電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會的基礎設施，是人類歷史上最復雜、最龐大的工程系統(tǒng)之一，它的存在和運行對于我們的日常生活至關重要，從照明、家庭電器到工業(yè)生產(chǎn)、信息通信，無一不依賴于電力的穩(wěn)定供應。新型電力系統(tǒng)清潔高效、靈活智能，可在保障電力安全的前提下，滿足經(jīng)濟社會電力發(fā)展的需求。我國具有豐富的風能、太陽能等新能源資源和容量充裕的輸配電網(wǎng)絡。新型電力系統(tǒng)的開發(fā)與利用正在加速能源綠色低碳轉(zhuǎn)型升級，保證電力高效穩(wěn)定供應。
電力系統(tǒng)是最復雜的人造系統(tǒng)之一
電力系統(tǒng)的早期發(fā)展可以追溯到19世紀末，?直流電系統(tǒng)被廣泛使用。隨著技術的進步，?交流電系統(tǒng)逐漸取代直流電系統(tǒng)，?成為電力系統(tǒng)的主要形式。20世紀初，電力系統(tǒng)開始迅速擴展，電網(wǎng)互聯(lián)的概念逐漸形成。二戰(zhàn)后，各國加快了電力基礎設施建設，形成了大規(guī)模的電網(wǎng)。進入21世紀，?全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的需求給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇，高新技術的應用為電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化提供技術支持，電力系統(tǒng)迎來新的發(fā)展浪潮。
電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)，是電能生產(chǎn)與消費的完整鏈條。發(fā)電是電力系統(tǒng)的起點，將各種一次能源(如煤炭、天然氣、核能、風能、太陽能等)轉(zhuǎn)化為電能;輸電系統(tǒng)負責將發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過高壓線路遠距離傳輸?shù)阶冸娬净蜇摵芍行?，是電力系統(tǒng)中高效傳輸?shù)膭用};變電系統(tǒng)將高壓電力通過變壓器降低到適合配電的電壓等級;配電系統(tǒng)將電力從變電站通過配電線路輸送到終端用戶，并進行最后的電壓調(diào)整;用電環(huán)節(jié)涉及工業(yè)、商業(yè)、居民等終端用戶的實際用電過程，以及設備運行、耗電量管理及電費計算等。
應對氣候變化 電力系統(tǒng)邁向綠色低碳
隨著溫室氣體排放的增加，全球氣溫不斷上升，極端天氣頻發(fā)。為應對這一趨勢，我國宣布力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，并于2060年前實現(xiàn)碳中和目標。近年來，我國加速推動能源結構轉(zhuǎn)型，大力發(fā)展可再生能源，制定碳達峰行動方案，力求在全球應對氣候變化的行動中發(fā)揮關鍵作用。
面對氣候變化，逐步建設新型電力系統(tǒng)，推動能源結構轉(zhuǎn)型，減少溫室氣體排放，是能源電力行業(yè)的重要議題。傳統(tǒng)的以火力為主的發(fā)電形式受限于化石燃料資源存量和溫室氣體排放，難以獨立和全面支撐可持續(xù)發(fā)展的需求。在此背景下，以風力、光伏為代表的新能源發(fā)電因其清潔、對環(huán)境影響小的優(yōu)勢，受到各國的重視。
自2010年以來，我國在新能源發(fā)電領域取得了顯著進展。2010年，全國風電和光伏裝機容量僅為數(shù)千萬千瓦，處于起步階段。隨著政策支持的加強，特別是《可再生能源法》和全額保障性收購制度的出臺，風光發(fā)電迅速增長。隨著技術進步和成本下降，風光產(chǎn)業(yè)逐漸規(guī)?；Ｖ?024年6月底，全國發(fā)電裝機達30.7億千瓦，其中新能源裝機16.53億千瓦，占比53.8%，首次超過煤電。這一進展為全球能源轉(zhuǎn)型提供了重要經(jīng)驗，助力我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，邁向綠色低碳未來。
新能源電力接入電網(wǎng) 新型電力系統(tǒng)更靈活智能
隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機波動的負荷需求與電源之間實現(xiàn)能量的供需平衡，其結構形態(tài)、運行控制方式以及規(guī)劃建設與管理發(fā)生根本性變革，形成了以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費為主體的新一代電力系統(tǒng)，即新能源電力系統(tǒng)。圍繞能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標的國家需求，中國工程院院士劉吉臻依托新能源電力系統(tǒng)全國重點實驗室提出了以“多源互補、源網(wǎng)協(xié)同、供需互動、靈活智能”四個技術創(chuàng)新為引領的新型電力系統(tǒng)發(fā)展新形態(tài)。
多源互補是新型電力系統(tǒng)的關鍵特征。傳統(tǒng)電網(wǎng)主要依賴單一能源發(fā)電，受到資源和效率的限制，隨著風能、太陽能等新能源的引入，電力系統(tǒng)的能源來源變得更加多樣化。通過優(yōu)化不同能源的組合，能夠充分發(fā)揮各類資源的優(yōu)勢，降低對單一能源的依賴，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
源網(wǎng)協(xié)同是新型電力系統(tǒng)優(yōu)化運行的核心。傳統(tǒng)電網(wǎng)將發(fā)電和輸電系統(tǒng)視為獨立運作的部分，缺乏系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)。面對分布式發(fā)電與新能源的廣泛接入，發(fā)電與電網(wǎng)間的互動日益錯綜復雜。構建源網(wǎng)協(xié)同控制體系，可實現(xiàn)發(fā)電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的深度協(xié)調(diào)與優(yōu)化調(diào)度，顯著增強電網(wǎng)的適應力與響應速度，支撐更高比例新能源的接入和利用。
供需互動是新型電力系統(tǒng)高效運行的關鍵。傳統(tǒng)電網(wǎng)具有穩(wěn)定的發(fā)電和用電平衡特征，而隨著新能源發(fā)電比例的增加，其隨機性和波動性對電力供需平衡提出了新的挑戰(zhàn)。通過引入需求側(cè)資源，可以釋放調(diào)節(jié)潛力，有效平衡電力供需，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時，分布式智能電網(wǎng)和需求側(cè)管理技術使電力需求響應更加靈活精準，提高供需匹配效率。
靈活智能是新型電力系統(tǒng)的特點。傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴大規(guī)模集中式電站供電，而新能源發(fā)電系統(tǒng)支持分布式電源和微電網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)了多樣化的電力供應模式。通過大數(shù)據(jù)和人工智能等技術手段，智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的智能監(jiān)測和優(yōu)化控制，提升系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性。
新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨技術挑戰(zhàn)
盡管新型電力系統(tǒng)的前景令人期待，但其發(fā)展過程仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在充裕性、安全性、經(jīng)濟性三個維度。
充裕性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一，來自風光發(fā)電相對于系統(tǒng)負荷的充裕性，即如何在不同時空預留足夠的靈活性資源來保障源荷雙側(cè)的電力電量平衡。在一般氣象條件下，光伏和風力發(fā)電能力取決于光照輻射、風速、溫度等參數(shù)，由于現(xiàn)有預測水平難以消除氣象預測偏差，仍需提前預留火電、儲能等靈活調(diào)節(jié)資源作為發(fā)電備用。當電力系統(tǒng)遭遇極端天氣等迅速且劇烈的氣象變化時，常常伴隨著風光機組低溫切出、溫控型負荷激增、輸變電設備故障等突發(fā)情況，亟須火電、儲能等快速響應資源提供電力充裕性來彌補瞬時功率缺額。而當系統(tǒng)遭遇長時間電煤供應短缺、極熱無風、極寒無光等情況時，則又需要氣電、水電等異質(zhì)資源提供電量充裕性來彌補長周期的供需缺口。凡此種種，在大力發(fā)展新能源的同時，新型電力系統(tǒng)必須權衡其對電力電量充裕性的挑戰(zhàn)。
安全性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之二，來自高比例新能源和高比例電力電子器件的“雙高”特性，及其所誘導的安全性挑戰(zhàn)。一是新能源固有隨機性導致系統(tǒng)功率分布的不確定性高，常態(tài)化靜態(tài)安全分析需要適應從確定性向不確定性的過渡;二是新能源“集群化”和“分布式”的發(fā)展趨勢：前者以“沙戈荒”大型風光基地為代表，設備—場站—場群—網(wǎng)側(cè)換流站串聯(lián)，并最終依賴配套送出工程實現(xiàn)大范圍能量轉(zhuǎn)移。多環(huán)節(jié)嵌套導致故障的傳播流程復雜，單一設備故障可能引發(fā)系統(tǒng)性功率缺失;后者則以微電網(wǎng)、零碳園區(qū)為代表，就地平衡消納為主。擾動距離用戶近、涉及線路多、接入設備雜，對保護裝置的速度和精度要求高。亟須系統(tǒng)性突破故障后的新能源電力系統(tǒng)保護及源網(wǎng)協(xié)同控制技術;三是電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)大量電力電子換流設備的應用，使得電力系統(tǒng)的慣量下降，相對于傳統(tǒng)的以同步電源為主的火電系統(tǒng)而言，對于大小擾動的抵御性下降，亟須拓展不依賴于同步電源的保護新理論。
經(jīng)濟性挑戰(zhàn) 新型電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)之三，來自經(jīng)濟性，也即電力市場化機制所決定的資源優(yōu)化配置效率。當前，面對高比例新能源在全國范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移傳輸?shù)奶卣鳎瑐鹘y(tǒng)的面向化石能源、以就近供需平衡為主的市場機制，顯現(xiàn)出全局統(tǒng)籌能力不足的局限;儲能、分布式發(fā)電等新技術提高了負荷側(cè)電力自發(fā)自用的水平，富裕的電力和負荷調(diào)節(jié)能力甚至可以反向支撐大電網(wǎng)。然而，傳統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)主要依托于行政手段，缺乏源荷互動的靈活性和激勵性。新形勢下亟須建設全國統(tǒng)一的電力市場，推動跨省跨區(qū)電力市場化交易和源網(wǎng)荷儲深度互動，完善電力中長期、現(xiàn)貨、輔助服務交易有機銜接機制。
市場機制進一步引導了電力系統(tǒng)的形態(tài)演化。目前，綠電交易、碳市場、虛擬電廠等新需求新概念層出不窮，它們本質(zhì)上都是市場化的工具。如何預測不同市場機制下新能源、火電、氫能、儲能協(xié)同發(fā)展與演進路徑，在多變的環(huán)境中運用上述政策工具實現(xiàn)對系統(tǒng)形態(tài)結構的調(diào)整，形成面向長周期的新能源電力系統(tǒng)演化規(guī)劃的理論和方法，仍有待研究。
面對日益嚴峻的氣候危機與能源安全挑戰(zhàn)，構建新型電力系統(tǒng)已成當務之急。在此過程中，一方面需大力推動新能源的開發(fā)與利用，另一方面也要充分發(fā)揮傳統(tǒng)能源作為“壓艙石”的重要作用，穩(wěn)步推進新型電力系統(tǒng)建設，為“雙碳”目標的實現(xiàn)提供重要支撐!
(作者：劉念 蔣凱，分別系華北電力大學電氣與電子工程學院副院長，講師)
