電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是人類(lèi)歷史上最復(fù)雜、最龐大的工程系統(tǒng)之一，它的存在和運(yùn)行對(duì)于我們的日常生活至關(guān)重要，從照明、家庭電器到工業(yè)生產(chǎn)、信息通信，無(wú)一不依賴(lài)于電力的穩(wěn)定供應(yīng)。新型電力系統(tǒng)清潔高效、靈活智能，可在保障電力安全的前提下，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)電力發(fā)展的需求。我國(guó)具有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源資源和容量充裕的輸配電網(wǎng)絡(luò)。新型電力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與利用正在加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)，保證電力高效穩(wěn)定供應(yīng)。
電力系統(tǒng)是最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一
電力系統(tǒng)的早期發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)末，?直流電系統(tǒng)被廣泛使用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，?交流電系統(tǒng)逐漸取代直流電系統(tǒng)，?成為電力系統(tǒng)的主要形式。20世紀(jì)初，電力系統(tǒng)開(kāi)始迅速擴(kuò)展，電網(wǎng)互聯(lián)的概念逐漸形成。二戰(zhàn)后，各國(guó)加快了電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，形成了大規(guī)模的電網(wǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)，?全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的需求給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，高新技術(shù)的應(yīng)用為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化提供技術(shù)支持，電力系統(tǒng)迎來(lái)新的發(fā)展浪潮。
電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，是電能生產(chǎn)與消費(fèi)的完整鏈條。發(fā)電是電力系統(tǒng)的起點(diǎn)，將各種一次能源(如煤炭、天然氣、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等)轉(zhuǎn)化為電能;輸電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過(guò)高壓線路遠(yuǎn)距離傳輸?shù)阶冸娬净蜇?fù)荷中心，是電力系統(tǒng)中高效傳輸?shù)膭?dòng)脈;變電系統(tǒng)將高壓電力通過(guò)變壓器降低到適合配電的電壓等級(jí);配電系統(tǒng)將電力從變電站通過(guò)配電線路輸送到終端用戶(hù)，并進(jìn)行最后的電壓調(diào)整;用電環(huán)節(jié)涉及工業(yè)、商業(yè)、居民等終端用戶(hù)的實(shí)際用電過(guò)程，以及設(shè)備運(yùn)行、耗電量管理及電費(fèi)計(jì)算等。
應(yīng)對(duì)氣候變化 電力系統(tǒng)邁向綠色低碳
隨著溫室氣體排放的增加，全球氣溫不斷上升，極端天氣頻發(fā)。為應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，我國(guó)宣布力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，并于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。近年來(lái)，我國(guó)加速推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展可再生能源，制定碳達(dá)峰行動(dòng)方案，力求在全球應(yīng)對(duì)氣候變化的行動(dòng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
面對(duì)氣候變化，逐步建設(shè)新型電力系統(tǒng)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少溫室氣體排放，是能源電力行業(yè)的重要議題。傳統(tǒng)的以火力為主的發(fā)電形式受限于化石燃料資源存量和溫室氣體排放，難以獨(dú)立和全面支撐可持續(xù)發(fā)展的需求。在此背景下，以風(fēng)力、光伏為代表的新能源發(fā)電因其清潔、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)，受到各國(guó)的重視。
自2010年以來(lái)，我國(guó)在新能源發(fā)電領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。2010年，全國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量?jī)H為數(shù)千萬(wàn)千瓦，處于起步階段。隨著政策支持的加強(qiáng)，特別是《可再生能源法》和全額保障性收購(gòu)制度的出臺(tái)，風(fēng)光發(fā)電迅速增長(zhǎng)。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，風(fēng)光產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)模化。至2024年6月底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)達(dá)30.7億千瓦，其中新能源裝機(jī)16.53億千瓦，占比53.8%，首次超過(guò)煤電。這一進(jìn)展為全球能源轉(zhuǎn)型提供了重要經(jīng)驗(yàn)，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，邁向綠色低碳未來(lái)。
新能源電力接入電網(wǎng) 新型電力系統(tǒng)更靈活智能
隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求與電源之間實(shí)現(xiàn)能量的供需平衡，其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理發(fā)生根本性變革，形成了以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)為主體的新一代電力系統(tǒng)，即新能源電力系統(tǒng)。圍繞能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的國(guó)家需求，中國(guó)工程院院士劉吉臻依托新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了以“多源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)同、供需互動(dòng)、靈活智能”四個(gè)技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)的新型電力系統(tǒng)發(fā)展新形態(tài)。
多源互補(bǔ)是新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要依賴(lài)單一能源發(fā)電，受到資源和效率的限制，隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的引入，電力系統(tǒng)的能源來(lái)源變得更加多樣化。通過(guò)優(yōu)化不同能源的組合，能夠充分發(fā)揮各類(lèi)資源的優(yōu)勢(shì)，降低對(duì)單一能源的依賴(lài)，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
源網(wǎng)協(xié)同是新型電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的核心。傳統(tǒng)電網(wǎng)將發(fā)電和輸電系統(tǒng)視為獨(dú)立運(yùn)作的部分，缺乏系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)。面對(duì)分布式發(fā)電與新能源的廣泛接入，發(fā)電與電網(wǎng)間的互動(dòng)日益錯(cuò)綜復(fù)雜。構(gòu)建源網(wǎng)協(xié)同控制體系，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的深度協(xié)調(diào)與優(yōu)化調(diào)度，顯著增強(qiáng)電網(wǎng)的適應(yīng)力與響應(yīng)速度，支撐更高比例新能源的接入和利用。
供需互動(dòng)是新型電力系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)電網(wǎng)具有穩(wěn)定的發(fā)電和用電平衡特征，而隨著新能源發(fā)電比例的增加，其隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)電力供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)。通過(guò)引入需求側(cè)資源，可以釋放調(diào)節(jié)潛力，有效平衡電力供需，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，分布式智能電網(wǎng)和需求側(cè)管理技術(shù)使電力需求響應(yīng)更加靈活精準(zhǔn)，提高供需匹配效率。
靈活智能是新型電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴(lài)大規(guī)模集中式電站供電，而新能源發(fā)電系統(tǒng)支持分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了多樣化的電力供應(yīng)模式。通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段，智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，提升系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。
新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管新型電力系統(tǒng)的前景令人期待，但其發(fā)展過(guò)程仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在充裕性、安全性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)維度。
充裕性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一，來(lái)自風(fēng)光發(fā)電相對(duì)于系統(tǒng)負(fù)荷的充裕性，即如何在不同時(shí)空預(yù)留足夠的靈活性資源來(lái)保障源荷雙側(cè)的電力電量平衡。在一般氣象條件下，光伏和風(fēng)力發(fā)電能力取決于光照輻射、風(fēng)速、溫度等參數(shù)，由于現(xiàn)有預(yù)測(cè)水平難以消除氣象預(yù)測(cè)偏差，仍需提前預(yù)留火電、儲(chǔ)能等靈活調(diào)節(jié)資源作為發(fā)電備用。當(dāng)電力系統(tǒng)遭遇極端天氣等迅速且劇烈的氣象變化時(shí)，常常伴隨著風(fēng)光機(jī)組低溫切出、溫控型負(fù)荷激增、輸變電設(shè)備故障等突發(fā)情況，亟須火電、儲(chǔ)能等快速響應(yīng)資源提供電力充裕性來(lái)彌補(bǔ)瞬時(shí)功率缺額。而當(dāng)系統(tǒng)遭遇長(zhǎng)時(shí)間電煤供應(yīng)短缺、極熱無(wú)風(fēng)、極寒無(wú)光等情況時(shí)，則又需要?dú)怆姟⑺姷犬愘|(zhì)資源提供電量充裕性來(lái)彌補(bǔ)長(zhǎng)周期的供需缺口。凡此種種，在大力發(fā)展新能源的同時(shí)，新型電力系統(tǒng)必須權(quán)衡其對(duì)電力電量充裕性的挑戰(zhàn)。
安全性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之二，來(lái)自高比例新能源和高比例電力電子器件的“雙高”特性，及其所誘導(dǎo)的安全性挑戰(zhàn)。一是新能源固有隨機(jī)性導(dǎo)致系統(tǒng)功率分布的不確定性高，常態(tài)化靜態(tài)安全分析需要適應(yīng)從確定性向不確定性的過(guò)渡;二是新能源“集群化”和“分布式”的發(fā)展趨勢(shì)：前者以“沙戈荒”大型風(fēng)光基地為代表，設(shè)備—場(chǎng)站—場(chǎng)群—網(wǎng)側(cè)換流站串聯(lián)，并最終依賴(lài)配套送出工程實(shí)現(xiàn)大范圍能量轉(zhuǎn)移。多環(huán)節(jié)嵌套導(dǎo)致故障的傳播流程復(fù)雜，單一設(shè)備故障可能引發(fā)系統(tǒng)性功率缺失;后者則以微電網(wǎng)、零碳園區(qū)為代表，就地平衡消納為主。擾動(dòng)距離用戶(hù)近、涉及線路多、接入設(shè)備雜，對(duì)保護(hù)裝置的速度和精度要求高。亟須系統(tǒng)性突破故障后的新能源電力系統(tǒng)保護(hù)及源網(wǎng)協(xié)同控制技術(shù);三是電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)大量電力電子換流設(shè)備的應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的慣量下降，相對(duì)于傳統(tǒng)的以同步電源為主的火電系統(tǒng)而言，對(duì)于大小擾動(dòng)的抵御性下降，亟須拓展不依賴(lài)于同步電源的保護(hù)新理論。
經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之三，來(lái)自經(jīng)濟(jì)性，也即電力市場(chǎng)化機(jī)制所決定的資源優(yōu)化配置效率。當(dāng)前，面對(duì)高比例新能源在全國(guó)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移傳輸?shù)奶卣鳎瑐鹘y(tǒng)的面向化石能源、以就近供需平衡為主的市場(chǎng)機(jī)制，顯現(xiàn)出全局統(tǒng)籌能力不足的局限;儲(chǔ)能、分布式發(fā)電等新技術(shù)提高了負(fù)荷側(cè)電力自發(fā)自用的水平，富裕的電力和負(fù)荷調(diào)節(jié)能力甚至可以反向支撐大電網(wǎng)。然而，傳統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)主要依托于行政手段，缺乏源荷互動(dòng)的靈活性和激勵(lì)性。新形勢(shì)下亟須建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一的電力市場(chǎng)，推動(dòng)跨省跨區(qū)電力市場(chǎng)化交易和源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度互動(dòng)，完善電力中長(zhǎng)期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)交易有機(jī)銜接機(jī)制。
市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)一步引導(dǎo)了電力系統(tǒng)的形態(tài)演化。目前，綠電交易、碳市場(chǎng)、虛擬電廠等新需求新概念層出不窮，它們本質(zhì)上都是市場(chǎng)化的工具。如何預(yù)測(cè)不同市場(chǎng)機(jī)制下新能源、火電、氫能、儲(chǔ)能協(xié)同發(fā)展與演進(jìn)路徑，在多變的環(huán)境中運(yùn)用上述政策工具實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，形成面向長(zhǎng)周期的新能源電力系統(tǒng)演化規(guī)劃的理論和方法，仍有待研究。
面對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)與能源安全挑戰(zhàn)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已成當(dāng)務(wù)之急。在此過(guò)程中，一方面需大力推動(dòng)新能源的開(kāi)發(fā)與利用，另一方面也要充分發(fā)揮傳統(tǒng)能源作為“壓艙石”的重要作用，穩(wěn)步推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要支撐!
(作者：劉念 蔣凱，分別系華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副院長(zhǎng)，講師)
