新型电力系统面临的挑战及应对思考

第1卷第1期 2023年6月 新型电力系统 NewTypePowerSystems Vol.1No.1 Jun.2023 文章编号：2097-2784(2023)01-0032-12中图分类号：TM721文献标识码：A 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） DevelopmentofNewPowerSystems:ChallengesandSolutions GUOJianbo1,WANGTiezhu2,LUOKui2,QINXiaohui2,JINGYiran2,ZHAOBing2,MAShicong2 (1.StateGridCorporationofChina,Beijing100031,China； 2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China) ABSTRACT:Theconstructionofnewpowersystemsisthekeysolutiontorealizethecarbonpeakandcarbonneutralitytargetsandenergytransformation.Withthedeepeningrevolutionoftheenergystructure,thepowersystemstructureandcharacteristicswillalsoexperienceprofoundchanges.Theexistingtechnologycannotsatisfytherequirementsofensuringpowersupply,gridsecurityandenergyconsumptioninthewholestageofenergytransformation,andtherefore,theconstructionofthenewpowersystemsfacesaseriesofchallenges.Thispaperbrieflyintroducestheenergyandpowerscenariosunderthe“dualcarbon”target,systematicallyanalyzesthechallengesofsufficiency,security,economyandinstitutionalmechanismsfacingbythenewpowersystems,andputsforwardkeytechnologies.Finally,comparedwiththeexistingpowersystems,thispapersummarizesthemaininnovationsofthenewpowersystems. KEYWORDS:newpowersystems;energyandelectricpowerscenario;sufficiencychallenge;securitychallenge;economicchallenge;keytechnology;systemrevolution 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 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)。 ProjectSupportedbyChineseAcademyofEngineering'sStrategicResearchandConsultingProgram(2021-JJZD-03). 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 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。 表12030年中国不同电源装机量及发电量预测 Table1Powerinstalledcapacityandpowergenerationforecastin2030,China 电源种类 装机/(万kW) 电量/(亿kW⋅h) 煤电 140000 58278 气电 21000 6000 核电 11100 8547 生物质 5700 2618 水电 54016 15760 风电 61091 13445 太阳能 94021 11860 新型储能 12000 0 其他 5750 2632 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1(a)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1(b)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 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(carboncapture，utilizationandstorage，CCUS)技术，电力行业实现净零排放。 一次能源需求量/(亿t标准煤) 60 50 40 30 20 10 0 202020252030203520402045205020552060 年份 煤油气核水风光其他 (a)我国一次能源结构演变过程 40 终端能源需求/(亿t标准煤) 35 30 25 20 15 10 5 0 202020252030203520402045205020552060 年份 煤油天然气热力电力氢其他 (b)我国终端能源结构演变过程 图1我国2020—2060年能源场景 Fig.1Energyscenariosof2020—2060inChina 表22060年中国不同电源装机量及发电量预测Table2Powerinstalledcapacityandpowergeneration forecastin2060,China 电源种类 装机/(万kW) 电量/(亿kW⋅h) 煤电 60000 6320 气电 30000 3802 核电 40000 32200 生物质 17000 6640 水电 73900 21830 风电 181000 45461 太阳能 237500 40095 新型储能 32000 0 其他 2600 1067 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。 10000 8000 小时数 6000 4000 2000 0 00.20.40.60.81 同步机出力占总负荷的比值 图22060年同步机出力大于对应负荷占比的累积持续小时数Fig.2Cumulativedurationhoursthatsynchronousmachineoutputisgreaterthanthecorrespondingloadproportionin2060 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