新型电力系统的六要素分析_康重庆.pdf-solarbe文库

资源描述：

第 47卷第 5期电网技术 V ol. 47 No. 5 2023年 5月 Power System Technology May 2023 文章编号 1000-3673（ 2023） 05-1741-10 中图分类号 TM 721 文献标志码 A 学科代码 470· 40 新型电力系统的六要素分析康重庆 1,2,3,4 ，杜尔顺 2,3 ，郭鸿业 1 ，李姚旺 3 ，方宇晨 1 ，张宁 1,3 ，钟海旺 1,3 1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市海淀区 100084； 2．清华大学低碳能源实验室，北京市海淀区 100084； 3．清华四川能源互联网研究院，四川省成都市 610213； 4．天府永兴实验室新型电力系统研究中心，四川省成都市 610213 Primary Exploration of Six Essential Factors in New Power System KANG Chongqing 1,2,3,4 , DU Ershun 2,3 , GUO Hongye 1 , LI Yaowang 3 , FANG Yuchen 1 , ZHANG Ning 1,3 , ZHONG Haiwang 1,3 1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Laboratory of Low Carbon Energy, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 3. Tsinghua Sichuan Energy Internet Research Institute, Chengdu 610213, Sichuan Province, China; 4. New Power System Research Center, Tianfu Yongxing Laboratory, Chengdu 610213, Sichuan Province, China 1ABSTRACT Driven by the goal of carbon neutrality, the safe, efficient, and low-carbon transition of the power energy system with digital and intelligent technology innovation has become important development strategies in China. Firstly, this paper discusses the connotation and requirements of the energy revolution for the construction of a new power system from the perspective of the national macro strategies. After that, the reform process of the new power system is introduced and the key elements of the fossil energy-dominated power system, the double-high power system, and the new power system are analyzed. On this basis, the basic characteristics of the new power system are introduced, and the six key elements of the new power system are presented, namely “generation“, “grid“, “demand“, “storage“, “decarbonization“, and “digitization“. The relationships between the six elements are analyzed. Finally, starting from the core motivation driving the development of the new power system and the methodologies to build the new power system, the key technologies of the new power system from the “carbon perspective“ and the key technologies in the process of the power system digital transformation are explored and prospected. KEY WORDS new power system; source-network-load-storage- decarbonization-digitization; carbon neutrality; digitalization 摘要面向碳中和目标，能源电力系统的安全高效、绿色低碳转型及数字化智能化技术创新已成为全球发展趋势及我国能源科技创新的关键抓手。该文从国家宏观战略层面探讨基金项目国家自然科学基金重点基金资助项目 52130702。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China NSFC 52130702. 了能源革命对建设新型电力系统的要求，阐述了新型电力系统的变革历程，从化石能源为主导的传统电力系统，到高比例新能源和高比例电力电子为主要特征的 “双高 ” 电力系统，再到新能源为主体的新型电力系统，分析了演化过程中不同阶段电力系统的关键要素。在此基础上，总结凝练了新型电力系统的六大关键要素“ 源网荷储碳数 ”，阐述了六要素之间的耦合关系。最后，聚焦“ 碳 ”与“ 数 ” 2个新兴的关键要素，分别从低碳化与数字化 2个视角对建设新型电力系统的关键技术进行了探析与展望。关键词新型电力系统；源网荷储碳数；碳中和；数字化 DOI 10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0535 0 引言在应对气候变化、全球能源产业链遭受严重冲击、世界能源格局动荡等百年未有之大变局形势下，能源电力系统向安全高效、绿色低碳转型已经成为全球发展趋势。 2020年 9月，我国在联合国大会上承诺宣布“ 中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，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 ” [1] 。 2021年 3月，习总书记在中央财经委员会第九次会议上提出构建新型电力系统 [2] 。 2021年 10 月，国务院印发 2030前碳达峰行动方案提出 “ 构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统 ” [3] 。 2023 年 1月，国家能源局发布新型电力系统发展蓝皮书征求意见稿，描绘了新型电力系统的内涵特征与发展路径 [4] 。总体来说，构建新型电力系统已成为我国实现碳中和目标的关键抓手 [5] 。 1742 康重庆等新型电力系统的六要素分析 V ol. 47 No. 5 我国资源禀赋与能源需求呈现逆向分布，为支撑经济社会发展和快速增长的用电需求，我国建成了世界上规模最大、远距离输送能力最强的电力系统。截至 2022 年底，我国各类电源总装机规模 23.8亿 kW，西电东送规模达到 2.9亿 kW。煤电一直是我国电力供应安全的重要支撑，但近年来电力绿色低碳转型不断加速，可再生能源装机规模达 12.13亿 kW，占比达到 47.3，首次超过煤电装机规模；其中，风光发电装机 7.58亿 kW，累计规模与新增装机多年来持续居世界第一 [6] 。新能源的快速发展与大规模发电并网给电力系统带来了随机性、波动性与不确定性。为了支撑新能源当前的大规模并网以及未来的高比例消纳，电力系统迫切需要构建多元技术多时间尺度的储能体系，电力系统结构形态逐步由 “ 源网荷储” 四要素体现。从 “ 低碳化 ” 出发，能源碳排放约占全社会碳排放的 88，电力行业碳排放占比超过 40，是碳排放与煤炭消费占比最大的单一行业 [7] 。面向双碳目标，能源是主战场，电力是主力军。为实现碳达峰、碳中和目标，未来 40年需要大力发展风电、光伏等新能源技术，提升电力系统的新能源消纳能力，通过统筹发展与安全，逐渐提高电力系统的新能源占比，实现从化石能源为主体向新能源为主体的重大转变，成为我国构建新型电力系统的当务之急与必由之路。简而言之，碳中和目标是建设新型电力系统的核心动因。从 “ 数字化 ” 出发，数字技术与能源电力基础设施的融合是实现产业智能化转型升级，把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择。 2022年 10 月，党的二十大报告明确提出加快发展数字经济，促进数字经济和实体经济深度融合 [8] 。 2023年 3月，十四届全国人大提出组建国家数据局，统筹推进数字中国、数字经济、数字社会规划和建设等 [9] 。新型电力系统的数字化转型体现为在电力系统源网荷储各环节广泛推广应用 “ 云大物移智链边 ”等先进数字化技术与人工智能技术，构建信息物理深度融合的数字化、信息化和智能化新型电力系统，实现多能互补的高效转化利用与源网荷储协同互动。一言蔽之，数字化转型是建设新型电力系统的关键途径。综上所述，构建新型电力系统是实现碳中和目标的关键抓手，需要依托数字化技术，统筹源、网、荷、储资源，以源网荷储互动及多能互补为支撑，满足绿色消费、安全供应、经济高效的综合性目标。因此，本文认为新型电力系统结构形态将由 “ 源网荷储” 四要素拓展为 “ 源网荷储碳数 ”六要素。其中，源网荷储是新型电力系统的物理架构；碳中和目标是建设新型电力系统的核心动因，数字化转型是建设新型电力系统的关键途径。本文的结构如下首先从国家宏观战略层面探讨了能源革命对建设新型电力系统的要求；其次，从电力行业视角出发，探析了不同阶段电力系统的关键要素；在此基础上，分析了新型电力系统的六要素及其之间的关联耦合关系；最后，分别针对 “ 碳 ”与“ 数 ” 2个关键要素，展望了关键技术发展方向。此外，需要说明的是，本文主要从技术要素角度出发，探讨提出由 “ 源网荷储” 四要素拓展为 “ 源网荷储碳数 ”六要素，其中对 “ 数字化 ” 的理解广义包含了数字化、智能化、信息化等范畴。 1 从能源革命到新型电力系统在新的时代背景下，中国能源革命不断向纵深挺进，正谱写能源高质量发展新篇章，对建设新型电力系统的要求探析如下。 1.1 能源革命对新型电力系统的要求为实现碳达峰、碳中和目标，到 2030年非化石能源消费占比需提升至 25以上，风光发电装机需提升至 18亿 kW左右，新能源逐步成为发电量增量主体；到 2060年非化石能源消费占比需跨越式提升至 80以上，新能源逐步成为发电主体，发电装机增长至 50亿 kW以上，实现电力系统脱碳 [10] 。从能源消费革命角度，引导绿色能源消费，提升终端电气化率是推动能源消费模式转型、实现能效提升与保障能源安全的必然选择。从能源技术革命角度，构建新型电力系统是从 “ 0”到“ 1” 的技术突破创新，需要通过源网荷储各环节的关键核心技术创新和重大装备攻关着力提升绿色能源技术和产业竞争力。从能源机制革命角度，电力系统发展逐渐向跨行业、跨领域协同转变，一方面需要构建适应新能源高占比的电力市场体系与成本疏导机制，另一方面需要统筹考虑能源成本与环境价值，推动电碳市场协同发展。 1.2 新型电力系统的内涵与特征根据能源革命对建设新型电力系统的要求，立足我国能源资源禀赋的基本国情，需要以低碳电力技术创新为驱动力，统筹能源安全、经济与低碳，推动构建适合中国国情的新能源占比逐渐提高的新型电力系统。具体而言，新型电力系统是以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新突破和体