清研智谈 | 高质量发展新型电力系统技术，助力实现“双碳”目标
2021年9月29日，国际能源署（IEA）发布《中国能源体系碳中和路线图》报告，在报告所描绘的路径中，截至2030年的主要减排动力来自于提高能源效率、发展可再生能源和减少煤炭使用，同时指出我国二氧化碳排放的主要来源是电力行业（48%）、其次为工业（36%）、交通（8%）和建筑（5%），排放峰值越早到来，对我国按时实现碳中和的机会就越大。根据我国国情，其他碳排放占比较高部门，如工业部门、建筑部门、交通部门已积极推动节能提效和电气化替代，但碳达峰时间存有较大不确定性。相对来说，电力部门是最容易实现碳达峰的重点部门，其尽早达峰对全国碳达峰的实现起到重要的桥梁和纽带作用。
中国能源行业不同燃料和技术的二氧化碳排放量 图片来源：国际能源署《中国能源体系碳中和路线图》
政策：加快发展新型电力系统，推动能源电力转型
2021年3月15日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上对能源电力发展作出了系统阐述，首次提出构建新型电力系统，同时为新时代能源电力发展指明了科学方向，也为全球电力可持续发展提供了中国方案。党的二十大报告强调：“要积极稳妥推进碳达峰碳中和，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系”，这为新时代我国能源电力高质量跃升式发展指明了前进方向，提出了更高要求。
2023年1月6日，国家能源局就《新型电力系统发展蓝皮书(征求意见稿)》（以下简称《蓝皮书》）公开征求意见，意见指出，新型电力系统具备安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合四大重要特征，其中安全高效是基本前提，清洁低碳是核心目标，柔性灵活是重要支撑，智慧融合是基础保障，共同构建了新型电力系统的“四位一体”框架体系。
新型电力系统四大基本特征 图片来源：《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》
市场：需求持续走高，供给结构稳步转型
电力需求：自2010年以来，工业化城镇化进程不断推进，经济由高速增长转变为高质量增长，电力需求持续增长。“十三五”期间，我国电力需求的增长速度仍然较快，年均增速为4.9%，其中，电能替代加速，电气化率稳步提升，对全社会的电能需求起到了推进作用。国家能源局2023年1月18日公布的数据显示，2022年，全社会用电量86372亿千瓦时，同比增长3.6%。随着国内能源消费结构的优化调整，技术进步、经济发展等因素，未来我国电能需求仍将持续走高。
2022年全社会用电量 图片来源：新华社
电力供给：根据国家能源局公布的“2021年度全国可再生能源电力发展监测评价结果”显示，截至2021年底，全国可再生能源发电累计装机容量10.63亿千瓦，同比增长约13.8%，占全部电力装机的44.8%；其中，水电装机3.91亿千瓦（抽水蓄能0.36亿千瓦）、风电装机3.28亿千瓦、光伏发电装机3.06亿千瓦、生物质发电装机3798万千瓦。2021年，全国可再生能源发电量达2.48万亿千瓦时，占全部发电量的29.7%；其中水电发电量1.34万亿千瓦时，占全部发电量的16.0%；风电发电量6556亿千瓦时，占全部发电量的7.8%；光伏发电量3259亿千瓦时，占全部发电量的3.9%；生物质发电量1637亿千瓦时，占全部发电量的2.0%。我国电力对燃煤发电增量电量形成有效替代，电力生产供应能力稳步提升，行业清洁低碳转型加速推进。
我国各类电源装机结构 图片来源：《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》
挑战：电力保供和新能源消纳是主线
构建新型电力系统的本质是要满足高占比新能源电网的运行需求，通过打通能源供需各个环节，实现源网荷储高效互动，并通过绿色电力能源中介，引导能源生产和消费产业链的绿色转型，实现电能绿色价值顺利传导至终端用户。而目前构建新型电力系统存在不同方面的问题挑战。
新型电力系统图景展望 图片来源：《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》
一是源-荷不确定性加剧，保障电力供应安全面临挑战。我国现阶段电力电量依托“源随荷动”的平衡模式保障电力供需平衡，新能源本身由于我国资源禀赋具有随机性、波动性和间歇性的特征，随着新能源和新负荷大规模接入，电源的不确定性愈发明显，而用电需求因气象、电价、消费心理等多方面影响，预测难度增大，源-荷双侧不确定性日益凸显，电力供应安全形势严峻。
二是“双高”特性日益凸显，系统运行压力持续增加。“双高”主要是指高比例可再生能源和高比例电力电子设备，随着高比例新能源、新型储能、柔性直流输电等电力技术快速发展和推广应用，系统主体多元化、电网形态复杂化、运行方式多样化的特点愈发明显，对电力系统安全、高效、优化运行提出了更大挑战。
三是电力关键核心技术水平偏低，科技创新驱动效能需持续提升。同世界能源电力科技强国相比，我国仍存在短板与不足，氢能、新型核电、碳捕捉利用及封存（CCUS）、燃料电池、大型燃气轮机、高温材料等核心技术装备长期被国外垄断，支撑新型电力系统构建的“卡脖子”技术和核心装备亟需攻关突破。
方向：科技创新是构建新型电力系统的关键支撑
新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为坚强支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统。所以面对挑战，科技创新是构建新型电力系统的关键支撑，可重点从以下方面开展科技攻关。
一是源网荷储双向互动技术。通过数字化技术赋能，推动“源随荷动”向“源荷互动”转变，实现源网荷储多方资源的智能友好、协同互动。
二是虚拟同步发电机技术。通过在新能源并网中加入储能或运行在实时限功率状态，并优化控制方式为系统提供调频、调压、调峰和调相支撑，提升新能源并网友好性。
三是长周期储能技术。长时储能与大型风光项目的组合将大概率替代传统化石能源，成为基础负载发电厂，对零碳电力系统中后期建设打基础。
四是虚拟电厂技术。源网荷储一体化项目的推广应用，以及分布式能源、微网、储能的快速发展为虚拟电厂提供了丰富的资源，虚拟电厂将成为电力系统平衡的重要组成。
五是其他技术。新能源直流组网、直流微电网、交直流混联配电网等技术的研发与突破，将有助于实现更高比例的新能源并网，为电力系统的安全稳定运行提供保障。
未来：新型电力系统助推实现“碳达峰、碳中和”远景目标
新型电力系统是国家结合国内外发展情况，从实现能源电力清洁低碳转型的角度提出的重大战略任务，是“双碳”背景下能源转型的重大时代背景和历史使命。国家锚定2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，按照“以新能源为主体”要求，设置新型电力系统的战略目标，制定能源低碳转型下构建新型电力系统的战略，更是在《蓝皮书》中明确构建新型电力系统“三步走”，分步骤预测不同阶段电力系统的能源结构。
图6：新型电力系统建设“三步走”发展路径 图片来源：《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》
未来重构能源体系是实现“双碳”目标的必然要求，而构建新型电力系统是“双碳”目标导向下能源体系重构的核心。使命在肩，击鼓催征，我们要准确把握新型电力系统带来的新机遇新挑战，立足实际找准切入点、发力点，树立系统思维、创新思维和开放思维，加快推动新型电力系统高质量发展，助力“碳达峰、碳中和”目标的早日实现。
撰稿 | 王秋慧 清研集团能源电力研究部研究员
编辑 | 陈泽玺
图片 | 网络