新型电力系统技术路线展望

TechnologyRoadmapOutlookOnNewTypeofPowerSystems 序言 全球气候变化是21世纪人类共同面临的重大挑战。面向碳中和的低碳、零碳乃至负碳技术将成为未来全球产业革命和科技竞争的关键。适合我国国情、有更强新能源消纳能力的新型电力系统是推动能源清洁低碳转型、助力碳达峰、碳中和实现的当务之急。随着新能源天规模开发、高比例并网，并逐步成为电力供应的主体，系统电力电量平衡、安全稳定控制等将面临前所未有的挑战。新型电力系统对传统电力系统及相关领域的科技创新发展提出了更高的要求。 为分析新型电力系统的核心内涵和特征，指出构建新型电力系统面临的技术挑战，并对未来需要集中突破的一系列关键核心技术进行分析和预测。在能源基金会支持下，清华大学碳中和研究院、清华大学电机系联合相关研究机构以及电力企业，针对新型电力系统的关键技术与发展路径开展系统性研究，率头撰写了《新型电力系统技术路线展望》报告，以期为未来电力系统的绿色与低碳发展提供技术支持与相关建议，为实现“双碳”目标提供支撑。该报告是清华大学碳中和研究院《中国碳中和技术路线展望》系列研究报告之一。 本报告阐释了新型电力系统建设的愿景与内涵，明确了碳中和目标下的新型电力系统发展目标和路径，梳理了新型电力系统技术体系，总结了当前全球和中国电力系统的发展现状和存在问题。在此基础上，报告分别对新型电力系统技术体系中的高比例新能源并网支撑技术、新型电能传输技术、柔性智能配电网技术、智能用电与供需互动技术、电力系统多类型储能灵活调节技术、电网数字化技术、电力系统运行优化技术以及电力系统碳核算与碳计量等八方面技术进行分析，总结了相应关键支撑技术，分析了现有发展水平，介绍了现有示范工程，指出了技术挑战与瓶颈，并预测了未来技术发展超势。在此基础上， 报告整理了未来新型电力系统技术发展路线图，展望了未来重点技术发展，并从源、网、荷、储、数字化和碳视角等各维度提出了未来支撑新型电力系统发展的政策建议。 本报告不仅梳理电力系统发展现状，明确关键问题，凝聚各界共识，还对我国电力系统未来发展的结构形态进行预测，为我国新型电力系统建设提供决策参考。报告将与《中国碳中和技术路线展望》系列研究报告一同为我国碳中和技术路线制定提供科技支撑。 本报告编写得到了相关学界和产业界专家的大力支持。在报告编写过程中，坛与学术沙龙活动，数十位专家从技术层面与政策层面参与了讨论工作。未来团队将继续深入研究，为电力系统实现“双碳”目标作出更大贡献。 关于作者 报告总召集人： 张宁清华大学碳中和研究院电力系统研究中心副主任、电机系副教授 章节召集人： 杜尔顺清华大学穆云飞天津大学王雅婷电力规划设计总院李姚旺清华四川能源互联网研究院董启环清华大学杨知方重庆大学颜湘莲中国电力科学研究院有限公司雍培重庆大学 报告作者： 清华天学：杜尔顺、钟海旺、董启环、方宇晨、李蔚然、虞泽宽、魏泓吃、主璇、张为荣、姜海洋、郭鸿业、蔡啸、余扬昊、周杨林 中国电力科学研究院有限公司：颜湘莲、陈宋宋、黄印、霍锋、诸嘉慧、石坤、陈淑娇 全球能源互联网发展合作组织：江涵、任大伟国网智能电网研究院有限公司：陆振纲、季旭东、赵国亮、杨志昌南方电网科学研究院有限责任公司：张野、周保荣中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院：苏一博、费娜国家电网有限公司大数据中心：李俊妮 南方电网数字电网研究院股份有限公司：王朋、甘露、周尚礼、曾梦妤 重庆大学：杨知方、雍培、向明旭北京大学：王剑晓、杜高宇、邹洋天津大学：穆云飞、于浩、靳小龙、赵倩宇、何佳伟武汉大学：董旭柱、王波、赵洁、尚磊华北电力大学：王飞、戴浩男香港大学：王毅、林伟 清华四川能源互联网研究院：李姚旺、张世旭、刘昱良、杨晨、陈秋语、吕岚春、管伟清华大学能源互联网创新研究院：戴璟、孟垚、许庆宇 顾问专家组： 贺克斌中国工程院院士、清华大学碳中和研究院院长、清华大学环境学院教授康重庆清华大学电机系主任、教授邹骥能源基金会首席执行官兼中国区总裁张强清华大学地球系统科学系副主任、教授肖晋宇全球能源互联网发展合作组织经济技术研究院副院长傅莎能源基金会战略规划主任王志峰中国科学院电工研究所研究员王跃峰水电水利规划设计总院新能源院副院长刘宇北京大学城市与环境学院教授 免责声明 若无特别声明，报告中陈述的观点仅代表作者个人意见，不代表清华大学碳中和研究院、清华大学电机工程与应用电子技术系和能源基金会的观点。清华大学碳中和研究院、清华大学电机工程与应用电子技术系和能源基金会不保证本报告中信息及数据的准确性，不对任何人使用本报告引起的后果承担责任。 凡提及某些公司、产品及服务时，并不意味着它们已为清华大学碳中和研究院、清华大学电机工程与应用电子技术系和能源基金会所认可或推荐，或优于未提及的其他类似公司、产品及服务。 CONTENTS目录 第1章碳中和目标下的新型电力系统 1.1什么是新型电力系统41.2碳中和下新型电力系统结构与形态的转变101.3碳中和下的新型电力系统发展路径161.4新型电力系统技术体系23参考文献33 第2章新型电力系统发展现状 2.1全球新型电力系统发展现状和趋势362.2全球新型电力系统技术挑战及解决方案422.3我国新型电力技术发展现状49参考文献51 第3章高比例新能源井网支撑技术 3.1关键支撑技术简介543.2新能源多时间尺度高精度功率预测技术563.3新能源并网网源协调控制技术593.4系统友好型新能源电站可靠替代技术613.5构网型新能源电站主动支撑技术653.6灵活可控型新能源光热发电技术693.7技术展望73参考文献74 第4章新型电力系统电能传输技术 4.1关键支撑技术简介784.2极端场景下特高压输电技术804.3直流电网输电技术824.4新型柔性交流输电技术864.55柔性低频输电技术884.6高温超导输电技术904.7发展趋势展望66参考文献94 第5折章电力系统运行优化技术 5.1关键支撑技术简介865.2电力系统预测技术1015.3电力系统调度优化建模与求解技术1045.4多区域电力系统协调调度技术1075.5应对不确定性的电力系统调度优化技术1105.6电力市场环境下的调度优化技术1125.7发展趋劳展望116参考文献117 第6章柔性智能配电网技术 6.1关键支撑技术简介1226.2柔性交直流配电网技术1256.3智能配电网态势感知技术1286.4配电网与综合能源集成技术1306.5配电网新形态与规划技术1336.6配电网保护技术1346.7发展趋势展望136参考文献137 第7章智能用电与供需互动技术 7.1关键支撑技术简介1407.2智能用电技术1427.3需求响应技术1457.4车网互动技术1487.5虚拟电厂技术153 1577.6发展趋势展望参考文献159 第8章电力系统多类型储能灵活调节技术 8.1关键支撑技术简介1648.2储能调频技术1668.3储能调峰技术1708.4平抑季节性波动技术1758.5多类型储能协同与共享技术1788.6发展趋势展望182参考文献184 第9章电网数字化技术 9.1关键支撑技术简介1889.2电网先进传感理论与技术1919.3电力能源装备智能感知技术1939.4基于全景信息的电网智能分析运行控制技术1959.5发展趋劳展望204参考文献205 第10章电力系统碳排放核算与计量技术 10.1关键支撑技术简介20810.2用电间接碳排放实时计量技术20910.3基于电力大数据的全口径碳排放测算技术21210.4发展趋势展望214参考文献215 第11章技术展望与政策建议 11.1重点技术发展展望22211.2未来新型电力系统技术发展路线图22811.3新型电力系统发展的政策建议232 第1章碳中和自标下的新型电力系统 经济发展，电力先行，目前，我国已建成了全球规模最大、电压等级最高的电力系统，一方面，电力系统规模保持快速增长，每年装机与输电规模增量相当于一个英国电网；另一方面，电力系统新技术的应用层出不穷，各类型新能源发电、新型输电技术、配用电技术、储能技术发展迅速。我国于2021年首次提出构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统建设是电力系统全面转型升级的重大机遇。当前，绿色发展将进一步成为全球共识，“双碳”目标加速落地，新型电力系统建设带来广阔蓝海，为支撑煤炭、石油、天然气消费达峰，我国需要在工业、建筑、交通等领域实施电能替代，实现更高水平的电气化，终端电气化是碳减排的重要途径，但同时也是将能源领域减排责任向电力系统转移的过程。因而“电力系统低碳化”和“终端部门电气化”将成为我国“双碳”目标落地重要支撑，新型电力系统将为实现碳中和目标做出重要的贡献。 1.1 什么是新型电力系统 电源侧：目前我国的电力根据生产方式分类可以分为火电、水电、风电、光伏发电和其他类型。截至2023年底，结构上看，火电是我国的第一主体电源，装机占比47.6%；可再生能源占比超过火电，其中，水电装机占比14.4%，风光新能源作为我国目前政策推动的方向近年发展迅速，成为我国新的两大电源，风电与光伏容量占比分别由2011年的4%与0.04%上升至15.1%与20.9% 1.1.1电力系统的基本情况 电力系统可以划分为四个部分：电源侧、电网侧、负荷侧以及储能。电力的生产和使用也就是发电、送电配电、用电的过程，电源侧也就是发电端，电网侧即是送电主体，负荷侧即是用电端，储能是新型电力系统特有的环节，起到保障电力系统安全，保持电力系统的稳定运行，提升电力质量等作用。具体而言： 电网侧：主要负责将电源侧产生的电力通过输电、变电和配电输送到负荷侧。输电是将高电压电力从发电厂传输到变电站，变电是通过变电站将高电压转换为适合配电网络的较低电压，配电则是将电力从变电站通过中压和低压线路分配到各个最终用户。这些环节确保电力从发电端安全、高效地输送到用电端，满定各类用电需求。我国的输配电网主要由国家电网公司、南方电网公司和内蒙古电网等企业运营。 包括第一产业（如农业灌溉、农产品加工、渔船照明）、第二产业（如工厂里的机器运转、生产线的运作、建筑工地的照明和设备运行）、第三产业用电（商场的照明和空调，学校的教学设备，医院的医疗仪器），以及城镇和农村居民用电。负荷侧的用电需求是多样且变化多端的，不同的时间和区域有不同的用电需求。例如，夏季炎热时空调使用频繁，用电需求高；而冬季寒冷时，取暖设备的使用使得用电需求增加。工业生产的用电需求也可能根据季节和市场需求的变化而变化。负荷侧的管理和优化是确保电力系统供需平衡的重要环节。如果电 负荷侧：即用电端，直接与我国经济发展相关， 需求的波动，而不是依赖储能系统。在此情况下，储能装置的应用主要面向特定用户的特定需求，例如抽蓄可面向特定供电区域进行电能储备，而电池储能可用于企业的不间断电源等。而在新型电力系统中，储能成为不可或缺的一部分。随着新能源逐步接入，新能源的波动性和间歇性日益明显，导致电网的电压和频率不稳定。因此，电网需要储能在电力过剩时储存电力，在电力不足时释放电力，确保电网的稳定运行。常见的储能设备包括锂离子电池、抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能和液流电 力供应不足，可能会导致停电，影响生产和生活；如果电力供应过剩，则会浪费资源。为了满足这些多样化的用电需求，电力系统需要具备高度的响应能力。也就是说，电力系统要能够灵活调配电力资源，确保在不同时间和区域都能满足用户的用电需求。 储能：传统电力系统几乎不包含储能环节，电力的生成和使用是即时的，即发电量需要与用电量实时匹配。传统发电方式如煤电、水电等，通常具有较高的可控性，能够根据需求调节发电功率。因此，传统电力系统更多依赖于调节电源来应对电力 1.1.2新型电力系统的提出背景 能源燃烧带来的温室气体排放与污染问题不断加剧；能源安全问题日益突出。传统化石能源的短缺长期以来困扰着世界各国。化石能源消费量增长持续超过化石能源新增探明储量，造