“雙碳”目標下的新型電力系統(tǒng)藍圖及關鍵技術研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 蔣慶明 齊 磊 朱 文 陶洪強 李小龍

1 引言

新型電力系統(tǒng)的發(fā)展是幫助電力系統(tǒng)從粗放式發(fā)展，轉變?yōu)榧s型低碳發(fā)展的重要技術手段。在電力行業(yè)中重點應用可持續(xù)發(fā)展的再生能源，能提高電能在消費市場中占有的比重，降低化石能源的使用量，真正實現(xiàn)深度低碳或者零碳的轉變。在傳統(tǒng)的電力行業(yè)發(fā)展模式中，一直以新型技術較少的發(fā)電路徑經營，但在當前“雙碳”目標下，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個發(fā)電環(huán)節(jié)的低碳與零碳，需要先進的新型技術作為支撐依靠，結合高比例新能源應用與電網結合等技術應用特征，融合碳排放技術與碳交易新市場的領域特點，實現(xiàn)新型技術與電力系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展。

2 新型電力系統(tǒng)特征

新型的電力系統(tǒng)是我國未來電力行業(yè)發(fā)展的中堅力量，其特征可歸為以下五個方面。

第一，新型電力系統(tǒng)的可再生能源與清潔能源高比例應用。新型電力系統(tǒng)大幅度提高風能、潮汐能、太陽能等清潔能源作為發(fā)電的主要動力，促進電力系統(tǒng)的轉型升級，也是實現(xiàn)我國雙碳目標最為重要的手段[1]。

第二，電力電子設備的研發(fā)和應用。在我國傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，電力電子設備的作用主要體現(xiàn)在電磁變換設備中，其在控制方式、設備交互等方面沒有新型電力電子設備高效智能。伴隨著當前我國電力耗量的不斷增大，大規(guī)模的交直流輸電設備與新能源機組的應用帶動了電力電子設備的發(fā)展進步。擴大電力電子設備的應用范圍，不斷提升電力電子設備的研發(fā)質量，對我國新型電力系統(tǒng)的發(fā)展將產生積極影響。

第三，形成多種能源互補的綜合利用模式，創(chuàng)建“能源互聯(lián)網”。在電力系統(tǒng)的行業(yè)內部隨著多種新型技術的引入和應用，許多類型的新能源正在探索著融合應用的模式，讓發(fā)電工作的內涵和功能不斷的延伸，充分發(fā)揮電力系統(tǒng)的資源配置平臺作用。形成以電力系統(tǒng)為核心，多種能源應用并存的“能源互聯(lián)網”模式，無論是單純的電力互聯(lián)，還是在不同能源利用發(fā)展下演變出的商業(yè)模式，或是基于互聯(lián)網思維對能源應用技術進行的改造與創(chuàng)新，都是在能源互聯(lián)網理念下進行的能源信息與能源應用不斷整合與促進的過程，這種過程不是一蹴而就的，需要長期的實踐進行完善[2]。

第四，電力系統(tǒng)智能信息技術應用形成智能電網。智能電網用先進的技術手段將未來的數(shù)據(jù)科技融入到電力生產供應等各個環(huán)節(jié)之中，在未來的電力系統(tǒng)的設計調度中起著不可或缺的關鍵作用。智能電網也將先進的儲能技術與設施納入了電力系統(tǒng)。比如“電轉氣”這樣具有大規(guī)模應用潛力的儲能系統(tǒng)，可以將多余的發(fā)電轉化成氫氣或甲烷等清潔能源，實現(xiàn)與天然氣管網等系統(tǒng)的立體互聯(lián)。

第五，實現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳生產向零碳生產的轉型。“雙碳”目標下對于構建新型電力系統(tǒng)的要求并不僅僅是減排、低碳，在建設新型電力系統(tǒng)的過程中要著眼于未來零碳生產的目標，將其作為電力系統(tǒng)生產的根本發(fā)展導向。在其觀念的指引下提升清潔能源的開發(fā)利用水平，為電力系統(tǒng)整體的建設轉型提供保障[3]。

3 雙碳目標下新型電力系統(tǒng)藍圖規(guī)劃

3.1 向高比例清潔能源深度脫碳的電力系統(tǒng)轉型

在目前的研究中，新型電力系統(tǒng)的低碳規(guī)劃主要針對供電規(guī)劃進行。與此同時，新型電力系統(tǒng)深度脫碳需要開發(fā)高比例的清潔能源。如圖1所示，我國當下的清潔能源雖然應用占比逐年增高，但是煤炭的應用量還是比較龐大。

圖1 各類能源年發(fā)電量

有研究的主要思想是對現(xiàn)有的只考慮電力和電力平衡的電力規(guī)劃模型進行擴展，從柔性規(guī)劃的角度考慮新型電力系統(tǒng)的靈活性，應建立一種相對平衡的新型電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃模型。總體而言，當前“碳視角”的低碳電力規(guī)劃研究與新型電力系統(tǒng)高比例清潔能源電力規(guī)劃研究相對獨立，二者之間并無太大聯(lián)系，這無疑制約了對新型電力系統(tǒng)研究的發(fā)展。清潔能源接入新型電力系統(tǒng)是我國支持碳減排的主要手段，而這種能源的大規(guī)模接入的根本動力是基于能源互聯(lián)網觀念“源—網—荷—儲”協(xié)同規(guī)劃方案的支持。值得注意的是，現(xiàn)有的新型電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃研究大多僅從電力規(guī)劃的角度出發(fā)，缺乏對“源—網—荷—儲”全過程的協(xié)同規(guī)劃。基于此種情況，未來新型電力系統(tǒng)從清潔能源轉型規(guī)劃方法應從“源—網—荷—儲”研究角度，向開發(fā)高比例電力系統(tǒng)進行深度脫碳的方向研究[4]。

3.2 從“碳視角”出發(fā)進行未來電網發(fā)展形態(tài)規(guī)劃

由化石能源主導向可再生能源高比例并網轉變的過程，是電力系統(tǒng)實現(xiàn)“碳中和”目標的重要舉措，這種觀念的應用將從根本上改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的結構。對于能源互聯(lián)網下“源—網—荷—儲”的結構形式，其理論研究成果與目前電網偏向實戰(zhàn)性的規(guī)劃有所不同，此類規(guī)劃往往側重于未來對電網發(fā)展的理論規(guī)劃，研究的結果偏向前瞻性，超前當前的電網發(fā)展。

目前，世界上很多的發(fā)達國家對電網與清潔能源的耦合性進行了研究，很多的研究也關注到了電網發(fā)展與經濟、社會的實踐應用之間的必然聯(lián)系，考慮到了電網系統(tǒng)之間復雜的關系。這些研究的對區(qū)域的電網規(guī)劃格局與能源利用效率會有良好的參考價值。然而，目前的研究結果多以“電”為中心視角，根據(jù)電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進行節(jié)能減排布局的規(guī)劃，對于以“碳”為視角的電力系統(tǒng)減排研究少之又少。從圖2所示的視角對比，未來的新型電力系統(tǒng)研究應基于經濟、社會的發(fā)展程度，應用“碳”視角對電力系統(tǒng)的整體布局進行新的規(guī)劃嘗試，推動電力系統(tǒng)向著零碳排的目標邁進[5]。

圖2 “電視角”與“碳視角”下的電力系統(tǒng)對比

3.3 選擇最優(yōu)發(fā)展路徑，建設長期發(fā)展布局

我國電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)的發(fā)展模式向新型電力系統(tǒng)的轉變是一個長期的過程，當前我國對新能源的應用與技術研發(fā)還不夠成熟，很多的新能源種類還未被有效的開發(fā)。我國仍處于工業(yè)化發(fā)展階段，工業(yè)化和城市化持續(xù)推進，二氧化碳排放量在一定時間里還會有所增加。在以產業(yè)結構調整、行業(yè)節(jié)能和非化石能源發(fā)展為主要減排手段的前提下，短期內碳減排或對經濟運行帶來某些壓力和挑戰(zhàn)。故此我國電力系統(tǒng)向著零碳轉型需要行業(yè)人士抱有持久戰(zhàn)的信心，不僅要明確我國新型電力系統(tǒng)模式的發(fā)展目標，更要分析我國新型電力系統(tǒng)轉型的關鍵路徑和技術手段。高碳的傳統(tǒng)電力行業(yè)發(fā)展模式面臨發(fā)展壓力。我國承諾將在2060年前實現(xiàn)“碳中和”，這就要求電力行業(yè)應在30年間大幅度降低碳的排放，對此，利用化石能源發(fā)電的高碳電力產業(yè)和企業(yè)應保持清醒認識，積極應對雙碳目標下的機遇與挑戰(zhàn)[6]。

4 支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的關鍵技術

4.1 新型電力系統(tǒng)“源—荷”精細化預測

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)展模式對比下，新型電力系統(tǒng)的多樣性與靈活性將進一步增強，新型電力系統(tǒng)對清潔能源的靈活性進行準確建模和預測，是對新型電力系統(tǒng)規(guī)劃研究的必要前提，在“源—荷”的視角下對其進行精細化的預測把控。例如，風能和太陽能作為當前利用率較高的清潔能源，其電能的轉換輸出波動分別受風速和光照強度的影響，其變化較大、靈活性較高。因此，在新型電力系統(tǒng)精細化預測的過程中，應結合地區(qū)的光強和風速的概率分布特征，因地制宜，建立清潔能源隨機輸出模型，這種模型建立的常用精細化預測方法，會直接影響新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案的真實性與有效性。

4.2 新型電力系統(tǒng)低碳電力市場機制

1997年12月，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第3次締約方大會在日本京都召開。149個國家和地區(qū)共同簽署了減低溫室氣體的《京都議定書》。其目標是“將大氣中的溫室氣體含量穩(wěn)定在一個適當?shù)乃剑M而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害。”自協(xié)議簽訂以來，世界上的大部分國家都展開了對低碳市場，“碳交易”模式的研究。如圖3所示的當今碳市場與碳交易框架，雖然自1997年以來陸續(xù)有許多的“碳交易”模式推行，但是目前全球范圍內還未建立起統(tǒng)一的碳交易規(guī)則，對于低碳電力市場機制的完善產生了影響。

圖3 碳市場與碳交易的研究框架

我國在低碳電力市場建設的背景下，對電力系統(tǒng)的運行調度問題進行了長時間的研究，對電力系統(tǒng)與“碳交易”市場的相關作用和市場運行機制進行了完善，這些措施都是開展新型電力系統(tǒng)建設與規(guī)劃的關鍵措施支撐。當前，雖然我國系統(tǒng)的低碳電力市場機制正在逐步的完善，但是在未來的新型電力系統(tǒng)建設過程中，以“碳交易”為視角下，建立富有我國特色的新型電力碳交易市場體制的任務還任重道遠，低碳電力市場背景下對電網的調度問題還存在研究的短板。

4.3 新型電力系統(tǒng)多主體協(xié)同規(guī)劃

4.3.1 “發(fā)—輸”協(xié)同規(guī)劃

當前，普遍采用“預防—攻擊—糾正”的思想來規(guī)劃新型電力系統(tǒng)建設方案對不確定因素的穩(wěn)健性。在預防階段，以安裝和擴建變量作為決策變量，以經濟為目標解決主要規(guī)劃問題。在攻擊階段，以運行變量為決策變量、能量流平衡、容量范圍等，以新型電力系統(tǒng)運行約束為主要邊界條件，以新型電力系統(tǒng)運行成本為求解包含不確定場景的運行子問題。在糾正階段，通過求解可靠性綜合癥子問題，確定新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案是否具備應對嚴重不確定場景的能力，通過在主問題上加入可靠性約束，迭代增加新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案的穩(wěn)健性。

4.3.2 “源—網—荷—儲”協(xié)同規(guī)劃

低碳電力市場的建設與開發(fā)聯(lián)動區(qū)域多種能源利用的互補技術，極大地提高了能源應用的靈活性。新型電力系統(tǒng)可以提供多種供能方式，即供電側和用戶側雙向互補，滿足用戶的負荷需求，供電穩(wěn)定能力將進一步增強。儲能設備和柔性負載可以有效消除參數(shù)隨機性對配電網的負面影響，參與電網調峰、調頻、調壓等輔助服務，提高電網安全水平和運行效率。其運行的協(xié)同規(guī)劃結合當下的計算機電子信息技術，可以更加高效的應用到當前電力系統(tǒng)的日常管理中。

例如，當前南方電網中推行的調峰輔助服務電力現(xiàn)貨市場技術支持系統(tǒng)，如圖4，基于“源—網—荷—儲”協(xié)同規(guī)劃的理念支持系統(tǒng)基于電力現(xiàn)貨市場建立技術支持的系統(tǒng)統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)調峰需求管理、市場申報、日前出清、日內出清、市場結算等功能，實現(xiàn)調峰系統(tǒng)與節(jié)調系統(tǒng)與OCS 系統(tǒng)的互聯(lián)。這種系統(tǒng)架構的推行節(jié)省了電力企業(yè)日常生產的管理成本，通過電子技術的支持為我國電力企業(yè)的高質量發(fā)展提供幫助。

圖4 系統(tǒng)技術架構

5 結語

構建新型電力系統(tǒng)，對于推動我國能源結構轉型，助力實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。目前，國內外對新一代電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃的研究仍處于起步階段，需要進一步完善和發(fā)展。