新型電力系統的建設發展展望

相關會議指出，要深化電力體制改革，加快構建清潔低碳、安全充裕、經濟高效、供需協同、靈活智能的新型電力系統，更好推動能源生產和消費革命，保障國家能源安全。會議強調，要科學合理設計新型電力系統建設路徑，在新能源安全可靠替代的基礎上，有計劃分步驟逐步降低傳統能源比重。要健全適應新型電力系統的體制機制，推動加強電力技術創新、市場機制創新、商業模式創新。要推動有效市場同有為政府更好結合，不斷完善政策體系，做好電力基本公共服務供給。本文擬對新型電力系統的建設發展進行探討和展望。

科學合理設計新型電力系統建設路徑

在能源清潔低碳轉型進程中，風電、光伏發電等新能源大規模接入給電力系統運行與控制帶來重大挑戰。新能源的隨機性、間歇性、波動性使電力系統規劃和運行中的功率平衡問題呈現概率化，在一定程度上降低了供電可靠性，并且傳統電力系統單一的“源隨荷動”（即根據負荷變動情況調節發電功率）模式將轉變為“源荷互動”的友好互動模式。

電力系統受擾后的穩定特性由傳統機電模式主導向機電—電磁多模式耦合交互影響演化，系統穩定分析與控制問題受到廣泛關注。電源側低慣性和低短路比特征突出，安全穩定支撐能力不斷被削弱；負荷側動態特性越來越復雜；電網側交直流、多直流間耦合更加緊密。

近年來，國外發生了幾起電網設備故障誘發的大停電事故，引起熱烈討論。2016年9月28日，澳大利亞南澳電網發生了歷時50h的全州大停電事故。2019年8月9日英國發生的大面積停電事故約有100萬人受到停電影響。2021年2月15日~19日美國得克薩斯州發生大停電事故，最多影響人口達450萬人，得州電網進入三級緊急狀態，切負荷2000萬kW，實時市場價格超過9000美元/(MW·h)。

由此可見，為確保電力安全可靠供應，在相當長一段時間內，傳統能源依然需要起到支撐性、調節性電源的作用。能源轉型不可能一蹴而就，只能有計劃分步驟逐步降低傳統能源比重。

健全適應新型電力系統的體制機制

在“雙碳”目標下，隨著高比例間歇式可再生能源的接入，需健全適應新型電力系統的體制機制。在傳統的基于實時電價理論的電力批發市場設計中，由于光伏、風電近零邊際成本的特點，使得市場出清價格降低，甚至出現負值，將傳統火電、核電在以邊際成本為準的競價交易中擠出，因此火電、核電難以生存，導致電源結構失衡，并降低電力系統的安全性和靈活性。而同時，光伏和風電的隨機性、間歇性、波動性，給電力系統的運行和控制帶來重大挑戰，對于系統靈活性的需求急劇增加，需要為靈活性資源提供足夠的經濟激勵。

在“雙碳”目標下，設計正確體現不同品質電能價值的新市場機制十分關鍵。在新型電力系統中，作為“源荷互動”運行模式的立腳點，柔性負荷、虛擬電廠等新技術和商業模式受到了廣泛關注。

柔性負荷包含具備需求韌性的可調節負荷或可轉移負荷、具備雙向調節能力的電動汽車、儲能、蓄能以及分布式電源、微電網等，其用電行為可對價格信號作出靈活響應，是電力系統靈活性的重要來源。在供電無法滿足用電需求增長的大城市，柔性負荷的削峰填谷作用還可對保障電網的安全運行起到關鍵作用。隨著電力市場改革的推進，柔性負荷和虛擬電廠參與電力現貨市場和輔助服務市場的條件逐步具備，商業模式逐漸形成。

推動有效市場同有為政府更好結合

電力系統的經濟性和安全性是一體兩面，而經濟性建立在安全性的基礎上，離開了安全性，電力系統的經濟性就無從談起。長期以來，我國電力系統堅持安全第一，對經濟性則重視不夠，電網運行保留了很高的安全裕度，還有為了安全過度投資的現象。電力市場改革體現了中共中央、國務院對電力系統效率和經濟性的高度重視，為我國電力工業的發展翻開了嶄新的一頁，也帶來前所未有的機遇。

在電力市場設計、運營和監管中，仍需時時將電力系統安全性作為考慮的前提。在電力市場中的非商業性環節，應充分重視計劃方式（包括政府干預和電網的計劃管理）的作用，讓計劃這只“看得見的手”和市場這只“看不見的手”分工協作，取長補短，充分發揮我國電力行業公有制為主體和社會主義市場經濟體制的優越性。

具體來說，在安全性占主導的場合、自然壟斷和公共服務環節，適合引入計劃管理；在經濟性占主導（效率優先）的場合，則適合采用市場調節；有些環節處于兩者之間，則應依具體情況而定。有效市場和有為政府應明確各自的合理邊界。只有讓政府管理做好公共服務、確保電網安全，才能讓市場交易更加自由和流暢，在資源配置中真正起決定性作用。

建設分層集群的新型電力系統

電力與能源的生產、傳輸、消費往往需要通過各種類型的網絡來進行，如電網、熱網、燃氣網等。由于本質上這些網絡傳遞的都是能量，只是表現形式不同，所以統稱為能量網絡。能量網絡包含不同類型能源的子網（電網、熱網、燃氣網等），而各種子網之間又通過能量轉換設備（比如發電機、泵、空調和熱水器等）相連。

由于信息通信技術（information communication technology，ICT）的飛速發展，在物理層面的能量網絡的基礎上，又可建立基于傳統自動化、互聯網技術和“云大物移智鏈”等新興技術的信息網絡，以對能源生產、儲運和利用設備進行調控。而電力與能源商品在實際運行的交易及價值傳遞則形成價值網絡。價值網絡是電力與能源價格體系的基礎，并且受能量網絡的物理規律制約。因此，新型能源體系與新型電力系統將呈現出“能量—信息—價值”三層網絡架構的形態，這三層網絡是緊密耦合、相互關聯的。

在新型電力系統中，風、光等可再生清潔能源將處處存在，意味著電源將遍布于整個電力系統，電力系統形態結構將發生重大變化。天津大學余貽鑫院士等提出分層分群電網體系結構，即“將系統分解為群集（clusters）的層次結構和全局協調”和“每個集群（cluster）都保持自己的凈功率平衡和局部自優化”。為清晰起見，本文將具有這種結構特征的電力系統稱為“分層集群的新型電力系統”，并進一步探討其運行與控制問題。

分層集群的新型電力系統也呈現出“能量—信息—價值”三層網絡架構并與其他能源系統緊密相連。分層集群的新型電力系統的規劃與運行問題可以分為物理機理（“能量網絡”層面）、運行控制（“信息網絡”層面）和市場交易（“價值網絡”層面）三個層面的問題，是典型的多學科交叉問題，需要通過多學科、多行業的聯合攻關來解決。

在傳統電力系統中，大容量發電機組往往建在一次能源資源富集的地區，并通過超/特高壓遠距離輸電技術輸送到負荷中心。而從傳統電網至未來新型電力系統的轉變過程，根據國家“雙碳”目標和保障能源安全的要求，傳統能源的逐步退出必須在新能源安全可靠替代的基礎上，隨著低碳、無碳能源與負荷的滲透率的逐步提升，電力系統轉型將是一個先立后破的過程。

在電力系統轉型過程中，電力企業與其他市場主體將逐步提升分布式電源在電力系統，尤其是在用戶側與配電網的利用率,發展分布式智能電網。這意味著配電網的形態和功能將會發生重大變化，特別是分布式電源、電動汽車、儲能、柔性負荷等將大量接入。

以光伏發電為例，我國光伏裝機總量呈逐年快速遞增的趨勢。從2016年至今，新增和累計裝機容量均為全球第一。為使在廣大沙漠、荒漠、工礦廢棄地、農村地區發展的光伏生態、農光互補皆能實現穩定供能，應提高其靈活性與便利性，大幅降低對現有發電與輸配電設備規劃與運行的影響。
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