“双碳”目标下新型电力系统发展路径研究

张金平，周强，王定美，李津，刘丽娟，张彦琪，王晟

（1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730070；2.甘肃省风光资源野外观测科学研究站，兰州 730070）

0 引言

当前，面对全球气候变化给人类生存和发展带来的严峻挑战，坚持绿色低碳发展、积极应对气候变化已成为各国的共识。2020 年9 月，我国在联合国大会上提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标［1］”。随后在中央财经委第九次会议上，我国再次对碳达峰、碳中和作出重要部署，强调要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，提出构建以新能源为主体的新型电力系统，明确了“双碳”背景下我国能源电力转型发展的方向［2］。

落实“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军。当前我国能源结构中化石能源占比过高，能源利用效率偏低、能耗偏高等问题严重影响了我国能源高质量发展。因此，如何在“双碳”背景下，着力构建绿色低碳、安全高效的能源循环体系，完善绿色低碳市场机制，促进非化石能源快速发展，优化能源结构，加速推动电力行业清洁低碳转型的步伐，提高能源生产和利用效率具有重要意义。

在此背景下，本文结合我国新能源发展现状，分析当前构建以新能源为主体的新型电力系统面临的挑战，从电源侧、电网侧、负荷侧3 方面提出构建新型电力系统的相关技术路径和政策机制建议，助力“双碳”目标实现。

1 我国新能源发展现状

近年来，在能源转型背景下，我国风电及太阳能光伏发电等新能源装机增速高于传统电源，在全国发电总装机容量中的占比也不断提升。“十三五”期间，新能源发电装机年均增长率为32%［3-4］，据国家统计局数据显示，截至2020 年年底，我国新能源装机达534.96 GW，占总装机容量的24.32%，其中风电装机281.53 GW，占总装机容量的12.80%；太阳能发电装机253.43 GW，占总装机容量的11.52%，2020 年我国电力装机容量占比如图1所示［5］。

图1 2020年我国电力装机容量占比Fig.1 Proportion of installed power capacities of China in 2020

同时，新能源发电量不断提高，占比持续提升。据国家统计局数据显示，2020 年，我国年总发电量7 779 300 GW·h，新能源发电量727 600 GW·h，占总发电量9.36%，其中风电发电量466 500 GW·h，占总发电量的6.00%；光伏发电量261 100 GW·h，占总发电量的3.36%，我国发电量占比如图2所示［5-6］。

图2 2020年我国发电量占比Fig.2 Power generation proportion of China in 2020

已知全国6 个省（区）新能源装机占比超过30%，7 个省级电网新能源发电量占比超过20%，局部地区已形成了高比例新能源电力系统［3］。其中，截至2020 年，青海新能源装机24.45 GW，占比达60.7%，甘肃新能源装机容量占比41.9%，新能源发电在两省成为第一大电源。

“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，风、光等新能源开发将按下“加速键”，我国新能源装机比重和发电量占比将大幅提升，对电力系统接纳、调节等能力要求更高；现有电力系统难以适应新能源的倍速增长，对电网安全稳定运行带来严峻挑战，迫切需要构建适应高比例大规模可再生能源发展的新一代电力系统。

2 构建新型电力系统面临的挑战与机遇

2.1 面临的挑战

随着风、光等新能源发电的迅猛发展和电力电子技术在电力生产、传输和消费等环节的广泛应用，电力系统正形成“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”发展趋势［7］，为可靠性供电、新能源消纳、智能优化运行、安全稳定带来了新的挑战。

（1）高比例新能源接入，电力供应保障难度加大。风电、光伏作为波动性电源，只能提供电量，无法参与电力平衡。高比例新能源接入电网会造成系统输出功率随机波动，进而加重了电网调峰频率调节负担；同时高比例新能源发电接入系统，会替代部分常规机组，进一步削弱电网调节能力，给电网安全稳定运行带来全新挑战。例如，2021 年2 月中旬美国得克萨斯州大停电事故中，作为当地第二大电力的风力发电设备因极寒天气而停机，进一步加剧电力供应不足，造成了大量人员受伤和经济损失。因此，在“双碳”背景下，未来更高比例的可再生能源接入电网后，电力的安全供应面临挑战。

（2）电网深度电力电子化，系统稳定问题更加复杂。伴随新能源规模化集中式开发和分布式风电光伏系统投运，促使输电网中高压大容量变流装备的持续推广和配用电侧电力电子设备的广泛应用［7-8］，使得电力系统的动态特性发生了巨大变化，所引发的电磁宽频振荡问题已威胁到电力系统的安全稳定运行。例如，风电并网导致的次同步振荡现象已多次出现，2009 年美国得克萨斯州、2012 年河北沽源地区、2015 年新疆哈密地区均发生了风电场与电网相互作用引起次同步振荡现象，影响了电网的安全稳定运行。高比例电力电子设备引发的电磁振荡问题为现代电力系统带来了新的挑战［9-10］。

（3）新能源资源禀赋与能源消费呈逆向分布，对电网大范围资源灵活配置能力要求高。我国能源分布广泛但不均衡，新能源富集的大型能源基地，远离负荷中心，难以就地消纳，制约了新能源发展。“十三五”期间，我国新能源飞速发展的同时，新能源富集地区曾出现大面积、长时间的“弃风”“弃光”现象。“双碳”目标下，2030 年风电、光伏总装机量将达到1 200 GW 以上，新能源消纳风险凸显。因此，未来新能源电力系统需在能源互联网及灵活智能化方向开展技术创新工作，以增强电网大范围优化配置资源能力，以防范和解决大规模新能源并网消纳问题。

（4）信息通信技术和电力能源深度融合，电力数据价值挖掘和信息安全防范能力亟待加强。随着信息通信技术和电力能源深度融合，新型电力系统将呈现信息与物理系统深度融合［8］，系统中源网荷储各环节每时每刻都会产生海量信息数据，如何对其进行即时有效的感知、采集、存储、管理、分析计算、共享应用和保护，充分挖掘能源大数据作为新时期重要生产要素的价值是未来新型系统需解决的“痛点”问题。

此外，能源系统中广域布局且数量庞大的源网荷储设备使得新型电力系统信息安全风险点呈现“点多面广”的特点，存在以能源系统源网荷储各环节中某点为突破口，通过网络攻击而导致电网崩溃的风险，网络安全问题凸显［11］。

2.2 面临的机遇

尽管面临着严峻挑战，但推进我国新型电力系统发展也面临着很好的发展机遇。

（1）政策层面。“双碳”背景下，各级政府部门将围绕如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标，陆续出台促进能源绿色低碳转型、新型电力系统建设等方面的指导意见、扶持政策和激励措施等，随着引导新能源高质量发展的体制机制和政策体系健全完善，未来新型电力系统的发展将会迎来良好的政策环境。

（2）市场层面。在国家政策的鼓励和支持下，围绕消纳高比例、大规模可再生能源，必将推动适应新能源快速发展的绿色电力交易机制和市场体系建设；引导和鼓励虚拟电厂、需求响应等新兴市场主体协同参与辅助服务市场，充分发挥市场配置资源的决定性作用，实现电力系统安全稳定高效运行。

（3）技术层面。随着政策和市场需求的导向，必然推动新型电力系统相关的技术研发与应用。尤其是能源电力与信息技术深度融合，将为构建能源互联网产业“新生态”提供技术支撑。此外，基于新型电力系统建设过程中取得的“从0 到1”的原创性成果，构建适应我国新能源电力系统发展相关的技术规范与标准体系，将为促进相关产业升级与开拓国际市场带来更多推动与支持。

3 构建我国新型电力系统的发展路径

新能源作为我国能源转型发展的重要力量，“十四五”期间将持续快速发展，并逐步成为主力电源。为确保高占比、不确定性新能源电力可靠供应和有效消纳，需要以电为中心、以新能源大规模开发利用为出发点，依托技术创新驱动和政策机制保障，通过对电源侧、电网侧、负荷侧系统性融合重塑，支撑和保障以新能源为主体的新型电力系统的构建，推动建立绿色低碳、安全高效的能源供应体系，如图3所示。

图3 构建新型电力系统实施路线Fig.3 Implementation approach of the new power system

3.1 电源侧：优化电源结构，提升电源灵活性

在“双碳”目标下，新能源将迎来新的跨越式发展，必然对系统灵活性需求提出更高要求，迫切需要灵活性电源与新能源发电机组互补运行。因此，电源侧在大力推动能源供给清洁化的同时，需要从新能源+储能、多能互补等方面保障清洁能源可靠供应，为系统安全运行提供支撑。

（1）新能源发电技术方面。提升新能源功率预测精度。开展风光功率预测是推进高比例新能源发展的关键技术之一，有助于从源端实现对新能源发电的可测和可控。当前电力现货市场交易对新能源的预测尺度和准确率提出了更高要求，如何提升新能源功率预测精度，使新能源中长期功率曲线与现货市场有效衔接对于促进高比例新能源消纳和提高新能源场站经济效益具有重要作用。开展新型灵活性电源发电技术研究与应用，促进多样化清洁能源电力供应，提升源网协调能力。当前太阳能光热发电是新能源发电的一个新方向，具有出力灵活可控等优势，这种灵活性电源发电技术将在电力系统中发挥重要作用。此外，基于虚拟同步发电机技术可使风光发电并网具备与常规机组接近的特性，因此，积极开展风光新能源电站虚拟同步机技术改造应用，对于增强风光涉网性能、提高电网接纳新能源能力、提升系统稳定运行将至关重要。

（2）推进新能源+储能技术推广应用。新能源+储能是未来能源的发展方向，应鼓励实施可再生能源+储能项目。开展集中式新能源+储能场景下规划研究，明确抽水蓄能电站或规模化电化学储能电站发展规模和布局，实现源储协调发展，促进高比例新能源接入与消纳。大力推广分布式新能源+储能系统，实现分布式新能源便捷接入和就近消纳，提高可再生能源利用率。

（3）多品种可再生能源的互补互济。利用风、光、水、气、氢等不同类别能源之间时空耦合特性，搭建多能互补能源网络，实现多元化的能源互补互济，提升电源多源协调优化运行能力［12］。

（4）构建保障电源侧能源清洁化政策支撑体系。构建适应于高比例新能源接入的电力市场管理机制和运行模式，为能源供给低碳化提供制度保障。完善辅助服务市场和容量市场，提出适应新能源等清洁能源广泛、灵活参与的市场运营机制［13-14］，激励清洁能源发电技术推广应用。

3.2 电网侧：构筑能源高效配置平台

电网连接能源生产和消费，是能源转换利用和输送配置的枢纽平台，构建以新能源为主体的新型电力系统，促进更高比例波动性、间歇性的新能源并网消纳，需要电网在广泛互联、数字化转型、安全高效运行和综合能源系统等方面探索实践路径，充分发挥电网“桥梁”“纽带”作用。

（1）优化完善网络架构，构筑大范围、高效率清洁能源配置平台。开展以输送新能源为主的特高压、柔性直流输电等工程建设和技术研究应用，提升电网跨省跨区输电能力，促进新能源消纳。开展电网跨区互补规划研究和工程建设，促进跨区互联电网灵活互动，提高电网供电可靠性和大范围能源资源配置能力。

（2）推进电网数字化转型，提升电网全息感知能力。依托电力大数据，深度融合物联网、大数据、云计算、深度学习、区块链等技术［15］，构建数字化和智能化新型能源系统，促进电网互联互通，提升系统全息感知及数字化智慧管理能力［8，16］，实现对电力能源生产、输送、存储、交易、消费各环节的即时化感知、监测与决策，充分发掘能源大数据作为新时期重要生产要素的价值［17-18］。

（3）推进多能互补的综合能源电力系统应用研究，促进源网荷储协调互动。推进以电网为核心的综合能源网络建设，构建智能互动、开放共享、协同高效的现代电力服务平台，积极主动服务能源消费方式变革。开展源网荷储协调互补优化调度策略研究，实现源-网-荷-储全环节灵活性资源统一协调互补，提升电力系统灵活调节能力，保障电力供应可靠性［19］。

（4）开展新型电力系统运行特性分析研究。“双碳”背景下大规模新能源并网导致电网“双高”特征日益凸显，亟须开展以新能源为主体电力系统安全稳定控制、多时空尺度电力电量平衡、大规模新能源源网协调控制、大规模新能源发电高效并网与消纳等技术攻关和相关技术标准制，支撑新型电力系统运行体系构建，提升我国在新型电力系统领域国际话语权。

（5）开展电力市场相关机制的探索实践，为促进源网荷储各环节融合发展营造良好的市场环境。完善新能源跨省跨区消纳模式和相关辅助服务补偿费用机制；结合当前电力现货市场试点情况，完善长期交易与现货交易衔接、市场运行模式、价格机制设计，加快建设全国统一的电力现货市场运营方式；因地制宜建立尖峰电价和深谷电价机制，激发可调节负荷、电动汽车、储能等可调节资源参与电网调峰的积极性，挖掘需求侧资源潜力。

3.3 负荷侧：挖掘需求侧资源的利用潜力

在“双碳”背景下，能源消费将不断涌现新产业、新业态、新模式，负荷结构将更加多元化、负荷特性更加复杂［20］。为满足负荷侧对可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求，需要加强需求侧管理，挖掘需求侧资源利用，促进能源供需双向互动；主动适应未来多元化能源消费模式，建立面向用户需求的多能互补系统，推进能源消费电气化。

（1）加强负荷侧需求管理，挖掘用户侧可调节资源。通过数字化手段实现用能设备的状态和需求信息的监测，实现对负荷侧储能、可控负荷、充电桩、用户侧分布式能源系统的实时管理，挖掘用户侧灵活性调配资源，促进“网荷储”融合互动。结合区域负荷特性，研究负荷聚合商模型构建与量化方法，通过大数据、区块链等技术促使海量用户侧可调负荷参与电力需求响应，增强负荷侧响应能力，促进电力用户能效管理提升。

（2）开展面向新能源消纳的负荷侧多能互能源系统研究与应用。通过分布式能源和微电网等方式，整合电、热、冷、气等多类型能源需求，搭建面向用户区域综合能源系统，满足用户多元需求［12，14，21］，提高能源系统效率和可靠性，推进能源消费脱碳。

（3）负荷侧电力需求响应市场机制研究。开展负荷聚合商参与需求响应的盈利模式实践，激励负荷商参与电力市场交易，促进新能源消纳。针对未来涌现的多元化能源消费新模式、新业态，探索灵活多样的市场化需求响应交易模式，提出适应电动汽车、可控负荷等需求侧灵活性调节资源参与的市场运营机制，促进需求响应力度，激励清洁能源技术推广应用。

4 结论

新型电力系统的构建是一项复杂的系统工程，需要电力行业中发输配用各环节共同努力。本文通过分析电源侧、电网侧和负荷侧构建新型电力系统需要采取的措施和手段，提出电源侧提升新能源发电功率预测精度、涉网性能，激励清洁能源发电技术推广应用；电网侧优化完善网络架构，推进电网数字化转型，加强新型电力系统运行相关技术攻关和标准制定，健全促进源网荷储各环节融合发展的政策机制；负荷侧加强需求侧管理，挖掘需求侧资源利用，促进能源供需双向互动，推进能源消费电气化。希望能为新一代电力系统构建提供可借鉴的路径与方法。