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新型电力系统 New Type Power Systems V ol. 1 No. 1 Jun. 2023 第 1 卷第 1 期 2023 年 6 月新型电力系统面临的挑战及应对思考郭剑波 1 ，王铁柱 2 ，罗魁 2 ，秦晓辉 2 ，荆逸然 2 ，赵兵 2 ，马士聪 2 （ 1. 国家电网有限公司，北京 100031 ； 2 . 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192 ） Development of New Power Systems Challenges and Solutions GUO Jianbo 1 , WANG Tiezhu 2 , LUO Kui 2 , QIN Xiaohui 2 , JING Yiran 2 , ZHAO Bing 2 , MA Shicong 2 1. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China ； 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China ABSTRACT The construction of new power systems is the key solution to realize the carbon peak and carbon neutrality targets and energy transformation. With the deepening revolution of the energy structure, the power system structure and characteristics will also experience profound changes. The existing technology cannot satisfy the requirements of ensuring power supply, grid security and energy consumption in the whole stage of energy transformation, and therefore, the construction of the new power systems faces a series of challenges. This paper briefly introduces the energy and power scenarios under the “dual carbon ” target, systematically analyzes the challenges of sufficiency, security, economy and institutional mechanisms facing by the new power systems, and puts forward key technologies. Finally, compared with the existing power systems, this paper summarizes the main innovations of the new power systems. KEY WORDS new power systems; energy and electric power scenario; sufficiency challenge; security challenge; economic challenge; key technology; system revolution 摘要构建新型电力系统是我国实现双碳目标和能源转型的重要途径。随着能源结构变革的深入推进，电力系统的结构和特性也将发生深刻变化，安全 ‒ 经济 ‒ 环境 “ 矛盾三角形 ” 是构建新型电力系统将面临的长期挑战。该文简要介绍了我国 “ 双碳 ” 目标下的能源和电力场景，系统分析了我国新型电力系统面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出了值得关注的关键技术，最后总结提炼了新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。关键词新型电力系统；能源电力场景；充裕性挑战；安全性挑战；经济性挑战；关键技术；系统变革 0 引言为应对气候变化，落实巴黎协定，中国承诺 2030 年左右二氧化碳排放达到峰值，2060 年实现碳中和 [1] 。2021 年中央财经委员会第九次会议提出要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。党的二十大报告强调确保粮食、能源资源、重要产业链供应链安全；立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动；加快规划建设新型能源体系。能源结构由高碳向低碳转型，是实现 “ 双碳 ” 目标的关键，而电力又是其主战场。能源结构转型需要在生产侧进行清洁替代，在消费侧进行电能替代。生产侧用清洁能源替代化石能源，清洁能源目前主要以电能形式开发利用；消费侧通过电能替文章编号2097-2784202301-0032-12 中图分类号TM 721 文献标识码A 基金项目中国工程院战略研究与咨询项目 “ 高比例新能源系统构建与战略研究 ”2021-JJZD-03 。 Project Supported by Chinese Academy of Engineering s Strategic Research and Consulting Program 2021-JJZD-03.郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考第 1 期代，可降低终端用能部门直接碳排放，并降低全社会整体碳排放 [2] 。电力系统将成为能源供应、消费以及传输转换的主要环节，需要支撑清洁能源的消纳、保障终端多种用能的需求，形成可支撑多种能源品种交叉转换的现代能源体系枢纽和平台。美国、英国、欧盟等发达国家/ 地区在政府主导下持续推动能源低碳转型和电力系统变革，在新能源本文中新能源特指风、光新能源，下同发电和并网、电力市场运营、火电机组灵活性改造等方面取得了一系列进展，丹麦 2021 年新能源发电量占比超过 50，德国和英国可再生能源发电量占比约 40 。与此同时，近年来国外高比例新能源电力系统事故频发，如英国 2019 年 “8·9” 大停电事故、美国得州 2021 年 2 月的电力短缺、澳大利亚 2022 年 6 月中旬的电力市场停摆事件 [3-5] 。因此，必须加快新型电力系统的研究和建设。本文从我国 “ 双碳 ” 目标下的能源和电力场景出发，分析我国新型电力系统所面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出应对措施和关键技术建议，并总结提炼新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。以期为能源电力行业从业人员提供有益参考。 1 能源电力发展场景我国是全球新能源装机规模最大、发展速度最快的国家。截至 2022 年底，我国风电、光伏发电装机容量分别达到 3.7 亿 kW 和 3.9 亿 kW ，新能源装机占我国电源总容量的 27.3，新能源已成为我国第二大电源 [6] 。我国 “ 三北 ” 地区已建成 8 个千万千瓦级风电基地、8 个太阳能发电基地，部分省份新能源已成为第一大电源，其中青海占比超过 60 ，甘肃占比接近 50。2022 年，西北电网新能源发电量占比达到 23.56，超过同等规模的欧盟电网 1.26。2022 年，西北电网新能源单日最大发电量占比达35、瞬时最大出力占比达48 。过去几十年电力系统的快速发展满足了新能源快速发展需求，满足了国民经济和社会发展需求。在 “ 双碳 ” 目标、能源转型和新型电力系统构建的多重驱动下，我国能源电力系统仍将快速发展。 1 ）我国2030 年能源场景预测。据预测 [7] ，2030 年全国一次能源消费总量不超过 60 亿 t 标煤。2030 年前，我国能源消费增速逐渐放缓，从近十年 3.0 的年均增速降到 1.5。能效逐渐提升，2030 年单位 GDP 能耗较 2021 年下降近 1/4。终端电气化水平由 2021 年的 27 上升至 2030 年的39 。 2 ）我国2030 年电力场景预测。据预测 [7] ，2030 年全社会用电量将达到 11.8 万亿 kW·h ，电源装机总量将达到 40 亿 kW ，风光发电装机超过煤电成为第一大电源，但煤电仍然是电力电量供应主体，如表1 所示。2030 年前电力系统碳排放达峰，预计峰值约 49 亿 t ，电力行业将承接其他行业转移的碳排放，碳减排任务和压力更大。 3 ）我国2060 年能源场景预测。据预测 [7] ，2060 年我国一次能源消费总量较 2030 年下降1/4 左右，约为46 亿t 标准煤，如图1a 所示，其中非化石能源占比将达到 80 以上，其中风、光成为主要能源；非化石能源发电量占 90 以上；终端能源消费方面，交通、建筑、工业等行业纷纷将电气化作为实现双碳目标的重要举措，电能占终端能源消费比例将超过 70 ，如图1b所示电力行业是实现双碳目标的主战场。 4 ）我国2060 年电力场景预测。据预测 [7] ，2060 年全社会用电量达到约 15.7 万亿 kW·h，电源装机将超过 67 亿 kW 。如表 2 所示，非化石能源装机占比和发电量占比均超过 80 ；风光装机将超过 40 亿 kW ，装机占比超过 60，发表1 2030年中国不同电源装机量及发电量预测 Table 1 Power installed capacity and power generation forecast in 2030, China 电源种类煤电气电核电生物质水电风电太阳能新型储能其他装机/ 万kW 140 000 21 000 11 100 5 700 54 016 61 091 94 021 12 000 5 750 电量/ 亿kW ⋅h 58 278 6 000 8 547 2 618 15 760 13 445 11 860 0 2 632 33新型电力系统第 1 卷电量占比超过 50，成为电量供应主体，但在电力平衡中占比仍然较低；化石能源电量占比小于 7 ，考虑碳捕获、利用与封存 carbon capture ， utilization and storage ，CCUS 技术，电力行业实现净零排放。据测算，2030 年同步机规模大于最大负荷，同步机出力占总负荷之比大于 50 的累计时段为 100 ；2060 年同步机规模约占最大负荷的 80 ，同步机出力占总负荷之比大于 50 的累计时段仍约占全年时长的一半见图 2。考虑到存量资产巨大、发展的渐进性、大型电源送出以及特高压输电的需要等因素，2060 年前主干电网仍以交流同步机制为主，系统安全稳定问题将更加突出。 2 新型电力系统面临的挑战新能源发电出力具有随机性、波动性，电力电量时空分布极度不均衡，丰饶和短缺交织，带来充裕性挑战；新能源发电大规模替代常规机组，新能源的弱支撑性导致电网 “ 空心化 ” 加剧，故障造成打击强度增加，新能源调节和耐受能力相对于同步机又不足，带来安全性挑战；新能源发电成本下降，但系统匹配的调节和安全成本大幅增加，新能源高电量场景需要多行业、多系统协调实现，需要政策机制的引导和保障，带来经济性和体制机制挑战。安全 ‒ 经济 ‒ 环境 “ 矛盾三角形 ” 将长期存在，也是新型电力系统面临的长期挑战。 2.1 充裕性挑战新能源具有高装机、低电量、弱保障特性，与同容量火电相比，新能源可发电量约为火电的 1/31/4，保证出力约为火电的 1/20 新能源最低同时率见图3，功率波动与火电可调出力相当。 2021 年，我国全社会用电量达 8.3 万亿 kW·h ，同比增长 10.3 。如表 3 所示，按照 “ 十四五 ” 期间 5 、 “ 十五五 ” 期间 4 的年均增速预测， “ 十四五 ” 和 “ 十五五 ” 末的总用电量将分别达到约 10 万亿和 12 万亿 kW·h ，2022 2030 年平均每年新增用电量约 4430 亿 kW·h，约为当前全部已有新能源年发电量的 452021 年全国新能源装机约 6.4 亿 kW ，新能源发电量 9815 亿 kW·h 。在现有一次能源需求量/ 亿t 标准煤 0 10 20 30 40 50 60 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 终端能源需求/ 亿t 标准煤 0 5 10 15 20 25 30 35 40 煤油气核水风光其他煤天然气热力电力氢其他油 a 我国一次能源结构演变过程 b 我国终端能源结构演变过程年份年份图 1 我国20202060年能源场景 Fig. 1 Energy scenarios of 20202060 in China 表 2 2060年中国不同电源装机量及发电量预测 Table 2 Power installed capacity and power generation forecast in 2060, China 电源种类煤电气电核电生物质水电风电太阳能新型储能其他装机/ 万kW 60 000 30 000 40 000 17 000 73 900 181 000 237 500 32 000 2 600 电量/ 亿kW ⋅h 6 320 3 802 32 200 6 640 21 830 45 461 40 095 0 1 067 小时数 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 同步机出力占总负荷的比值 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 图2 2060年同步机出力大于对应负荷占比的累积持续小时数 Fig. 2 Cumulative duration hours that synchronous machine output is greater than the corresponding load proportion in 2060 34郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考第 1 期技术条件下， “ 保供应 ” 和 “ 促消纳 ” 需要常规装机增长同步于负荷和新能源装机增长。据预测，到 2030 年，新增常规装机与新增负荷和新增新能源装机之比分别为 11.8 和 11.6，保供应和保消纳压力将逐渐增大。而且，随着新能源电量占比的提高，常规火电效率效益随之下降。安全保供应 ‒ 环境促消纳‒经济矛盾更加突出。 2.1.1 时间尺度平衡根据图 4 所示的测算结果，2030 年新能源出力占系统总负荷之比为 551 ，2060 年为 16 142 [8] 。新能源出力大波动需要系统具备相应的灵活调节能力。新能源长时间低出力目前晚高峰保证出力仅为装机容量的 4.8 需要常规电源及其一次能源保证电力供应；新能源长时间高出力则给系统消纳、安全和能源转储利用带来挑战。新能源各时间尺度波动需要系统匹配相应时间尺度的灵活调节能力，还需要电力系统、能源系统甚至社会系统用电行为、需求侧响应等协同。 2.1.2 空间尺度平衡我国中东部风、光资源技术可开发量总计 20 亿 kW 以上陆上风能 8.96 亿 kW ，海上风能 4 亿 kW ，集中式光伏 3.58 亿 kW ，分布式光伏 5.31 亿 kW [9] ，据估算年发电量仅为约 2.5 万亿 kW·h ，远不能满足当地负荷用电需求，仍需依赖我国西北地区、东北地区的跨区输送电量。如表 4 所示，据预测，2060 年西北地区年外送电量将达到 6481 亿 kW·h，作为对比，西北地区 2021 年的外送电量约 2750 亿 kW·h ；2060 年西北地区约有 1.6 亿 kW 新能源电力外送需求峰值电力可达 2.2 亿 kW，而当前西北跨区外送直流规模为 7071 万 kW ，2060 年时需扩充为当前的 23 倍。能源电力空间平衡的需求和挑战大，需解决能源经济社会统筹、输电走廊规划、系统安全保障等问题。 2.2 安全性挑战 2.2.1 系统惯量降低、调频能力下降，频率越限风险增加新能源大规模接入，挤占常规机组开机空间，系统转动惯量降低、调频能力下降，导致频率变化加快、波动幅度增大、稳态频率偏差增大，越 8 4 2 4 3 4 6 9 4 6 6 2 7 4 6 1 3 3 1 2 3 5 1 2 2 2 2 2 0 2 4 6 8 10 公司华北华东华中东北西北西南公司及各区域电网春夏秋冬最低同时率/ 图3 国网公司及各区域电网不同季节晚高峰新能源最低同时率 Fig. 3 New energy lowest simultaneity factor in evening peak hours with different seasons of State Grid Corporation and regional power grids 表 3 我国总用电量及增速情况统计和预测 Table 3 Total electricity consumption, increment statistics and its forecast 时间十二五十三五十四五预测十五五预测平均增速/ 6.3 5.7 5 4 总用电量/ 亿kW ⋅h 56 933 75 100 101 043 122 934 年平均新增用电量/ 亿kW ⋅h 3 640 5 180 4 380 年份 0 20 60 80 100 120 140 160 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 最小值平均值最大值新能源出力占系统总负荷比例/ 40 1 4 5 6 8 10 12 14 16 10 14 18 23 28 35 44 51 58 31 42 51 65 82 103 123 136 142 线性最小值线性最大值图4 新能源出力占系统总负荷比例的最小值、平均值和最大值 Fig. 4 Minimum, average and maximum proportion of new energy output to the total load 表4 2060年西北、东北新能源发电量及消纳情况 Table 4 Generation and consumption of new energy in Northwest and Northeast China in 2060 电量类型负荷风电光伏水电火电核电外送电量不同地区的数值/ 亿kW ⋅h 西北 17 669 6 635 13 260 1 588 2 667 0 6 481 东北 9 590 3 530 4 276 142 776 2 687 1 821 35新型电力系统第 1 卷限风险增加。以我国某区域电网为例进行仿真分析，在相同的损失 350 万 kW 发电出力故障下，风电出力 1200 万 kW 情况下系统频率下跌幅度比无风电情况下增加0.3 Hz ，仿真结果如图5 所示。新能源发电参与一次调频可缓解稳态频率偏差和暂态最大频率偏差，但因未改善故障初期的系统惯量及频率变化率，低惯量系统越限风险仍然存在不同电源提供转动惯量的对比如表 5 所示。需保持一定惯量水平、增强新能源调频能力，加强系统频率监测和优化提升。 2.2.2 新能源低压并网，电压支撑和调节能力弱随着新能源大量替代常规电源，电力系统的电压支撑变弱，在系统发生扰动时，电压失稳风险增加。其原因在于一是常规控制模式下电力电子型电源提供短路容量和电压支撑能力弱，新能源大量替代常规电源导致系统动态无功支撑能力不足；二是新能源电源通过逐级升压与主网相连，电气距离是常规机组的 23 倍，对主网的电压支撑能力差，主网电压支撑呈现 “空心化 ”状态。对我国某省级受端电网的仿真分析表明，在分布式光伏高渗透率≥30 情况下，由于分布式光伏对主网电压支撑能力弱，且耐频耐压能力较差，在主网发生严重故障时分布式光伏低穿失败而大规模脱网，导致该省级电网电压失稳，仿真曲线如图6 所示。 2.2.3 功角稳定特性复杂，不确定性增加新能源的运行工况、控制策略等都会影响系统功角稳定，耦合关系复杂，且可能引发新的稳定问题；惯量下降导致稳定问题时间缩短、暂态过程加快。新能源大规模接入使功角稳定特性复杂、不确定性增加， “ 预案 ” 式安控策略配置困难，失配风险增大，影响电网安全。 2.2.4 宽频带振荡等问题出现基于电力电子装置的新能源发电设备具有快速响应特性，电力电子设备及其控制系统、锁相环等与交直流电网中的电感、电容相互作用，会使电力电子设备与系统之间发生多个非基频下的能量交换，从而引发宽频振荡，带来了电力电子装置涉网稳定新问题 [10-11] 。近年来，我国风电汇集地区相继出现振荡现象。张北柔直是世界上首个新能源通过柔直电网孤岛送出的工程。2021 年 11 月，张北柔直端对端康保丰宁单极运行，康保站新能源场站接入出现 6 Hz44 Hz 电流功率振荡，录波结果见图 7 ，工程现场通过参数优化以及合理安排运行方式解决了该振荡问题。但电力电子装置涉网引发的宽频振荡机理、判据、分析和控制方法仍需进一步深化研究，以期系统性攻克该问题。时间/s 49.0 49.2 49.6 49.8 50.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 系统频率/Hz 49.4 无风电风电1200 万kW 0.3 Hz 图5 某区域电网故障后频率曲线对比 Fig. 5 Comparison of system frequency with WT and without WT after the failure 表 5 不同电源提供转动惯量对比 Table 5 Comparison of moment of inertia provided by different power sources 传统机组火电 T J 5.89.0 s 核电 T J 7.68.6 s 水电 T J 4.08.0 s 常规控制新能源双馈风机几乎不提供惯量直驱风机不提供惯量光伏发电不提供惯量风电虚拟惯量控制与同步机转子转速变化范围 0.951.05 pu 相比，变速风机转速范围约0.71.2 pu 更大，具备潜在的惯量支撑能力。存在的问题转速恢复过程吸收能量，可能导致频率二次跌落 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 母线电压/pu 时间/s 图6 某高分布式光伏渗透率省级电网的故障后电压曲线 Fig. 6 Post-failure voltage of provincial grids with high distributed PV power 36郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考第 1 期宽频振荡问题严重危害设备安全和电网运行安全，需要加强稳定机理研究和新型控制方法和装置的研发。 2.3 经济性和体制机制挑战 2.3.1 新能源发电边际成本低、系统成本高相比火电，新能源运行边际成本低。为了应对新能源给电力系统带来的充裕性和安全性挑战以及促进新能源消纳，需要额外增加系统成本。以火电灵活性改造为例，火电机组存量高，灵活性改造后可为系统提供大量调节容量和支撑能力，但火电机组的改造成本、改造后运行效率效益下降的沉没成本，需要通过市场电价机制设计进行补偿。新能源绿色、低边际成本、高辅助服务需求对市场机制设计带来挑战。 2.3.2 新能源发电开发门槛低、建设快新能源发电开发门槛低，建设周期短，开发模式多样。目前风电和光伏建设周期短，规模在 50 MW 以下的风电项目建设周期为几个月到一年，地面兆瓦级光伏电站施工期一般在 46 个月，与电网规划建设周期不匹配。众筹、互联网金融、实物融资租赁等开发模式推动了新能源快速发展。市场主体多元化与无序建设对市场机制和运行管理带来挑战。 2.3.3 利益主体庞杂交织随着新能源装机比例的提高，参与市场主体数量快速增长、平均体量快速下降骨干企业主导地位降低。产消者prosumer、虚拟电厂、电动车以及源 ‒ 网 ‒ 荷 ‒ 储互动技术等使得市场参与主体同时具有 “ 供方/ 需方 ” 属性特征。各市场参与主体功用复杂多变、利益交织耦合，以及交易品种的多样性需求，对市场交易和管理机制、政策引导机制的设计提出了更高要求 [12] 。 2.3.4 多目标协同难度大在能源转型过程中，安全 ‒ 经济 ‒ 环境协同难度大。目标的多样性、基础能源稳定性需求与新能源不确定性的矛盾，以及利益主体庞杂和多属性特征，政府和市场 “ 两只手 ” 的关系及协同，都增大了制度设计对目标可控性的难度，体制机制设计难度大。 3 应对措施及关键技术安全 ‒ 经济 ‒ 环境 “ 矛盾三角形 ” 是新型电力系统面临的长期挑战，需要通过科技创新、政策改进等措施不断缓解三者矛盾，使其在新平衡态下支撑能源转型和 “ 双碳 ” 目标的实现，支撑国民经济健康发展。应对思路如图 8 所示，下面推荐若干关键技术供参考。 3.1 灵活能力建设按照新能源规划发展规模，以新能源全额消纳测算