雙碳目標下新型電力系統發展路徑

儲麗麗

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 雙碳目標分析

我國對能源結構體系改革有著十分緊迫的要求，需要降低二氧化碳排放并在2060年實現碳中和，為了減少碳排放，實現對能源接結構體系的優化，需要在電力系統中大力發展可再生資源、提升電能終端消費比例，最終實現高碳電力系統向低碳電力系統的轉變。在雙碳目標下，需要從整體上優化能源的布局方式，建立以新能源為主體的電力系統，建立綠色低碳、高效節能的能源體系。

2 雙碳目標下新型電力系統建設的挑戰分析

2.1 新能源接入比例更高

風電、光伏能源都屬于波動新能源，由于電能生產具有隨機性和間歇性，導致很難參與到電網的電力平衡中。比例增加之后還會導致電網出現更嚴重的隨機波動，增加電網調頻工作的負擔。并且，高比例的新能源接入到系統中后，會取代常規機組，將會造成電網的調節能力被進一步削弱，將會給電網的穩定運行帶來更為嚴重的挑戰[1]。比如風力發電機組容易由于嚴重的自然災害停機，從而導致嚴重經濟損失，甚至造成人員傷亡。因此，在新能源接入比例增加之后，電力安全受到了更為巨大的挑戰。

2.2 電網深度電力電子化

由于新能源的大量使用，集中式、分布式的項目系統投入運營，因此電網中需要使用大量的變流裝備，以滿足持續進行新能源的推廣，以及電力系統對電力的使用要求[2]。比如電力系統的動態特性相比過去已經出現了明顯變化，由于電磁寬頻震蕩問題會嚴重威脅電力系統內部的安全性和穩定性，電力系統的控制設備必須采取更為有效的技術應對全新的安全威脅。

2.3 資源不平衡問題

我國的新能源資源豐富地區集中在西部，而工業生產、人口密集區域集中在中東部，導致我國的能源分布存在十分嚴重的不平衡問題，新能源基地遠離能源負荷中心，很難將電能就地消納，嚴重制約了新能源技術的發展。所以一些西部地區電網曾經出現過大面積放棄風能、光能的情況。為了解決資源不平衡的問題，還需要加強電力系統互聯網化建設和智能化建設等創新工作，優化資源配置水平，有效解決大規模新能源并網的消納需求。

2.4 電力技術和電力能源之間的深度融合

由于新型電力系統存在穩定性的問題，因此需要提升電力系統的數據挖掘能力和信息防范能力[3]。隨著信息通信技術和電力能源技術的結合，能夠推動電力系統實現更為全面的物理整合，提升電力系統的感知能力，強化對電力系統的管理。需要建立更為完善的感知、采集、儲存、管理系統，并做好及時分析工作，挖掘存在的管理問題，快速開展管理工作。

3 新型電力系統規劃關鍵技術

3.1 源—荷精細化預測

相對于傳統的電力系統，新一代電力系統的運行具有更強的隨機性，尤其是風能、太陽能等新能源，發電量很難受人類控制，因此需要建立可以應對隨機情況的決策模型，方便開展對電力系統的管理和控制工作[4]。風能和太陽能會受到風速、陽光照射強度的影響，因此可以根據光照強度和風速的分布特性，建立能源的隨機出力模型，完成對發電狀況的預測。

預測模型對電源側出力的預測結果會直接影響電力系統規劃的有效性，根據時間尺度預測，可以將預測尺度分為中長期預測、短期預測、超短期預測，其中長時間預測最困難，期預測精度會直接決定其他兩種預測工作的精度，目前對中長期出力預測是研究中最重要的內容。新型能源系統受到可再生能源地理環境、分布情況、氣候狀況、區域布局狀況的影響，所以目前的預測模型建設都會針對多種不同方面的情況進行探索，其中使用統計學方法和智能方法是完成精確中長期預測的最佳途徑。在針對光伏的發電出力預測中，使用了聚類法完成對中長期光伏出力狀況的預測，通過統計長時間的結果擬合光伏發電的曲線，可以滿足光伏發電的預測需求。可以長短記憶網絡為基準建立中長期預測模型，也能進一步建立中長期出力預測模型，通過輸入數據可以完成對歷史圖像的劃分，并進行歷史電量序列的推導，通過綜合不同模型完成預測工作。

在新型電力系統的消費側也會有很多新型負荷參與到電網的調度中，通過將用戶的差異化負荷需求、質能流動用比進行綜合分析，能夠獲得用戶的用電方式變化，以及建立起更為完善的能源設備配置方式[5]。目前針對用戶的用電負荷預測使用了神經網絡、向量機、小波分析等理論，在人工智能理論和實踐應用增加，以及大數據技術被廣泛使用，使用深度學習進行負荷預測被廣泛應用在負荷應用領域，成為對用戶側展開預測的新方式。

3.2 低碳電力市場的機制分析

低碳電力市場以新型電力系統作為最基本的應用場景，其內部的碳交易、電力市場互動機制、運營模式是目前研究的熱點內容。隨著各國對碳排放控制的重視，很多國家都加強了對碳交易市場建設的探索，但是目前還沒有形成系統化的碳市場交易規則，一般都采取免費分配和拍賣兩種方式打包碳配額。我國已經建立了很多碳交易試點，積累了很多碳市場的運行經驗，由于電力市場和碳交易市場之間存在很強的相關性，所以結合兩者的交互關系，通過建立適合我國國情的低碳市場運營機制和運營方式，對改革我國電力系統具有十分重要的意義。

3.3 碳水平的表征和評估

碳核算是進行量化評價電力系統碳水平的重要依據，有利于新型系統低碳評價體系的建設，具有比較廣的適用范圍，可以針對宏觀情況、微觀情況進行預測。常用的方法包括排放因子法、實測法、質量平衡法三種。其中質量平衡法以質量守恒定律為基礎，通過分析生產行為，可以進行碳排放的預測和估算，該方法更適合對宏觀情況的研究，但目前并沒有形成比較統一的分析方法[6]。實測法使用所有收集到的數據進行碳排放量的預測，該方法的短期預測精度很高，但是長期宏觀尺度預測效果很差。

目前，不同的預測方法都存在適用場景的問題，必須綜合電力系統生產、電力輸送、運行、回收等環節進行綜合分析，才能準確對談水平進行預測。為此，應該繼續從全生命周期角度分析電力系統的碳排放行為，加強預測實踐工作。通過綜合系統的運行特性、碳排放量所受到的影響，分析和總結電力系統運行影響的要素，有助于實現新型電力系統技術的科學應用。

評價和分析指標是目前對碳水平進行評估的主要難點，在研究領域內已經有很多人參與了相關的研究工作。通過分析電力系統碳排放的產生機理，分析電力行業碳排放結構的影響，構建電力系統的識別方法，可以滿足表征的需求，還可以專門建立低碳電網的綜合評價指標體系，圍繞電網的規劃、電網運行設備等指標，可以建立更為具有精確性的表征方式。

4 新型電力系統的發展路徑

新能源是我國能源轉型的重要力量，在雙碳目標下，新能源會逐漸轉化為我國的主要能源，還需要合理使用技術，并采取有效措施實現對新型電力系統的建設。

4.1 電源側優化

在雙碳目標下，新能源發展會得到更多支持，為了滿足發展需要，電源側需要具備更高的靈活性，通過加強新能源的儲能控制、多能互補，滿足能源的可靠供應，確保系統的穩定運行。

新能源發電技術方面的發展。新能源發電由于會受到自然條件的影響，因此必須要保證對發電的預測精度，尤其要加強對風電、光電的預測，可以給新能源的使用帶來更好的基礎。加強預測有助于提升發電的可控性，但也需要對電力現貨市場的交易進行精確預測，從而建立性能靈活的電源發電技術，實現能源的多樣化供應，滿足對源網協調能力的要求。可以使用虛擬同步發電機技術，保證對風光發電更強的干涉性能，提升電網對新能源的接納能力，提升系統的穩定性。

儲能技術的使用。由于新能源發電量、發電效率受到自然因素的影響，規律性比較差，所以需要儲能技術將多余的電能儲存起來，在需要用電時投入使用，就能進一步提升新能源提供供電的穩定性。為此，需要加強新能源儲能系統規劃，研究化學儲能、抽水蓄能等方式，促進能源的協調發展，實現新能源的接入和消納。通過大力推廣分布式新能源系統，方便新能源的消納，提升對可再生能源的利用效率。

建立多種可再生能源互補的系統。通過使用風能、光能、水能、氫能等能源，構建不同能源之間具有時間、空間耦合性的能源系統，建立連續性更強的互補網絡，可以實現多元化的能源互補，并建立多種能源協調運行的系統，滿足新能源的應用需求。

建立更為健全的保障機制。通過加強保障機制，能夠推動市場建設的完善，吸引更多企業向新能源系統建設投入。為此，應該建立更為完善的輔助市場，適應新能源等清潔能源的推廣，構建起更為靈活的市場運營機制和保障機制，強化市場中的清潔能源使用力度。

4.2 建立高效率的配置平臺

電網是連接電力生產和消費的樞紐平臺，針對隨機性更強的新能源系統，需要采用全新的配置方式，應對新能源生產存在的波動性、間歇性特點，實現并網消納，發揮電網的橋梁紐帶作用。

優化電網架構。新型電力系統需要電網成為一個結構范圍更大、更為清潔高效的能源配置平臺，所以應加強對特高壓直流輸電、柔性直流輸電等電力工程技術的研究，滿足大跨度的電力輸送需求，有效實現新能源的消納。不同電網區域，應該加強跨區互補的建設，促進區域之間的靈活聯網配置，提升供電網絡的可靠性，以及滿足大范圍能源資源配置的要求。

加強數字化技術的應用。增加數字化技術的應用可以提升電網的感知能力、控制能力以及反應速度，在電力系統中，可以使用的技術包括大數據技術、云計算技術、深度學習技術等，圍繞新型電力系統的控制需求，建立電力系統的控制系統，以提高系統的智慧管理能力，以及針對消費、交易、儲存等問題的決策能力。

4.3 挖掘負荷側資源需求潛力

在雙碳背景下，對能源的消費將會形成全新的模式，負荷的結構也會朝著多元化的方向發展，負荷的變化特性也會更為復雜。需要加強對需求側潛力的挖掘，加強電力系統的雙向互動，建立起全新的電源消納模式，實現系統內的過功能互補，提升能源消費的電氣化水平。

強化對負荷側的管理。通過挖掘用戶側可調節的資源，利用數字化手段可以實現設備的狀態調節，以及完成對所需信息的監測工作，滿足對負荷的控制需求，通過加強對充電樁、分布式電源系統的實時管理，可以繼續對用戶資源進行更深層次的挖掘，并且能夠實現網絡內部資源的聯合互動。為進一步強化對用戶側的控制，也要加入對大數據技術使用，提升對負荷的反應能力。

強化對負荷側電力需求市場相應機制的建設。通過符合聚合商參與實踐的全新盈利模式，可以激勵更多的負荷聚合商參與到市場交易中，實現更有效的能源消納。對于后續涌現出來的全新能源模式，也要繼續探索新業態，建立起更加靈活的市場，滿足運營模式需求，提升需求側的響應力度，實現技術推廣。

5 結束語

新型電力系統的構建具有很高的復雜性，需要大量技術同時使用，確保電力系統的穩定性。為此，應加強電網技術和通信技術、計算機技術的融合，提升電網的感知能力和控制精度，完善在電源側、電網側、負荷側的管理工作，加強對其他輔助市場的構建，為電力系統的轉型創造良好條件，實現雙碳目標。■