我国能源转型与新型电力系统构建

1. 能源转型背景与电力系统挑战

1.1 能源转型的重要性与必要性

1.1.1 能源转型是实现碳中和的关键路径

• 能源转型是指从依赖化石能源向依赖可再生能源的转变，是实现碳中和的关键路径。
• 我国作为全球最大的能源消费国和碳排放国，能源转型对全球气候变化具有重大影响。
• 能源转型不仅能够减少碳排放，还能够提高能源利用效率，促进经济可持续发展。

1.1.2 电力系统在能源转型中的核心地位

• 电力系统是能源体系的关键组成部分，承担着能源转换、传输和分配的任务。
• 电力系统在能源转型中起到桥梁和纽带的作用，将可再生能源转化为电能，实现能源的高效利用。
• 电力系统的低碳化转型是实现能源转型目标的关键，对于实现碳中和具有重要意义。

1.2 我国电力系统面临的挑战

1.2.1 发电资源禀赋制约

• 我国风电、光伏发电具有显著的间歇性、波动性特征，需要一定比例的灵活调节电源作为支撑。
• 我国在一次能源方面呈现富煤、缺油、少气的特点，油气发电量占比很小，缺乏大规模灵活调节电源给我国新能源消纳带来了巨大挑战。

1.2.2 电源强随机特性

• 随着未来新能源发电占比大幅增大，电力系统电源从可预测的火电和水电变为随机性更高的新型负荷、难以预测的风电和光伏发电，给系统实时平衡带来巨大挑战。
• 缺乏惯量与自主电压参考的新能源发电装置呈现明显的低抗扰性和弱支撑性，给电网自身的安全及运行控制也带来挑战。

1.2.3 源-网-荷-储协调控制困难

• 未来电源结构与网架形态的演化，将使得电力系统中源、网、荷、储各层级物理特性变化，电力电量平衡难度增大。
• 电源侧和用户侧的集中/分布式新能源大量接入，一方面导致系统潮流分布不确定性急剧增加，另一方面带来电力电子设备间复杂的宽频耦合作用机制，使电网的脆弱性增强并在稳定控制上面临巨大挑战。

1.2.4 用户侧供需互动大幅增加

• 未来电能占终端能源消费比重将进一步加大，同时新能源汽车、储能系统等具备双向能量流动特性的新型负荷占比将大幅提升。
• 这给电力系统的调节能力、服务模式带来全新挑战。例如，根据中国汽车协会预测，2030年我国电动汽车保有量将达到8000万辆。如果这些电动车仍采用无序充电，将会导致电力系统的峰值负荷大幅增加，带来高昂的建设成本，反之如果利用得当，也蕴含着巨大的电网调峰潜力。

1.2.5 全环节多维度数字赋能不足

• 为使新型电力系统的源、网、荷、储等多环节之间实现灵活协调、智能交互，必须全面采用数字化技术。
• 目前我国能源电力系统的数字化水平整体较低，数字技术和物理系统融合不够深入，支撑电网高度智能化运行的能力还不够。
• 同时，我国在人工智能算法、大数据理论等方面的基础理论研究不足，在智能化电力设备所需的高端芯片、核心元器件等方面还存在一些“卡脖子”和短板技术。

1.2.6 电力市场机制有待完善

• 实践证明，市场和技术间应相互协调促进，否则就会阻碍新技术发展与应用。
• 我国现有电力市场机制还不能充分满足高比例新能源电力系统的建设运行需求，市场在资源配置中的作用体现不够。
• 跨省跨区备用、用户参与调频、储能等新业务形态的电价形成机制有待完善。同时，市场还不够开放，投资主体多元化程度不足，推动社会资本有序参与抽蓄、储能等新设施投资建设和长期运营机制不完善。

2. 构建新型电力系统的策略与措施

2.1 电力电源清洁化

2.1.1 清洁煤电技术发展

• 我国在较长时期内，仍需维持一定的煤电装机，以充分发挥其在能量平衡与系统稳定支撑中的基石作用。
• 必须大力发展清洁煤电技术，降低其碳排放水平。

2.1.2 多种发电形式的协同发展

• 通过风、光、水、核、煤等多种发电形式的协同发展，我国最终将形成风光领跑、多元协调的电源结构。
• 从而使电力电源快速实现清洁化，并推动电力系统于2050年左右率先实现“碳中和”。

2.2 电力系统柔性化

2.2.1 加强灵活调节电源建设

• 欧美发达国家的能源转型以大量灵活电源作为支撑，而我国灵活电源比例过低，抽水蓄能和燃气的总发电量占比不足4%，难以支撑更高比例的新能源消纳。
• 因此，必须提高抽水蓄能与燃气发电的装机容量占比，同时通过技术升级，大幅度提升煤电的快速灵活调节能力。

2.2.2 提升电网柔性传输能力

• 在新型电力系统中，输、配电网不再是单纯的电能传输通道，而是成为能量广域时空互济的纽带。
• 我国未来应构建多区域柔性互联的电网架构，充分发挥电网的间接储能作用，提升新能源承载能力。

2.2.3 提升电能存储能力

• 为弥补新能源的短期和中长期波动性，规模化的储能是必需的手段。
• 抽水蓄能仍是大规模电能存储的最佳手段，在储能的功率、容量、时长、成本方面均占优势，但是在一定程度上要受到地理条件的限制。
• 各种物理、化学储能技术近年来得到了长足发展，但是离电力系统的需求仍有很大差距。氢能凭借能量密度高、存储时间长的优点，未来有潜力成为跨周、跨季节能量平衡的重要手段。

2.3 电力系统数字化

2.3.1 提升数字分析水平

• 风、光等新能源发电所采用的双馈式/直驱式风机、光伏逆变器等都使用了电力电子装置，这些电力电子装置代替了原有系统中的机械转动设备，使得系统的动态过程将从常规的机电暂态为主变为电磁暂态为主。
• 分析计算需要在更复杂、更精细化的数学模型与更短的时间尺度下进行，因此必须发展更好的建模、解算方法与软、硬件平台。

2.3.2 促进多元用户供需互动

• 通过广域信息采集和互动技术，实现大范围内海量分散电源和负荷之间的协调聚合，使之作为整体深度参与电网供需平衡。
• 可充分释放需求侧主动调节的潜力，缓解电源和负荷的波动性带来的挑战。

2.3.3 加强数字与设备融合

• 设备是系统构建的物理基础，通过高精度分布式传感、物联网等先进数字技术与设备的深入融合，可实现电力装备与系统的全方位实时化状态感知。
• 为广域智能控制建立信息基础。而我国目前在该领域的高端传感器和核心芯片等技术仍存在欠缺。

2.4 电力系统电力电子化

2.4.1 灵活交流输电技术

• 我国已全面掌握各类型灵活交流输电装备技术并实现了工程示范和大范围推广。
• 未来的新型电力系统中，灵活交流输电技术将成为动态优化潮流分布、提升高比例新能源条件下系统灵活性和稳定性的重要手段。

2.4.2 特高压直流输电技术

• 我国自主研制出国际领先的±800千伏和±1100千伏特高压直流核心装备，可实现千万千瓦级电能的超远距离、超大容量传输。
• 在新型电力系统中，特高压直流仍将是“西电东送”战略实施的重要手段。

2.4.3 柔性直流与直流电网技术

• 我国自主研制出国际领先的柔性直流输电装备，并完成上海、厦门、舟山、渝鄂等系列工程示范，在风电并网、城市供电、大电网互联等方面发挥出重要作用。
• 柔性直流和直流电网将在未来的新型电力系统中得到更广泛的应用，成为新能源友好并网与区域电网柔性互联的重要技术手段。

3. 总结与展望

3.1 构建新型电力系统的“四化”特征

• 电力电源清洁化是推动能源转型的内在动力。
• 电力系统柔性化是重构电力系统形态的必然趋势。
• 电力系统数字化是升级电力系统的必要手段。
• “电力系统电力电子化”是重塑电力系统运行控制理论的客观要求。

3.2 挑战与机遇并存

• 构建新型电力系统面临诸多挑战，但同时也孕育着巨大的机遇。
• 随着技术的进步和政策的支持，新型电力系统将逐步实现低碳化、智能化和柔性化，为我国能源转型和碳中和目标提供有力支撑。
• 我国应继续加大技术创新和政策支持力度，推动新型电力系统的快速发展和广泛应用。