碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望

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第 42卷第 8期中国电机工程学报 Vol.42 No.8 Apr. 20, 2022 2806 2022年 4月 20日 Proceedings of the CSEE ©2022 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI 10.13334/j.0258-8013.pcsee.220467 文章编号 0258-8013 2022 08-2806-13 中图分类号 TM 715 文献标识码 A 碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望张智刚 1 ，康重庆 2* 1．国家电网有限公司，北京市西城区 100031； 2．电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室清华大学电机系，北京市海淀区 100084 Challenges and Prospects for Constructing the New-type Power System Towards a Carbon Neutrality Future ZHANG Zhigang 1 , KANG Chongqing 2* 1. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China; 2. State Key Laboratory of Power System and Generation Equipment Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China ABSTRACT Building a clean low-carbon energy dominated energy supply system and forming a new-type power system is the key to achieving the target of carbon neutrality. Transiting from a fossil-fuel-dominated system to a clean-energy- dominated system, the power system faces multiple challenges and evolution including new power balance mechanisms, complex security problems, and cost allocation principles. The connotation and features of the new-type power system were revealed from the aspects including structure, morphology, technology and mechanism. The evolution path of new-type power system was also analyzed. Finally, the development suggestions and prospects for the construction of new-type power system were put forward. KEY WORDS new-type power system; carbon peaking; carbon neutrality; renewable energy; low-carbon transition 摘要构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系，建设新型电力系统是实现碳中和目标的关键举措。电力系统从化石能源主导转变为清洁能源主导，面临新型平衡体系、复杂安全机理、成本疏导机制等多重挑战与变革。该文从结构、形态、技术、机制 4个方面分析新型电力系统的内涵与特征；分析研判新型电力系统演化路径；最后，针对新型电力系统构建提出发展建议与展望。关键词新型电力系统；碳达峰；碳中和；新能源；低碳转型基金项目国家自然科学基金重点项目 52130702；国家电网公司科技项目 1400-202099500A-0-0-00。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China Key Program 52130702; Science and Technology Project of State Grid Corporation 1400-202099500A-0-0-00. 0 引言构建新型电力系统，是贯彻落实我国能源安全新战略、实现“ 30·60”碳中和气候应对目标的重大需要。目前，我国能源相关二氧化碳排放量每年约 100亿吨，约占全球碳排放总量的 1/3。我国煤炭消费约占全球总消费量的一半，约占我国能源总消费的 57。电力作为我国煤炭消费与碳排放占比最大的单一行业，碳排放占比超过 40 [1] 。 2020年 9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布 “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 [2] 。 ” 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的战略，指出“要着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革” 。 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，推动清洁电力资源大范围优化配置” 。因此，大力发展新能源，在新能源安全可靠的替代基础上，传统能源逐步退出，构建新型电力系统，加快电力脱碳，推动能源清洁转型，是实现碳达峰、碳中和目标的必由之路。大力发展以风能、太阳能为代表的新能源电力，促进高比例可再生能源并网消纳，将成为我国构建新型电力系统的当务之急。在过去的 20年间，我国实现了风电、光伏等新能源技术的跨越式发展。截至 2021 年，我国风电、光伏发电容量均突第 8期张智刚等碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望 2807 破 3亿千瓦，装机规模均居世界首位。但风光发电量占比仅约 10，现有电力系统结构形态与体制机制难以支撑更高比例的新能源并网消纳。预计到 2030 年，我国风光总装机容量将超过 12 亿千瓦，装机占比突破 50，发电量占比将增长到 25以上；到 2060 年，风光发电量占比预计进一步提升到约 60 [3-4] 。未来 40年，大力发展风电、光伏等新能源，实现煤电从主体电源向保障电源的重大转变，统筹发展与安全，保障电力持续可靠供应，面临前所未有的挑战与变革。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。一直以来，我国经济增长过多依靠投资和出口拉动，高能耗产业发展过快，一次能源消费总量持续增加， 2020 年达 49.8 亿吨标准煤。尽管我国能源供给侧结构性改革不断向清洁能源转型发展，但能源转化和利用效率偏低，较发达国家存在一定差距。 2020年电能占能源终端消费比重仅为 27左右。近年来，能源消费环节积极推进“以电代煤、以电代油”的清洁电能替代技术，大力发展新能源汽车、燃料电池、分布式能源、微电网等技术，显著提升了能源终端电气化水平，支撑工业、交通等领域的自动化和智能化发展。为实现碳达峰、碳中和目标，到 2030 年电能占能源终端消费比重需达 40左右，到 2060年提升至 70左右 [4] 。未来 40 年，提高电能在终端能源消费中的比重，实现再电气化，构建以电为核心的清洁能源体系，将迎来巨大的机遇与创新。能源电力的生产、传输、消费方式面临根本性变革，新型电力系统是构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的关键支撑技术 [5] 。得益于我国近 10 年来特高压交直流技术的跨越式发展，全国交直流互联的坚强智能电网格局初步形成，新能源的集中式开发、规模化利用已成为实现我国能源资源大范围优化配置的重要手段。此外，我国中东部地区的海上风电和陆上分布式风光等资源蕴藏巨大储量，仅海上风电可开发资源就超过 5亿千瓦，预计到 2030 年有望开发 1亿千瓦。同时，随着电能替代技术的推广，诸如电动汽车、空调热泵、分布式储能等用户侧灵活可调资源的聚合汇总，负荷侧的角色将从被动转为主动。构建新型电力系统将呈现广域集中式与局部分布式发电并举的形态结构，源 –网 –荷 – 储协同的统筹运行与平衡机制，电碳协同的新型市场机制与治理模式。新型电力系统真正意义进入了国际的“无人区” ，亟待攻克“卡脖子”重大基础理论与关键核心技术 [6] 。综上所述，构建新型电力系统既面临巨大的挑战与变革，同时又迎来绝佳的机遇与创新。本文首先研究电力系统由于新能源比例不断提高而面临的新型平衡体系、复杂安全机理、成本疏导机制等多重挑战与变革；在此基础上，从结构、形态、技术、机制 4个方面分析新型电力系统的内涵与特征；然后，分析研判新型电力系统演化路径，以低碳电力技术创新为驱动力，以电力体制改革为推手，逐步实现可再生能源对化石能源的替代，明确煤电保容减量的压舱石定位，统筹能源经济、安全与碳减排节奏。最后，针对新型电力系统构建提出发展建议与展望。 1 新型电力系统的挑战与变革构建新型电力系统，需立足我国能源资源禀赋的基本国情，传统能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基础上。解决好新能源与传统能源、新能源与电网之间的矛盾，夯实电力系统稳定基础，需要从供给、消费、技术和机制各方面不断推动转型发展，面临新型平衡体系、复杂安全机理、成本疏导机制等多重挑战与变革，总结如图 1所示。新型电力系统的挑战与变革新型平衡体系系统平衡机理显著转变灵活性平衡体系亟需构建电力调度机制强化低碳复杂安全机理电网运行方式日趋复杂安全稳定问题不断加剧系统控制理论亟待创新成本疏导机制能源价格机制必须完善电力市场建设亟需深入电碳耦合价值亟待挖掘图 1 新型电力系统的挑战与变革 Fig. 1 Challenges and changes of new-type power system 1.1 新型平衡体系 1）系统平衡机理显著转变。在现阶段我国以煤电为主导的电力系统，电力电量平衡以及发电充裕度以确定性思路为主，依托 “源随荷动”的平衡模式保障电力供需平衡，可再生能源出力仅作为电力系统的补充。随着新能源占比的不断提高，新型电力系统的电源结构将由可控连续出力的煤电装机占主导，向强不确定性、弱可 2808 中国电机工程学报第 42卷控性的新能源发电装机占主导转变 [7] 。电力系统供需双侧均面临强不确定性，可再生能源与灵活负荷将承担一部分电力电量平衡的责任。电力电量平衡机理将向概率化、多区域、多主体的源网荷储协同的平衡模式转变。此外，电力电量平衡在不同时间尺度将凸显不同矛盾，呈现弃电与缺电风险并存的特点。长时间尺度凸显电量不平衡，新能源电量分布与负荷需求存在季节性不匹配，亟需加强跨省跨区互联，打造大范围资源优化配置平台，转向电、氢、热、气跨能源平衡；短时间尺度凸显电力不平衡，通过火电“退而不拆” ，预留足够的可靠电力容量，保障电力供应安全可靠。 2）灵活性平衡体系亟需构建。随着新能源占比的不断提高，电力系统不仅需要保障电力电量平衡，还需要具备充裕的灵活调节性以应对新能源发电的强随机性与波动性 [8] 。受限于“富煤、缺油、少气”的资源禀赋特征，我国一直面临灵活调节电源不足的局面，在西北部可再生能源富集地区，水电、抽蓄等快速调节电源严重匮乏，部分煤电机组冬季因承担供热负荷需“以热定电”运行，调节能力进一步下降。现有电力系统结构形态与平衡机制难以支撑更高比例的新能源并网消纳，亟需构建适应新型电力系统的灵活性平衡体系。一是传统火电机组需要实现从“主要能源供应者”向“灵活性资源提供者”的转变；二是加快推进包括抽蓄、储能、气电、光热电站、煤电灵活性改造等灵活调节资源建设；三是通过数字化与智能化转型，提升多元用户互动能力，聚合海量的分布式可控资源，挖掘用户侧灵活调节潜力；四是以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，构建多时空尺度的电力灵活性供需平衡体系，提升新型电力系统的新能源消纳能力 [9] 。 3）电力调度机制强化低碳。我国电力调度经历了“三公调度” 、 “经济调度” 、 “节能调度”等方式的演变。 “三公调度”以 “公平性”为目标，在确保各类设备发电完成率均匀性的原则下制定发电计划。 “经济调度”以“经济性”为目标，以成本等微增率为原则制定发电计划，考虑了调度中“显性”的生产与运营成本。 “节能调度”则以“节能性”为目标，优先调度可再生电源，并按火电机组能耗和污染物排放水平由低到高依次调用。 “三公调度”和“经济调度”分别偏重于调度的“公平性”和“经济性” ，没有考虑电能生产对于环境、资源的巨大外部性。 “节能调度” 尽管将能源资源的消耗纳入发电计划决策之中，但没有考虑对于各类低碳电源的调度问题。面向碳中和目标，新型电力系统需要引入低碳目标，考虑经济 –安全 –绿色的综合效益，计及源 –网 –荷 –储各环节的低碳要素，构建新型、科学、高效的“低碳电力调度”方式 [10] 。 1.2 复杂安全机理 1）电网运行方式日趋复杂。现阶段我国以煤电为主导的电力系统，由于负荷变化相对有规律，整个电力系统的调度运行方式与电网潮流分布相对固定，在电力系统安全分析时，只需选取不同季节的典型运行工况。但是针对新型电力系统，一方面由于新能源出力与复杂随机气象因素的强相关性，另一方面由于新能源与新型负荷海量分布式并网的特点，电网调度运行方式与潮流分布将呈现随机化与多元化特点 [11] ，电网不仅仅承担电能传输的作用，而且将更多地承担电能互济、备用共享的职能。此外，电动汽车、分布式储能、需求响应在需求侧不断普及，将使得电力系统源荷界限模糊化，形成电力产消者，局部配电网将会发生潮流反转，向主网倒送功率，使得电网安全运行分析进一步复杂化 [12] 。 2）安全稳定问题不断加剧。随着新能源大量替代常规电源，意味着电力系统中电力电子装备将不断增加，电力系统惯量持续下降，电力系统动态特性将发生深刻变化，支撑电网安全稳定的传统同质化大容量旋转设备日益稀缺，电网的安全稳定问题加剧 [13] 。例如电力电子装备过流耐受能力比同步发电机差，易发生故障连锁脱网；系统惯量下降将直接影响系统故障时的频率响应特性，进而影响系统频率稳定能力 [14] ；电力电子设备对电网动态无功主动支撑能力弱，且新能源发电逐级升压接入电网，与主网的电气距离是常规机组的 23倍，系统电压支撑与调节能力急剧下降；新能源的控制方式与电力电子设备的电磁暂态过程对同步电机转子运动产生深刻影响，功角稳定问题更为复杂 [15] 。 3）系统控制理论亟待创新。随着新能源占比的不断提高，新能源通过电力电子设备并网，电网呈现交直流混联态势，涌现多样化的电力电子接口新型负荷与储能设备，新型电力系统的源 –网 –荷 –储全环节都将呈现高度电力电第 8期张智刚等碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望 2809 子化的趋势 [11] 。电力电子装置具有低惯性、弱抗扰性和多时间尺度响应特性，导致电力系统的暂态特性与电压稳定难以用现有的经典理论解释与分析，电力系统呈现多失稳模式耦合的复杂特性，引入了宽频振荡等新形态稳定问题 [16] 。此外，电力电子装置具有海量、碎片化、分布式的并网特点，但同时具有快速响应能力，控制策略多样化，迫切需要构建适应高比例电力电子化形态的电力系统稳定分析新理论与协同控制新技术。 1.3 成本疏导机制 1）能源价格机制必须完善。能源是关系我国经济社会发展全局的大事 ,保持能源长期稳定充足供给始终是一个必须高度重视的重大战略问题。让市场在资源配置中发挥决定性作用，这需要对价格进行改革以便给市场传递正确信号。新型电力系统的新能源占比较高，新能源普遍具有近零的低运行成本，导致电力系统具有低边际成本的特点。同时，由于新能源存在间歇性与不确定性的特点，需要更高的调频、备用、容量等需求，导致电力系统具有更高的系统成本特性。面对低边际成本和高系统成本的冲突，迫切需要革新能源价格机制，通过建立容量市场、增加辅助服务收益等合理途径疏导高系统成本，反映电力能源资源在不同时间空间的真实供需价值 [17] 。除此之外，还需要建立不同品种能源价格联动机制，协调考虑能源价格弹性、油价和电价调整对通货膨胀影响、与弃风弃光有关的产业规划和激励机制问题。促进能源与电力行业全面、协调、可持续发展。 2）电力市场建设亟需深入。自 2015年中发 9号文发布后，我国进入新一轮电力体制改革，各地纷纷发力建设电力市场。目前，虽然各省已建立电力中长期市场，部分省份电力现货市场即将正式运行，但目前的市场建设仍存在诸多问题。其一，跨区跨省交易机制尚不完善，导致省间省内市场衔接差，存在省间市场壁垒，短时电力交易仅能在省内市场组织，难以充分发挥跨区跨省联网对于新能源的消纳作用，导致电力资源优化的范围较小；其二，缺乏适应新型电力系统转型的市场机制，对新型电力系统中重要的成员，包括风光等新能源、储能等新型市场主体，缺乏适应的市场机制与交易细则，难以充分激励新型市场主体参与市场，导致电力资源优化的广度有限；其三，缺乏支持源网荷储互动的市场机制，难以支撑新型电力系统中的发输配用各个环节的市场主体灵活参与市场，包括分布式新能源、电动汽车、虚拟电厂、负荷聚集商在内的多种市场主体难以接入电力系统参与优化，导致电力资源优化的深度不足 [18-19] 。 3）电碳耦合价值亟待挖掘。碳达峰、碳中和目标下，除能源的生产成本外，其环境价值也变得更为重要。具体的，新能源发电兼具低生产成本特性与高环境价值；而以煤电、气电为代表的传统能源，其生产成本适中，但环境价值较低。新型电力系统的市场机制应统筹考虑不同能源的生产成本与环境价值，通过调整价格机制、增加补贴税费、建立单独市场如绿电市场，以实现市场经济运行与节能减排碳中和的多重目标 [20] 。 2021年 9月 7日，我国绿色电力交易试点正式启动后的首次交易完成，来自北京、江苏、辽宁等 17个省份的 259 家市场主体达成 79.35 亿千瓦时的绿电交易，预计可减排二氧化碳 607.18万吨。后续，绿电交易还将与我国绿证市场、碳市场等有序衔接，协同推动能源绿色转型。目前，我国新能源装机世界排名第一，未来将拥有世界上最大的新能源市场和碳市场。随着绿电交易的推进，市场规模预计将有大幅增长。 2 新型电力系统的核心内涵应对新型电力系统面临的挑战与变革，需要立足国情，以低碳电力技术创新为驱动力，以电力体制改革为推手，统筹能源经济、安全与低碳，推动形成适合中国国情、有更强新能源消纳能力的新型电力系统。具体而言，新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以清洁能源为供给主体，绿电消费为主要目标，以电网为枢纽平台，以源网荷储互动及多能互补为支撑，具有绿色低碳、安全可控、智慧灵活、开放互动、数字赋能、经济高效等方面突出特点的电力系统。新型电力系统需要依托数字化技术，统筹源、网、荷、储资源，完善调度运行机制，多维度提升系统灵活调节能力、安全保障水平和综合运行效率，满足电力安全供应、绿色消费、经济高效的综合性目标。新型电力系统的内涵可总结为低碳、安全、高效 3个核心层面 1）适应大规模高比例新能源的低碳化电力系统。低碳是新型电力系统的核心目标。电力系统作 2810 中国电机工程学报第 42卷为能源转型的中心环节，将承担着更加迫切和繁重的清洁低碳转型任务，仅依靠传统的电源侧和电网侧调节手段，已经难以满足新能源持续大规模并网消纳的需求。新型电力系统亟需激发负荷侧和新型储能技术等潜力，形成源网荷储协同消纳新能源的格局，适应大规模高比例新能源的持续开发利用需求。 2）保障能源供需和防范风险的安全性电力系统。安全是新型电力系统的基本要求。当前我国多区域交直流混联的大电网结构日趋复杂，间歇性、波动性新能源发电接入电网规模快速扩大，新型电力电子设备应用比例大幅提升，极大地改变了传统电力系统的运行规律和特性。同时，人为极端外力破坏或通过信息攻击手段引发电网大面积停电事故等非传统电力安全风险增加。新型电力系统必须在理论分析、控制方法、调节手段等方面创新发展，应对日益加大的各类风险和挑战，保持高度的安全性。 3）全国统一电力市场优化的高效率电力系统。高效是新型电力系统的关键要素。未来高比例新能源与海量用户接入电力系统，会为能源资源优化配置的效率带来重大挑战。新型电力系统将建设全国统一电力市场，实现更高的资源优化配置效率与更大的能源优化空间。未来，在市场架构上，将形成各层次电力市场协同运行、统一交易规则与技术标准、健全多层次的统一市场体系。在市场品种上，将进一步发挥中长期市场平衡供需、稳定预期的作用，引导现货市场更好地发现电力实时价格，建立涵盖电能量、辅助服务、发电权、输电权和容量等多交易品种的灵活开放式市场体系。建设适应能源结构转型的电力市场机制，形成统一开放、竞争有序、安全高效、治理完善的电力市场体系。 3 新型电力系统的关键特征电力系统实现碳达峰、碳中和目标的过程，伴随着以化石能源为主导的传统电力系统向以清洁低碳能源为主导的新型电力系统的转型升级，电力系统的结构、形态、技术、机制将发生深刻转变，如图 2所示。 3.1 结构特征 1）清洁低碳电源为主体，化石能源为压舱石。在电源侧，未来清洁低碳电源将成为主体，发电量占比达 90以上。未来电源主要分为 3类，第结构形态机制技术高效低碳安全强不确定性电力电子化能源互联网电-碳耦合能源生产技术能源网络技术能源利用技术能量存储技术数字化技术新能源消纳长效机制源网荷储协同运行电碳协同新型市场清洁电源主体集中分布并举多元弹性用能多元储能体系全国统一电力市场图 2 新型电力系统的关键特征 Fig. 2 Key features of new-type power system 一类是具有强不确定性的可再生能源，包括风电、光伏、小水电等；第二类是可提供灵活性的可靠零碳电源，比如大中型水电、核电、生物质、光热、氢能发电等；第三类是保留的化石能源发电机组，近期通过灵活性改造用于系统调峰，远期加装碳捕集装置实现深度脱碳，同时提高“退而不拆”的应急备用煤电规模。未来将形成多元化的电力灵活性资源体系，清洁能源不仅是电量供应主体，并具备主动支撑能力，常规电源功能逐步转向调节与支撑。 2）大电网和分布式并举的互联互动。在电网侧，立足我国国情与资源禀赋， “西电东送、北电南送”的电力流分布持续强化，新能源开发呈现集中式与分布式并举的格局，电网结构将呈现“大电源、大电网”与“分布式系统”兼容互补，交直流混联大电网、柔直电网、主动配网、微电网等多种形态电网并存局面 [21] 。电网不仅承担电能传输的作用，而且将更多地承担电能互济、备用共享的职能。配电网将从交流电网转为柔性交直流配网，还将接入分布式可再生能源、储能、电动汽车、需求响应等各种灵活性的“配套”资源，实现灵活性需求的就地平衡 [22] 。 3）终端用能多样化、弹性化与有源化。在负荷侧，随着能源消费结构与产业结构调整，电气化水平将不断提升，高耗能工业负荷将减少，数据中心、电动汽车等将大幅增长，电制氢、储能、智能电器等交互式用能设备将广泛接入和应用，未来负荷种类将呈多元化特点。同时，终端用能弹性将显著增强，一方面伴随数字化与智能化转型，海量用户聚合下的双向互动与需求响应将成为常态，第 8期张智刚等碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望 2811 另一方面通过电 –热 –冷 –气等不同能源消费的协同互动与优化，实现不同能源负荷的弹性替代，灵活可控负荷将成为电力灵活性资源的重要组成部分。此外分布式能源、多能灵活转换等技术的广泛应用，终端负荷将从单一用能向有源微网转变 [22] 。 4）跨时空多元融合的共享储能体系。在储能侧，不同环节、不同时间尺度、不同应用场景对储能的技术需求各不相同，发挥的功能也各有侧重。用户侧以大量接入的电动汽车作为短时储能，主要用于日内需求响应；电源侧配置以电化学储能为主的短时储能，适当开发通过储热具备调节能力的光热发电，用于平滑新能源出力，参与调频和日内调峰；以压缩空气、 “电 –氢甲烷 –电”等作为长期储能，为系统提供长周期调节能力；电网侧配置以电化学、抽水蓄能等为主的短时储能，提供保障电网安全、应急备用、缓解输变电阻塞的调节能力。总的来说，新型电力系统将依托抽蓄、化学储能、光热储热、氢储能、压缩空气储能等多元储能技术体系，以电网为纽带，将独立分散的电网侧、电源侧、用户侧储能资源进行全网的优化配置，推动源 –网 –荷各环节储能能力全面释放，构建多元、融合、开放、共享的储能体系。 3.2 形态特征 1）从确定性系统转向不确定性系统。传统电力系统可通过调整发电机组出力满足需求侧随机波动的负荷需求，呈现供应侧可控、需求侧随机的特征 [11] 。随着波动性和间歇性的风能和光伏发电为主的可再生能源在电源结构中占比持续增长，供应侧也将出现强随机波动的特性，能源电力系统将由传统的需求侧单侧随机系统向源 –荷双侧随机系统演进。现有电力系统必须实现从“被动适应可再生能源并网带来的不确定性”的模式，转向 “适应强不确定性的源网荷储协同互动” 模式。 2）从机电主导转向机电 –电磁耦合。新能源的并网、传输和消纳在源 –网 –荷端广泛引入电力电子装备，电力系统呈现显著的高比例新能源和高比例电力电子 “双高” 趋势。因此，电力系统基本特性正由旋转电机主导的机电暂态过程为主演变为由电力电子控制主导的机电 –电磁耦合特性为主 [16] 。电力电子装置具有低惯性、低短路容量、弱抗扰性和多时间尺度响应特性，导致“双高”电力系统的响应时间常数更小毫微秒级、动态频率范围更宽上千 Hz、运行控制要求更高。在多种扰动情形下，系统的机电暂态和电磁振荡等多重因素交织影响，导致新型安全稳定问题凸显。例如，目前新能源基地出现的暂态电压支撑不足、风电机组高 /低电压穿越性能不佳、从数 Hz 到数千 Hz 的宽频电磁振荡、多馈入直流换相失败等，给电力系统的安全高效运行带来巨大的挑战。 3）从传统电力系统转向能源互联网。伴随电力系统的数字化与智能化转型，新型电力系统将转向以智能电网为核心、可再生能源为基础、互联网为纽带，通过能源与信息高度融合，实现能源高效清洁利用的能源互联网形态 [23] 。一是传统电网与智能化技术广泛融合，发挥先进输电技术，将传统电网升级为具有强大能源资源优化配置功能的智能化平台；二是采用先进的信息技术、智能终端和平台，使得能量和信息双向流动，提升电网可观性与可控性，支撑源 –网 –荷 –储的高效互动，提升高比例新能源的消纳能力；三是将分布式发电、储能系统、负荷等组成众多的微型能源网络，形成产消合一的新模式，挖掘释放负荷侧灵活调节潜力；四是打破行业壁垒，接纳各类市场主体，协助共享行业资源，实现产业互补，将新型电力系统打造为现代清洁能源高效利用体系的重要载体。 4）从电视角转向电碳耦合视角。面向双碳目标，未来电力系统的发展趋势与形态演化将转变为节能减排、低碳发展的 “外力驱动” 倒逼机制 [20] 。一是各种宏观调控与经济手段的引入，包括减排立法、碳税、碳配额、碳交易机制等，将为电力行业未来的发展构建一个全新的宏观经济环境与政策环境，各类低碳技术的蓬勃发展更是为电力行业带来了新的机遇与挑战。二是低碳环境下，碳减排将成为电力行业可持续发展的重要目标之一，从而改变了电力行业的发展模式，并在行业内部各个环节引入“碳约束” ；三是低碳理念的渗透与各类低碳要素的引入将使得电力行业呈现出明显的低碳特性与全新的运行模式，并广泛地影响电力系统的运行、投资、调度与规划等功能环节。 3.3 技术特征 1）低碳清洁的能源生产技术。在发电侧，新型电力系统需具备低碳清洁的能源生产技术特征。主要包括煤炭清洁高效灵活智能发电技术、先进风电技术、太阳能利用技术、负碳生物质技术、氢能技术以及核能技术等。以风电、太阳能为代表的非碳基能源将持续快速发展，生物 2812 中国电机工程学报第 42卷质能是目前已知有望实现负碳的能源生产技术，氢能技术有望与电力并重成为世界能源科技战略竞争焦点之一，核能发电技术是保障我国能源安全的战略性技术。 2）安全高效的能源网络技术。在电网侧，新型电力系统需具备安全高效的能源网络技术特征。主要包括高比例新能源并网支撑技术、新型电能传输技术、新型电网保护与安全防御技术、碳排放流技术等。高比例新能源并网支撑技术是实现大规模新能源并网稳定运行的关键；新型电能传输技术是支撑大规模电能广域高效配置的关键枢纽；继电保护与稳定控制系统共同组成电力系统的安全防御体系；碳排放流技术是实现精准电力碳排放追踪与计量的核心技术，可以支持碳计量终端研发，实现源侧、网侧、荷侧的实体碳表。 3）能源高效利用技术。在用户侧，新型电力系统需具备灵活高效的能源利用技术特征，主要包括柔性智能配电网技术、智能用电与供需互动技术、分布式低碳综合能源技术、电气化交通技术与工业能效提升技术等。柔性智能配电网技术是支撑用户侧分布式能源及多元负荷“即插即用” ，负荷主动支撑并网的关键平台枢纽；智能用电与供需互动是挖掘用户灵活调节潜力，引导电力消费模式低碳转型的支撑技术；分布式低碳综合能源技术是实现多种异质能源子系统之间协同管理和互补互济，提高能源综合利用效率，推动分布式清洁能源就近消纳的支撑技术；电气化交通与工业能效提升是终端用能低碳转型的关键技术。 4）能量高效存储技术。在储能侧，新型电力系统需具备经济高效的能量存储技术特征。主要包括电化学储能技术、机械与电磁储能技术、抽水蓄能技术、异质能源存储技术、云储能技术等。电化学储能技术是目前发展最快、应用最广的储能技术之一；机械与电磁储能具有大功率、长寿命、安全可靠的特点；抽蓄技术是当今技术最成熟、经济性最好和大规模开发的储能技术；异质能源存储包括储热、储氢等技术，支撑不同能源形式之间的灵活转化与协同互济；云储能技术是支撑储能资源聚合共享、协同控制、价值分配的发展新模式。 5）数字化支撑技术。数字化技术是支撑构筑新型电力系统的关键技术。数字化技术包括了现代信息技术、先进传感技术、人工智能和大数据技术，支撑构建具有智能化运行控制和运营管理，数字孪生全景展示与智能交互的新型电力系统 [24] 。传感技术实现对物理实体全面感知，网络通信技术满足不同场景与应用的通信需求，云计算与大数据技术实现大容量数据存储、计算与知识发现，人工智能技术实现智能控制和智能管理，数字孪生技术实现智能优化与数字赋能。国网新能源云是国家电网公司数字化战略在新能源领域的典型实践 ,是新一代信息技术与新能源业务深度融合形成的新能源工业互联网平台。 3.4 机制特征 1）全国统一电力市场机制。一是国家市场、省区、市市场的协同运行，实现交易时序耦合、不同交易规则协同、交易结算流程有序，在全国范围内实现电力资源优化配置和共享互济。二是电力市场体系的功能进一步完善，中长期交易周期缩短、频次增加，现货市场稳定运行、各类优先发电主体及用户侧共同加入，调频及备用等辅助服务市场建立健全。三是建立适用于新型电力系统的电力市场体系，针对电力市场不同维度的需求，包括新能源参与中长期市场、容量补偿、灵活性爬坡、绿色电力交易、分布式发电市场化交易等，建立多种市场并实现多个市场间的有序衔接与互相补充。 2）新能源消纳长效机制。一是在电网保障消纳的基础上，通过源网荷储一体化、多能互补等途径，实现电源、电网、用户、储能各类市场主体共同承担清洁能源消纳责任的机制。二是统筹电源侧、电网侧、负荷侧的灵活调节资源，完善新能源调度机制，多维度提升电力系统的调节能力，保障调节能力与新能源开发利用规模匹配。三是要科学制定新能源合理利用率目标，要形成有利于新能源发展和新型电力系统整体优化的动态调整机制，各个地方风光资源不一样、负荷情况不一样、电源电网结构不一样，要因地制宜，制定各地区的目标，充分利用系统消纳能力，积极提升新能源发展空间。 3）源网荷储协同运行机制。源网荷储一体化是指通过优化整合本地资源，以先进技术突破和体制机制创新为支撑，探索源网荷储高度融合的电力系统发展路径，强调发挥负荷侧调节能力、就地就近灵活坚强发展及激发市场活第 8期张智刚等碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望 2813 力，引导市场预期。随着能源互联网逐步建成，需求侧资源和储能将能够参与系统优化调节，源网荷储各环节间协调互动将成为常态。电力系统运行机制将由“源随荷动”转向“源荷互动” ，统筹安排源、网、荷、储各环节的运行策略，充分发挥各类资源特点，以灵活高效的方式共同推动系统优化运行，促进清洁能源高效消纳。 4）电碳协同新型市场机制。市场是实现碳减排的关键手段。我国正稳步推进电力市场与碳市场建设。在电力市场中，通过建立有利于清洁能源优先消纳的交易机制，促进清洁电能的普及利用，推动能源系统的低碳发展；在碳市场中，通过限制企业允许排放的总量，达到控制碳排放的目的，推动各行业降低排放。两个市场都对促进社会碳减排、实现“双碳”目标发挥重要作用。电 -碳市场将电力市场和碳市场的交易产品、管理机构、参与主体、市场机制等要素深度融合。在发电侧，发电成本与碳排放成本共同形成电 -碳产品价格，通过价格动态调整不断提升清洁能源市场竞争力，促进清洁替代；在用能侧，建立电力与工业、建筑、交通等领域用能行业的关联交易机制，用能企业在能源采购时自动承担碳排放成本，形成清洁电能对化石能源的价格优势，激励用能侧电能替代和电气化发展。电 –碳市场以气候与能源协同治理为方向，能够将相对分散的气候与能源治理机制、参与主体进行整合，实现目标、路径、资源高效协同，有效解决当前两个市场单独运行存在的问题，提供科学减排方案与路径，激发全社会主动减排动力。 4 新型电力系统的演化路径构建新型电力系统是一个复杂的系统工程，不可能一蹴而就，需要不断渐进演化，不同发展阶段要重点解决不同的基本矛盾，不同阶段在政策设计上要统筹兼顾好发展和减排、整体和局部、短期和