“双碳”目标下的新型电力系统蓝图及关键技术研究

南京南瑞继保电气有限公司 蒋庆明 齐 磊 朱 文 陶洪强 李小龙

1 引言

新型电力系统的发展是帮助电力系统从粗放式发展，转变为集约型低碳发展的重要技术手段。在电力行业中重点应用可持续发展的再生能源，能提高电能在消费市场中占有的比重，降低化石能源的使用量，真正实现深度低碳或者零碳的转变。在传统的电力行业发展模式中，一直以新型技术较少的发电路径经营，但在当前“双碳”目标下，实现电力系统各个发电环节的低碳与零碳，需要先进的新型技术作为支撑依靠，结合高比例新能源应用与电网结合等技术应用特征，融合碳排放技术与碳交易新市场的领域特点，实现新型技术与电力系统的协同发展。

2 新型电力系统特征

新型的电力系统是我国未来电力行业发展的中坚力量，其特征可归为以下五个方面。

第一，新型电力系统的可再生能源与清洁能源高比例应用。新型电力系统大幅度提高风能、潮汐能、太阳能等清洁能源作为发电的主要动力，促进电力系统的转型升级，也是实现我国双碳目标最为重要的手段[1]。

第二，电力电子设备的研发和应用。在我国传统的电力系统中，电力电子设备的作用主要体现在电磁变换设备中，其在控制方式、设备交互等方面没有新型电力电子设备高效智能。伴随着当前我国电力耗量的不断增大，大规模的交直流输电设备与新能源机组的应用带动了电力电子设备的发展进步。扩大电力电子设备的应用范围，不断提升电力电子设备的研发质量，对我国新型电力系统的发展将产生积极影响。

第三，形成多种能源互补的综合利用模式，创建“能源互联网”。在电力系统的行业内部随着多种新型技术的引入和应用，许多类型的新能源正在探索着融合应用的模式，让发电工作的内涵和功能不断的延伸，充分发挥电力系统的资源配置平台作用。形成以电力系统为核心，多种能源应用并存的“能源互联网”模式，无论是单纯的电力互联，还是在不同能源利用发展下演变出的商业模式，或是基于互联网思维对能源应用技术进行的改造与创新，都是在能源互联网理念下进行的能源信息与能源应用不断整合与促进的过程，这种过程不是一蹴而就的，需要长期的实践进行完善[2]。

第四，电力系统智能信息技术应用形成智能电网。智能电网用先进的技术手段将未来的数据科技融入到电力生产供应等各个环节之中，在未来的电力系统的设计调度中起着不可或缺的关键作用。智能电网也将先进的储能技术与设施纳入了电力系统。比如“电转气”这样具有大规模应用潜力的储能系统，可以将多余的发电转化成氢气或甲烷等清洁能源，实现与天然气管网等系统的立体互联。

第五，实现电力系统低碳生产向零碳生产的转型。“双碳”目标下对于构建新型电力系统的要求并不仅仅是减排、低碳，在建设新型电力系统的过程中要着眼于未来零碳生产的目标，将其作为电力系统生产的根本发展导向。在其观念的指引下提升清洁能源的开发利用水平，为电力系统整体的建设转型提供保障[3]。

3 双碳目标下新型电力系统蓝图规划

3.1 向高比例清洁能源深度脱碳的电力系统转型

在目前的研究中，新型电力系统的低碳规划主要针对供电规划进行。与此同时，新型电力系统深度脱碳需要开发高比例的清洁能源。如图1所示，我国当下的清洁能源虽然应用占比逐年增高，但是煤炭的应用量还是比较庞大。

图1 各类能源年发电量

有研究的主要思想是对现有的只考虑电力和电力平衡的电力规划模型进行扩展，从柔性规划的角度考虑新型电力系统的灵活性，应建立一种相对平衡的新型电力系统灵活性规划模型。总体而言，当前“碳视角”的低碳电力规划研究与新型电力系统高比例清洁能源电力规划研究相对独立，二者之间并无太大联系，这无疑制约了对新型电力系统研究的发展。清洁能源接入新型电力系统是我国支持碳减排的主要手段，而这种能源的大规模接入的根本动力是基于能源互联网观念“源—网—荷—储”协同规划方案的支持。值得注意的是，现有的新型电力系统低碳规划研究大多仅从电力规划的角度出发，缺乏对“源—网—荷—储”全过程的协同规划。基于此种情况，未来新型电力系统从清洁能源转型规划方法应从“源—网—荷—储”研究角度，向开发高比例电力系统进行深度脱碳的方向研究[4]。

3.2 从“碳视角”出发进行未来电网发展形态规划

由化石能源主导向可再生能源高比例并网转变的过程，是电力系统实现“碳中和”目标的重要举措，这种观念的应用将从根本上改变传统电力系统的结构。对于能源互联网下“源—网—荷—储”的结构形式，其理论研究成果与目前电网偏向实战性的规划有所不同，此类规划往往侧重于未来对电网发展的理论规划，研究的结果偏向前瞻性，超前当前的电网发展。

目前，世界上很多的发达国家对电网与清洁能源的耦合性进行了研究，很多的研究也关注到了电网发展与经济、社会的实践应用之间的必然联系，考虑到了电网系统之间复杂的关系。这些研究的对区域的电网规划格局与能源利用效率会有良好的参考价值。然而，目前的研究结果多以“电”为中心视角，根据电力系统的传统观念进行节能减排布局的规划，对于以“碳”为视角的电力系统减排研究少之又少。从图2所示的视角对比，未来的新型电力系统研究应基于经济、社会的发展程度，应用“碳”视角对电力系统的整体布局进行新的规划尝试，推动电力系统向着零碳排的目标迈进[5]。

图2 “电视角”与“碳视角”下的电力系统对比

3.3 选择最优发展路径，建设长期发展布局

我国电力系统从传统的发展模式向新型电力系统的转变是一个长期的过程，当前我国对新能源的应用与技术研发还不够成熟，很多的新能源种类还未被有效的开发。我国仍处于工业化发展阶段，工业化和城市化持续推进，二氧化碳排放量在一定时间里还会有所增加。在以产业结构调整、行业节能和非化石能源发展为主要减排手段的前提下，短期内碳减排或对经济运行带来某些压力和挑战。故此我国电力系统向着零碳转型需要行业人士抱有持久战的信心，不仅要明确我国新型电力系统模式的发展目标，更要分析我国新型电力系统转型的关键路径和技术手段。高碳的传统电力行业发展模式面临发展压力。我国承诺将在2060年前实现“碳中和”，这就要求电力行业应在30年间大幅度降低碳的排放，对此，利用化石能源发电的高碳电力产业和企业应保持清醒认识，积极应对双碳目标下的机遇与挑战[6]。

4 支撑新型电力系统规划的关键技术

4.1 新型电力系统“源—荷”精细化预测

在传统电力系统的发展模式对比下，新型电力系统的多样性与灵活性将进一步增强，新型电力系统对清洁能源的灵活性进行准确建模和预测，是对新型电力系统规划研究的必要前提，在“源—荷”的视角下对其进行精细化的预测把控。例如，风能和太阳能作为当前利用率较高的清洁能源，其电能的转换输出波动分别受风速和光照强度的影响，其变化较大、灵活性较高。因此，在新型电力系统精细化预测的过程中，应结合地区的光强和风速的概率分布特征，因地制宜，建立清洁能源随机输出模型，这种模型建立的常用精细化预测方法，会直接影响新型电力系统规划方案的真实性与有效性。

4.2 新型电力系统低碳电力市场机制

1997年12月，《联合国气候变化框架公约》第3次缔约方大会在日本京都召开。149个国家和地区共同签署了减低温室气体的《京都议定书》。其目标是“将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害。”自协议签订以来，世界上的大部分国家都展开了对低碳市场，“碳交易”模式的研究。如图3所示的当今碳市场与碳交易框架，虽然自1997年以来陆续有许多的“碳交易”模式推行，但是目前全球范围内还未建立起统一的碳交易规则，对于低碳电力市场机制的完善产生了影响。

图3 碳市场与碳交易的研究框架

我国在低碳电力市场建设的背景下，对电力系统的运行调度问题进行了长时间的研究，对电力系统与“碳交易”市场的相关作用和市场运行机制进行了完善，这些措施都是开展新型电力系统建设与规划的关键措施支撑。当前，虽然我国系统的低碳电力市场机制正在逐步的完善，但是在未来的新型电力系统建设过程中，以“碳交易”为视角下，建立富有我国特色的新型电力碳交易市场体制的任务还任重道远，低碳电力市场背景下对电网的调度问题还存在研究的短板。

4.3 新型电力系统多主体协同规划

4.3.1 “发—输”协同规划

当前，普遍采用“预防—攻击—纠正”的思想来规划新型电力系统建设方案对不确定因素的稳健性。在预防阶段，以安装和扩建变量作为决策变量，以经济为目标解决主要规划问题。在攻击阶段，以运行变量为决策变量、能量流平衡、容量范围等，以新型电力系统运行约束为主要边界条件，以新型电力系统运行成本为求解包含不确定场景的运行子问题。在纠正阶段，通过求解可靠性综合症子问题，确定新型电力系统规划方案是否具备应对严重不确定场景的能力，通过在主问题上加入可靠性约束，迭代增加新型电力系统规划方案的稳健性。

4.3.2 “源—网—荷—储”协同规划

低碳电力市场的建设与开发联动区域多种能源利用的互补技术，极大地提高了能源应用的灵活性。新型电力系统可以提供多种供能方式，即供电侧和用户侧双向互补，满足用户的负荷需求，供电稳定能力将进一步增强。储能设备和柔性负载可以有效消除参数随机性对配电网的负面影响，参与电网调峰、调频、调压等辅助服务，提高电网安全水平和运行效率。其运行的协同规划结合当下的计算机电子信息技术，可以更加高效的应用到当前电力系统的日常管理中。

例如，当前南方电网中推行的调峰辅助服务电力现货市场技术支持系统，如图4，基于“源—网—荷—储”协同规划的理念支持系统基于电力现货市场建立技术支持的系统统一平台，实现调峰需求管理、市场申报、日前出清、日内出清、市场结算等功能，实现调峰系统与节调系统与OCS 系统的互联。这种系统架构的推行节省了电力企业日常生产的管理成本，通过电子技术的支持为我国电力企业的高质量发展提供帮助。

图4 系统技术架构

5 结语

构建新型电力系统，对于推动我国能源结构转型，助力实现“双碳”目标具有重要意义。目前，国内外对新一代电力系统低碳规划的研究仍处于起步阶段，需要进一步完善和发展。