新型電力系統(tǒng)的建設發(fā)展展望

相關會議指出，要深化電力體制改革，加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)，更好推動能源生產(chǎn)和消費革命，保障國家能源安全。會議強調(diào)，要科學合理設計新型電力系統(tǒng)建設路徑，在新能源安全可靠替代的基礎上，有計劃分步驟逐步降低傳統(tǒng)能源比重。要健全適應新型電力系統(tǒng)的體制機制，推動加強電力技術創(chuàng)新、市場機制創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新。要推動有效市場同有為政府更好結(jié)合，不斷完善政策體系，做好電力基本公共服務供給。本文擬對新型電力系統(tǒng)的建設發(fā)展進行探討和展望。

科學合理設計新型電力系統(tǒng)建設路徑

在能源清潔低碳轉(zhuǎn)型進程中，風電、光伏發(fā)電等新能源大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)運行與控制帶來重大挑戰(zhàn)。新能源的隨機性、間歇性、波動性使電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行中的功率平衡問題呈現(xiàn)概率化，在一定程度上降低了供電可靠性，并且傳統(tǒng)電力系統(tǒng)單一的“源隨荷動”（即根據(jù)負荷變動情況調(diào)節(jié)發(fā)電功率）模式將轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸春苫印钡挠押没幽Ｊ健?/p>

電力系統(tǒng)受擾后的穩(wěn)定特性由傳統(tǒng)機電模式主導向機電—電磁多模式耦合交互影響演化，系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制問題受到廣泛關注。電源側(cè)低慣性和低短路比特征突出，安全穩(wěn)定支撐能力不斷被削弱；負荷側(cè)動態(tài)特性越來越復雜；電網(wǎng)側(cè)交直流、多直流間耦合更加緊密。

近年來，國外發(fā)生了幾起電網(wǎng)設備故障誘發(fā)的大停電事故，引起熱烈討論。2016年9月28日，澳大利亞南澳電網(wǎng)發(fā)生了歷時50h的全州大停電事故。2019年8月9日英國發(fā)生的大面積停電事故約有100萬人受到停電影響。2021年2月15日~19日美國得克薩斯州發(fā)生大停電事故，最多影響人口達450萬人，得州電網(wǎng)進入三級緊急狀態(tài)，切負荷2000萬kW，實時市場價格超過9000美元/(MW·h)。

由此可見，為確保電力安全可靠供應，在相當長一段時間內(nèi)，傳統(tǒng)能源依然需要起到支撐性、調(diào)節(jié)性電源的作用。能源轉(zhuǎn)型不可能一蹴而就，只能有計劃分步驟逐步降低傳統(tǒng)能源比重。

健全適應新型電力系統(tǒng)的體制機制

在“雙碳”目標下，隨著高比例間歇式可再生能源的接入，需健全適應新型電力系統(tǒng)的體制機制。在傳統(tǒng)的基于實時電價理論的電力批發(fā)市場設計中，由于光伏、風電近零邊際成本的特點，使得市場出清價格降低，甚至出現(xiàn)負值，將傳統(tǒng)火電、核電在以邊際成本為準的競價交易中擠出，因此火電、核電難以生存，導致電源結(jié)構(gòu)失衡，并降低電力系統(tǒng)的安全性和靈活性。而同時，光伏和風電的隨機性、間歇性、波動性，給電力系統(tǒng)的運行和控制帶來重大挑戰(zhàn)，對于系統(tǒng)靈活性的需求急劇增加，需要為靈活性資源提供足夠的經(jīng)濟激勵。

在“雙碳”目標下，設計正確體現(xiàn)不同品質(zhì)電能價值的新市場機制十分關鍵。在新型電力系統(tǒng)中，作為“源荷互動”運行模式的立腳點，柔性負荷、虛擬電廠等新技術和商業(yè)模式受到了廣泛關注。

柔性負荷包含具備需求韌性的可調(diào)節(jié)負荷或可轉(zhuǎn)移負荷、具備雙向調(diào)節(jié)能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分布式電源、微電網(wǎng)等，其用電行為可對價格信號作出靈活響應，是電力系統(tǒng)靈活性的重要來源。在供電無法滿足用電需求增長的大城市，柔性負荷的削峰填谷作用還可對保障電網(wǎng)的安全運行起到關鍵作用。隨著電力市場改革的推進，柔性負荷和虛擬電廠參與電力現(xiàn)貨市場和輔助服務市場的條件逐步具備，商業(yè)模式逐漸形成。

推動有效市場同有為政府更好結(jié)合

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性是一體兩面，而經(jīng)濟性建立在安全性的基礎上，離開了安全性，電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性就無從談起。長期以來，我國電力系統(tǒng)堅持安全第一，對經(jīng)濟性則重視不夠，電網(wǎng)運行保留了很高的安全裕度，還有為了安全過度投資的現(xiàn)象。電力市場改革體現(xiàn)了中共中央、國務院對電力系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性的高度重視，為我國電力工業(yè)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁，也帶來前所未有的機遇。

在電力市場設計、運營和監(jiān)管中，仍需時時將電力系統(tǒng)安全性作為考慮的前提。在電力市場中的非商業(yè)性環(huán)節(jié)，應充分重視計劃方式（包括政府干預和電網(wǎng)的計劃管理）的作用，讓計劃這只“看得見的手”和市場這只“看不見的手”分工協(xié)作，取長補短，充分發(fā)揮我國電力行業(yè)公有制為主體和社會主義市場經(jīng)濟體制的優(yōu)越性。

具體來說，在安全性占主導的場合、自然壟斷和公共服務環(huán)節(jié)，適合引入計劃管理；在經(jīng)濟性占主導（效率優(yōu)先）的場合，則適合采用市場調(diào)節(jié)；有些環(huán)節(jié)處于兩者之間，則應依具體情況而定。有效市場和有為政府應明確各自的合理邊界。只有讓政府管理做好公共服務、確保電網(wǎng)安全，才能讓市場交易更加自由和流暢，在資源配置中真正起決定性作用。

建設分層集群的新型電力系統(tǒng)

電力與能源的生產(chǎn)、傳輸、消費往往需要通過各種類型的網(wǎng)絡來進行，如電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃氣網(wǎng)等。由于本質(zhì)上這些網(wǎng)絡傳遞的都是能量，只是表現(xiàn)形式不同，所以統(tǒng)稱為能量網(wǎng)絡。能量網(wǎng)絡包含不同類型能源的子網(wǎng)（電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃氣網(wǎng)等），而各種子網(wǎng)之間又通過能量轉(zhuǎn)換設備（比如發(fā)電機、泵、空調(diào)和熱水器等）相連。

由于信息通信技術（information communication technology，ICT）的飛速發(fā)展，在物理層面的能量網(wǎng)絡的基礎上，又可建立基于傳統(tǒng)自動化、互聯(lián)網(wǎng)技術和“云大物移智鏈”等新興技術的信息網(wǎng)絡，以對能源生產(chǎn)、儲運和利用設備進行調(diào)控。而電力與能源商品在實際運行的交易及價值傳遞則形成價值網(wǎng)絡。價值網(wǎng)絡是電力與能源價格體系的基礎，并且受能量網(wǎng)絡的物理規(guī)律制約。因此，新型能源體系與新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出“能量—信息—價值”三層網(wǎng)絡架構(gòu)的形態(tài)，這三層網(wǎng)絡是緊密耦合、相互關聯(lián)的。

在新型電力系統(tǒng)中，風、光等可再生清潔能源將處處存在，意味著電源將遍布于整個電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化。天津大學余貽鑫院士等提出分層分群電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，即“將系統(tǒng)分解為群集（clusters）的層次結(jié)構(gòu)和全局協(xié)調(diào)”和“每個集群（cluster）都保持自己的凈功率平衡和局部自優(yōu)化”。為清晰起見，本文將具有這種結(jié)構(gòu)特征的電力系統(tǒng)稱為“分層集群的新型電力系統(tǒng)”，并進一步探討其運行與控制問題。

分層集群的新型電力系統(tǒng)也呈現(xiàn)出“能量—信息—價值”三層網(wǎng)絡架構(gòu)并與其他能源系統(tǒng)緊密相連。分層集群的新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃與運行問題可以分為物理機理（“能量網(wǎng)絡”層面）、運行控制（“信息網(wǎng)絡”層面）和市場交易（“價值網(wǎng)絡”層面）三個層面的問題，是典型的多學科交叉問題，需要通過多學科、多行業(yè)的聯(lián)合攻關來解決。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，大容量發(fā)電機組往往建在一次能源資源富集的地區(qū)，并通過超/特高壓遠距離輸電技術輸送到負荷中心。而從傳統(tǒng)電網(wǎng)至未來新型電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程，根據(jù)國家“雙碳”目標和保障能源安全的要求，傳統(tǒng)能源的逐步退出必須在新能源安全可靠替代的基礎上，隨著低碳、無碳能源與負荷的滲透率的逐步提升，電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型將是一個先立后破的過程。

在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中，電力企業(yè)與其他市場主體將逐步提升分布式電源在電力系統(tǒng)，尤其是在用戶側(cè)與配電網(wǎng)的利用率,發(fā)展分布式智能電網(wǎng)。這意味著配電網(wǎng)的形態(tài)和功能將會發(fā)生重大變化，特別是分布式電源、電動汽車、儲能、柔性負荷等將大量接入。

以光伏發(fā)電為例，我國光伏裝機總量呈逐年快速遞增的趨勢。從2016年至今，新增和累計裝機容量均為全球第一。為使在廣大沙漠、荒漠、工礦廢棄地、農(nóng)村地區(qū)發(fā)展的光伏生態(tài)、農(nóng)光互補皆能實現(xiàn)穩(wěn)定供能，應提高其靈活性與便利性，大幅降低對現(xiàn)有發(fā)電與輸配電設備規(guī)劃與運行的影響。
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