构建以新能源为主体的新型电力系统建议

曹正清，叶钰琰

（中电投广西核电有限公司，广西 南宁 530012）

0 引言

新型电力系统在构建过程中具有一定复杂性，因此对其进行全面分析，做出超前判断十分必要，这是系统构建中应解决的问题。在此过程中需充分考虑到的电源、能源、负荷、网络等多个方面，明确系统构建思路，进而推动电力行业向着更好方向发展[1]。

1 新型电力系统发展中面临的变化

电力系统在推动碳中和、碳达峰过程中，应注重电力系统的升级转型，在此过程中，技术基础、物质基础会发生较为深刻的变化，其中主要体现在这几方面：首先，一次能源性发生的变化。在电力系统中，一次能源主体能够从可运输与可存储化石能源逐渐向不能存储、不能运输，以及和气象环境有关的太阳能资源、风能资源转变，供应一次性能源时具有较大不确定性。其次，功能变化和能源布局变化[2]。结合我国在太阳能、风能方面的分布情况，开发新能源时应运用分散和集中结合的方式，如果电源总体实际接入的位置比较偏远，则低电压等级越发深入。今后新能源将成为主体电源，成为电力电量提供者，并且形成调节、支撑以及故障穿越多种构网能力。再次，形态变化和网络规模变化。北部和西部建设的清洁能源基地为中东部地区对应负荷中心进行输电的格局不发生改变，电网规模会明显扩大。同时电网形态由原本交直流之间混联逐渐向柔直电网、微电网方向转变。最后，特性和复合结构发生的变化。在社会不断发展过程中，能源消费呈现出明显电气化，整体用电需求明显增加，并且配电网具有有源化特点，多能可以进行灵活转换。从负荷上来讲，由原本单一用电逐渐向着一体化发展，实际支撑能力和调节能力增强比较明显。除此之外，技术基础也会发生变化，对于电源并网技术来讲，从交流同步逐渐向着电力电子方向转变，同时系统进行同步运行过程中的机理从原本物理特性作为主导逐渐向着人为控制计算作为主导转变。

2 当前电力生产消费的全新特点

当前我国经济发展获得了历史性成就，总体运行平稳，结构进行了不断优化，国内生产总值超过一百万亿元。电力生产消费呈现出全新特点。首先，电气化进程加快。生产领域、生活领域电气化实现率呈现出持续提升状态，在工业领域中约占25%，建筑领域中在16%左右。同时在交通领域当中，铁路方面实现的电气化程度比较高，整体提升明显。同时产业用电量呈现出迅速增长。在一定程度上表明经济结构获得了较大程度的优化升级。除此之外，新业态在用电量方面呈现出良好的经济增长活力，信息技术和传统产业之间展开了深度融合，新业态、新技术以及新模式逐渐涌现，行业用电量增长迅速。其次，电力进行低碳转型明显加速。基于电源投资进行分析，非化石能源在比重上可以达到90%，而煤电投资整体规模呈现出逐年下降趋势。基于清洁能源进行分析，企业、国家加强了清洁能源的发展力度，获得的效果较为显著。基于技术指标和经济指标进行分析，电力整体效能水平获得了持续性提升，在应用新工艺与新技术过程中，运营水平、管理水平、技术水平等均获得了明显提升，电力进行节能减排也因此获得了新成效。

3 电力系统发展中面临的挑战

3.1 调节系统平衡

首先，供需平衡理论受到挑战，新能源在所占比例不断升高过程中，系统调节以及供需双侧在资源方面呈现出明显不确定性，系统原本平行机制从不确定负荷确定发电跟踪逐渐向不确定负荷和不确定发电转变，供需双侧在运行时会依赖于外部条件，并且依赖程度较高，因此电力系统中运用的供需平衡理论需要进一步进行完善[3]。其次，日内调节难度较大。新能源呈现出的随机波动性应运用可控能源具有的深度调节能力进行抵销。当前电力系统的调节能力基本上已经得到了全面挖掘，但是仍然需要强大的调节能力适应新能源在消纳时的实际需要。因此远期能源作为主要能源以后，由于常规能源占比明显下降，以及和负荷方面的侧调节能力比较有限，难以使日内消纳需求获得充分满足。最后，季节调节需求明显增加。进行新能源发电时，和用电之间存在季节不能匹配的情况，处于冬季和夏季时为用电高峰期，但是新能源出力与平均水平相比更低，处于春季和秋季时，新能源大发的情况下为用电低谷。当前运用的存储技术仅能使日内调节需要获得满足，存在的季节消纳矛盾会变得更为突出。

3.2 综合供电成本

新能源在使用过程中，不仅包括场站本体成本，也包括系统调节成本、灵活电源投资、补强投资、大电网扩展等多项成本[4]。新能源如果电量渗透率超出10%～15%以后，将会使系统成本迅速进入临界点，今后新能源场站降低成本难以充分对冲新能源产生的系统成本。同时在渗透率不断提高过程中，系统成本在疏导时更加困难，进而整体供电成本将会受到显著影响。

3.3 运行安全稳定

首先，稳定基础理论收到了挑战，新能源发电和常规机组动态性特征和同步机制存在一定区别，造成暂态功角对应的稳定性定义并不适用。并且电力电子设备的高比例特点造成系统呈现出控制策略主导、多时间尺度进行交织、离散性、切换性特征，这就需要针对向有关过渡过程理论、非工频稳定性相协调理论等进行完善。其次，控制理论需进行创新。传统模式下，电力系统进行资源控制时主要运用大容量设备，设备为同质化。新型电力系统在构建过程中，大量电力电子设备与新能源会接入等级电压中，使资源异质化、碎片、时变化受到控制。

4 构建以新能源为主体的新型电力系统的基本保障

4.1 确保新能源和电力供应消纳

在电源侧方面，首先应注重电力供应能力的有效提高，促进北部地区、西部地区建立新能源基地，运用因地制宜方式推动东中分布式新能源的发展。重视海上风电向远海进行拓展。煤电由原本控容减量以及增容控量逐渐向减容减量发展，将保障作用充分发挥出来，实现对存量资产的合理利用，制定退出路径时，应进行科学规划。同时积极开发水电，将西南水电建设作为重点，使沿海地区进行核电建设时在有序状态下进行，适时组建内陆核电。其次，要注重有功调节能力的提高，针对运煤电机组做出灵活改造，提高机组深度调峰能力以及调节迅速。新建煤电需呈现出良好调峰能力。在此过程中，应注重天然气方面调峰电源的发展，将其具有的功率调节迅速、启停耗时较短优势充分发挥出来，建设时可以将其设置在电网灵活度较差，发电渗透率较高的区域中。新能源需根据一定比例进行储能配置。在电网侧方面，新能源的使用会进一步加大远距离外送与规模性集中开发程度，需要建设跨区域或者是跨省输电通道，重视资源优化配置的实现，建设相关平台，并且将受端交流电网、送端交流电网以及联网规模的扩大，进而使大规模以及跨区域的输电需求获得充分满足。并且积极建设与微网、分布式发展的配电网，使电网充分体现出智能性，推动冷、热、电、气之间能够进行协调控制和互补，适应分布清洁能源在多元负荷用电与并网方面的需要，保证终端能源进行消费时的整体节能提效效果。

4.2 运用颠覆性技术

建设将新能源作为主体的全新电力系统过程中，运用传统技术难度较大，需进行技术革新，运用颠覆性技术。由于颠覆性技术存在较大突破难度，具有较强不确定性，因此需要长期进行高投入。在此过程中应加强对技术的支持，加强技术攻关工作，使电力系统构建和碳中和目标实现时获得充分技术支撑。对于新型储能技术来讲，应尽量体现出安全性、大容量、低成本、长寿命，使储能形态上体现出广域协同特点，资源的具有明显的可控、可观性，进而使不同场景中特有的技术需求可以获得充分满足。对于直流组网技术来讲，应将柔性直流优势充分发挥出来，针对新能源进行多点大规模汇集，并且使其不出现同步电源并网情况，将能源输送对应的多端特高压相关柔直技术作为重点，进而在缺少同步电源支撑和网架薄弱的区域中实现对新能源的集中性开发。

5 以新能源为主体新型电力系统建设的策略

5.1 建设新型电力系统试点

在青海、西藏等地区，可再生能源在资源禀赋方面较好，发电量、发电装机容量在全国占据前列，在青海地区，截至到2021 年11 月份，全省发电装机达到了4070 万kW，水电装机为1193 万kW，整体占比达到29.31%，而火电装机为393 万kW，整体占比达到9.66%。并且新能源在能源发电装机方面为2484 万kW，整体占比达到61.03%。西藏电网光伏装机容量139 万kW，平均利用小时数约1320h，全年发电量为16.97 亿kWh。可以在上述区域中建设新型电力系统试点，将电网的拉动、支撑、服务功能充分发挥出来，为社会经济实现可持续发展创造良好条件，并且为全国范围内建设新型电力系统提供经验支持。同时上述数据也在一定程度上表明新能源和传统能源相比，优势比较明显。

5.2 发挥科技引领作用

市场经济背景下应特别重视建设重大科技对应的攻关计划，推动产学研政用的深度结合，促进科技创新体系构建。同时在新型电力系统方面，针对基础理论应加强研究，将电力系统对应协调控制技术、循环利用、高效碳捕捉等作为重点研究内容。可以运用联合方式加强对核心技术的研制攻关，建设科技示范工程，使电工电气装备方面的技术水平获得明显提升。在建设科技示范工程过程中，可以和高校之间进行联合，在获得人才支持的同时，也能实现度这方面科技人才的培养。在进行核电发现时，就AP1000 核电厂来讲，使用发电机属于三相交流隐极同步发电机，专属达到1500/min，即定绕组属于冷水，而定子铁心属于氢冷，并且转子属于氢冷，氢气压力0.55MPa。对于发现及端部来讲，通过单环双流密封瓦对氢气进行密封。

5.3 推动核电新能源的使用

当前在发展核电的道路上，多国正在同步推进。对于中国而言，积极发展核电还可有效带动出口，助力经济稳增长。事实表明，安全如期达成“双碳”目标，核电“蓄能”势在必行。随着欧洲能源危机不断发酵，核电发展重新受到重视。在我国，2021 年底召开的全国能源工作会议将“积极安全有序发展核电”作为重点任务，核电建设经过长时间放缓后，再次明确将“积极”推动核电发展。在日益紧迫的“双碳”目标下，作为净零排放的基荷电源，核电“蓄能”可谓正当时。越来越多的国家和企业意识到需要核电来补齐能源系统缺口。打造清洁低碳的新型能源系统，核能的优势显而易见。因此在新型电力系统进行构建过程中，应注重对核电的研究与应用。2020 年，由发电形成的二氧化碳实际排放量在21Gt 到24Gt，煤电链造成归一化健康风险为20.12 死亡/百万kW，核电仅为4%，即使可再生资源、水电、煤炭生产获得充分利用，截止2050 年电力缺口仍会有200GW，核电成为填补缺口的重要途径。

5.4 健全电力相关政策体系

应制定适应煤电从电力电量供应者逐渐向调节支撑提供者的方向转变的产业政策，使今后电力供应过程中存在安全运行风险获得充分保证。针对光热发电、海上风电给予一定补贴和政策支持，推进示范项目的实施，构建标准性体系，使产业获得更好高的综合效益，为可持续发展的实现创造良好条件。同时注重考虑不同类型储能功能作用的发挥，了解受益对象，建立谁受益便由谁承担的基本原则建立成本相关疏导机制，进而推动储能行业实现迅速发展。

6 结语

总之，构建将新能源作为主体的全新电力系统能够在一定程度上推动碳中和目标的实现，使我国开展的能源革命可以向更深层次迈进，可以使生态环保与能源安全问题获得有效解决。在此过程中，应注重产业升级，积极转变经济发展传统方式。具体实施时，可以从建设新型电力系统试点，发挥科技引领作用，重视市场资源配置，健全电力相关政策体系这几方面进行，进而使电力行业在发展过程中更具社会适应性。