周孝信院士：新型電力系統安全運行須滿(mǎn)足五項性能要求

能源行業(yè)是實(shí)現碳達峰、碳中和目標的重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節。實(shí)現“雙碳”目標，必將伴隨著(zhù)強隨機性、波動(dòng)性的新能源大規模并網(wǎng)，以及電動(dòng)汽車(chē)、分布式電源等交互式設備大量接入。屆時(shí)，電力系統將呈現高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點(diǎn)，電力系統在供需平衡、系統調節、穩定特性、配網(wǎng)運行、控制保護和建設成本等方面都將發(fā)生顯著(zhù)變化，也將面臨一系列新的挑戰。

中國科學(xué)院院士、中國電力科學(xué)院名譽(yù)院長(cháng)周孝信指出，“雙碳”目標將對電力系統帶來(lái)巨大影響，最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升，這給電力系統安全穩定經(jīng)濟運行帶來(lái)新的挑戰，構建清潔低碳、靈活高效、具有高韌性本質(zhì)安全可靠的新型電力系統對推動(dòng)我國能源轉型發(fā)展具有重大意義。

電力系統對推動(dòng)實(shí)現碳達峰、碳中和影響重大

周孝信指出，根據電力系統的主要特征，其發(fā)展歷程可以分成三個(gè)階段：第一階段為20世紀50年代以前，電力系統主要特點(diǎn)是電壓低、電網(wǎng)規模小、機組容量小，是電網(wǎng)發(fā)展的初級階段;第二階段為20世紀50年代至20世紀末，電力工業(yè)快速發(fā)展，整個(gè)電力系統實(shí)現從小規模向大規?？缭桨l(fā)展，技術(shù)水平快速提高，電網(wǎng)安全性、可靠性顯著(zhù)提升，該階段的主要特點(diǎn)是大機組、超高壓、交直流互聯(lián)大電網(wǎng)，這一階段的發(fā)展模式高度依賴(lài)化石能源，是不可持續的;第三階段為新一代電力系統，電源以可再生能源等非化石能源發(fā)電為主，骨干電源與分布式電源相結合，電網(wǎng)發(fā)展模式為主干電網(wǎng)和局部配網(wǎng)、微網(wǎng)并存?？偟膩?lái)說(shuō)，第三代(新一代)電力系統基于可再生能源和清潔能源，是一種可再生發(fā)展的綜合能源電力的發(fā)展模式。當前的電力系統是第三代電力系統的初級發(fā)展階段，正向著(zhù)新型電力系統方向發(fā)展。

建設中的新型電力系統將逐漸具有高比例可再生能源、高比例電力電子裝備、多能互補綜合能源、數字化智能化智慧能源、清潔高效低碳零碳、高韌性本質(zhì)安全可靠等6項主要特征。

據初步估算分析，2025年我國非化石能源發(fā)電裝機占比將超過(guò)50%，2035年風(fēng)光發(fā)電裝機超過(guò)總裝機容量50%，2050～2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上;發(fā)電量方面，2030～2035年非化石能源發(fā)電量占比超過(guò)50%，2045～2050年風(fēng)光發(fā)電量超過(guò)總發(fā)電量50%，2050～2060年煤電發(fā)電量降至較低水平，年運行小時(shí)數可能在2000小時(shí)左右。“預計到2060年，在不考慮CCUS等其他減碳措施的條件下，電力系統二氧化碳排放將大幅降低為2025年前峰值的16%。電力系統做得好不好，對碳達峰、碳中和目標的實(shí)現影響重大。”周孝信指出。

新型電力系統安全運行面臨的新挑戰

根據2050年預測數據，我國電力裝機容量75億千瓦，其中非化石能源發(fā)電裝機占比約為84%，風(fēng)光發(fā)電裝機占比72%;全年發(fā)電總量約為15萬(wàn)億千瓦時(shí)，其中風(fēng)光發(fā)電量占58%，煤電占比為5.8%，氣電占6.7%，顯著(zhù)呈現高比例新能源特征。

周孝信認為，電力系統安全穩定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。

一是靈活性，即在系統中電源出力和負荷需求短期和中長(cháng)期波動(dòng)時(shí)，保持正常穩態(tài)運行的調節能力，這是電力系統源荷平衡保持正常運行的必要條件。新型電力系統中，以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為主的可再生能源占比高，對靈活性資源的需求巨大。

二是韌性，即在極端氣候或外力嚴重干擾下，系統快速恢復電力供應的能力，這是電力系統應對突發(fā)事件的必備條件。風(fēng)電、太陽(yáng)能、水能發(fā)電對氣候的敏感性，以及全球氣候變化，使極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。

三是穩定性，即系統承受各類(lèi)擾動(dòng)后保持暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩定的能力，這是電力系統正常和擾動(dòng)后安全穩定運行的基本條件。新型電力系統將面臨系統低慣性、頻率電壓穩定、寬頻振蕩，以及信息物理系統、多能耦合系統穩定性等多重挑戰。

四是可靠性，即系統不間斷地向用戶(hù)供電能力的度量，是建立在裝備和系統故障統計基礎上概率分析的結果，這是電力系統安全運行的基礎條件。電力電子器件過(guò)載能力弱、抵御故障能力差及新能源發(fā)電的不確定性，均影響風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電入網(wǎng)設備和系統供電的可靠性。

五是經(jīng)濟性，即建立在市場(chǎng)或非市場(chǎng)基礎上，系統能量損失最小或經(jīng)濟社會(huì )效益最大化的運行機制體現，是電力系統為社會(huì )提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提條件。“雙碳”目標下能源轉型過(guò)程中需有效化解電力成本的提高，建立有利于系統運行綠色經(jīng)濟性的市場(chǎng)化機制。

綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設想

“雙碳”目標下，我國能源電力系統清潔低碳轉型任務(wù)艱巨，如何科學(xué)推進(jìn)傳統煤電升級改造及有序退出、同時(shí)促進(jìn)新能源消納是能源轉型路徑規劃和相關(guān)戰略制定的重要議題。一方面，由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因，我國仍保有大量燃煤火電機組，若采用簡(jiǎn)單關(guān)停處理方式，不利于一定時(shí)期內能源平穩供應過(guò)渡，迫切需要有效手段，科學(xué)推進(jìn)存量煤電機組的升級改造，充分發(fā)揮煤炭基礎性保障和靈活調節作用;另一方面，由于以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為主的可再生能源具有波動(dòng)性和間歇性，機組出力不確定性強，抗擾動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)調節能力弱，新能源高比例接入將對電力系統安全穩定運行帶來(lái)巨大挑戰，系統靈活調節資源的需求顯著(zhù)提升。為應對上述問(wèn)題，周孝信提出一種融合煤電機組碳捕集、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成、新型燃氣發(fā)電等技術(shù)的設想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit, 簡(jiǎn)稱(chēng)IEPU)。

據了解，IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設備集成為一體，通過(guò)單元內部各子系統協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動(dòng)，以及多類(lèi)型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過(guò)程耦合，使之成為能源電力系統中具有多種能源產(chǎn)品和靈活性調節功能的新成員，期望能作為煤電低碳/無(wú)碳轉型路徑方案的一種選擇。

周孝信認為，IEPU作為具有正負值雙向調節能力的綜合能源生產(chǎn)發(fā)電單元，可成為應對風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)性、間歇性的有效措施之一;其綠色能源產(chǎn)品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于運輸、易于儲存的特性，既可作為綠色燃料和化工原料，替代石油、天然氣等化石能源利用，也可作為新型電力系統應對中長(cháng)期能源電力供需不平衡的一種儲能介質(zhì)。周孝信表示：“過(guò)去是儲煤、儲天然氣、儲石油，將來(lái)作為非化石能源，可以?xún)浼皻渑c二氧化碳合成生產(chǎn)的能源產(chǎn)品和化工原料(其中合成氨不需要二氧化碳)，我認為這一點(diǎn)對于未來(lái)新型電力系統應對全球氣候變化的‘氣候韌性’建設、保證災害情況下短期及中長(cháng)期能源電力供應至關(guān)重要。”

電力系統的靈活性和韌性

周孝信告訴記者，目前，國內外還缺乏關(guān)于電力系統靈活性統一的定義和定量評價(jià)指標。北美電力可靠性協(xié)會(huì )把電力系統的靈活性定義為：電力系統供需兩側響應系統的不確定性變化的能力，包括儲存能量的能力和高效機組組合及經(jīng)濟調度的能力。國內有學(xué)者進(jìn)一步分析綜合提出了一種更準確、更細化的定義，即在所關(guān)注時(shí)間尺度的有功平衡中，電力系統通過(guò)優(yōu)化調配各類(lèi)可用資源，以一定的成本適應發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。

同樣，電力系統的韌性也尚無(wú)統一的定義和定量評價(jià)指標。美國國家工程院的定義為：能夠認識到長(cháng)時(shí)間、大面積停電事故發(fā)生的可能性，事故前充分預備，事故發(fā)生時(shí)使其影響最小化，事故發(fā)生后快速恢復并且從事故中獲取經(jīng)驗從而自我提升的能力。針對我國電力系統的特點(diǎn)和需求，國內有研究者提出了韌性電網(wǎng)的概念,即能夠全面、快速、準確感知電網(wǎng)運行態(tài)勢，協(xié)同電網(wǎng)內外部資源，對各類(lèi)擾動(dòng)作出主動(dòng)預判與積極預備，主動(dòng)防御，快速恢復重要電力負荷，并能自我學(xué)習和持續提升的電網(wǎng)，并結合實(shí)際提出了加強電網(wǎng)韌性的措施建議。

2022年6月14日，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、科學(xué)技術(shù)部等17個(gè)部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《國家適應氣候變化戰略2035》，其中特別提到增強我國經(jīng)濟社會(huì )系統的氣候韌性。“特別是對于基礎設施，包括能源設施，以及設施本身涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，該戰略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說(shuō)。

電力系統靈活性仿真分析表明，在風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機占比超過(guò)70%的情況下，電力系統正常運行時(shí)除要有足夠的煤電、氣電、各類(lèi)儲能等提供的靈活性資源參與調節外，還需要設置光伏電解水制氫等能源轉換裝置作為負值可調節容量加以配合。在極端氣候條件下，更需要動(dòng)用長(cháng)周期綠色能源儲備，如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體液體燃料參與能源電力供應。

“雙碳”目標下我國能源轉型的兩大重要舉措，就是構建清潔低碳、安全高效的能源體系和構建適應新能源占比逐漸提高的新型電力系統,“雙碳”目標和能源轉型的戰略目標高度一致，“兩個(gè)構建”是實(shí)現能源轉型的根本途徑。“為應對新型電力系統安全穩定經(jīng)濟運行新挑戰，滿(mǎn)足未來(lái)新條件下電力系統靈活性、韌性、穩定性、可靠性和經(jīng)濟性的嚴格要求，需要在基礎理論和實(shí)踐方面開(kāi)展前瞻性研究并積極創(chuàng )造條件實(shí)現工程示范。”周孝信表示。