在中國電力科學研究院有限公司日前舉辦的新型電力系統學術研討會上，中國工程院院士郭劍波發表研究觀點，并分析碳達峰、碳中和目標下新型電力系統的特征，提出相關建議。
2021年3月15日，習近平總書記在中央財經委第九次會議上提出構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。這一重大部署在業內引發了廣泛思考，對我國能源電力轉型發展具有重要的指導意義。
實現“雙碳”目標、構建新型電力系統是極具前瞻性、開創性的戰略挑戰和系統工程，將對電力系統運行調控機制、政策法規機制、電價市場機制及技術研發與創新等方面提出若干挑戰，亟須凝聚行業內外各方力量，針對基礎理論機制和重大核心技術開展系統性的深入研究，統籌好發展與安全、存量與增量、短期與中長期、源網荷儲各環節的關系，明確路徑、形成合力、統籌推進，以新型電力系統的建設推進能源電力行業又一次根本性變革。
對于新型電力系統的幾個認識
一是關于新能源的定義。新能源相關技術已經發展得較為成熟，但其定義一直不斷變化與更新。綜合國內外關于新能源定義的有關描述，新能源的基本定義是相對于傳統能源而言，在新技術基礎上加以開發利用的能源。對于現今的電力行業來說，光伏發電、風電是當前全球技術經濟最成熟、發展最快、規模效應最大的兩種發電類型，是可預期的新能源主要增量來源，因此后文中新能源特指風、光新能源。
二是對于以新能源為主體的認識。在新型電力系統的建設發展過程中，新能源將逐步占據電量主體、出力主體和責任主體的地位。新能源主體地位的第一性應表現為電量主體，新能源電量的多少直接關系碳減排量的多少，“雙碳”目標也對新能源電量和占比提出了明確要求。新能源電量的主體性，是新型電力系統的最終目標和主驅動力。新能源也將逐漸表現為出力主體。據估測，2060年，新能源機組出力占系統總負荷大于50%的累計時段可達全年時長的46%，表明全年近一半時間的新能源機組出力可占主體地位。新能源必須成為支撐新型電力系統的責任主體。新能源作為主體電源，必須具備自主支撐電網電壓和頻率的能力。目前在不具備這些能力的情況下，部分國家對新能源機組出力占比進行了限制。
新能源發電量占據主體地位、新能源機組承擔支撐系統運行的主體責任是新型電力系統建成的兩個重要標志。
對新型電力系統幾個關鍵問題的分析
一是關于源，特別是新能源。要明確電的二重屬性，即從社會管理者和用戶的角度看，表現為商品屬性；從專業監管者的角度看，表現為安全屬性。綠色是商品屬性，價格應該由市場來決定。要明確新能源“到戶”利用的綜合成本，雖然新能源發電設備的單位容量成本不斷下降，但大電網和兜底電源的成本和投資并不會因新能源增加而明顯減少，總體來看綜合總成本呈增加趨勢，將呈現環境-安全-經濟矛盾三角形態，需要在運行調控機制、電價市場機制、政策法規機制方面進行創新，通過構建新型電力系統加以協調解決。要明確新能源利用率和發電量占比之間的關系，“雙碳”目標下，新能源電量滲透率與利用率之間相互制約，以新能源利用率為目標的消納模式亟須轉變。新能源高滲透率和高利用率不可兼得，合理利用率隨滲透率的增加而降低。為達到滲透率目標，應適當降低利用率，以保障系統運行的經濟性。
二是關于網，也就是電力系統。要明確大電網仍然是必需的，具體表現在中東部的分布式新能源資源總量不足以支撐當地負荷需求，而西部、北部的富集新能源仍需要跨區外送，需要通過大電網、大平臺才能實現高比例新能源的消納，依托大電網才能保障能源電力供應的安全。要明確新型電力系統仍是以交流同步機制為主。根據生產模擬測算，基準場景下2030年同步機組的出力占總負荷之比大于50%、80%的累計時段將達全年時長的100%和約61%；2060年同步機組出力占總負荷之比大于40%、50%的累計時段仍達全年時長的84%和53%。基于測算結果，在新型電力系統構建過程中，同步機組在相當一段時期承擔組網作用，風、光等新能源機組鎖相同步控制較為成熟，因此新型電力系統的基本運行機制仍是以交流同步運行機制為主。
三是關于儲能、新能源汽車等新要素。儲能在新型電力系統的電力電量平衡中起到重要的靈活調節作用，支撐供需雙側動態匹配，促進新能源有效利用；應該覆蓋發輸變配用全環節，參與規劃、生產、運行、輔助服務等全過程，承擔能源樞紐站緩沖節點作用；引導海量電動汽車有序充放電，挖掘可中斷、可調節的多源負荷資源，有效增加系統靈活調節能力。
關于電力系統對碳中和貢獻度的幾個判斷
一是滿足終端用電負荷增長需求，通過電能替代幫助其他行業轉移碳排放。與2020年相比， 2025年新增電量中有6000億千瓦時來源于電能替代，可減少其他行業二氧化碳排放2.9億噸，占其碳減排任務的4.6%。與2025年相比，2030年新增電量中有5500億千瓦時來源于電能替代，減少其他行業二氧化碳排放2.6億噸，占其碳減排任務的4.1%。
二是服務源端高比例風、光等非化石能源發電的接入和送出，支撐源端的清潔替代減排。根據預測，2030、2060年風光新能源裝機規模將分別達到12億～17億千瓦和50億千瓦，裝機占比分別提高到33%～41%和63%。以2020年為基準，2030年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排16.6億～22.3億噸；2060年由于支撐源端新增非化石能源電量，替代化石能源電量等效碳減排86.8億噸。
三是電力行業能源燃燒碳排放持續下降，助力碳減排目標實現。2030年后，能源燃燒碳排放加速下降，2060年降至10億噸左右，考慮土地利用及土地利用變化（LULUCF）后全行業溫室氣體基本實現近零排放，能夠實現碳中和目標。各情景下遠期排放水平和結構趨于一致。其中，碳排放源方面，能源燃燒二氧化碳排放、工業過程和其他溫室氣體排放持續下降，2060年分別下降至10億噸左右和10億噸以下，發電碳排放約5億噸。
四是電力行業碳吸收能力持續加強，支撐全社會整體碳中和目標實現。碳匯凈增量逐年增加，2060年LULUCF等預計吸收量達到15億～20億噸，碳捕集利用和封存（CCUS）累計吸收6億噸，全社會整體實現溫室氣體負排放。分領域看，發電和工業領域幾乎實現近零排放，建筑、交通、工業過程和其他溫室氣體排放則較多依賴碳匯實現碳中和目標。
“雙碳”目標下新型電力系統的幾個特征
一是表現為變流器與同步機混合發電系統。新型電力系統中，風、光等通過變流器并網接入的新能源電源將成為電量供應主體；水電、核電作為重要的非化石能源發電組成，煤電、氣電配合CCUS實現近零排放，起到保供和調節作用。可見，傳統同步電源仍將占有一定比例，新型電力系統將是一個變流器電源和傳統同步電源混合發電的電力系統。即使在新能源出力大于傳統同步電源的發電場景，仍然存在頻率、電壓、功角以及寬頻振蕩等安全穩定問題。需要加強對系統認知和基礎理論研究，加強標準體系建設，在設備研制和系統規劃設計階段考慮并網控制及系統支撐需求，提前布局。
二是表現為綜合能源系統。電力在未來能源結構中占比不斷提高、能源支柱定位不斷加強，將形成以電網為樞紐平臺的綜合能源系統。電、熱、冷、氣等能源深度耦合，在工業、交通、建筑等領域實施電能替代，將實現多類型能源轉化與互補，以及多種儲能設備、用能負荷乃至于多系統間的協調配合，以提高能源系統的安全性、靈活性和綜合利用效率。
但受制于電能無法大規模儲存的特性，以及風、光一次能源的不確定性，電力系統面臨長時間尺度上的平衡難題，存在能源供給安全風險。需要綜合利用氫能、低碳利用的化石能源等多種供給形式，宜電則電、宜熱則熱、宜氣則氣，選擇適宜的能源利用形式。
三是表現為彈性系統。電力是未來其他行業的基礎能源，電力安全將成為能源安全的重要內涵和重要保障，電力系統將肩負更加重大的政治責任、經濟責任和社會責任。電力系統必須建設成為具有一定恢復能力的彈性系統，即具有對極端事件的預防、抵御、響應以及快速恢復供電的能力。
但能源轉型下電力系統的不確定性、開放性、復雜性增加，所要應對的極端事件增多，運行風險增大。需要建立風險管控機制，建立電力系統與社會系統、電力行業與其他行業的協防、協控機制；界定電力的安全屬性和商品屬性，加強構建“生命線工程”。
四是表現出信息物理社會系統（CPSS）特性。電力系統的網絡化和信息化使信息系統和物理系統進一步融合，綜合能源系統的開放性與多元化使其與人類社會活動和外部環境交織耦合，呈現出CPSS特性。
但受人類社會行為影響，其具有多利益主體關聯、多環節/多過程耦合、多目標/多約束制衡等復雜因素；依靠信息和網絡實現源、網、荷、儲互動，網絡終端多樣、業務開放廣泛、信息內容海量、網絡暴露面廣，信息和網絡安全難度大。需要加強基礎理論體系研究，完善仿真和分析手段，加強社會行為科學及其與能源電力系統相互作用研究，提升信息安全、網絡安全。
五是呈現為復雜巨系統。新能源發電空間分布廣、單體數量大、運行特性復雜。目前，國家電網經營區大型新能源場站超4000個、低壓接入的分布式發電系統約170萬個。其中，西北新能源場站超1500個，安控系統規模大、策略復雜，220千伏及以上安控裝置達到1152套，單個場站安控策略定值超1000個。未來，全國集中式和分布式新能源發電單元將達數千萬個，信號數量可達數十億，以新能源為主體的新型電力系統是一個多時空尺度、多層級、多系統耦合的復雜巨系統。
但系統調度運行極其復雜，控制措施配置和實施難度極大，需要對系統進行結構化和規則化處理，通過分層分區、各種儲能、電力市場等技術，解決不確定性出力與負荷間的時空不匹配問題，通過“大云物移智”等技術實現系統的可觀、可知、可控。
對構建新型電力系統的相關建議
一是要解決好安全問題。在碳達峰、碳中和目標下，隨著生產和消費側電能占比的提高，電力作為基礎能源的作用和地位愈加重要，而電力生產又以強不確定性的風光為主，各時空尺度的能源安全（主要體現在電力）挑戰巨大，從毫秒級的設備安全、秒/分的運行控制安全、小時/天調度安全、周/年的供給安全，以及物理、功能、跨行業和社會等廣義空間尺度的安全。需要從全社會的視角審視電力安全問題，需要通過創新解決電力安全問題。
二是要多行業、多主體統籌推進。電力安全是一復雜的系統工程，需要各級政府、各行各業協同，通過政策、法規和體制機制創新，業態、市場和電價機制創新，以及技術創新共同解決。
三是要明確階段，分步實施。從能源電力系統的發展來看，近期是能源轉型期，任務是市場、法規、技術的研發；中期是新型電力系統形成期，完善政策法規和市場電價機制，解決新型電力系統構建和安全運行問題；遠期是新一代能源系統形成期，解決能源近零排放和能源電力安全問題，全面建成以新能源為主體的新型電力系統。
