“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)藍(lán)圖及關(guān)鍵技術(shù)研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 蔣慶明 齊 磊 朱 文 陶洪強(qiáng) 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(zhuǎn)變?yōu)榧s型低碳發(fā)展的重要技術(shù)手段。在電力行業(yè)中重點(diǎn)應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的再生能源，能提高電能在消費(fèi)市場(chǎng)中占有的比重，降低化石能源的使用量，真正實(shí)現(xiàn)深度低碳或者零碳的轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)的電力行業(yè)發(fā)展模式中，一直以新型技術(shù)較少的發(fā)電路徑經(jīng)營(yíng)，但在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各個(gè)發(fā)電環(huán)節(jié)的低碳與零碳，需要先進(jìn)的新型技術(shù)作為支撐依靠，結(jié)合高比例新能源應(yīng)用與電網(wǎng)結(jié)合等技術(shù)應(yīng)用特征，融合碳排放技術(shù)與碳交易新市場(chǎng)的領(lǐng)域特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)新型技術(shù)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(guó)未來(lái)電力行業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量，其特征可歸為以下五個(gè)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(yīng)用。新型電力系統(tǒng)大幅度提高風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等清潔能源作為發(fā)電的主要?jiǎng)恿Γ龠M(jìn)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)雙碳目標(biāo)最為重要的手段[1]。

第二，電力電子設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用。在我國(guó)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備的作用主要體現(xiàn)在電磁變換設(shè)備中，其在控制方式、設(shè)備交互等方面沒(méi)有新型電力電子設(shè)備高效智能。伴隨著當(dāng)前我國(guó)電力耗量的不斷增大，大規(guī)模的交直流輸電設(shè)備與新能源機(jī)組的應(yīng)用帶動(dòng)了電力電子設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步。擴(kuò)大電力電子設(shè)備的應(yīng)用范圍，不斷提升電力電子設(shè)備的研發(fā)質(zhì)量，對(duì)我國(guó)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展將產(chǎn)生積極影響。

第三，形成多種能源互補(bǔ)的綜合利用模式，創(chuàng)建“能源互聯(lián)網(wǎng)”。在電力系統(tǒng)的行業(yè)內(nèi)部隨著多種新型技術(shù)的引入和應(yīng)用，許多類(lèi)型的新能源正在探索著融合應(yīng)用的模式，讓發(fā)電工作的內(nèi)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(tái)作用。形成以電力系統(tǒng)為核心，多種能源應(yīng)用并存的“能源互聯(lián)網(wǎng)”模式，無(wú)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(wǎng)思維對(duì)能源應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行的改造與創(chuàng)新，都是在能源互聯(lián)網(wǎng)理念下進(jìn)行的能源信息與能源應(yīng)用不斷整合與促進(jìn)的過(guò)程，這種過(guò)程不是一蹴而就的，需要長(zhǎng)期的實(shí)踐進(jìn)行完善[2]。

第四，電力系統(tǒng)智能信息技術(shù)應(yīng)用形成智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)用先進(jìn)的技術(shù)手段將未來(lái)的數(shù)據(jù)科技融入到電力生產(chǎn)供應(yīng)等各個(gè)環(huán)節(jié)之中，在未來(lái)的電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度中起著不可或缺的關(guān)鍵作用。智能電網(wǎng)也將先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)與設(shè)施納入了電力系統(tǒng)。比如“電轉(zhuǎn)氣”這樣具有大規(guī)模應(yīng)用潛力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以將多余的發(fā)電轉(zhuǎn)化成氫氣或甲烷等清潔能源，實(shí)現(xiàn)與天然氣管網(wǎng)等系統(tǒng)的立體互聯(lián)。

第五，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳生產(chǎn)向零碳生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型。“雙碳”目標(biāo)下對(duì)于構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的要求并不僅僅是減排、低碳，在建設(shè)新型電力系統(tǒng)的過(guò)程中要著眼于未來(lái)零碳生產(chǎn)的目標(biāo)，將其作為電力系統(tǒng)生產(chǎn)的根本發(fā)展導(dǎo)向。在其觀念的指引下提升清潔能源的開(kāi)發(fā)利用水平，為電力系統(tǒng)整體的建設(shè)轉(zhuǎn)型提供保障[3]。

3 雙碳目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)藍(lán)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(zhuǎn)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(duì)供電規(guī)劃進(jìn)行。與此同時(shí)，新型電力系統(tǒng)深度脫碳需要開(kāi)發(fā)高比例的清潔能源。如圖1所示，我國(guó)當(dāng)下的清潔能源雖然應(yīng)用占比逐年增高，但是煤炭的應(yīng)用量還是比較龐大。

圖1 各類(lèi)能源年發(fā)電量

有研究的主要思想是對(duì)現(xiàn)有的只考慮電力和電力平衡的電力規(guī)劃模型進(jìn)行擴(kuò)展，從柔性規(guī)劃的角度考慮新型電力系統(tǒng)的靈活性，應(yīng)建立一種相對(duì)平衡的新型電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃模型。總體而言，當(dāng)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(duì)獨(dú)立，二者之間并無(wú)太大聯(lián)系，這無(wú)疑制約了對(duì)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(guó)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(dòng)力是基于能源互聯(lián)網(wǎng)觀念“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”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(duì)“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”全過(guò)程的協(xié)同規(guī)劃。基于此種情況，未來(lái)新型電力系統(tǒng)從清潔能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃方法應(yīng)從“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”研究角度，向開(kāi)發(fā)高比例電力系統(tǒng)進(jìn)行深度脫碳的方向研究[4]。

3.2 從“碳視角”出發(fā)進(jìn)行未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)規(guī)劃

由化石能源主導(dǎo)向可再生能源高比例并網(wǎng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要舉措，這種觀念的應(yīng)用將從根本上改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)下“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”的結(jié)構(gòu)形式，其理論研究成果與目前電網(wǎng)偏向?qū)崙?zhàn)性的規(guī)劃有所不同，此類(lèi)規(guī)劃往往側(cè)重于未來(lái)對(duì)電網(wǎng)發(fā)展的理論規(guī)劃，研究的結(jié)果偏向前瞻性，超前當(dāng)前的電網(wǎng)發(fā)展。

目前，世界上很多的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電網(wǎng)與清潔能源的耦合性進(jìn)行了研究，很多的研究也關(guān)注到了電網(wǎng)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的實(shí)踐應(yīng)用之間的必然聯(lián)系，考慮到了電網(wǎng)系統(tǒng)之間復(fù)雜的關(guān)系。這些研究的對(duì)區(qū)域的電網(wǎng)規(guī)劃格局與能源利用效率會(huì)有良好的參考價(jià)值。然而，目前的研究結(jié)果多以“電”為中心視角，根據(jù)電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行節(jié)能減排布局的規(guī)劃，對(duì)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(duì)比，未來(lái)的新型電力系統(tǒng)研究應(yīng)基于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展程度，應(yīng)用“碳”視角對(duì)電力系統(tǒng)的整體布局進(jìn)行新的規(guī)劃嘗試，推動(dòng)電力系統(tǒng)向著零碳排的目標(biāo)邁進(jìn)[5]。

圖2 “電視角”與“碳視角”下的電力系統(tǒng)對(duì)比

3.3 選擇最優(yōu)發(fā)展路徑，建設(shè)長(zhǎng)期發(fā)展布局

我國(guó)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(zhuǎn)變是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，當(dāng)前我國(guó)對(duì)新能源的應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)還不夠成熟，很多的新能源種類(lèi)還未被有效的開(kāi)發(fā)。我國(guó)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(jìn)，二氧化碳排放量在一定時(shí)間里還會(huì)有所增加。在以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)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(nèi)碳減排或?qū)?jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)某些壓力和挑戰(zhàn)。故此我國(guó)電力系統(tǒng)向著零碳轉(zhuǎn)型需要行業(yè)人士抱有持久戰(zhàn)的信心，不僅要明確我國(guó)新型電力系統(tǒng)模式的發(fā)展目標(biāo)，更要分析我國(guó)新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑和技術(shù)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(guó)承諾將在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，這就要求電力行業(yè)應(yīng)在30年間大幅度降低碳的排放，對(duì)此，利用化石能源發(fā)電的高碳電力產(chǎn)業(yè)和企業(yè)應(yīng)保持清醒認(rèn)識(shí)，積極應(yīng)對(duì)雙碳目標(biāo)下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[6]。

4 支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 新型電力系統(tǒng)“源—荷”精細(xì)化預(yù)測(cè)

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)展模式對(duì)比下，新型電力系統(tǒng)的多樣性與靈活性將進(jìn)一步增強(qiáng)，新型電力系統(tǒng)對(duì)清潔能源的靈活性進(jìn)行準(zhǔn)確建模和預(yù)測(cè)，是對(duì)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(duì)其進(jìn)行精細(xì)化的預(yù)測(cè)把控。例如，風(fēng)能和太陽(yáng)能作為當(dāng)前利用率較高的清潔能源，其電能的轉(zhuǎn)換輸出波動(dòng)分別受風(fēng)速和光照強(qiáng)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(xì)化預(yù)測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的光強(qiáng)和風(fēng)速的概率分布特征，因地制宜，建立清潔能源隨機(jī)輸出模型，這種模型建立的常用精細(xì)化預(yù)測(cè)方法，會(huì)直接影響新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案的真實(shí)性與有效性。

4.2 新型電力系統(tǒng)低碳電力市場(chǎng)機(jī)制

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

圖3 碳市場(chǎng)與碳交易的研究框架

我國(guó)在低碳電力市場(chǎng)建設(shè)的背景下，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，對(duì)電力系統(tǒng)與“碳交易”市場(chǎng)的相關(guān)作用和市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了完善，這些措施都是開(kāi)展新型電力系統(tǒng)建設(shè)與規(guī)劃的關(guān)鍵措施支撐。當(dāng)前，雖然我國(guó)系統(tǒng)的低碳電力市場(chǎng)機(jī)制正在逐步的完善，但是在未來(lái)的新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，以“碳交易”為視角下，建立富有我國(guó)特色的新型電力碳交易市場(chǎng)體制的任務(wù)還任重道遠(yuǎn)，低碳電力市場(chǎng)背景下對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度問(wèn)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(dāng)前，普遍采用“預(yù)防—攻擊—糾正”的思想來(lái)規(guī)劃新型電力系統(tǒng)建設(shè)方案對(duì)不確定因素的穩(wěn)健性。在預(yù)防階段，以安裝和擴(kuò)建變量作為決策變量，以經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)解決主要規(guī)劃問(wèn)題。在攻擊階段，以運(yùn)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(yùn)行約束為主要邊界條件，以新型電力系統(tǒng)運(yùn)行成本為求解包含不確定場(chǎng)景的運(yùn)行子問(wèn)題。在糾正階段，通過(guò)求解可靠性綜合癥子問(wèn)題，確定新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方案是否具備應(yīng)對(duì)嚴(yán)重不確定場(chǎng)景的能力，通過(guò)在主問(wèn)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(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)同規(guī)劃

低碳電力市場(chǎng)的建設(shè)與開(kāi)發(fā)聯(lián)動(dòng)區(qū)域多種能源利用的互補(bǔ)技術(shù)，極大地提高了能源應(yīng)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(cè)和用戶(hù)側(cè)雙向互補(bǔ)，滿(mǎn)足用戶(hù)的負(fù)荷需求，供電穩(wěn)定能力將進(jìn)一步增強(qiáng)。儲(chǔ)能設(shè)備和柔性負(fù)載可以有效消除參數(shù)隨機(jī)性對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)面影響，參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)，提高電網(wǎng)安全水平和運(yùn)行效率。其運(yùn)行的協(xié)同規(guī)劃結(jié)合當(dāng)下的計(jì)算機(jī)電子信息技術(shù)，可以更加高效的應(yīng)用到當(dāng)前電力系統(tǒng)的日常管理中。

例如，當(dāng)前南方電網(wǎng)中推行的調(diào)峰輔助服務(wù)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)，如圖4，基于“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”協(xié)同規(guī)劃的理念支持系統(tǒng)基于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建立技術(shù)支持的系統(tǒng)統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰需求管理、市場(chǎng)申報(bào)、日前出清、日內(nèi)出清、市場(chǎng)結(jié)算等功能，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰系統(tǒng)與節(jié)調(diào)系統(tǒng)與OCS 系統(tǒng)的互聯(lián)。這種系統(tǒng)架構(gòu)的推行節(jié)省了電力企業(yè)日常生產(chǎn)的管理成本，通過(guò)電子技術(shù)的支持為我國(guó)電力企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供幫助。

圖4 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jìn)一步完善和發(fā)展。