“双碳”目标下新型电力系统发展路径研究

安徽南瑞中天电力电子有限公司 赵 伟 韩 周 李天阳 樊 华 周 浩 何义赟

1 引言

现阶段，减少碳排放、坚持绿色发展这一理念已在全球范围内达成共识。2020年，第75届联合国大会在纽约开幕，会上习近平总书记首次提出“碳达峰、碳中和”目标，即中国力争在2030年达到碳达峰、在2060年实现碳中和，这一目标的提出向世界表达了中国坚持低碳发展的决心[1]。然而，当下社会能源发展现状并不理想，不可再生能源仍然在能源消耗中占比较高，同时能源浪费现象严重、利用率低也是阻碍我国能源可持续发展的主要因素。电力行业作为碳排放较为集中的行业之一，电力系统的低碳转型备受关注，值得注意的是，在建设新型电力系统时，还应以当下现有电力系统为基石，尽可能降低投资成本，同时确保在建设过程中用电安全，推动非石化电力系统快速发展。

2 我国新型电力能源发展现状以及研究方向

近年来，在能源转换的背景下，新能源发电量不断增加，占比不断提升。根据国家统计局数据，2020年新能源发电量占比如图1所示。

图1 2020年我国发电量占比

2.1 火电发电现状

由于可再生能源发电受到阳光、季节和风力等自然天气条件“不可控”短板的严重限制，因此火力发电被视为稳定国家电力生产、供应和灵活性调整的“稳定器”，即使在“双碳”背景下，火力发电也应在电力系统中始终保持一定占比。但是鉴于火电不可避免的碳排放，未来必须解决以下两方面问题。一是要使火电生产更加高效、清洁、低碳和灵活；二是通过CCUS 技术消除火电的碳排放。

CCUS 技术是指碳捕获、利用和储存技术，其能高效移除火电中的碳排放，进而使火电能在电力系统发展中保持旺盛生命力。目前，CCUS 技术在商业发展中仍存在高能耗、高成本的问题，因此未来需要对低成本、低能耗的碳捕获技术、大规模碳排放储存与转化技术以及生物质耦合负碳排放技术进行研究。

2.2 水电发电现状

水电是一种效率高、发电成本低、启动快、调节方便且清洁的能源，水电在新能源发电系统中的地位比较突出且固定。但是，由于水力发电利用的是水的自然流动，因此受自然条件影响很大，在后续措施中，要继续推进高原高山水力发电。同时，新型发电系统对储能系统的需求量较大，因此有必要研究如何将现有水电站改造成可利用式抽水蓄能电站。

2.3 核电发电现状

核燃料能量密度高，核电运行成本低，属于清洁能源，因此国家将逐步调高核电比例。在此前提下，还需要对核电厂的放射性残余物处理、热污染处理、核事故防治等进行深入研究。

2.4 风电发电现状

在新能源中，风能蕴量巨大，并且在政策的持续推动下，我国风电行业已经由粗放式扩张阶段向集约式质量发展迈进，目前国家风电产业及产能不断发展壮大，高质量、低成本发电模式成为风电行业转型方向。为了更贴合“双碳”目标，风电后续发展应重点关注以下几个方面。

经济发展城市通常是高耗电地区，但同时平均风速往往较低，近年来随着大叶片、高塔技术的进步，风能分散和就地消纳的低速风力发电技术将逐步应用，并成为陆上风力发电的主流。海洋风力资源丰富，海上风力发电成果将更为显著且紧邻电力负荷中心，因此要大力发展海上风电技术，持续推进近海地区深水发电建设，并尽可能向深海风电发展。

随着风力发电趋于分散化和离岸化，风力发电的智能化亟待提高，通信技术、信息技术、控制技术等均可广泛应用于风力发电，这些技术与智能算法相结合，可实现风力发电的智能化开发、管理、诊断、运维和并网控制。此外，要不断推进风电设备核心技术国产化，提高风电转换效率，降低风电成本。

2.5 太阳能发电现状

太阳能发电原理主要是依靠半导体的光伏效应，将太阳能直接转化为电能，整个转换过程无油耗、无排放、无机械转动部件[2]。太阳能发电系统结构简单，投资少，发电时间基本与用电高峰相匹配，是目前最适合负荷侧的新型电力系统，在未来，为了实现大规模应用太阳能发电并保持其领先地位，太阳能发电仍需考虑以下问题。

参考热力学知识，太阳能发电最大期望发电效率应达80%以上。然而，现有的太阳能电池都是由硅制成，硅板的制造成本相对较高，且晶硅太阳能组件的转换效率目前只有24%左右，严重限制其后续发展空间。因此，太阳能发电迫切需要研究钙钛矿等新型太阳能电池材料，以实现更高的发电效率和更低的发电成本。

由于太阳能发电能量密度低且占地面积大，为了克服上述缺陷，未来可从建筑物入手，利用屋顶或立面空间建造发电系统，推进太阳能发电与建筑一体化进程。我国很多地区太阳能资源丰富，但这些地区都存在电力需求增长缓慢、太阳能消纳困难以及弃光等问题。是以，未来还要继续探索研究太阳能过剩产能的转化路径，如太阳能与农业一体化研究、太阳能制氢等。

3 构建新型电力系统面临的挑战

3.1 电力供应保障难度加大

总体来说，风、光电当前仅作波动电源，只能提供电力，不能参与电力平衡。是以，高比例的新能源并网在一定程度上会引起电力系统输出功率的随机波动，增加电网调峰调频负担。此外，新能源并网将替代部分现有设备，进一步弱化电网调节功能，继而给电网的可靠运行造成新隐患。如在2021年，美国得州由于发生重大停电事故，导致该地区第二大能源——风电场因极端寒冷天气而停运，加剧了电力短缺。因此，在“双碳”背景下，如果未来可再生能源并网比例更高，电力供应将难以保障。

3.2 电力系统稳定问题更加复杂

新能源的大规模集中开发和分布式风力发电系统的投产、高压大容量变流设备在输电网络的不断推广，以及电力电子设备在配电侧的广泛应用，均导致电力系统的动态特性发生持续变化，从而造成电磁宽频振荡问题，严重威胁着电力系统的安全稳定运行。根据调查报告显示，因并网风电已经多次发生次同步振荡情况，如2009年在美国得州和2012年我国河北沽源、2015年在新疆哈密等地区均发生过风电在入网过程中引起的次同步振荡问题，进一步对电网稳定运行造成威胁。由上文可知，如果不对上述现象进行有效解决，新型电力系统在未来发展中将面临巨大挑战。

3.3 对电网资源配置能力要求高

从能源发布角度来说，我国能源丰裕但却分布不均，富含新能源的大型能源基地基本远离负荷中心，无法就地消纳，新能源发展受限；而且在我国新能源快速发展的同时，新能源富集地区也出现了大规模的长期“弃风”和“弃光”现象，尤其在“双碳”目标下，预计在2030年，风能和太阳能总装机容量将达到1200GW 以上，消纳困难问题进一步加剧。因此，未来新能源电力系统应向能源互联网化、柔性化、智能化方向开展技术创新工作，提高电网优化大规模资源配置能力。

4 新型电力系统发展路径研究

4.1 负荷侧：优化电源结构，提升电源灵活性

以“双碳”模式作为未来转型目标，新型电力能源必将获得突破式发展，由此也需要更为灵活的电力系统与之匹配，应优化负荷侧电源结构，使其与电机组合作共赢。技术人员可以从以下三个方面采取措施，保障新型电力系统的运行可靠性。

4.1.1 新能源发电技术

在新型电力系统，特别是风能和太阳能中，如果能够实现精准预测功率，则有望实现从根本上对新能源发电进行管控。随着电力需求量的日益增升，对电力市场交易量进行准确预测较为困难，提升预测精准度，使新能源电能曲线与现货市场有效衔接，能够在提高新能源电能利用率和经济效益方面发挥现实作用。为此，相关企业要积极推动灵活性电源发电技术，扩大各种类绿色能源应用范围，

提升源网协调能力。当前，就太阳能光伏发电而言，其是新型电力系统优化过程中的一个明确方向，具有较大的灵活性和可控性，该优势在新型电力系统中有着巨大影响[3]。此外，基于虚拟同步发电机控制，将风电、光电进行并网可获得与常规机组相似的特性，因此要大力钻研风光发电的虚拟同步技术，提升风光新能源涉网性能，增强电网接纳能力，提高系统运行质量。

4.1.2 推进新能源+储能技术推广

从当下看新能源未来发展趋势，可以得出将新能源与储能相结合这一发展方向，因此需积极开展清洁能源+储能项目。在项目进行规划研究时，应明晰混合式抽水蓄能电站的发展规模与布局，实现源储联动，提高新能源接入量与消纳量。另外，要积极推广分散式新能源与储能相结合系统，以便使分散式新能源能够实现就近接入与消纳，优化新能源配置，提高利用率。

4.2 电网侧：构筑能源高效配置平台

电网是电力系统中必不可少的辅助设施，其连接供电侧与用电侧是能源传输、转化以及应用的枢纽平台。要想构建新型电力系统，提高电网对新能源的消纳效率，就要促进电网互联化、数字化转型，使其桥梁连接作用能得以充分发挥与实现。

4.2.1 优化完善网络架构，构筑清洁能源配置平台

从新能源传输角度出发，应推进特高压以及柔性直流输电等工程的大力建设与应用，强化电网跨区域传输能力，避免传输过程中的电能浪费，提升新型电力消纳能力。同时，开展电网跨区互补规划研究和工程建设，加强各区域间的电网连通性与互动性，强化电网调度力度，提高供配电可靠性以及电网在大范围区域内的配置能力。

4.2.2 利用大数据技术，提升电网全息感知能力

以大数据技术为依托，再辅以计算机、物联网、区块链等专业技术，使新型电力系统实现智能化、数字化发展，促进电网灵活互动，提升电网全息感知与数字化智慧管理能力，以便其能对电力系统各个运行环节中的数据信息实施全面、及时、有效的管控与监测，切实发挥大数据技术在互联网时代的重要作用。

4.2.3 开展新型电力系统运行特性分析研究

在“双碳”背景下，高比例的风光可再生能源并网致使电网“双高双峰”特征日益明显，因此需迫切对新型电力系统实施安全控制、电量平衡、源网协调控制、高效并网及消纳等技术的研究与攻关，并为此制定规范的技术标准，加强电力系统运行体系构建，使得我国在国内外相关领域能保持领先优势。

4.3 负荷侧：挖掘需求侧资源的利用潜力

能源消费将不断涌现新产业、新业态、新模式，负荷结构将更加多元化、负荷特性更加复杂。为满足负荷侧对可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求，需要加强需求侧管理，挖掘需求侧资源利用，促进能源供需双向互动；主动适应未来多元化能源消费模式，建立面向用户需求的多能互补系统，推进能源消费电气化。

4.3.1 加强负荷侧需求管理，挖掘用户侧可调节资源

通过数字化手段实现用能设备的状态和需求信息的监测，实现对负荷侧储能、可控负荷、充电桩、用户侧分布式能源系统的实时管理，挖掘用户侧灵活性调配资源，促进“网荷储”融合互动。结合区域负荷特性，研究负荷聚合商模型构建与量化方法，通过大数据、区块链等技术促使海量用户侧可调负荷参与电力需求响应，增强负荷侧响应能力，促进电力用户能效管理提升。

4.3.2 负荷侧电力需求响应市场机制研究

开展负荷聚合商参与需求响应的盈利模式实践，激励负荷商参与电力市场交易，促进新能源消纳。针对未来涌现的多元化能源消费新模式、新业态，探索灵活多样的市场化需求响应交易模式，提出适应电动汽车、可控负荷等需求侧灵活性调节资源参与的市场运营机制，促进需求响应力度，激励清洁能源技术推广应用[4]。

5 结语

从当下新能源发展趋势来看，优化新型电力系统与实现“双碳”目标息息相关，在能源领域，利用可再生能源逐渐替代一次性能源，作为电力系统的主要支撑，以保证“双碳”目标的顺利推进。从新型电力系统本身来说，其复杂性较为突出，跨领域、跨学科特点尤为明显，因此在优化过程中，要打破不同专业、环节间的信息壁垒，同时要统筹各种影响因素与风险源，才能有效保障新型电力系统的稳定发展与安全运行。