淺談電力系統中的四化特徵

電力系統是能源體系的關鍵組成部分，電力行業碳排放佔碳排放總量的40%以上，是我國能源轉型與碳減排的主戰場。3月15日，習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議，指出要“實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源爲主體的新型電力系統”。這爲“雙碳”目標下我國電力系統形態演化與技術變革指明瞭戰略方向。

新能源裝機、電量佔比不斷提升帶來的量變，將逐步引發電力系統在物理形態和技術框架上產生本質性變化，從而使得新型電力系統呈現出區別於傳統電力系統的一些顯著特徵，可以概括爲“四化”，即電力電源清潔化、電力系統柔性化、電力系統數字化、電力系統電力電子化。

（一）電力電源清潔化

電力行業碳排放佔碳排放總量的40%以上，因此電源的清潔化是實現碳中和的關鍵。目前我國電力能源結構仍以化石能源爲主體，截至2020年，風電、光伏發電總裝機容量佔比爲24.32%，發電量佔比僅爲11.2%（火電佔比71.2%）。未來電力系統的新能源佔比將快速提升，並逐步成爲主體和主導電源，預計到2060年，風電、光伏發電裝機佔比將達70%以上並提供超過55%的電量。

（二）電力系統柔性化

爲了適應發電側大規模新能源帶來的強波動性，必須從多環節入手，全面提升電力系統運行的靈活性和可控性，實現柔性化發展。

一是加強靈活調節電源建設，提升系統靈活性。歐美髮達國家的能源轉型以大量靈活電源作爲支撐，而我國靈活電源比例過低，抽水蓄能和燃氣的總髮電量佔比不足4%，難以支撐更高比例的新能源消納。因此，必須提高抽水蓄能與燃氣發電的裝機容量佔比，同時通過技術升級，大幅度提升煤電的快速靈活調節能力。

二是提升電網柔性傳輸能力，重構電網形態。在新型電力系統中，輸、配電網不再是單純的電能傳輸通道，而是成爲能量廣域時空互濟的紐帶，這對電網的拓撲形態和調控能力提出全新要求。如歐洲在2004年就制訂了“SuperGrid（超級電網）”建設規劃，大力發展柔性輸配電技術。目前德國憑藉高度柔性化的電力系統，在不足15%的靈活電源裝機下，實現了40%以上的新能源電力消納。這對“缺油少氣”的我國具有很好的借鑑意義。因此，我國未來應構建多區域柔性互聯的電網架構，充分發揮電網的間接儲能作用，提升新能源承載能力。

三是提升電能存儲能力，助力電網削峯填谷。爲彌補新能源的短期和中長期波動性，規模化的儲能是必需的手段。目前，抽水蓄能仍是大規模電能存儲的最佳手段，在儲能的功率、容量、時長、成本方面均佔優勢，但是在一定程度上要受到地理條件的限制。各種物理、化學儲能技術近年來得到了長足發展，但是離電力系統的需求仍有很大差距。氫能憑藉能量密度高、存儲時間長的優點，未來有潛力成爲跨周、跨季節能量平衡的重要手段。

（三）電力系統數字化

電力系統數字化是通過數字技術與物理系統的深度融合，實現對電力系統的“數字賦能”，從而實現新型電力系統的全面感知與高度智能化運行。

一是提升數字分析水平，加強電網協調控制能力。風、光等新能源發電所採用的雙饋式/直驅式風機、光伏逆變器等都使用了電力電子裝置，這些電力電子裝置代替了原有系統中的機械轉動設備，使得系統的動態過程將從常規的機電暫態爲主變爲電磁暫態爲主，分析計算需要在更復雜、更精細化的數學模型與更短的時間尺度下進行，因此必須發展更好的建模、解算方法與軟、硬件平臺。另外，由於新型電力系統在運行中存在大量強隨機波動因素，基於人工離線計算的傳統調度手段難以勝任，必須藉助人工智能等手段實現高度智能化的調度控制。

二是促進多元用戶供需互動，提升需求側管理水平。通過廣域信息採集和互動技術，實現大範圍內海量分散電源和負荷之間的協調聚合，使之作爲整體深度參與電網供需平衡，可充分釋放需求側主動調節的潛力，緩解電源和負荷的波動性帶來的挑戰。在這一方面，德國依託E-Energy項目開展了廣泛的應用，取得了良好的效果。

三是加強數字與設備融合，提升設備智能化水平。設備是系統構建的物理基礎，通過高精度分佈式傳感、物聯網等先進數字技術與設備的深入融合，可實現電力裝備與系統的全方位實時化狀態感知，爲廣域智能控制建立信息基礎。而我國目前在該領域的高端傳感器和核心芯片等技術仍存在欠缺。

（四）電力系統電力電子化

在新能源替代、柔性輸變電與新型負荷等多重內、外部需求的共同驅動下，電力電子技術將在新型電力系統的發、輸、變、配、用各環節得到更加廣泛的應用。預計2060年，我國電力系統中發、輸、用各環節的電力電子化程度將達72%、50%和95%以上。隨着發電機、變壓器等常規電力裝置逐漸被電力電子裝置所取代，電力系統所需要考慮和控制的頻帶將從50赫茲左右擴展到數赫茲至數千赫茲的較寬範圍，而數以百萬計的電力電子裝備組成的系統，需要高速的協調控制才能實現良好運行，現有針對傳統電力系統的機理、測量、運行、控制方法都難以適用，相關的控制、智能化水平也遠遠難以支撐。

一是在靈活交流輸電方面，我國已全面掌握各類型靈活交流輸電裝備技術並實現了工程示範和大範圍推廣。未來的新型電力系統中，靈活交流輸電技術將成爲動態優化潮流分佈、提升高比例新能源條件下系統靈活性和穩定性的重要手段。

二是在特高壓直流輸電方面，我國自主研製出國際領先的±800千伏和±1100千伏特高壓直流核心裝備，可實現千萬千瓦級電能的超遠距離、超大容量傳輸。在新型電力系統中，特高壓直流仍將是“西電東送”戰略實施的重要手段。

三是在柔性直流與直流電網方面，我國自主研製出國際領先的柔性直流輸電裝備，並完成上海、廈門、舟山、渝鄂等系列工程示範，在風電併網、城市供電、大電網互聯等方面發揮出重要作用。在此基礎上，我國又進一步突破了直流電網技術，在張北建成世界首個直流電網工程，實現了張北地區100%新能源外送，併爲綠色冬奧提供了基礎設施保障。作爲靈活性最高、可控性最好的輸電技術，柔性直流和直流電網將在未來的新型電力系統中得到更廣泛的應用，成爲新能源友好併網與區域電網柔性互聯的重要技術手段。

在新型電力系統的“四化”本質特徵中，電力電源清潔化是推動能源轉型的內在動力；電力系統柔性化是重構電力系統形態的必然趨勢；電力系統數字化是升級電力系統的必要手段；“電力系統電力電子化”是重塑電力系統運行控制理論的客觀要求。新型電力系統的四大本質特徵相輔相成，成爲有機融合的整體，也爲開展新型電力系統理論和技術研究提供了出發點和落腳點。

在新型電力系統的“四化”本質特徵中，電力電源清潔化是推動能源轉型的內在動力；電力系統柔性化是重構電力系統形態的必然趨勢；電力系統數字化是升級電力系統的必要手段；“電力系統電力電子化”是重塑電力系統運行控制理論的客觀要求。新型電力系統的四大本質特徵相輔相成，成爲有機融合的整體，也爲開展新型電力系統理論和技術研究提供了出發點和落腳點。