新型电力系统面临的挑战及应对思考

郭剑波1，王铁柱2，罗魁2，秦晓辉2，荆逸然2，赵兵2，马士聪2 （1.国家电网有限公司，北京100031； 2.中国电力科学研究院有限公司，北京100192） Development of New Power Systems:Challenges and SolutionsGUO Jianbo1,WANG Tiezhu2,LUO Kui2,QIN Xiaohui2,JING Yiran2,ZHAO Bing2,MA Shicong2(1.State Grid Corporation of China,Beijing100031,China；2.China Electric Power Research Institute,Beijing100192,China) ABSTRACT:The construction of new power systems is the key solution to realize the carbon peak and carbon neutralitytargets and energy transformation.With the deepening revolution of the energy structure,the power system structure andcharacteristics will also experience profound changes.The existing technology cannot satisfy the requirements of ensuringpower supply,grid security and energy consumption in the whole stage of energy transformation,and therefore,theconstruction of the new power systems faces a series of challenges.This paper briefly introduces the energy and powerscenarios under the“dual carbon”target,systematically analyzes the challenges of sufficiency,security,economy andinstitutional mechanisms facing by the new power systems,and puts forward key technologies.Finally,compared with theexisting power systems,this paper summarizes the main innovations of the new power systems. KEY WORDS:new power systems;energy and electric power scenario;sufficiency challenge;security challenge;economicchallenge;key technology;system revolution 摘要：构建新型电力系统是我国实现双碳目标和能源转型的重要途径。随着能源结构变革的深入推进，电力系统的结构和特性也将发生深刻变化，安全‒经济‒环境“矛盾三角形”是构建新型电力系统将面临的长期挑战。该文简要介绍了我国“双碳”目标下的能源和电力场景，系统分析了我国新型电力系统面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出了值得关注的关键技术，最后总结提炼了新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。 关键词：新型电力系统；能源电力场景；充裕性挑战；安全性挑战；经济性挑战；关键技术；系统变革 能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。党的二十大报告强调：确保粮食、能源资源、重要产业链供应链安全；立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动；加快规划建设新型能源体系。 0引言 为应对气候变化，落实《巴黎协定》，中国承诺2030年左右二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和[1]。2021年中央财经委员会第九次会议提出：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生 能源结构由高碳向低碳转型，是实现“双碳”目标的关键，而电力又是其主战场。能源结构转型需要在生产侧进行清洁替代，在消费侧进行电能替代。生产侧用清洁能源替代化石能源，清洁能源目前主要以电能形式开发利用；消费侧通过电能替 代，可降低终端用能部门直接碳排放，并降低全社会整体碳排放[2]。电力系统将成为能源供应、消费以及传输转换的主要环节，需要支撑清洁能源的消纳、保障终端多种用能的需求，形成可支撑多种能源品种交叉转换的现代能源体系枢纽和平台。 1）我国2030年能源场景预测。 据预测[7]，2030年全国一次能源消费总量不超过60亿t标煤。2030年前，我国能源消费增速逐渐放缓，从近十年3.0%的年均增速降到1.5%。能效逐渐提升，2030年单位GDP能耗较2021年下降近1/4。终端电气化水平由2021年的27%上升至2030年的39%。 美国、英国、欧盟等发达国家/地区在政府主导下持续推动能源低碳转型和电力系统变革，在新能源(本文中新能源特指风、光新能源，下同)发电和并网、电力市场运营、火电机组灵活性改造等方面取得了一系列进展，丹麦2021年新能源发电量占比超过50%，德国和英国可再生能源发电量占比约40%。与此同时，近年来国外高比例新能源电力系统事故频发，如英国2019年“8·9”大停电事故、美国得州2021年2月的电力短缺、澳大利亚2022年6月中旬的电力市场停摆事件[3-5]。因此，必须加快新型电力系统的研究和建设。 2）我国2030年电力场景预测。 据预测[7]，2030年全社会用电量将达到11.8万亿kW·h，电源装机总量将达到40亿kW，风光发电装机超过煤电成为第一大电源，但煤电仍然是电力电量供应主体，如表1所示。2030年前电力系统碳排放达峰，预计峰值约49亿t，电力行业将承接其他行业转移的碳排放，碳减排任务和压力更大。 本文从我国“双碳”目标下的能源和电力场景出发，分析我国新型电力系统所面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出应对措施和关键技术建议，并总结提炼新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。以期为能源电力行业从业人员提供有益参考。 1能源电力发展场景 我国是全球新能源装机规模最大、发展速度最快的国家。截至2022年底，我国风电、光伏发电装机容量分别达到3.7亿kW和3.9亿kW，新能源装机占我国电源总容量的27.3%，新能源已成为我国第二大电源[6]。我国“三北”地区已建成8个千万千瓦级风电基地、8个太阳能发电基地，部分省份新能源已成为第一大电源，其中青海占比超过60%，甘肃占比接近50%。2022年，西北电网新能源发电量占比达到23.56%，超过同等规模的欧盟电网1.26%。2022年，西北电网新能源单日最大发电量占比达35%、瞬时最大出力占比达48%。 3）我国2060年能源场景预测。 据预测[7]，2060年我国一次能源消费总量较2030年下降1/4左右，约为46亿t标准煤，如图1(a)所示，其中非化石能源占比将达到80%以上，其中风、光成为主要能源；非化石能源发电量占90%以上；终端能源消费方面，交通、建筑、工业等行业纷纷将电气化作为实现双碳目标的重要举措，电能占终端能源消费比例将超过70%，如图1(b)所示电力行业是实现双碳目标的主战场。 4）我国2060年电力场景预测。 据预测[7]，2060年全社会用电量达到约15.7万亿kW·h，电源装机将超过67亿kW。如表2所示，非化石能源装机占比和发电量占比均超过80%；风光装机将超过40亿kW，装机占比超过60%，发 过去几十年电力系统的快速发展满足了新能源快速发展需求，满足了国民经济和社会发展需求。在“双碳”目标、能源转型和新型电力系统构建的多重驱动下，我国能源电力系统仍将快速发展。 电量占比超过50%，成为电量供应主体，但在电力平衡中占比仍然较低；化石能源电量占比小于7%，考 虑 碳 捕 获、利 用 与 封 存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技术，电力行业实现净零排放。 电的需要等因素，2060年前主干电网仍以交流同步机制为主，系统安全稳定问题将更加突出。 2新型电力系统面临的挑战 新能源发电出力具有随机性、波动性，电力电量时空分布极度不均衡，丰饶和短缺交织，带来充裕性挑战；新能源发电大规模替代常规机组，新能源的弱支撑性导致电网“空心化”加剧，故障造成打击强度增加，新能源调节和耐受能力相对于同步机又不足，带来安全性挑战；新能源发电成本下降，但系统匹配的调节和安全成本大幅增加，新能源高电量场景需要多行业、多系统协调实现，需要政策机制的引导和保障，带来经济性和体制机制挑战。安全‒经济‒环境“矛盾三角形”将长期存在，也是新型电力系统面临的长期挑战。 2.1充裕性挑战 新能源具有高装机、低电量、弱保障特性，与同容量火电相比，新能源可发电量约为火电的1/3~1/4，保证出力约为火电的1/20(新能源最低同时率见图3)，功率波动与火电可调出力相当。 2021年，我国全社会用电量达8.3万亿kW·h，同比增长10.3%。如表3所示，按照“十四五”期间5%、“十五五”期间4%的年均增速预测，“十四五”和“十五五”末的总用电量将分别达到约10万亿和12万亿kW·h，2022—2030年平均每年新增用电量约4430亿kW·h，约为当前全部已有新能源年发电量的45%(2021年全国新能源装机约6.4亿kW，新能源发电量9815亿kW·h)。在现有 据测算，2030年同步机规模大于最大负荷，同步机出力占总负荷之比大于50%的累计时段为100%；2060年同步机规模约占最大负荷的80%，同步机出力占总负荷之比大于50%的累计时段仍约占全年时长的一半(见图2)。考虑到存量资产巨大、发展的渐进性、大型电源送出以及特高压输 20亿kW以上(陆上风能8.96亿kW，海上风能4亿kW，集中式光伏3.58亿kW，分布式光伏5.31亿kW)[9]，据估算年发电量仅为约2.5万亿kW·h，远不能满足当地负荷用电需求，仍需依赖我国西北地区、东北地区的跨区输送电量。如表4所示，据预测，2060年西北地区年外送电量将达到6481亿kW·h，作为对比，西北地区2021年的外送电量约2750亿kW·h；2060年西北地区约有1.6亿kW新能源电力外送需求(峰值电力可达2.2亿kW)，而当前西北跨区外送直流规模为7071万kW，2060年时需扩充为当前的2~3倍。能源电力空间平衡的需求和挑战大，需解决能源经济社会统筹、输电走廊规划、系统安全保障等问题。 技术条件下，“保供应”和“促消纳”需要常规装机增长同步于负荷和新能源装机增长。 据预测，到2030年，新增常规装机与新增负荷和新增新能源装机之比分别为1:1.8和1:1.6，保供应和保消纳压力将逐渐增大。而且，随着新能源电量占比的提高，常规火电效率效益随之下降。安全(保供应)‒环境(促消纳)‒经济矛盾更加突出。 2.1.1时间尺度平衡 根据图4所示的测算结果，2030年新能源出力占系统总负荷之比为5%~51%，2060年为16%~142%[8]。新能源出力大波动需要系统具备相应的灵活调节能力。新能源长时间低出力(目前晚高峰保证出力仅为装机容量的4.8%)需要常规电源及其一次能源保证电力供应；新能源长时间高出力则给系统消纳、安全和能源转储利用带来挑战。新能源各时间尺度波动需要系统匹配相应时间尺度的灵活调节能力，还需要电力系统、能源系