新型電力系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)思考

計(jì)思考一、基本定位第二，構(gòu)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?lián)Q代。當(dāng)前，正在進(jìn)行著第三代電力系統(tǒng)的建設(shè)和完善（《中生態(tài)文明建設(shè)需要、人類可持續(xù)發(fā)展的需要、共建人類命運(yùn)共同體需要、中國(guó)新階段高質(zhì)量發(fā)展的需要看，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。電力系統(tǒng)，電能生產(chǎn)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(shè)計(jì)的核心。和責(zé)任主體。新能源在電力系統(tǒng)中數(shù)量占比大小固然重要，但不能單純從新能源發(fā)電裝機(jī)或者發(fā)電量的數(shù)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(jīng)濟(jì)性。新能源發(fā)電主體主要是指太陽(yáng)能和風(fēng)電（不排除在個(gè)別地區(qū)生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電比太陽(yáng)能、風(fēng)能更具有開發(fā)價(jià)值）。光伏發(fā)電早在幾十年前就有，但成本過高，作為特別場(chǎng)合才有應(yīng)用。當(dāng)今，光伏、風(fēng)電成本顯著下降，在發(fā)電上網(wǎng)環(huán)節(jié)已經(jīng)可以與化石能源同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。但是，新能源接入能源為主體時(shí)，要從系統(tǒng)成本的大小看是否與化石能源具有競(jìng)爭(zhēng)性，除常規(guī)的上網(wǎng)電價(jià)成本、電網(wǎng)升級(jí)改造成本外，系統(tǒng)成本中還需要考慮風(fēng)險(xiǎn)防范如戰(zhàn)略備用電源和長(zhǎng)周期儲(chǔ)能系統(tǒng)等成本，如新能源發(fā)電不接入電網(wǎng)但用戶仍需要電網(wǎng)提供安全用電保障時(shí)，新能源發(fā)電的系統(tǒng)成本也應(yīng)計(jì)入電力系統(tǒng)為此付出的成本。同時(shí)，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(duì)社會(huì)公共利益的好處在成本中扣除）。二、基本特色中國(guó)是后發(fā)國(guó)家，經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)建成世界上規(guī)模最大、技術(shù)水平總體先進(jìn)、部分領(lǐng)先的現(xiàn)代電力系統(tǒng)。中國(guó)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)不是在幾十年一個(gè)新型電力系統(tǒng)。量辦大事的大國(guó)，更是一個(gè)有著人類命運(yùn)共同體理念的負(fù)責(zé)任大國(guó)。同時(shí)，在能源資源不平衡、能源消費(fèi)不平衡、自然環(huán)境差別大的廣袤國(guó)土之內(nèi)，新能源發(fā)電具有顯著的時(shí)、空特點(diǎn)，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(jiān)持系統(tǒng)思維，在全國(guó)一盤棋內(nèi)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。國(guó)家不到一半時(shí)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(chǎn)量和消費(fèi)量都是第一的大國(guó)，從電力轉(zhuǎn)型基本規(guī)律看，必然是快速漸進(jìn)與合理超越相結(jié)合的進(jìn)程。這就需要一方面要充分汲取全人類能源轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)，另一方面，決不能照搬任何一個(gè)國(guó)家的整體性、系統(tǒng)性經(jīng)驗(yàn)。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(chǔ)基礎(chǔ)。一是中國(guó)電力供需矛盾由長(zhǎng)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(xí)近平生態(tài)文明思想和能源安全新戰(zhàn)略指導(dǎo)下，加快新能源發(fā)展和強(qiáng)化能源安全的法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。特高壓技術(shù)和工程、電力系統(tǒng)智能化建設(shè)，分布式能源發(fā)展等不斷取得新進(jìn)展，以光伏、風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電成就巨大，以電動(dòng)汽車充換電、化學(xué)電池為代表的新業(yè)態(tài)和儲(chǔ)能蓬勃發(fā)展，煤電機(jī)組靈活性改造也為促進(jìn)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(dǎo)則》和《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》新修訂后頒布實(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求。隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求將顯著呈現(xiàn)以電能為主的特征。當(dāng)前，中國(guó)終端能25%），電能消費(fèi)占26%左右（比發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平略高）。要使中國(guó)能源消費(fèi)清潔化，大力、持續(xù)提高天然氣占比并不是最佳選項(xiàng)：一是天然氣成本總體太高，二是對(duì)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(shí)將比2020年的5320千瓦時(shí)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(shù)服務(wù)、新能源車輛整車制造、太陽(yáng)能、風(fēng)能設(shè)備制造業(yè)、充換電、儲(chǔ)能等新業(yè)態(tài)用電量增長(zhǎng)會(huì)更快。能初期，電氣化的標(biāo)志之一是電燈，即便當(dāng)時(shí)電能質(zhì)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(huì)對(duì)生活造成大的影響。當(dāng)電能普遍用于公共事業(yè)、工業(yè)動(dòng)力時(shí)，電能短缺對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響顯著增加。當(dāng)終端能源以電能（包括以新能源發(fā)電電解制氫）為主時(shí)，電能將滲透到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化的各個(gè)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(lǐng)域，成為像空氣一樣須臾不可離開的基本物質(zhì)，其重大電力安全風(fēng)險(xiǎn)將成為國(guó)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(jìn)一步提升，同時(shí)，電力安全水平與經(jīng)濟(jì)承受能力的關(guān)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(jī)性、不穩(wěn)定性、間歇性特點(diǎn)是電力供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)的主要根源，在數(shù)字化智能化平臺(tái)之上建立的電力控制及運(yùn)行系統(tǒng)，被黑客和敵對(duì)方攻擊的風(fēng)險(xiǎn)也是重大新型電力安全風(fēng)險(xiǎn)，二者疊加更具有破壞性。雖然在理論上，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，只要不惜經(jīng)濟(jì)代價(jià)是可以防范重大風(fēng)險(xiǎn)的（如再備份一個(gè)以化石能源為主體的電力系統(tǒng)但是，不惜經(jīng)濟(jì)代價(jià)的前提在決策和實(shí)施過程中是不成立的。所以，新型電力系統(tǒng)構(gòu)建要同步深化新型風(fēng)險(xiǎn)研究和防范，重構(gòu)電力安全理論和防范風(fēng)險(xiǎn)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(shè)中，中國(guó)煤電大氣污染物控制已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。二氧化硫、氮氧化物、顆粒物三項(xiàng)常規(guī)美國(guó)煤電污染物總排放量（我國(guó)煤電發(fā)電量是美國(guó)控制已經(jīng)不是中國(guó)污染排放控制的主要任務(wù)。且由于煤炭用量逐步減少，從整體上看煤煙型污染物對(duì)環(huán)境造成的影響會(huì)越來越小。但從局部看，由于燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)局部環(huán)境質(zhì)量的影響還需密切關(guān)注和嚴(yán)格控制。從宏觀上看，新能源發(fā)展中會(huì)產(chǎn)生由新材料生產(chǎn)、設(shè)備制造、設(shè)施建設(shè)運(yùn)行、設(shè)備退役等的新的生態(tài)環(huán)境問題；同時(shí)，與新能源發(fā)展相配套的化學(xué)電池生產(chǎn)、運(yùn)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(jī)制新型電力系統(tǒng)的基本要素包括，電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能、戰(zhàn)略備用幾個(gè)部分。與傳統(tǒng)的電力系的要素也發(fā)生了質(zhì)的變化。新型電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本機(jī)制可以簡(jiǎn)要?dú)w類為三個(gè)方面，即多元化電源支撐，大電網(wǎng)與分布式微網(wǎng)并舉的供需耦合機(jī)制，新電力安全風(fēng)險(xiǎn)防范機(jī)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(diǎn)放到如何發(fā)揮好年青煤電機(jī)組的綜合性作用上，特別是靈活性調(diào)節(jié)及提供系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用上。仍需要建設(shè)少量煤電時(shí)，要因地制宜做好充分論證，不能簡(jiǎn)單地走高參數(shù)、大容量、高效率建設(shè)的老路，用也就成為必然，但當(dāng)前乃至今后二三十年內(nèi)，對(duì)CCUS的基本定位應(yīng)是積極研發(fā)、慎重應(yīng)用。而先進(jìn)的、經(jīng)過不斷投入資金進(jìn)行節(jié)能提效和環(huán)保有巨大的金融風(fēng)險(xiǎn)、投資者利益受損、員工重新就業(yè)、地方經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈（如煤礦及運(yùn)輸業(yè)）等直接影響。而且對(duì)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(yùn)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(guó)煤電系統(tǒng)以及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)也是巨大社會(huì)財(cái)富的構(gòu)成，附著在這些財(cái)富之上的基本建設(shè)及設(shè)備之上的鋼鐵、水泥、材料、用工等已經(jīng)產(chǎn)生的碳排放也是巨大之?dāng)?shù)。還有，中國(guó)煤電機(jī)組中熱僅是電的問題也是供熱問題，這與發(fā)達(dá)國(guó)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(dá)國(guó)家淘汰煤電機(jī)組的平均運(yùn)行年齡大多是五十年左右，早已超過機(jī)組設(shè)計(jì)服役期，早已完成了歷史使命，而中國(guó)煤電平均運(yùn)行年齡十二三年，離服役期滿還不到一半。正如一個(gè)百歲以上老人與一個(gè)人既當(dāng)?shù)òl(fā)電）又當(dāng)媽（供熱）的二三十歲青年人談判一及家庭社會(huì)的影響是截然不同的。其具有靈活性高、碳排放強(qiáng)度低于煤炭和石油、我國(guó)燃?xì)鈾C(jī)組比重低特點(diǎn)，近期仍需要較快發(fā)展，但從成本、對(duì)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(dá)峰的峰值也會(huì)更高。是經(jīng)濟(jì)可開發(fā)角度看，水電可開發(fā)容量都已經(jīng)不大，但還是要堅(jiān)持建設(shè)，因?yàn)橄鄬?duì)于新能源，水電近零碳排放特性及對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有良好支撐性特點(diǎn)顯著。源，多利用一點(diǎn)，其整體的二氧化碳排放量就少一點(diǎn)，且因生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)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(shí)數(shù)可達(dá)六七千小時(shí)、有利于與新能源互補(bǔ)的特點(diǎn)，更具有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)民、農(nóng)村發(fā)展。生物質(zhì)發(fā)電應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持煤電機(jī)組摻燒、分散、小型、多樣化發(fā)電和綜合利用的技術(shù)路線，因無一定之規(guī)，政策上要引導(dǎo)，但不宜一刀切。第二，大電網(wǎng)與分布式微網(wǎng)并舉，智能化與市場(chǎng)化支撐的供需耦合機(jī)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(xiàn)，應(yīng)對(duì)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(dá)到了電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則規(guī)定的要求并入電網(wǎng)，但對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)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(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，電力電子系統(tǒng)對(duì)電壓、功角的穩(wěn)定也產(chǎn)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(shù)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(xiàn)。式生產(chǎn)和消費(fèi)的，從而改變傳統(tǒng)的電力負(fù)荷曲線，裝置大規(guī)模進(jìn)入電力系統(tǒng)后，使電網(wǎng)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(dòng)。節(jié)主體轉(zhuǎn)變過程中，發(fā)電機(jī)組較大偏離最佳狀態(tài)，發(fā)電效率會(huì)相應(yīng)降低，影響到電力系統(tǒng)效能。微電網(wǎng)、交直流混合電網(wǎng)共存及緊密聯(lián)系的格局。透率不斷提高，除一部分發(fā)電量用于新能源場(chǎng)站本身配套儲(chǔ)能外，會(huì)有大量新能源電力存在結(jié)構(gòu)性富余，因此，電力制氫進(jìn)而生產(chǎn)其他二次能源如甲醇等，再作為電力用儲(chǔ)能具有必然性特點(diǎn)。當(dāng)前，由于新能源滲透率不高，新能結(jié)構(gòu)性富余并不嚴(yán)重，不論從經(jīng)濟(jì)上、能源效率上、氫產(chǎn)業(yè)鏈配套上，都難以規(guī)?；a(chǎn)和使用綠氫，只宜因地制宜開展。以上電能的生產(chǎn)、輸送及消費(fèi)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(yùn)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(jī)及電力供需矛盾以短缺為主的時(shí)代，電定運(yùn)行要求調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)移負(fù)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(fù)雜性越來越大，供需雙方不斷融合，需求響應(yīng)機(jī)制也發(fā)生重大變化，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟叨戎悄芑?、高度市?chǎng)化支撐的對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)備進(jìn)行一體化管理的機(jī)制，也可稱之為供需耦合機(jī)制。第三，新風(fēng)險(xiǎn)防范機(jī)制。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，為了防范電力安全風(fēng)險(xiǎn)在相關(guān)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(fù)荷備用。備用總?cè)萘扛鶕?jù)系統(tǒng)可靠分析確定，一般為電力系統(tǒng)最高負(fù)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(yīng)根據(jù)系統(tǒng)變化進(jìn)行調(diào)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(zhǎng)時(shí)間、構(gòu)成電力供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)（或者風(fēng)險(xiǎn)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(guān)聯(lián)性，如連續(xù)的、大面積陰雨天對(duì)光伏發(fā)電內(nèi)、一般性的隨機(jī)性、波動(dòng)性儲(chǔ)能措施，已經(jīng)不能設(shè)施。對(duì)此，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中，要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)防范進(jìn)行分級(jí)分類，以確定新型電力系統(tǒng)的技術(shù)邊界、成本邊界、責(zé)任邊界。一是要對(duì)電力用戶進(jìn)行電力風(fēng)險(xiǎn)防范的分類分級(jí)，依據(jù)分類分級(jí)提供相應(yīng)等級(jí)的電力風(fēng)險(xiǎn)防范。從降低全社會(huì)成本的角度看，對(duì)有的電力用戶應(yīng)比現(xiàn)在的安全防范要求更高，但對(duì)一些電力用戶則可以降低安全防范等級(jí)，甚至可以在較長(zhǎng)時(shí)期（如多天甚至數(shù)月）中斷電力供應(yīng)。二是要研究確定不同主體（各級(jí)政府、電力企業(yè)、用戶）的電力風(fēng)險(xiǎn)防范的責(zé)任。大電網(wǎng)必須更重大性、節(jié)點(diǎn)性、支撐性電力安全的堅(jiān)強(qiáng)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(wǎng)承擔(dān)，將安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)、分散到各個(gè)更小的單三是根據(jù)安全等級(jí)不同，風(fēng)險(xiǎn)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(gè)分散電力安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)，使大、中、小電力安全風(fēng)險(xiǎn)能夠經(jīng)濟(jì)、有效、快速、協(xié)調(diào)解決，使國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的影響減少到最低程度。五、基本動(dòng)力用太陽(yáng)能從古至今沒有間斷，但是太陽(yáng)能真正稱其為新能源是以現(xiàn)代綜合性技術(shù)應(yīng)用為標(biāo)志的。所以，電網(wǎng)、用電、儲(chǔ)能等的創(chuàng)新，不僅是技術(shù)創(chuàng)新而且包括管理創(chuàng)新。新型電力系統(tǒng)所需的技術(shù)創(chuàng)新面臨著全新的挑戰(zhàn)。一方面是現(xiàn)有技術(shù)如何應(yīng)用在新型電力系統(tǒng)之中以解決當(dāng)前的實(shí)際問題，另一方面要構(gòu)建型電力系統(tǒng)運(yùn)行新理論體系，在新的理論體系下，如何推進(jìn)更大的新術(shù)創(chuàng)新。面對(duì)碳中和的偉大歷史使命，現(xiàn)有成熟技術(shù)不足以支撐全面實(shí)現(xiàn)碳中要求，這需要電力系統(tǒng)持續(xù)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，尤其是呼喚顛覆性技術(shù)的出世。從問題導(dǎo)向和可以預(yù)見的技術(shù)發(fā)展來看，新型電力系統(tǒng)需要技術(shù)創(chuàng)新主要包括以下幾個(gè)方面：風(fēng)能等新能源發(fā)電技術(shù)的持續(xù)性開發(fā)研究。波動(dòng)性預(yù)測(cè)技術(shù)，全面提高短、中、長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)精研發(fā)相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型；把對(duì)氣象要素預(yù)測(cè)與中長(zhǎng)周期儲(chǔ)能、電源戰(zhàn)略備用及安全防范密切結(jié)合起來，形成新型電力安全預(yù)警防范體系。側(cè)火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)、電網(wǎng)側(cè)各種可控頻率、電壓、功角調(diào)節(jié)技術(shù)、用戶側(cè)儲(chǔ)能以及負(fù)荷集合需求響應(yīng)技術(shù)等。率、電壓穩(wěn)定要求的電力電子技術(shù)應(yīng)用和智能化模擬技術(shù)；以及適應(yīng)低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性系統(tǒng)（需要新的電力系統(tǒng)穩(wěn)定理論指導(dǎo)和新國(guó)家導(dǎo)則加以規(guī)范）的電力系統(tǒng)穩(wěn)定技術(shù)。要求的儲(chǔ)能技術(shù)及相應(yīng)商業(yè)模式創(chuàng)新。定功能的功能型電能網(wǎng)系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車充電網(wǎng)）等與大電網(wǎng)連接及運(yùn)行機(jī)制創(chuàng)新，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)互相作用，以提高系統(tǒng)效能。源為主體的電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式的創(chuàng)新。發(fā)展相協(xié)調(diào)的綠色、低碳、循環(huán)組合技術(shù)，使煤電在合理生命周期內(nèi)發(fā)揮好綜合功能。用、儲(chǔ)、備）的關(guān)鍵設(shè)備、工程、環(huán)節(jié)、信息網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過程、重大運(yùn)行機(jī)制等