新型电力系统的六要素分析_康重庆.pdf

第 47卷 第 5期 电 网 技 术 V ol. 47 No. 5 2023年 5月 Power System Technology May 2023 文章编号 1000-3673（ 2023） 05-1741-10 中图分类号 TM 721 文献标志码 A 学科代码 470 40 新型电力系统的六要素分析 康重庆 1,2,3,4 ，杜尔顺 2,3 ，郭鸿业 1 ，李姚旺 3 ，方宇晨 1 ，张宁 1,3 ，钟海旺 1,3 1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084； 2．清华大学低碳能源实验室，北京市 海淀区 100084； 3．清华四川能源互联网研究院，四川省 成都市 610213； 4．天府永兴实验室新型电力系统研究中心，四川省 成都市 610213 Primary Exploration of Six Essential Factors in New Power System KANG Chongqing 1,2,3,4 , DU Ershun 2,3 , GUO Hongye 1 , LI Yaowang 3 , FANG Yuchen 1 , ZHANG Ning 1,3 , ZHONG Haiwang 1,3 1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Laboratory of Low Carbon Energy, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 3. Tsinghua Sichuan Energy Internet Research Institute, Chengdu 610213, Sichuan Province, China; 4. New Power System Research Center, Tianfu Yongxing Laboratory, Chengdu 610213, Sichuan Province, China 1ABSTRACT Driven by the goal of carbon neutrality, the safe, efficient, and low-carbon transition of the power energy system with digital and intelligent technology innovation has become important development strategies in China. Firstly, this paper discusses the connotation and requirements of the energy revolution for the construction of a new power system from the perspective of the national macro strategies. After that, the reform process of the new power system is introduced and the key elements of the fossil energy-dominated power system, the double-high power system, and the new power system are analyzed. On this basis, the basic characteristics of the new power system are introduced, and the six key elements of the new power system are presented, namely “generation“, “grid“, “demand“, “storage“, “decarbonization“, and “digitization“. The relationships between the six elements are analyzed. Finally, starting from the core motivation driving the development of the new power system and the methodologies to build the new power system, the key technologies of the new power system from the “carbon perspective“ and the key technologies in the process of the power system digital transformation are explored and prospected. KEY WORDS new power system; source-network-load-storage- decarbonization-digitization; carbon neutrality; digitalization 摘要 面向碳中和目标，能源电力系统的安全高效、绿色低 碳转型及数字化智能化技术创新已成为全球发展趋势及我 国能源科技创新的关键抓手。该文从国家宏观战略层面探讨 基金项目 国家自然科学基金重点基金资助项目 52130702。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China NSFC 52130702. 了能源革命对建设新型电力系统的要求，阐述了新型电力系 统的变革历程，从化石能源为主导的 传 统电力系统， 到 高 比 例 新能源和高 比例 电力电 子 为主要 特征 的 “双 高 ” 电力系统， 再到 新能源为主 体 的新型电力系统， 分析 了 演 化 过 程中 不同 阶段 电力系统的关键要 素 。 在此 基 础上 ， 总结凝练 了新型电 力系统的 六大 关键要 素“ 源网 荷储 碳数 ”，阐述了 六 要 素之 间 的 耦合 关系。 最后 ， 聚焦“ 碳 ”与“ 数 ” 2个 新 兴 的关键 要 素 ， 分别 从低碳化 与 数字化 2个视角 对建设新型电力系统 的关键技术 进行 了探 析与 展 望 。 关键词 新型电力系统 ； 源网 荷储 碳数 ； 碳中和 ； 数字化 DOI 10.13335/j.1000-3673.pst.2023.0535 0 引言 在应 对 气候 变化、全球能源 产业链遭受严 重 冲 击 、 世界 能源 格局动荡等百 年 未有之大 变 局形 势 下 ，能源电力系统向安全高效、绿色低碳转型已 经 成为全球发展趋势。 2020年 9月，我国 在联合 国 大 会上承诺宣布“ 中国 将提 高国家自主 贡献 力 度 ， 采取更加有 力的 政策 和 措施 ， 二氧 化碳 排放 力 争于 2030年 前达 到 峰值 ， 努 力 争 取 2060年 前实现 碳中 和 ” [1] 。 2021年 3月， 习 总 书记 在 中 央财 经 委员 会 第 九次 会 议 上提 出构 建新型电力系统 [2] 。 2021年 10 月，国 务院印 发 2030前 碳 达峰 行动 方案 提 出 “ 构 建新能源 占 比 逐渐 提 高的新型电力系统 ” [3] 。 2023 年 1月，国家能源 局 发 布 新型电力系统发展 蓝皮 书 征 求 意见稿 ， 描绘 了新型电力系统的 内涵 特征 与 发展 路径 [4] 。 总体 来说 ， 构 建新型电力系统已成 为我国 实现 碳中和目标的关键抓手 [5] 。 1742 康 重 庆 等 新型电力系统的 六 要 素分析 V ol. 47 No. 5 我国资源 禀赋 与 能源 需 求 呈现逆 向 分布 ，为 支 撑 经 济社 会 发展和 快速增长 的 用 电 需 求，我国建成 了 世界上 规模 最大 、 远距离输送 能力 最 强 的电力系 统。 截至 2022 年 底 ，我国 各类 电源 总 装机规模 23.8亿 kW， 西 电 东送规模达 到 2.9亿 kW。 煤 电 一 直是 我国电力 供 应 安全的重要 支撑 ， 但近 年 来 电力 绿色低碳转型 不 断 加 速 ， 可 再 生 能源 装机规模达 12.13亿 kW， 占 比 达 到 47.3， 首次超 过 煤 电 装机 规模 ； 其 中， 风光 发电 装机 7.58亿 kW， 累计 规模 与 新 增装机 多 年 来 持续居 世界 第 一 [6] 。新能源的 快 速 发展 与大 规模 发电 并 网 给 电力系统 带 来 了 随 机 性 、 波 动 性 与不 确定性 。为了 支撑 新能源 当 前 的 大 规模 并 网 以 及 未 来 的高 比例 消纳 ，电力系统 迫切 需 要 构 建 多元 技术 多时 间 尺 度 的 储 能 体 系，电力系统 结 构 形 态 逐 步由 “ 源网 荷储” 四 要 素体 现 。 从 “ 低碳化 ” 出 发，能源碳 排放 约 占 全 社 会 碳 排放 的 88，电力 行业 碳 排放占 比 超 过 40， 是 碳 排放 与 煤 炭消费 占 比最大 的 单 一 行业 [7] 。面向 双 碳 目标，能源 是 主战 场 ，电力 是 主力 军 。为 实现 碳 达 峰 、碳中和目标， 未 来 40年 需 要 大 力发展 风 电、 光伏 等 新能源技术， 提 升 电力系统的新能源 消纳 能 力， 通 过 统 筹 发展 与 安全， 逐渐 提 高电力系统的新 能源 占 比 ， 实现 从化石能源为主 体 向新能源为主 体 的重 大 转变，成为我国 构 建新型电力系统的 当 务 之 急 与 必由 之 路 。 简而言 之 ，碳中和目标 是 建设新型 电力系统的 核心 动 因 。 从 “ 数字化 ” 出 发，数字技术 与 能源电力基 础 设 施 的 融 合 是实现 产业 智能化转型 升级 ， 把握 新 一 轮 科技革命和 产业 变革新 机 遇 的战略 选择 。 2022年 10 月， 党 的 二 十 大 报告明确 提 出 加 快 发展数字 经 济 ， 促 进 数字 经 济 和 实 体经 济 深 度 融 合 [8] 。 2023年 3月， 十四届 全国 人 大提 出 组 建国家数 据 局 ，统 筹 推 进 数字中国、数字 经 济 、数字 社 会 规 划 和建设 等 [9] 。 新型电力系统的数字化转型 体 现 为 在 电力系统源 网 荷储 各 环节广泛推广 应 用 “ 云 大 物移 智 链 边 ”等 先 进 数字化技术 与 人工 智能技术， 构 建 信息物理深 度 融 合 的数字化、 信息 化和智能化新型电力系统， 实现 多 能 互补 的高效转化 利 用 与 源网 荷储 协 同 互 动 。 一 言蔽 之 ，数字化转型 是 建设新型电力系统的 关键 途 径 。 综 上 所 述， 构 建新型电力系统 是实现 碳中和目 标的关键抓手， 需 要 依托 数字化技术，统 筹 源、网、 荷 、 储 资源， 以 源网 荷储 互 动 及 多 能 互补 为 支撑 ， 满足 绿色 消费 、安全 供 应 、 经 济 高效的 综 合 性 目标。 因 此 ， 本 文 认 为新型电力系统 结 构 形 态 将 由 “ 源网 荷储” 四 要 素 拓 展为 “ 源网 荷储 碳数 ”六 要 素 。 其 中，源网 荷储 是 新型电力系统的 物理 架 构 ； 碳中和 目标 是 建设新型电力系统的 核心 动 因 ，数字化转型 是 建设新型电力系统的关键 途 径 。 本 文的 结 构 如 下 首 先 从国家宏观战略层面探 讨了能源革命对建设新型电力系统的要求 ； 其次 ， 从电力 行业视角 出 发，探 析 了 不同阶段 电力系统的 关键要 素；在此 基 础上 ， 分析 了新型电力系统的 六 要 素 及 其 之间 的关 联耦合 关系 ；最后 ， 分别 针 对 “ 碳 ”与“ 数 ” 2个 关键要 素 ，展 望 了关键技术发 展 方 向。 此 外 ， 需 要 说 明 的 是 ， 本 文主要从技术要 素角 度 出 发，探讨 提 出 由 “ 源网 荷储” 四 要 素 拓 展为 “ 源 网 荷储 碳数 ”六 要 素 ， 其 中对 “ 数字化 ” 的 理 解 广 义包含 了数字化、智能化、 信息 化 等 范畴 。 1 从能源革命到新型电力系统 在 新的 时 代背景 下 ，中国能源革命 不 断 向 纵 深 挺 进 ， 正谱写 能源高 质量 发展新 篇章 ，对建设新型 电力系统的要求探 析 如 下 。 1.1 能源革命对新型电力系统的要求 为 实现 碳 达峰 、碳中和目标， 到 2030年 非 化 石能源 消费 占 比 需 提 升 至 25以 上 ， 风光 发电 装机 需 提 升 至 18亿 kW左右 ，新能源 逐 步 成为发电 量 增 量 主 体；到 2060年 非 化石能源 消费 占 比 需 跨越 式 提 升 至 80以 上 ，新能源 逐 步 成为发电主 体 ，发 电 装机增长至 50亿 kW以 上 ，实现 电力系统 脱 碳 [10] 。 从能源 消费 革命 角度 ， 引 导绿色能源 消费 ， 提 升 终 端 电 气 化 率 是 推 动 能源 消费 模 式 转型、 实现 能效 提 升 与 保障 能源安全的 必 然 选择 。从能源技术革命 角 度 ， 构 建新型电力系统 是 从 “ 0”到“ 1” 的技术 突 破 创新， 需 要 通 过 源网 荷储 各 环节 的关键 核心 技术 创新和重 大 装 备攻 关 着 力 提 升 绿色能源技术和 产 业 竞 争 力。从能源 机 制 革命 角度 ，电力系统发展 逐 渐 向 跨 行业 、 跨领域 协 同 转变， 一方 面 需 要 构 建 适 应 新能源高 占 比 的电力 市 场 体 系 与 成 本 疏 导 机 制 ， 另 一方 面 需 要统 筹 考虑 能源成 本 与 环 境价 值 ， 推 动 电碳 市 场协 同 发展。 1.2 新型电力系统的内涵与特征 根 据 能源革命对建设新型电力系统的要求， 立 足 我国能源资源 禀赋 的基 本 国 情 ， 需 要 以 低碳电力 技术创新为 驱 动 力，统 筹 能源安全、 经 济 与 低碳， 推 动 构 建 适 合 中国国 情 的新能源 占 比 逐渐 提 高的 新型电力系统。 具 体 而言 ，新型电力系统 是 以 坚 强 、 智能、 柔 性 电网为 枢纽平台 ， 以 技术创新 突破 和 体