新型電力系統：清潔高效又智能
來源：哈爾濱電氣集團有限公司
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發布時間：2024-09-20
電力系統作為現代社會的基礎設施，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、家庭電器到工業生產、信息通信，無一不依賴于電力的穩定供應。新型電力系統清潔高效、靈活智能，可在保障電力安全的前提下，滿足經濟社會電力發展的需求。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絡。新型電力系統的開發與利用正在加速能源綠色低碳轉型升級，保證電力高效穩定供應。
電力系統是最復雜的人造系統之一
電力系統的早期發展可以追溯到19世紀末，?直流電系統被廣泛使用。隨著技術的進步，?交流電系統逐漸取代直流電系統，?成為電力系統的主要形式。20世紀初，電力系統開始迅速擴展，電網互聯的概念逐漸形成。二戰后，各國加快了電力基礎設施建設，形成了大規模的電網。進入21世紀，?全球氣候變化和能源轉型的需求給傳統電力系統帶來新的挑戰和機遇，高新技術的應用為電力系統的現代化和智能化提供技術支持，電力系統迎來新的發展浪潮。
電力系統包括發電、輸電、變電、配電和用電等環節，是電能生產與消費的完整鏈條。發電是電力系統的起點，將各種一次能源（如煤炭、天然氣、核能、風能、太陽能等）轉化為電能；輸電系統負責將發電廠產生的電力通過高壓線路遠距離傳輸到變電站或負荷中心，是電力系統中高效傳輸的動脈；變電系統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整；用電環節涉及工業、商業、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。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年前實現碳中和目標。近年來，我國加速推動能源結構轉型，大力發展可再生能源，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揮關鍵作用。
面對氣候變化，逐步建設新型電力系統，推動能源結構轉型，減少溫室氣體排放，是能源電力行業的重要議題。傳統的以火力為主的發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發展的需求。在此背景下，以風力、光伏為代表的新能源發電因其清潔、對環境影響小的優勢，受到各國的重視。
自2010年以來，我國在新能源發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，風光發電迅速增長。隨著技術進步和成本下降，風光產業逐漸規?；Ｖ?024年6月底，全國發電裝機達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型提供了重要經驗，助力我國實現“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 新型電力系統更靈活智能
隨著大規模新能源電力接入電網，電力系統需要在隨機波動的負荷需求與電源之間實現能量的供需平衡，其結構形態、運行控制方式以及規劃建設與管理發生根本性變革，形成了以新能源電力生產、傳輸、消費為主體的新一代電力系統，即新能源電力系統。圍繞能源轉型和“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全國重點實驗室提出了以“多源互補、源網協同、供需互動、靈活智能”四個技術創新為引領的新型電力系統發展新形態。
多源互補是新型電力系統的關鍵特征。傳統電網主要依賴單一能源發電，受到資源和效率的限制，隨著風能、太陽能等新能源的引入，電力系統的能源來源變得更加多樣化。通過優化不同能源的組合，能夠充分發揮各類資源的優勢，降低對單一能源的依賴，從而提升系統的穩定性和可靠性。
源網協同是新型電力系統優化運行的核心。傳統電網將發電和輸電系統視為獨立運作的部分，缺乏系統級的協調。面對分布式發電與新能源的廣泛接入，發電與電網間的互動日益錯綜復雜。構建源網協同控制體系，可實現發電側與電網側的深度協調與優化調度，顯著增強電網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高效運行的關鍵。傳統電網具有穩定的發電和用電平衡特征，而隨著新能源發電比例的增加，其隨機性和波動性對電力供需平衡提出了新的挑戰。通過引入需求側資源，可以釋放調節潛力，有效平衡電力供需，確保電網的穩定運行。同時，分布式智能電網和需求側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的特點。傳統電網依賴大規模集中式電站供電，而新能源發電系統支持分布式電源和微電網的發展，實現了多樣化的電力供應模式。通過大數據和人工智能等技術手段，智能電網可以實現對電網的智能監測和優化控制，提升系統運行的效率和穩定性。
新型電力系統發展面臨技術挑戰
盡管新型電力系統的前景令人期待，但其發展過程仍面臨諸多技術挑戰，這些挑戰主要體現在充裕性、安全性、經濟性三個維度。
充裕性挑戰 新型電力系統發展的挑戰之一，來自風光發電相對于系統負荷的充裕性，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的電力電量平衡。在一般氣象條件下，光伏和風力發電能力取決于光照輻射、風速、溫度等參數，由于現有預測水平難以消除氣象預測偏差，仍需提前預留火電、儲能等靈活調節資源作為發電備用。當電力系統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，在大力發展新能源的同時，新型電力系統必須權衡其對電力電量充裕性的挑戰。
安全性挑戰 新型電力系統發展的挑戰之二，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。一是新能源固有隨機性導致系統功率分布的不確定性高，常態化靜態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—網側換流站串聯，并最終依賴配套送出工程實現大范圍能量轉移。多環節嵌套導致故障的傳播流程復雜，單一設備故障可能引發系統性功率缺失；后者則以微電網、零碳園區為代表，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。亟須系統性突破故障后的新能源電力系統保護及源網協同控制技術；三是電源側、電網側、負荷側大量電力電子換流設備的應用，使得電力系統的慣量下降，相對于傳統的以同步電源為主的火電系統而言，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。
經濟性挑戰 新型電力系統發展的挑戰之三，來自經濟性，也即電力市場化機制所決定的資源優化配置效率。當前，面對高比例新能源在全國范圍內轉移傳輸的特征，傳統的面向化石能源、以就近供需平衡為主的市場機制，顯現出全局統籌能力不足的局限；儲能、分布式發電等新技術提高了負荷側電力自發自用的水平，富裕的電力和負荷調節能力甚至可以反向支撐大電網。然而，傳統的負荷調節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一的電力市場，推動跨省跨區電力市場化交易和源網荷儲深度互動，完善電力中長期、現貨、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的形態演化。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、儲能協同發展與演進路徑，在多變的環境中運用上述政策工具實現對系統形態結構的調整，形成面向長周期的新能源電力系統演化規劃的理論和方法，仍有待研究。
面對日益嚴峻的氣候危機與能源安全挑戰，構建新型電力系統已成當務之急。在此過程中，一方面需大力推動新能源的開發與利用，另一方面也要充分發揮傳統能源作為“壓艙石”的重要作用，穩步推進新型電力系統建設，為“雙碳”目標的實現提供重要支撐！