“双碳”目标下能源转型的突破点探析

文/崔晓利 王雪辰

2021年9月24日，2021中国电力规划发展论坛（第八届）在北京举行。论坛以“构建新型电力系统，助力双碳目标实现”为主题，由中国电力发展促进会、国家电网有限公司发展策划部、中国南方电网有限责任公司战略规划部、电力规划设计总院、水电水利规划设计总院联合主办。与会专家指出，在实现“双碳”目标过程中，能源行业扮演着重要角色，承担着国家能源供应和消费低碳转型重任。新型电力系统如何构建，电力行业如何转型发展，新型电力系统调节能力面临哪些挑战，成为会议焦点。

1 探索“双碳”目标下能源转型路径

“我国能源转型的战略目标是实现‘双碳’目标，力争2030年前实现‘碳达峰’、2060年前实现‘碳中和’；实施路径是要落实两个构建，即构建清洁低碳安全高效的能源体系、构建以新能源为主体的新型电力系统。”中国科学院院士周孝信提出，新型电力系统具有高比例可再生能源、高比例电力电子装备、多能互补综合能源、数字化智能化智慧能源、清洁高效低碳零碳5个主要特征，以及超导输电和新型综合输能技术等10类关键技术。基于非化石能源100%转化为电能消费的设定，能源系统和电力系统CO2排放均可实现2030年前“达峰”，2035年风电光伏装机容量超过装机总 容 量50%，2045—2050年间风电光伏发电量超过总发电量50%，2060年风电光伏装机容量占总量86%，发电量占总量69.2%，化石能源发电基本清零。

对于“双碳”目标及能源转型路径，中国工程院院士薛禹胜认为，需要优化从当前状态趋于目标状态的实施路径，能源领域首当其冲。可再生能源大规模替代火电令电力系统的枢纽角色将更为突出（物理元素），大规模交直流线路及电力电子装备入网使得动态行为越加复杂（信息元素），大规模新型复合涌现以致辅助服务与需求侧参与问题更为紧迫（社会元素）。薛禹胜提出，能源的信息物理社会系统（CPSSE）的三维框架，是实现“双碳”战略目标及能源转型路径优化的框架。他认为，需要在CPSSE框架下考虑环境、技术、经济、社会、行为等的影响，还要加快建立能源风险防御机制、信息安全保障体系、防灾减灾救灾体系。

周孝信指出，我国能源电力转型路径选择围绕大力开发利用可再生能源等五个方向，并通过非化石能源在一次能源消费中比重、非化石能源发电量在发电量中比重等5项核心指标考核新型电力系统的建设。周孝信称，新型电力系统是一个综合能源电力系统，并提出“综合能源生产单元（IEPU）”设想方案。它既可生产除电外各种绿色燃料，又能以其高灵活调节能力支撑高比例可再生能源电力系统稳定运行，期望能作为火电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。

自“双碳”目标提出以来，能源企业纷纷行动，在新业态新模式方面先行先试、创新引领。主要能源电力企业积极制定“碳达峰”、“碳中和”行动方案，研讨新型电力系统路径，加大力度推动企业绿色发展和低碳转型。能源电力企业积极储备战略新兴技术，在储能、氢能发展方面先行先试、创新引领。

2 优化新能源发展区域布局

近年来，我国可再生能源发展成绩斐然，但风光电有随机性、波动性特点，可调、可控性较弱，还面临土地利用空间约束、高比例新能源与电力安全供应问题、市场化问题。

为此，水电水利规划设计总院总工程师彭才德提出，新型电力系统需要常规水电、抽水蓄能提供支撑，水风光储多能互补综合发展。“十四五”新能源发展要单品种开发与多品种互补并举、单一场景与综合场景并举。“优化区域布局，‘三北’地区推动风光电基地化规模化发展，西南地区统筹推进水风光综合能源基地开发，东南部沿海地区积极推进风电集群化开发。落实全国范围内开展普适性强、普惠性好的新能源开发利用行动，推动新能源与各种开发场地、用能场景深度融合，‘十四五’期间重点开展千家万户沐光行动、千乡万村驭风行动、城镇屋顶光伏行动等。”

国家能源局2021年6月下发关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知，9月全国共计有676个县（市、区）进入试点名单，市场参与主体以国网、华能、国家能源集团、国家电投等央企为主。

“十三五”期间，国网经营区分布式光伏装机容量年均增长67.3%，预计“十四五”更快。“十三五”期间，低压分布式光伏占比最高，2020年年底占分布式光伏总装机容量62.1%，而且光伏台区零散分布，局部地区光伏渗透率较高。国网经济技术研究院总工程师李敬如表示，整县屋顶分布式光伏潜力巨大，综合考虑农村居民住宅屋顶和城镇公共及工商业屋顶情况，国网经营区屋顶分布式光伏理论可开发潜力分高、中、低方案，分别为8.1亿千瓦、11.7亿千瓦与15.2亿千瓦。

中国华电科工集团公司副总经理单宏胜也在“零碳城乡”整体方案中提到集中式风电、整县推进屋顶分布式光伏、氢能综合利用、生物质能生态循环利用、碳捕集利用与封存等应用场景。

从中长期来看，彭才德提出新能源发展三大方向，包括开发场地融合，比如与建筑物构筑物结合，减轻用地成本，提升单位土地收益的方式；能源开发利用之间的技术融合，如水风光互补，风光与制氢、储能、光热等的融合；还有产业发展的融合，如光伏发电与信息数据领域、交通领域的融合等。

3 提升系统灵活性资源建设

新型电力系统建设要具备灵活调节能力、分布式能源广泛介入、区域能源自洽等基本要求，为确保电力系统运行的稳定安全，须有电源及时跟随风光出力的变化，灵活做出调节。

我国电力系统正加速向以新能源为主体的新型电力系统演进。电力系统转型过程中，电网稳定控制面临新挑战。国家电力调度控制中心副主任许涛指出：一方面，电力电子设备引入新型态存在稳定问题。随着电力电子设备比例不断升高，更宽时间尺度的交互影响加强，系统动态特性更加复杂，宽频振荡等新型稳定问题涌现。新能源机组在故障扰动期间呈现电流源特性，钳制电压能力弱，同时具有电力电子设备普遍存在的脆弱性，面对故障扰动容量脱网，引发新能源大范围连锁反应。另一方面，我国高比例新能源电网安全控制更具挑战。我国单一输电通道最大容量达到1 200万千瓦，特高压直流送端已有6个千万千瓦级新能源基地。“双高”交直流强耦合电网出现以电压、谐波、频率为媒介的连锁反应。

南网战略规划部副总经理彭波认为，新型电力系统建设面临持续可靠供电、电网安全稳定、系统总成本上升的挑战。国网经济技术研究院总工程师李敬如认为，“双碳”背景下，以整县屋顶分布式光伏开发为代表的大规模新能源并网形式将给我国电力供应、新能源消纳、配电系统稳定运行等方面带来巨大挑战，面临电压越限、线路和配变过载、功率倒送等问题。

“未来五年系统调节能力需求高，新能源消纳压力整体较大。可从挖掘存量电源调节能力，新增一批系统级灵活调节电源，充分发挥需求侧响应能力，跨省跨区调节资源互济等四方面提升系统调节能力。”电力规划设计总院电力发展院主任工程师王爽提出，从长远看，储能是新能源成为主体电源后系统调节能力构建的必然选择。南网战略规划部副总经理彭波也认为，有序发展不同功能定位的储能项目，可提升电力系统灵活调节能力，保障大规模新能源充分消纳及系统运行安全。

截至2020年年底，我国电化学储能装机规模超过327万千瓦，其中锂离子电池储能占比超过88%；建成了大量的储能示范工程，有效验证了储能新能源平滑、辅助调频、调峰、紧急功率支持等功能。

“新型储能技术走的是宏观需求引导、微观技术驱动的路径。”中国电力科学研究院储能与电工新技术研究所所长刘超群表示，未来要强化产品化与应用技术研究、强化储能系统性能和安全检测、强化储能应用管理体系建设等建议。

李敬如也指出，储能等灵活性资源对构建新型电力系统、保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义，亟须对其优化配置和运行控制策略进行研究。建议从加强场景分析、完善指标体系、健全市场体制三方面推进储能在电力行业应用。

需求侧参与系统调节的潜力有待进一步挖掘。国网能源研究院副院长单葆国提出，推动需求侧资源开发利用，健全完善市场机制与商业模式，加强关键技术突破，各方联动配合形成合力。

4 抢滩能源数字化机遇

随着终端能源消费电气化进程加速，基于数字化、智能化的新型配电系统为新型电力系统的重要一环。

中国电力发展促进会常务副会长兼秘书长游敏在开幕致辞中指出，数字化转型是行业企业实现高质量发展的重要引擎。“大云物移智链”等新一代数字技术和能源技术的深度融合与广泛应用，已成为行业企业高质量发展的新模式、新业态、新途径。

国网发展部副主任刘劲松表示，国网新能源云的目标，是建设中国特色国际领先的新能源数字经济平台，建立“横向协同、纵向贯通”和“全环节、全贯通、全覆盖、全生态、全场景”的新能源开放服务体系。

南网战略规划部副总经理彭波表示，数字赋能是新型电力系统的显著特征之一。新型电力系统将呈现数字与物理系统深度融合，以数据流引领和优化能量流、业务流。南网加快电网数字化基础设施建设，建设完善基于全域传感的实时测量体系，集成碳监测能力，开展碳追踪/碳计量/碳认证、减碳诊断和服务。依托强大的“电力+算力”，透过数据关系发现电网运行规律和潜在风险，实现电力系统安全稳定运行和资源大范围优化配置，使电网具备超强感知能力、智慧决策能力和快速执行能力。

中国大唐新能源科学技术研究院院长李国华表示，大唐展开基于云边协同的新能源大数据中心建设及风电光伏智能运营技术开发应用等研究，“十四五”将全力打造成为“绿色低碳、多能互补、高效协同、数字智慧”的世界一流能源供应商。