gè)方面對(duì)電網(wǎng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)采取的主要措施包括：

　　1)完善穩(wěn)定機(jī)理分析與應(yīng)對(duì)措施研究;2)挖掘系統(tǒng)靈活性資源，并采用概率性方法分析決策;3)設(shè)計(jì)合理的電力市場(chǎng)與碳市場(chǎng)機(jī)制;4)提高能源利用效率;5)融合信息傳輸、信息安全、信息處理等新技術(shù)的同時(shí)，提高電力智能化程度。采用上述措施應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)的同時(shí)，還需要充分結(jié)合新理論、新技術(shù)、新市場(chǎng)、新政策。本文綜述了“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)建設(shè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和可能的解決方案，以期為能源電力領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)一步研究探討起到拋磚引玉的作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　JiaHongjie,WangDan,XuXiandong,etal.Researchonsomekeyproblemsrelatedtointegratedenergysystems[J].AutomationofElectricPowerSystems,2015,39(7):198–207.

　　賈宏杰,王丹,徐憲東,等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)若干問題研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(7):198–207.]

　　[1][2]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.中國(guó)2060年前碳中和研究報(bào)告[R].北京:全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織,2020.LiHui,LiuDong,YaoDanyang.Analysisandreflectiononthedevelopmentofpowersystemtowardsthegoalofcarbonemissionpeakandcarbonneutrality[J].ProceedingsoftheCSEE,2021,41(18):6245–6259.

　　李暉,劉棟,姚丹陽(yáng).面向碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展研判[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2021,41(18):6245–6259.]

　　[3]TangBaojun,LiRu.Impactofreducedrenewableenergycostsoncarbonpeakandcarbonneutralityofpowerindustry[J].EnterpriseEconomy,2021,40(8):53–63.

　　唐葆君,李茹.可再生能源成本下降對(duì)電力行業(yè)碳達(dá)峰與碳中和的影響[J].企業(yè)經(jīng)濟(jì),2021,40(8):53–63.]

　　[4]DingMing,LinYujuan,PanHao.Probabilisticproductionsimulationconsideringtimesequencecharacteristicsofloadandnewenergy[J].ProceedingsoftheCSEE,2016,36(23):6305–6314.

　　丁明,林玉娟,潘浩.考慮負(fù)荷與新能源時(shí)序特性的隨機(jī)生產(chǎn)模擬[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(23):6305–6314.]

　　作者：肖先勇，鄭子萱*

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