本文摘要：摘 要:構建以新能源為主體的新型電力系統是實現碳達峰、碳中和目標的重要手段。在高比例可再生能源和高比例電力電子設備的雙高趨勢下，電力系統將從源隨荷動的確定性電量平衡向源網荷儲多元協同概率性電量平衡過渡，從以機械電磁設備為主的高轉動慣量系統向電力電子器
摘 要:構建以新能源為主體的新型電力系統是實現“碳達峰、碳中和”目標的重要手段。在高比例可再生能源和高比例電力電子設備的“雙高”趨勢下，電力系統將從“源隨荷動”的確定性電量平衡向源–網–荷–儲多元協同概率性電量平衡過渡，從以機械電磁設備為主的高轉動慣量系統向電力電子器件為主的低轉動慣量系統演化，勢必對電力系統的發電、輸電、配電、用電等多環節提出更高的要求。本文結合近年來中國電力低碳轉型的成效及國家碳排放現狀，闡述了未來新型電力系統對于“雙碳”的貢獻。在此基礎上，從安全運行、可靠供電、經濟高效及數智轉型4個層面論述了構建新型電力系統的關鍵技術，并從穩定問題復雜化、防控措施待強化、靈活資源多樣化、運行方式靈活化、供電需求品質化、市場機制多元化、能源利用高效化、能源生態數字化、運營管控智能化9個方面梳理總結了建設新型電力系統將要面對的主要挑戰。新型電力系統重點將在發電側利用清潔能源替代化石能源以降低發電碳排放，在用電側推動電氣化轉型以減少傳統終端用能過程碳排放兩個方面助力“雙碳”目標實現，迫切需要統籌考慮4個層面的問題：1)安全運行是根本前提，由于新型電力系統動態特性改變及演化機理不明，不僅需要解決各類新型電力系統穩定性問題，也要應對電壓、頻率的支撐不足，以及應對措施不完善的嚴峻挑戰。2)可靠供電是核心目標，解決新能源發電波動性、間歇性所帶來的電力電量平衡問題，需要讓更多的靈活性資源參與到電力系統功率平衡調節中，同時，還需要統籌調度系統各環節的靈活性資源，保障電力系統可靠、高品質供電。3)經濟高效是必然要求，目前尚缺乏合理的電力市場機制與碳市場機制作為提高系統經濟效益的有效手段，中國在源、網、荷、儲各方面的能效仍有較大提升空間。4)數智轉型是關鍵支撐，電力業務亟需通過數字技術與智能控制技術改造生產及管理模式，“大云物移智鏈”等技術在能源電力領域的融合創新和實際應用同樣面臨諸多挑戰。規劃、設計、建設、運行以新能源為主體的新型電力系統需要結合新理論、新技術、新市場、新政策，研究系統安全運行中的穩定機理與防控措施，挖掘系統靈活性資源并維持系統可靠供電，設計合理的電力市場與碳市場機制，不斷提高能源生產–傳輸–存儲–轉換–消費等環節的效率，朝著從高碳電力系統向深度低碳或零碳電力系統轉型的目標持續邁進。
關鍵詞:碳達峰;碳中和;新能源;電力系統
全球經濟和工業水平的迅猛發展，促使能源需求急劇增長。傳統化石能源在生產、轉化過程中會產生大量二氧化碳，其引發的氣候問題已日益威脅全球生態安全。截至2021年4月22日，全球已經有120多個國家陸續宣布了碳中和目標。碳中和是指在規定時間內，二氧化碳的人為移除抵消人為排放，達到相對“零排放”。當前，中國已將減碳列入國家重要發展目標，力爭于2030年前達到碳排放峰值，2060年前實現碳中和。
目前，中國電力系統碳排放還處于較高水平，占全社會碳排放的40%左右，其中煤電是碳排放的主要來源，故提升電網新能源發電比例是實現減碳目標的重要途徑。國家電網公司、南方電網公司已發布助力“碳達峰、碳中和”的有關文件，推動構建以新能源為主體的新型電力系統。在發電側，采用清潔能源代替化石能源，降低發電碳排放;在輸配電側，提高傳輸效率，減少損耗;在用電側，實施用能電氣化改造，減少傳統終端用能過程中的碳排放。針對傳統能源供應體系中電力、熱能、天然氣各自獨立、社會基礎設施資源利用率低下、缺乏統籌規劃等問題，有必要構建以電為中心、電網為平臺的綜合能源系統[1]，實現能源廣泛互通互濟。
此外，“數字新基建”對于推動數字技術與傳統電網產業深度融合發展具有重要意義，以此加速產業數字化和數字產業化，以電網數字化轉型助推新型電力系統建設。中國風電和光伏發電裝機容量自2010年起開始大幅增長，但在電力系統中，風光發電量的占比仍然很低，2019年僅占到2.9%和5.4%。然而，在中國“雙碳”目標下，到2060年預測中國風電和光伏發電裝機容量占比之和需達到約80%，發電量占比之和達到約70%[2–4]。未來高比例新能源并網將給新型電力系統帶來諸多挑戰，包括安全穩定運行、電力電量平衡、新型市場機制建設，以及數字化與智能化提升等，具體表現如下：
1)傳統電力系統采用出力可控的火電機組發電，而新型電力系統采用出力具有隨機性、波動性和間歇性的新能源機組發電[5]。2)傳統電力系統采用同步發電機旋轉慣量作為電網支撐，其安全穩定控制理論較為完善;而新型電力系統中的大量新能源發電設備缺乏慣量支撐，且應對電力擾動魯棒性差[6]，其穩定機理與控制方法有待研究[7]。3)傳統電力系統由確定性一次能源保障供電可靠性與經濟性，在規劃設計、穩定分析、平衡調控、電力市場等方面均以確定性條件進行技術研究和工程應用;而新型電力系統主要由波動的可再生能源為負荷供電，在規劃設計、平衡調控等方面均以不確定性條件進行技術研究和工程應用。
4)傳統電力系統的發電成本較低，而新型電力系統建設將大幅增加電網發、輸、配、用各環節的建造和運行成本。5)傳統電力系統數據量較小，對數據傳輸、處理能力等要求較低;而新型電力系統具有數據量大、多樣化、相互關聯等特點，對電網信息傳輸、數據處理等多方面提出了更高的要求。實現傳統電力系統向新型電力系統轉變，安全運行是根本前提，可靠供電是核心目標，經濟高效是必然要求，數智轉型是關鍵支撐。與此同時，新型電力系統在安全、可靠、經濟及數智化進程方面還存在諸多挑戰，需要新理論、新技術、新市場、新政策共同支撐。
本文首先闡述了新型電力系統對實現“雙碳”目標的貢獻;然后，從安全運行、可靠供電、經濟高效和數智轉型4個層面分析了新型電力系統面臨的主要挑戰，包括穩定問題復雜化、防控措施待強化、靈活資源多樣化、運行方式靈活化、供電需求品質化、市場機制多元化、能源利用高效化、能源生態數字化，以及運營管控智能化;最后，從強化基礎研究、攻克關鍵技術、推進工程應用的維度給出應對上述挑戰建議采取的主要具體措施，以期吸引更多學者參與對新型電力系統的探討與研究。
1新型電力系統對“雙碳”的貢獻
中國電網公司已經在推動能源電力轉型中取得了豐富的實踐成果。截至2020年底，為建設堅強智能電網，保障新能源及時并網消納，中國電網公司已投資約2.4萬億元，以加強輸電網絡及清潔能源電站建設。在電網側，跨區域輸電能力達2.3億kW，其中輸送清潔能源電量占總輸電量比例達43%。
在能源消費側，采用加快建設電動汽車充電網絡，民航機場、沿海和內陸碼頭不斷推廣以電代油，工業領域推廣電窯爐、電鍋爐等舉措，累計實現替代電量8677億kW·h，電能消費占終端能源消費比例約27%。此外，為促進能源高效利用，研發并全面掌握特高壓核心技術和全套設備制造能力，建成國家風光儲輸、張北柔直等示范工程;建設“新能源云平臺”，在新能源電廠并網與運行控制領域也獲得一系列成果。
隨著發電側清潔能源替代程度的深化，系統穩定機制復雜、調節資源稀缺等問題愈加凸顯。如何最大化消納新能源，實現更高要求下新型電力系統的安全、可靠、經濟運行，仍面臨諸多挑戰。未來新型電力系統的構建還需繼續圍繞能源供給清潔化、能源消費電氣化不斷推進。當前，中國為減少能源利用中的碳排放，仍在不斷推動能源生產與消費結構朝著清潔、高效、低碳的方向良性發展[8]，并以電為中心、電網為平臺帶動能源系統轉型。
同時總結了構建新型電力系統的路徑及挑戰。薛欽源等[9]通過計算能源供給多樣性的方法說明了中國能源供應的現狀并指出了一次能源結構發展和結構優化所面對的問題及對應的建議。在加快節能減排，防治大氣污染的新形勢下，中國正不斷努力在能源供給側構建多元清潔能源供應體系。國家光伏裝機量占全球的45%左右，并持續為光伏發電成本降低做出貢獻，中國風電裝機量以20%年均增速提升。
在“十三五”期間，為保障新能源及時并網消納，通過煤電靈活性改造和系統調節能力的提升，促使風電和太陽能發電量達5872億kW·h，減少燃煤消耗2.5億t，減排二氧化碳當量4.5億t。此外，能源技術創新同樣意義重大，當前中國已實現核能、光熱等新型發電方式的自主設計、建造和運營，其運行安全性與社會認可度都在不斷提升[10]。
構建新型電力系統除推進新能源利用，實現電力生產減排外，在能源消費方面，隨著轉型發展配套政策出臺實施、技術進步降本增效、電網改革與能耗雙控深入推進、輸配電技術不斷突破，中國能源消費結構中電能消費的地位愈加突出。為了降低對傳統能源的依賴，減少溫室氣體排放，工業、交通、建筑領域的電氣化轉型及能效管理也在不斷推進。在工業生產過程中，傳統的更換設備、優化燃料等措施已經無法滿足工業部門更高的減碳需求。
為了從根本上大幅降低工業傳統方式下發電、產熱時的碳排放，需要大力推動熱電聯產、碳捕獲與儲能技術的大規模應用。在交通方面，運載工具的電氣化轉型是最為有效、貢獻最大的減排措施。同理，在建筑領域提升技術水平如熱泵的應用等舉措，加強了建筑節能改造，對減排同樣有重大意義[10]。為如期實現碳中和，中國將繼續推進新型電力系統的構建，抓住能源發展新形勢下的機遇，積極應對各層面下的挑戰，通過多種路徑加快實現能源供給側清潔替代、能源消費側電能替代。
2安全運行層面的挑戰
2.1穩定問題復雜化
新型電力系統高比例可再生能源、高比例電力電子設備的“雙高”趨勢下，電力系統動態特性改變及演化機理不明，穩定問題變得更為復雜。一方面，新能源設備接入電網引發的運行方式改變將從一定程度上影響經典穩定性問題;另一方面，系統動態行為改變將引發新的穩定性問題。
2.1.1對經典穩定性問題的影響由圖2可知，經典電力系統穩定性問題包括了功角穩定、電壓穩定與頻率穩定。新能源機組的滲透率、機組類型、地理位置、接入電網強度、運行工況、控制策略與控制參數決定了其對經典穩定性問題的影響程度。
1)功角穩定方面。在低頻振蕩中，具有代表性的穩定性問題是由發電機主導的功角穩定性問題，大規模新能源發電機組接入會改變電網結構和潮流分布，可能影響功角的暫態穩定性，引入新的低頻振蕩現象[11]。低頻振蕩的頻率范圍一般是0.2～2.0Hz，在區域聯網背景下，傳統發電機組發電進行遠距離輸送依然存在，高比例新能源并網可能加劇功角穩定問題[12]，惡化區域電網之間的機電振蕩模式，引發聯絡線低頻功率振蕩。此外，新能源的接入可能會改變原有的網架結構和動態過程，使得原本穩定運行的電力裝備偏離其最優運行點，進而可能引發低頻振蕩現象。
2)電壓穩定方面。新能源機組的電壓–無功響應能力將影響系統電壓穩定性。高比例風電、光伏接入強度較弱的電網時電壓穩定控制難度增大[13]，且容易引發新能源機組脫網，進而影響系統電壓穩定性。
3)頻率穩定方面。高比例電力電子化導致的系統慣量下降、新能源出力功率波動都將降低系統頻率的魯棒性[14]。在分析方法上，傳統電力系統穩定性問題多單獨針對功角穩定、電壓穩定與頻率穩定開展分析研究[15–17]。隨著新能源大量接入、系統規模擴大、運行方式增多，多種不同穩定性問題相互耦合，如何進行準確的穩定性模式判別[18]，厘清不同穩定性問題相互演化規律也是未來經典穩定性問題研究的挑戰之一。
Jadidbonab等[19]采用隨機規劃方法處理風力發電與需求的不確定性，作為評估和提高含風力發電與熱能需求的電力系統穩定性基礎。陳磊等[20]通過簡化的代數方程和仿真分析得出了隨著風電機組替換常規機組比例增大，系統穩定性具有從功角穩定向電壓穩定轉化的特性的結論。毛安家等[7]則進一步研究高比例新能源電力系統暫態穩定和電壓穩定的演化機理，給出了基于常規機組最大替換功率的穩定性演化的量化指標。
2.1.2新型穩定性問題的出現
在新型電力系統中，電力電子變流器將廣泛應用于發、輸、配、用電各個環節，由此引發的新型電磁振蕩現象出現在：電力電子設備與串聯補償裝置[21]、電力電子設備與交流系統[22–23]、電力電子設備與直流系統[24]，以及電力電子設備之間[25]。同時，電力系統互聯為振蕩能量在電網中廣域傳播提供了有利條件，可能加劇電磁振蕩的嚴重程度[26]。
從振蕩頻率的角度來講，新型振蕩現象的頻帶較寬，包括了低頻、次同步、超同步及諧波，從Hz至kHz量級的振蕩均有可能發生。其中：低頻振蕩多是由于新能源接入改變了系統的穩態運行點，較少見到有關于其直接引發低頻振蕩的工程案例;次同步振蕩是新能源接入后較為普遍的振蕩現象，在國內外均有較多報道，其主要機制是電力電子裝置控制環節設定不合理，或難以適應系統環境導致的;諧波振蕩則主要是由于電力電子裝置的開關動態引發的，這也是電力電子裝置接入后對區域電網最直接的影響。
3可靠供電層面的挑戰
大規模新能源發電接入背景下，受地理環境和氣象條件因素影響，新能源發電出力具有波動性、間歇性、能量密度低等特點[42]。同時，中國用電需求呈現冬、夏“雙峰”特征，峰谷差不斷擴大，北方地區冬季高峰負荷往往接近或超過夏季高峰，保障電力供應的難度逐年加大。從實際運行情況看，依靠常規電源滿足電網高峰負荷需求仍然是實現電力電量平衡的主要方式。在極端天氣下，很難保證充足的供電裕度支撐電力系統可靠運行。此外，由于傳統電力系統靈活性不足，導致中國各地始終存在棄風、棄光問題，不利于“雙碳”目標的實現。
4經濟高效層面的挑戰
4.1市場機制多元化
建設新型電力系統將大幅增加電網各環節的建造和運行成本，同時，考慮到新能源發電成本較高，且短時間無法通過技術創新大幅降低成本，因此設計合理的電力市場與碳市場機制是當前提高系統經濟效益的有效手段[55]。根據市場類型和交易機制的差異，本文總結了電能市場、輔助服務市場、碳市場在“雙碳”背景下的主要挑戰和完善市場機制的主要路徑。
4.2能源利用高效化
建設經濟高效的新型電力系統對能源利用高效化提出新挑戰。中國在源、網、荷、儲各方面仍然具備較大的能效提升空間，實現“雙碳”目標要求電網各主體通過技術層面、管理層面達到能源利用高效化目標，提升用能經濟效益。
4.2.1技術層面
電能的生產、轉換、傳輸、利用與存儲等環節的技術創新是中國實現節能降碳、經濟高效和可持續發展的關鍵，源、網、荷、儲各環節仍有節能改造空間，主要表現為新能源發電效率有待提高、輸變電損耗有待降低、部分儲能技術在能量轉化過程中損耗較大、部分用電設備效率較低、產業鏈相對較長等問題。
通過高能效設備研發、用能結構調整以及循環經濟發展等方式，深度挖掘發電企業和電力用戶在發用電過程中的節能潛力，在技術層面實現能源利用高效化。在發電側，需通過提高新能源集群預測精度、熱電聯產等方法提升清潔能源發電效率。在電網側，采用高壓直流輸電等技術減少輸電損耗。在儲能側，應當考慮儲電、儲熱、儲氣、儲氫等多類型儲能設施有效結合、互補應用，以降低儲能損耗[63]。在用電側，要求解決大量電動汽車有序充電及充電樁高效利用的問題;同時，研發工業節能裝置，推廣居民節能電器，通過數智化實現工藝流程節能、低溫余熱回收等多種舉措，以達到提高能效的目的。
5數智轉型層面的挑戰
建設以新能源為主體的數字化、智能化電力系統需要在能源互聯網的基礎上，應用大數據、云計算、物聯網、人工智能、移動互聯網和區塊鏈等先進數智轉型技術[66]，優化電網中的能量流和信息流，增強電網經濟性、靈活性、可靠性等基本指標。中國電力系統的數智化建設已具有一定的基礎，例如，國家電網公司推進的“網上電網”應用，從技術、功能、形態等方面推動了傳統電力系統的數智化轉型，為加快建設以新能源為主體的新型電力系統提供了重要的技術支撐。
6結 論
構建以新能源為主體的新型電力系統是實現“雙碳”目標、遏制氣候變暖的必然要求。隨著發電側清潔能源替代程度的深化，新型電力系統將逐漸呈現穩定問題復雜化、防控措施待強化、靈活資源多樣化、運行方式靈活化、供電需求品質化、市場機制多元化、能源利用高效化以及能源生態數字化與運營管控智能化等趨勢。建設以新能源為主體的新型電力系統，在安全運行、可靠供電、經濟高效和數智轉型4個方面對電網提出了更高的要求和挑戰。為應對上述挑戰采取的主要措施包括：
1)完善穩定機理分析與應對措施研究;2)挖掘系統靈活性資源，并采用概率性方法分析決策;3)設計合理的電力市場與碳市場機制;4)提高能源利用效率;5)融合信息傳輸、信息安全、信息處理等新技術的同時，提高電力智能化程度。采用上述措施應對新型電力系統挑戰的同時，還需要充分結合新理論、新技術、新市場、新政策。本文綜述了“雙碳”目標下新型電力系統建設面臨的關鍵技術挑戰和可能的解決方案，以期為能源電力領域的專家學者進一步研究探討起到拋磚引玉的作用。
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作者：肖先勇，鄭子萱*
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