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隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，中國已成為世界上新能源發(fā)展最快、裝機(jī)容量最大的國家。截至2021年年底，我國風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量均超過3億千瓦，約占總裝機(jī)容量的27%；新能源已成為我國第二大電源，在部分地區(qū)甚至成為第一大電源。

新能源發(fā)電的不確定性、波動(dòng)性，給電力電量時(shí)空分布不均衡帶來充裕性挑戰(zhàn)；而新能源發(fā)電設(shè)備的低抗擾性、弱支撐性，給大規(guī)模替代常規(guī)機(jī)組帶來安全性挑戰(zhàn)；新能源發(fā)電設(shè)備的低邊際運(yùn)行成本、高系統(tǒng)運(yùn)行成本，對(duì)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源和系統(tǒng)安全穩(wěn)定支撐能力都提出了更高的要求，也給經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制帶來挑戰(zhàn)。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，需合力化解安全—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境的“矛盾三角形”。

發(fā)展新能源的代價(jià)不能是降低安全性。以“矛盾三角形”為切入點(diǎn)，用系統(tǒng)整體思維認(rèn)識(shí)和規(guī)劃設(shè)計(jì)新型電力系統(tǒng)，統(tǒng)籌政策法規(guī)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、行業(yè)協(xié)同，有助于在協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展。

2022能源電力轉(zhuǎn)型國際論壇之能源低碳轉(zhuǎn)型與能源安全平行高端論壇12月9日上午在北京舉行。中國工程院院士郭劍波發(fā)表主旨演講。王偉 / 攝

新認(rèn)知：需結(jié)合新特性發(fā)力

新型電力系統(tǒng)是一個(gè)多時(shí)空尺度、多層級(jí)、多行業(yè)、多能源耦合的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，也是一個(gè)具有靈活、彈性、智慧特性的社會(huì)信息物理系統(tǒng)。在擾動(dòng)不斷增強(qiáng)的情況下確保電力可靠供應(yīng)是新型電力系統(tǒng)的核心技術(shù)問題。對(duì)于新型電力系統(tǒng)的認(rèn)知，要結(jié)合其新的功能定位、供需特性、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、市場(chǎng)機(jī)制、政策法律和關(guān)鍵技術(shù)。

基于新的功能定位，新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要舉措。隨著其他行業(yè)將“電力化”作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，新型電力系統(tǒng)與其他行業(yè)、多種能源耦合增強(qiáng)，安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境矛盾愈加突出，需要全社會(huì)各參與方協(xié)同有序構(gòu)建。反之，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建又要適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)性、平臺(tái)性系統(tǒng)的需求，對(duì)相關(guān)政策法規(guī)、體制機(jī)制、科技創(chuàng)新、數(shù)字化提出新要求。

基于新的供需特性，新能源電力具有強(qiáng)不確定性和低保障性。據(jù)預(yù)測(cè)，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷的比例為5%~61%，2060年為16%~142%。峰荷增速快于電量增速，“極熱無風(fēng)”“晚峰無光”以及極端天氣下負(fù)荷與新能源出力的負(fù)相關(guān)性等特征明顯。新能源長(zhǎng)時(shí)間、低出力帶來保供應(yīng)挑戰(zhàn)，長(zhǎng)時(shí)間、高出力則帶來系統(tǒng)消納、安全和能源轉(zhuǎn)儲(chǔ)利用挑戰(zhàn)，因此，新能源各時(shí)間尺度波動(dòng)需要系統(tǒng)匹配相應(yīng)時(shí)間尺度的靈活調(diào)節(jié)能力，如考慮暫態(tài)過電壓的限制，波動(dòng)將從毫秒級(jí)延伸到季度和年的時(shí)間跨度。新型電力系統(tǒng)新的供需特性需能源系統(tǒng)甚至社會(huì)系統(tǒng)（用電行為、負(fù)荷響應(yīng)等）協(xié)同。

基于新的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，新型電力系統(tǒng)建立在新型產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，物質(zhì)基礎(chǔ)、技術(shù)體系和瓶頸環(huán)節(jié)都將發(fā)生變化。國際能源署（IEA）的報(bào)告指出，陸上風(fēng)電場(chǎng)所需礦產(chǎn)資源是類似燃?xì)獍l(fā)電廠的9倍，2040年鋰、鈷、鎳年消耗量分別增至2020年水平的42、21、19倍。我國鋁、鋰、銅、鐵、鎳對(duì)外依存度分別為60%、70%、80%、80%、90%左右，關(guān)鍵礦產(chǎn)資源等產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)安全成為能源供應(yīng)安全新的組成部分，需要加強(qiáng)戰(zhàn)略規(guī)劃、政策支持、礦產(chǎn)探采技術(shù)創(chuàng)新等，完善礦產(chǎn)資源供給保障體系，保證產(chǎn)業(yè)鏈安全的多元化和安全性。

基于新的結(jié)構(gòu)形態(tài)，新型電力系統(tǒng)是一個(gè)多能源、多行業(yè)、多區(qū)域、多層次耦合的信息物理社會(huì)系統(tǒng)（CPSS），研究對(duì)象從電氣物理系統(tǒng)拓展到信息物理社會(huì)系統(tǒng)。從電源形態(tài)看，常規(guī)電源占比和利用小時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，清潔和靈活發(fā)電技術(shù)、政策法規(guī)和市場(chǎng)機(jī)制對(duì)電源構(gòu)成和系統(tǒng)形態(tài)將起決定性作用；從電網(wǎng)形態(tài)看，呈現(xiàn)交/直流混聯(lián)、大/微電網(wǎng)共存、交流同步機(jī)制為主的多層級(jí)多元電網(wǎng)形態(tài)和多種運(yùn)行機(jī)制；從負(fù)荷形態(tài)看，增長(zhǎng)空間大、峰谷差加大、反調(diào)節(jié)性強(qiáng)，又具有可交易、可聚合、可塑性和可控性；從儲(chǔ)能技術(shù)看，需求大、增長(zhǎng)快、種類雜、功用多，大規(guī)模應(yīng)用需實(shí)現(xiàn)安全性提升、成本下降、價(jià)值兌現(xiàn)。

基于新的市場(chǎng)機(jī)制，需要完善以電量交易為主、價(jià)格主導(dǎo)的市場(chǎng)形式。電力市場(chǎng)建立在可靠安全的電力供應(yīng)基礎(chǔ)上。新能源高占比場(chǎng)景中，電力電量總量充盈與時(shí)空不平衡的矛盾突出，將呈現(xiàn)豐饒和短缺交織、多功用價(jià)值兌現(xiàn)的新市場(chǎng)形態(tài)。需要建立健全體現(xiàn)供需格局和系統(tǒng)特征的市場(chǎng)機(jī)制和多層級(jí)多種類統(tǒng)一市場(chǎng)體系，合理傳導(dǎo)新能源導(dǎo)致的系統(tǒng)成本和支撐能力增加。調(diào)動(dòng)多利益主體共同參與輔助服務(wù)等多層級(jí)市場(chǎng)，通過保障、激勵(lì)機(jī)制及監(jiān)管機(jī)制，穩(wěn)定投資者預(yù)期，確?？沙掷m(xù)的電力供應(yīng)。電力市場(chǎng)改革過去關(guān)注的是市場(chǎng)主體的改革，下一步要更加關(guān)注市場(chǎng)客體和市場(chǎng)規(guī)則的改革。

基于新的政策法規(guī)，建立適用新型電力系統(tǒng)的政策規(guī)范引導(dǎo)新能源健康發(fā)展十分必要?！吨腥A人民共和國電力法》（1996年）是在新能源發(fā)展初期制定的，而新能源的不確定性、高系統(tǒng)成本及相關(guān)的礦產(chǎn)開發(fā)、退役回收等給能源電力的安全、經(jīng)濟(jì)、清潔供應(yīng)帶來新的挑戰(zhàn)，需要明確的方面很多，比如規(guī)劃制訂的法律地位和責(zé)任關(guān)系、電力監(jiān)管的重點(diǎn)和方式、電力商品和安全雙重屬性的統(tǒng)籌等。同時(shí)需要注意不同政策法規(guī)之間的銜接和協(xié)同，以及與市場(chǎng)機(jī)制、供需關(guān)系等的協(xié)同。

基于新的關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)創(chuàng)新是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐。“雙碳”背景下，電力系統(tǒng)規(guī)劃分析、電網(wǎng)運(yùn)行控制、電力市場(chǎng)建設(shè)及碳捕集利用與封存（CCUS）、氫能乃至可控核聚變等技術(shù)，需要加大基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)攻關(guān)、裝備研發(fā)、示范工程和創(chuàng)新體系建設(shè)。相關(guān)建設(shè)會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)構(gòu)建成本，需要體制機(jī)制、商業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的系統(tǒng)性創(chuàng)新，需要多行業(yè)協(xié)同推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)高效落地應(yīng)用及系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

新思路：科學(xué)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)平衡

如果孤立和靜態(tài)地看，能源“矛盾三角形”難以實(shí)現(xiàn)完全破解。伴隨新能源發(fā)電比例不斷提高，新能源接入帶來發(fā)電側(cè)的間歇性、波動(dòng)性；直流輸電增加了系統(tǒng)的“剛性”，交直流混聯(lián)增加了復(fù)雜性；電動(dòng)車等接入帶來不確定性，峰谷差加劇。對(duì)于新型電力系統(tǒng)而言，能力與規(guī)模不匹配、特性與需求不匹配，該如何保持平衡?

新的思路是，只能根據(jù)不同能源場(chǎng)景，利用科學(xué)系統(tǒng)觀，動(dòng)態(tài)平衡應(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)和問題，將系統(tǒng)作為一個(gè)整體，保證要素之間關(guān)聯(lián)耦合，保持系統(tǒng)開放和動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

實(shí)際上，安全—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境“矛盾三角形”是能源電力轉(zhuǎn)型面臨的長(zhǎng)期矛盾；三者都是政策、技術(shù)和能源結(jié)構(gòu)相關(guān)性指標(biāo)，應(yīng)采用系統(tǒng)觀認(rèn)識(shí)能源電力轉(zhuǎn)型，用整體性原則統(tǒng)籌布局、用動(dòng)態(tài)性原則有序推進(jìn)，通過政策完善、技術(shù)進(jìn)步、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整化解不斷轉(zhuǎn)化的主要矛盾，在安全—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展。


針對(duì)新能源電力電量時(shí)空平衡的問題，須從增供和減需兩個(gè)方面著手，實(shí)現(xiàn)合理水平下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。站在“矛盾三角形”的安全角度，結(jié)合我國的資源分布情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r考慮，跨大區(qū)的新能源輸送是必要的，也是很困難的，應(yīng)堅(jiān)持集中與分布開發(fā)相結(jié)合。隨著我國新能源發(fā)電比例越來越高、增長(zhǎng)加快，2030年左右可能會(huì)出現(xiàn)“棄風(fēng)棄光”和供電緊張同時(shí)存在的局面，需同時(shí)考慮增加系統(tǒng)靈活性和需求側(cè)管理措施。為了增加系統(tǒng)靈活性，用存量火電來改造是成本最低的，但存量火電靈活性改造成本傳導(dǎo)機(jī)制還急需加強(qiáng)研究。提高新能源利用率，需要在負(fù)荷特性上預(yù)備一些智能化程度高和固定成本低的負(fù)荷來應(yīng)對(duì)。

針對(duì)新能源發(fā)電出力波動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、分布廣、隨機(jī)性高的問題，要采用“填”低谷、“儲(chǔ)”高峰的應(yīng)對(duì)方式。例如，新疆連續(xù)8天風(fēng)電低出力，給保供帶來了極大壓力；2021年，我國東北各地出現(xiàn)了供電缺口，也是風(fēng)電長(zhǎng)時(shí)間低出力造成的。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2060年，我國火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)占比雖然只有20%左右，但其電量占比依舊達(dá)到約40%。在以“散、小、軟、低、動(dòng)”新能源為主的一次能源基礎(chǔ)上生產(chǎn)出穩(wěn)定、高密度、高集中、高可靠的電力，是需要大量的傳統(tǒng)機(jī)組和儲(chǔ)能等作為支撐的。所以，在新能源低谷時(shí)段，須使用多種手段實(shí)現(xiàn)功率平衡，合理利用常規(guī)能源裝機(jī)確保“兜底負(fù)荷”。對(duì)于高峰時(shí)段存在的電力消納問題，業(yè)界提出用儲(chǔ)能來穩(wěn)定輸出，但長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)還處在突破的瓶頸期，儲(chǔ)能作用還未發(fā)揮充分，須加大攻關(guān)力度進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)壽命、長(zhǎng)周期、高安全、易回收的儲(chǔ)能。

總之，新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，是支撐能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是一個(gè)用新政策法規(guī)、新體制機(jī)制、新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、新產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)構(gòu)建的多系統(tǒng)交互、多能源耦合的新型能源體系的重要組成部分，是一個(gè)各利益主體都能和諧健康生長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃不局限于電網(wǎng)或者電力系統(tǒng)。加大、加快相關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究是必要的，但更應(yīng)該從全社會(huì)、多行業(yè)、高層次的廣闊角度，從一個(gè)大的能源體系來考慮，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。因此，新型電力系統(tǒng)要從不同層面、角度、維度和尺度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)——不僅是物理結(jié)構(gòu)，還包括技術(shù)體系、政策法規(guī)、電價(jià)市場(chǎng)等。

需要強(qiáng)調(diào)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)化和突出關(guān)鍵要素的耦合關(guān)系，用結(jié)構(gòu)化和規(guī)則化分散化解矛盾，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和抗擊風(fēng)險(xiǎn)的能力。

（作者系中國工程院院士、中國電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)、國家電網(wǎng)有限公司一級(jí)顧問）

原標(biāo)題： 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，合力化解“矛盾三角形”