构建新型电力系统 推动高质量实现“双碳”目标

编者按：2022年7月20～21日，由中国能源研究会主办的第四届未来能源大会在北京召开，会议围绕“碳中和与全球产业融合”的主题，探讨如何进一步推进能源绿色低碳转型，构建循环发展经济体系、提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低二氧化碳排放水平、提升生态系统碳汇能力等工作。

中国科学院院士、中国电力科学院名誉院长周孝信在会上作主题发言，他指出，“双碳”目标将对电力系统带来很大变化，最主要的变化是可再生能源的比例将大幅度上升，给新型电力系统安全稳定经济运行带来新的挑战，构建清洁、高效、低碳和韧性可靠的电力系统对于新型电力系统建设十分关键。

电力系统对推动实现碳达峰、碳中和影响重大

周孝信认为，电力系统与发展根据其技术特征及其他宏观的一些主要特征，可以分成三个阶段：第一阶段为上个世纪50年代以前，称为第一代电网，主要特点是输电量特别低，电网规模很小;第二阶段为上世纪后50年，主要特点是电力快速发展，整个电力系统实现从小规模向大规模跨越发展，技术越来越精密，电压等级越来越高。大电网也是一样，总的特点就是大机组、超高压、大电网、交直流与互联电网。但实际上它是不可持续的，因为它主要还是以化石能源为主，包括资源问题、环境问题;第三阶段为新一代电力系统。从调研结果来看，国外上世纪90年代开始有这样一个发展趋势，国内还是新世纪中叶，应该是以可再生能源和石油发电为主，电网应该是骨干电网和局部电网及微电网相结合，电源就是主力电源，对中国来说还是要采取主力电源与分布式电源相结合的方式。“总的来说，基于可再生能源和清洁能源，是一种可再生发展的综合电力的发展模式。”周孝信指出。

从数据分析看，2025年，我国非化石能源发电装机占比将超过50%，2035年风光装机量超过总装机容量50%，2050～2060年煤电装机将保持在4亿千瓦以上。发电量方面，2030～2035年非化石能源发电量占比超过50%，2045～2050年风、光发电量超过总发电量50%，2050～2060年煤电发电量低，年运行2000小时以下。

周孝信告诉记者，目前，我国新型电力系统的核心目标是要成为能源清洁低碳转型的关键路径、能力电力安全保供的基本保障、能源电力节能高效的普遍举措和实现能源普遍服务的主要途径。其主要特征可概括为六个方面：

一是高比例可再生能源广泛接入。一次能源消费中非化石能源主要来自一次电力(水电、风电、太阳能发电等可再生能源电力以及核电等)，大幅提高以风、光等新能源为主的可再生能源电力占比，是电力系统升级换代的重要标志，也是实现能源转型的主要支撑。

二是高比例电力电子装备大规模应用。与传统电磁变换装备相比，电力电子装备在物理结构、控制方式、动态行为、设备交互等方面都存在显著差异，伴随超大规模交直流输电及大量新能源机组接入系统，电力电子装备应用数量不断提升、范围不断扩大，将深刻影响电力系统运行特征。

三是多能互补综合能源利用。随着多行业多类型技术高度融合，电力系统的内涵和范畴将不断外延，应充分发挥多元化资源配置的平台作用，促进风、光、水、煤等协同互补，电、热、冷、气综合利用，实现能源资源的按需、合理、高效开发利用。

四是数字化、智能化智慧能源发展。先进数字化、智能化技术将广泛渗透在未来能源电力系统各环节设计规划及调度控制中，形成高效运行、用户友好的智慧能源系统。

五是向清洁、高效、低碳、零碳转型。构建新型电力系统作为支撑实现“双碳”目标的核心手段，应以清洁、高效、低碳为根本发展导向，提升新能源开发利用水平、提高系统总体能源利用效率、降低二氧化碳排放，为整体能源转型奠定坚实基础。

六是高韧性本质安全可靠保障。绿色发展和数字革命是新世纪以来推动电力系统发展模式转换的两大驱动力。形成以非化石能源为主的电源结构，构建新一代电力系统，是实现能源转型、建设清洁低碳安全高效能源体系的主要途径。“预计到2060年，电力系统二氧化碳排放将不到10亿吨。所以电力系统做得好不好，对碳达峰、碳中和目标的实现影响重大。”周孝信认为。

新型电力系统安全运行面临的新挑战

以预测2050年数据为例，我国电力装机容量是75亿千瓦，非化石能源装机占比84%，风、光装机占比72%，发电量占比占58%。2050年，太阳能发电量占比32%，风电电量占比25%，煤电电量占比5.7%，气电电量占比6.7%。

结合数据，周孝信认为，我国电力系统安全稳定和经济运行有五项性能要求。一是灵活性，即应对系统中电源出力和负荷需求短期和中长期波动时，保持正常稳态运行的调节能力，这是电力系统源荷平衡保持正常运行的必要条件。对应的挑战为以风电、太阳能发电为主的高比例可再生能源电力系统对“源网荷储”互动提供灵活性资源的需求巨大。

二是韧性，即应对极端气候或外力严重干扰下，系统快速恢复电力供应的能力，这是电力系统应对突发事件的必备条件，对应的挑战为风电、太阳能发电对气候的敏感性，以及全球气候变化，使极端气候条件下快速恢复供电的韧性需求更为频繁和迫切。

三是稳定性，即系统承受各类扰动后保持暂态和动态稳定的能力，这是电力系统正常和扰动后安全稳定运行的基本条件，对应的挑战为高比例电力电子装备电力系统的低惯性、频率电压稳定及宽频振荡，以及信息物理系统、多能耦合系统的稳定性。

四是可靠性，即系统不间断地向用户供电能力的度量，是建立在装备和系统故障统计基础上概率分析的结果，这是电力系统安全运行的基础条件，对应的挑战为电力电子装备过载能力弱、低于故障能力低及新能源发电的不确定性，影响风电、太阳能发电入网设备和系统供电的可靠性。

五是经济性，即建立在市场或非市场基础上，系统能力损失量最小或经济社会效益最大化的运行机制体现，这是电力系统为社会提供优质服务的前提条件，对应的挑战为“双碳”目标下能源转型过程中有效化解电力的成本提高，建立有利于系统运行绿色经济性的市场化机制。

综合能源生产单元(IEPU)设想

“双碳”目标下，我国能源电力系统清洁低碳转型任务艰巨，如何科学推进传统煤电升级改造及有序退出、同时促进新能源消纳成为能源转型路径规划和相关战略制定的重要议题。周孝信指出，一方面，由于资源禀赋及行业发展历史等原因，我国仍保有大量燃煤火电机组，且当前大量在役火电厂发电效率已基本达到瓶颈，单纯大规模推广碳捕集及封存技术代价昂贵，若采用简单关停处理方式，又不利于一定时期内能源平稳供应过渡，同时涉及国有资产保值增值、就业等多方面问题，迫切需要有效手段，有序推进存量煤电机组的升级改造，充分发挥煤炭基础性保障和调节作用;另一方面，由于以风电、太阳能发电为主的可再生能源具有波动性和间歇性，机组出力不确定性强，抗扰动能力和动态调节能力弱，新能源高比例接入将对电力系统安全稳定运行带来巨大挑战，系统灵活调节资源的需求显著提升。为应对上述问题，周孝信提出关于一种融合火电机组碳捕集、燃煤机组混烧生物质、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成等技术的设想——综合能源生产单元(Integrated Energy Production Unit, IEPU)的设想。

记者了解到，IEPU将电解制氢、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等设备集成为一体，通过单元内部各子系统协同运行及单元与外部电网的灵活互动，以及多类型能源的生产、存储和化工合成等过程耦合，具有以下两个方面的优点：

一是以电解制氢装置作为可控负荷，通过与火电、水电等可调机组联合运行，在综合能源生产单元内部各子系统协同优化的同时，实现与电网互动，成为具有高灵活性的虚拟能源生产单元，为高比例新能源电力系统提供灵活性支撑，以包含煤电、光伏、电解水制氢制甲醇的方案为例，其可参与电力系统日调度的出力上限为：煤电机组额定功率+光伏发电功率-电解水制氢制甲醇装置出力下限;出力下限为煤电机组最小出力限制-电解水制氢制甲醇装置出力上限。可见，若将该系统整体作为一个虚拟发电单元，其灵活性调节范围较传统煤电机组显著提高。

二是通过二氧化碳直接与氢气合成，生产甲烷、甲醇等便于存储、运输的绿色燃料或作为重要化工原料产品，一方面可规避大规模二氧化碳捕集后压缩及封存的高额成本投入;另一方面形成合理可行的产品收益模式，有利于火电企业推广应用二氧化碳捕集与利用技术，在促进火电行业碳减排及转型发展的同时，所生产的氢气与二氧化碳、氮气合成，生成绿色燃料化工原料产品，也可为能源相关领域化石燃料和原料替代提供一定的来源补充。

针对储能领域，周孝信表示：“过去是储煤、储天然气、储石油，将来作为非化石能源，在完全绿色的情况下，储氢及利用氢和二氧化碳合成产生一些能源产品和化工原料，我认为这一点非常重要。”

周孝信认为，可再生能源电解水制氢的生产过程，作为电力系统可快速调节负荷，可成为应对风电、太阳能发电波动性、间歇性的有效措施，可部分替代燃料电池的调节作用。绿色能源产品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于运输、易于储存的特性，既可作为化工原料，也可作为以新能源为主体的新型电力系统应对中长期能源电力供需不平衡的一种储能介质。

电力系统的灵活性和韧性

周孝信告诉记者，目前，国内外没有关于电力系统灵活性统一的定义和定量评价指标。北美电力可靠性协会把电力系统的灵活性定义为：电力系统供需两侧响应系统的不确定性变化的能力，包括储存能量的能力和高效机组组合及经济调度的能力。国内有一个更准确、更细化的定义：在所关注时间尺度的有功平衡中，电力系统通过优化调配各类可用资源，以一定的成本适应发电、电网及负荷随机变化的能力。

同样，电力系统的韧性也尚无统一的定义和定量评价指标。美国国家工程院的定义是：能够认识到长时间、大面积停电事故发生的可能性，事故前充分预备，事故发生时使其影响最小化，事故发生后快速回复并且从事故中获取经验，从而自我提升的能力。国内在作了详细地研究后有更加准确的定义：能够全面、快速、准确感知电网运行态势，协同电网内外部资源，对各类扰动作出主动预判与积极预备，主动防御，快速恢复重要电力负荷，并能自我学习和持续提升的电网。

2022年6月14日，生态环境部、国家发展改革委、科学技术部门等17个部门联合印发了《国家适应气候变化战略2035》，其中特别提到增强我国经济社会系统的气候韧性。“特别是对于基础设施，包括能源设施，以及设施本身涉及到的关键技术，该战略都提出了很明确的提高韧性的要求。”周孝信说。

如何提高电力系统灵活性和韧性，周孝信进一步指出，一是以气候变化影响敏感的关键领域为抓手，坚持减缓、适应与可持续发展系统理念，增强我国经济社会系统气候韧性。二是推动基础设施与重大工程气候韧性建设，加强能源基础设施正常运行保障，提高耐受风暴潮、高温、冰冻等极端天气气候事件的能力;通过“能源+气象”信息深度融合，提升能源供应安全保障水平。三是突破基础设施与重大工程关键适应技术，能源工程与电网安全设施需要重点提升多电网联合并网、消纳和调度技术;城乡基础设施需要重点提升供水、供电、交通和应急通讯等综合适应能力技术。

电力系统灵活性仿真分析表明，在风电、太阳能装机占比超过70%的情况下，电力系统正常运行时除要有足够的煤电、气电、各类储能等提供的灵活性资源参与调节外，还需要设置光伏电解水制氢等能源转换装置作为负值可调节容量加以配合。在极端气候条件下，更需要动用长周期绿色能源储备，如绿氢及甲烷、甲醇、氨等绿色气体液体燃料参与能源电力供应。

周孝信用数据的形式呈现了电力系统如何为实现碳中和目标作出贡献：“能源系统和电力系统二氧化碳排放均可实现2030年前达峰，能源系统二氧化碳排放量将在2050年和2060年分别降低为峰值的28%、10.5%，而电力系统分别降低为峰值的25.4%和1.6%，这就为2060年前实现碳中和目标作出了电力系统的贡献。”

“双碳”目标下的两大重要举措，就是要构建清洁低碳、安全高效的能源体系和构建以新能源为主体的新型能源系统。“双碳”目标和能源转型的战略目标高度一致，两个构建是实现能源转型的根本措施。“第三代电力系统是100多年来第一、二代电力系统的传承和发展，是推动能源转型发展、构成新一代能源系统核心的新一代电力系统。电力系统由以化石能源为主，向可再生能源为主转型，将对能源转型目标的实现起到关键作用。”周孝信表示。