新型電力系統(tǒng)頂層設計思考

計思考一、基本定位第二，構建新型電力系統(tǒng)是電力發(fā)展的必然。電力系統(tǒng)從來沒有停止過創(chuàng)新發(fā)展和更新換代。當前，正在進行著第三代電力系統(tǒng)的建設和完善（《中生態(tài)文明建設需要、人類可持續(xù)發(fā)展的需要、共建人類命運共同體需要、中國新階段高質量發(fā)展的需要看，構建新型電力系統(tǒng)是必然趨勢。電力系統(tǒng)，電能生產過程仍然是化石能源為主體，碳電能，這一定位是新型電力系統(tǒng)頂層設計的核心。和責任主體。新能源在電力系統(tǒng)中數量占比大小固然重要，但不能單純從新能源發(fā)電裝機或者發(fā)電量的數量占比大小來判斷是否為主體能源，而是要在來判斷新能源是否成為主體能源。的系統(tǒng)經濟性。新能源發(fā)電主體主要是指太陽能和風電（不排除在個別地區(qū)生物質發(fā)電、地熱發(fā)電比太陽能、風能更具有開發(fā)價值）。光伏發(fā)電早在幾十年前就有，但成本過高，作為特別場合才有應用。當今，光伏、風電成本顯著下降，在發(fā)電上網環(huán)節(jié)已經可以與化石能源同臺競爭。但是，新能源接入能源為主體時，要從系統(tǒng)成本的大小看是否與化石能源具有競爭性，除常規(guī)的上網電價成本、電網升級改造成本外，系統(tǒng)成本中還需要考慮風險防范如戰(zhàn)略備用電源和長周期儲能系統(tǒng)等成本，如新能源發(fā)電不接入電網但用戶仍需要電網提供安全用電保障時，新能源發(fā)電的系統(tǒng)成本也應計入電力系統(tǒng)為此付出的成本。同時，也要考慮新能源的正外部性效益（即把低碳和資源節(jié)約等對社會公共利益的好處在成本中扣除）。二、基本特色中國是后發(fā)國家，經過幾十年的努力，已經建成世界上規(guī)模最大、技術水平總體先進、部分領先的現代電力系統(tǒng)。中國構建新型電力系統(tǒng)不是在幾十年一個新型電力系統(tǒng)。量辦大事的大國，更是一個有著人類命運共同體理念的負責任大國。同時，在能源資源不平衡、能源消費不平衡、自然環(huán)境差別大的廣袤國土之內，新能源發(fā)電具有顯著的時、空特點，大范圍優(yōu)化配置與就地平衡配置并舉是必然之舉，因此，必須堅持系統(tǒng)思維，在全國一盤棋內構建新型電力系統(tǒng)。國家不到一半時間完成由高碳電力系統(tǒng)過渡到低碳作為世界上電力生產量和消費量都是第一的大國，從電力轉型基本規(guī)律看，必然是快速漸進與合理超越相結合的進程。這就需要一方面要充分汲取全人類能源轉型經驗，另一方面，決不能照搬任何一個國家的整體性、系統(tǒng)性經驗。需要注意的是，世界的偉大創(chuàng)新。第四，在生態(tài)文明框架和能源安全新戰(zhàn)略基礎基礎。一是中國電力供需矛盾由長期短缺發(fā)展為近生能源法》頒布以來，尤其是黨的十八大以來，在習近平生態(tài)文明思想和能源安全新戰(zhàn)略指導下，加快新能源發(fā)展和強化能源安全的法規(guī)、政策、標準不斷完善。特高壓技術和工程、電力系統(tǒng)智能化建設，分布式能源發(fā)展等不斷取得新進展，以光伏、風電為代表的新能源發(fā)電成就巨大，以電動汽車充換電、化學電池為代表的新業(yè)態(tài)和儲能蓬勃發(fā)展，煤電機組靈活性改造也為促進新源消納發(fā)揮了積極作用。三是《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》和《電力系統(tǒng)技術導則》新修訂后頒布實施，為加快新能源建提供了新的遵循。三、基本功能第一，滿足國民經濟和社會發(fā)展需求。隨著我國現代化建設持續(xù)推進，經濟社會發(fā)展對能源需求將顯著呈現以電能為主的特征。當前，中國終端能25%），電能消費占26%左右（比發(fā)達國家平均水平略高）。要使中國能源消費清潔化，大力、持續(xù)提高天然氣占比并不是最佳選項：一是天然氣成本總體太高，二是對外依存度高，三是天然氣也是化石能源。因此，在大力發(fā)展新能源背景下，提高電時將比2020年的5320千瓦時還要翻一番。在用電不斷提高。尤其是信息傳輸、軟件和信息技術服務、新能源車輛整車制造、太陽能、風能設備制造業(yè)、充換電、儲能等新業(yè)態(tài)用電量增長會更快。能初期，電氣化的標志之一是電燈，即便當時電能質量不高、停電頻繁，但人們可以方便用蠟燭或者油燈替代，并不會對生活造成大的影響。當電能普遍用于公共事業(yè)、工業(yè)動力時，電能短缺對經濟社會的影響顯著增加。當終端能源以電能（包括以新能源發(fā)電電解制氫）為主時，電能將滲透到經濟、社會、文化的各個方面，全面影響到人類的衣食住行及工作、信息溝通、社交、文化等領域，成為像空氣一樣須臾不可離開的基本物質，其重大電力安全風險將成為國家和人民難以承受之重。因此，電力安全水平隨著人民生活水平的提高而進一步提升，同時，電力安全水平與經濟承受能力的關系更為密切，滿足不同用戶的合理電力安全需求也非常重要。新能源的隨機性、不穩(wěn)定性、間歇性特點是電力供應安全風險的主要根源，在數字化智能化平臺之上建立的電力控制及運行系統(tǒng)，被黑客和敵對方攻擊的風險也是重大新型電力安全風險，二者疊加更具有破壞性。雖然在理論上，在現有的技術條件下，只要不惜經濟代價是可以防范重大風險的（如再備份一個以化石能源為主體的電力系統(tǒng)但是，不惜經濟代價的前提在決策和實施過程中是不成立的。所以，新型電力系統(tǒng)構建要同步深化新型風險研究和防范，重構電力安全理論和防范風險體系。第三，滿足生態(tài)環(huán)保新要求。在第三代電力系統(tǒng)建設中，中國煤電大氣污染物控制已經達到世界領先水平。二氧化硫、氮氧化物、顆粒物三項常規(guī)美國煤電污染物總排放量（我國煤電發(fā)電量是美國控制已經不是中國污染排放控制的主要任務。且由于煤炭用量逐步減少，從整體上看煤煙型污染物對環(huán)境造成的影響會越來越小。但從局部看，由于燃氣輪機發(fā)電還要繼續(xù)較大發(fā)展，且主要集中在城市，其排放的氮氧化物對局部環(huán)境質量的影響還需密切關注和嚴格控制。從宏觀上看，新能源發(fā)展中會產生由新材料生產、設備制造、設施建設運行、設備退役等的新的生態(tài)環(huán)境問題；同時，與新能源發(fā)展相配套的化學電池生產、運行、服役期滿后的污染物處置問題也逐步加重。這些都需要在新能源發(fā)展中同步做好生態(tài)環(huán)境管理。四、基本機制新型電力系統(tǒng)的基本要素包括，電源、電網、負荷、儲能、戰(zhàn)略備用幾個部分。與傳統(tǒng)的電力系的要素也發(fā)生了質的變化。新型電力系統(tǒng)運行的基本機制可以簡要歸類為三個方面，即多元化電源支撐，大電網與分布式微網并舉的供需耦合機制，新電力安全風險防范機制。第一，新能源為主體的多元電源支撐體系。大身快速健康發(fā)展。重點放到如何發(fā)揮好年青煤電機組的綜合性作用上，特別是靈活性調節(jié)及提供系統(tǒng)轉動慣量的作用上。仍需要建設少量煤電時，要因地制宜做好充分論證，不能簡單地走高參數、大容量、高效率建設的老路，用也就成為必然，但當前乃至今后二三十年內，對CCUS的基本定位應是積極研發(fā)、慎重應用。而先進的、經過不斷投入資金進行節(jié)能提效和環(huán)保有巨大的金融風險、投資者利益受損、員工重新就業(yè)、地方經濟、產業(yè)鏈供應鏈（如煤礦及運輸業(yè)）等直接影響。而且對整體能源安全、能源布局、電力布局、區(qū)域電源支撐、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、支撐可再生能源消納都有重要影響。而且，從低碳發(fā)展本身講，中國煤電系統(tǒng)以及關聯系統(tǒng)也是巨大社會財富的構成，附著在這些財富之上的基本建設及設備之上的鋼鐵、水泥、材料、用工等已經產生的碳排放也是巨大之數。還有，中國煤電機組中熱僅是電的問題也是供熱問題，這與發(fā)達國家煤電絕大部分只用于發(fā)電的情況是截然不同的。發(fā)達國家淘汰煤電機組的平均運行年齡大多是五十年左右，早已超過機組設計服役期，早已完成了歷史使命，而中國煤電平均運行年齡十二三年，離服役期滿還不到一半。正如一個百歲以上老人與一個人既當爹（發(fā)電）又當媽（供熱）的二三十歲青年人談判一及家庭社會的影響是截然不同的。其具有靈活性高、碳排放強度低于煤炭和石油、我國燃氣機組比重低特點，近期仍需要較快發(fā)展，但從成本、對外依存度、化石能源特性上看，不宜成為持續(xù)快速大量發(fā)展的電源。碳達峰的峰值也會更高。是經濟可開發(fā)角度看，水電可開發(fā)容量都已經不大，但還是要堅持建設，因為相對于新能源，水電近零碳排放特性及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行有良好支撐性特點顯著。源，多利用一點，其整體的二氧化碳排放量就少一點，且因生物質發(fā)電裝機容量雖然總體規(guī)模不大，但具有分散性、高利用率，年利用小時數可達六七千小時、有利于與新能源互補的特點，更具有利于促進農業(yè)、農民、農村發(fā)展。生物質發(fā)電應當堅持煤電機組摻燒、分散、小型、多樣化發(fā)電和綜合利用的技術路線，因無一定之規(guī)，政策上要引導，但不宜一刀切。第二，大電網與分布式微網并舉，智能化與市場化支撐的供需耦合機制。隨著新能源發(fā)電比重逐步提出，電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、變、配、用各要素逐步發(fā)生變化，新問題不斷出現，應對新問題的措施變。源電能雖然通過了電力電子系統(tǒng)模擬達到了電網運行導則規(guī)定的要求并入電網，但對電網運行產生不穩(wěn)定性加大。一方面，新能源發(fā)電的特性減少了系統(tǒng)轉動慣量（新能源替代傳統(tǒng)發(fā)電由此引起電能頻率不穩(wěn)定；同時，電力電子系統(tǒng)對電壓、功角的穩(wěn)定也產生新影響。另一方面，在電能輸送上，大規(guī)模新能源基地需要配合一定數量的常規(guī)電源，但常規(guī)電源的高碳特性在一定程度上降低了新能源低碳貢獻。式生產和消費的，從而改變傳統(tǒng)的電力負荷曲線，裝置大規(guī)模進入電力系統(tǒng)后，使電網配置電能由傳發(fā)、用電之間的雙向或者多向（多用戶和多電源）流動。節(jié)主體轉變過程中，發(fā)電機組較大偏離最佳狀態(tài)，發(fā)電效率會相應降低，影響到電力系統(tǒng)效能。微電網、交直流混合電網共存及緊密聯系的格局。透率不斷提高，除一部分發(fā)電量用于新能源場站本身配套儲能外，會有大量新能源電力存在結構性富余，因此，電力制氫進而生產其他二次能源如甲醇等，再作為電力用儲能具有必然性特點。當前，由于新能源滲透率不高，新能結構性富余并不嚴重，不論從經濟上、能源效率上、氫產業(yè)鏈配套上，都難以規(guī)?；a和使用綠氫，只宜因地制宜開展。以上電能的生產、輸送及消費方式的重大變化，電力系統(tǒng)相比發(fā)生重大變化，傳統(tǒng)電力運行控制的漸變性規(guī)律向非線性、突變、非典型規(guī)律變化。如在能源危機及電力供需矛盾以短缺為主的時代，電定運行要求調節(jié)或轉移負荷，以提高新能源電能利用率。隨著新能源滲透率不斷提高，電力系統(tǒng)的復雜性越來越大，供需雙方不斷融合，需求響應機制也發(fā)生重大變化，轉變?yōu)樵诟叨戎悄芑?、高度市場化支撐的對源網荷儲備進行一體化管理的機制，也可稱之為供需耦合機制。第三，新風險防范機制。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，為了防范電力安全風險在相關規(guī)定中有明確的電源備用要求，但這些備用電源基本上指的是檢修備用、事故備用、負荷備用。備用總容量根據系統(tǒng)可靠分析確定，一般為電力系統(tǒng)最高負荷的25%-30%，這些備用在新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中仍將繼續(xù)存在，但具體要求應根據系統(tǒng)變化進行調整，使之能能夠所謂戰(zhàn)略備用，是筆者為了解決非傳統(tǒng)電力安全問題而提出的。如在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，長時間、構成電力供應風險（或者風險很小但在新能源主體的電力系統(tǒng)中，由于新能源發(fā)電與氣象要素的必然關聯性，如連續(xù)的、大面積陰雨天對光伏發(fā)電內、一般性的隨機性、波動性儲能措施，已經不能設施。對此，在新型電力系統(tǒng)構建中，要對風險防范進行分級分類，以確定新型電力系統(tǒng)的技術邊界、成本邊界、責任邊界。一是要對電力用戶進行電力風險防范的分類分級，依據分類分級提供相應等級的電力風險防范。從降低全社會成本的角度看，對有的電力用戶應比現在的安全防范要求更高，但對一些電力用戶則可以降低安全防范等級，甚至可以在較長時期（如多天甚至數月）中斷電力供應。二是要研究確定不同主體（各級政府、電力企業(yè)、用戶）的電力風險防范的責任。大電網必須更重大性、節(jié)點性、支撐性電力安全的堅強保障，要由中央政府層面來管理，萬萬不可粗心大意，削弱其大范圍能源資源配置的能力。而中等范圍、局部電網承擔，將安全風險分級、分散到各個更小的單三是根據安全等級不同，風險防范的措施不同，確定電能的支付成本。在一定意義講，新型電力系統(tǒng)就是一個分散電力安全風險的系統(tǒng)，使大、中、小電力安全風險能夠經濟、有效、快速、協調解決，使國民經濟和人民生活的影響減少到最低程度。五、基本動力用太陽能從古至今沒有間斷，但是太陽能真正稱其為新能源是以現代綜合性技術應用為標志的。所以，電網、用電、儲能等的創(chuàng)新，不僅是技術創(chuàng)新而且包括管理創(chuàng)新。新型電力系統(tǒng)所需的技術創(chuàng)新面臨著全新的挑戰(zhàn)。一方面是現有技術如何應用在新型電力系統(tǒng)之中以解決當前的實際問題，另一方面要構建型電力系統(tǒng)運行新理論體系，在新的理論體系下，如何推進更大的新術創(chuàng)新。面對碳中和的偉大歷史使命，現有成熟技術不足以支撐全面實現碳中要求，這需要電力系統(tǒng)持續(xù)不斷進行技術創(chuàng)新，尤其是呼喚顛覆性技術的出世。從問題導向和可以預見的技術發(fā)展來看，新型電力系統(tǒng)需要技術創(chuàng)新主要包括以下幾個方面：風能等新能源發(fā)電技術的持續(xù)性開發(fā)研究。波動性預測技術，全面提高短、中、長周期預測精研發(fā)相應的預測模型；把對氣象要素預測與中長周期儲能、電源戰(zhàn)略備用及安全防范密切結合起來，形成新型電力安全預警防范體系。側火電機組靈活性改造技術、電網側各種可控頻率、電壓、功角調節(jié)技術、用戶側儲能以及負荷集合需求響應技術等。率、電壓穩(wěn)定要求的電力電子技術應用和智能化模擬技術；以及適應低轉動慣量特性系統(tǒng)（需要新的電力系統(tǒng)穩(wěn)定理論指導和新國家導則加以規(guī)范）的電力系統(tǒng)穩(wěn)定技術。要求的儲能技術及相應商業(yè)模式創(chuàng)新。定功能的功能型電能網系統(tǒng)（如電動汽車充電網）等與大電網連接及運行機制創(chuàng)新，發(fā)揮優(yōu)勢互相作用，以提高系統(tǒng)效能。源為主體的電力系統(tǒng)的運行模式的創(chuàng)新。發(fā)展相協調的綠色、低碳、循環(huán)組合技術，使煤電在合理生命周期內發(fā)揮好綜合功能。用、儲、備）的關鍵設備、工程、環(huán)節(jié)、信息網絡、生產過程、重大運行機制等