構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要支撐。但隨著新能源大規(guī)模開發(fā)、高比例并網(wǎng)，其波動性和隨機性特征，對電力系統(tǒng)的功率平衡、抗沖擊能力等提出新挑戰(zhàn)，電網(wǎng)調(diào)度也面臨壓力。如何實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高質(zhì)量運行？在近日舉行的2021年中關村論壇“碳達峰碳中和科技論壇”上，中國工程院院士、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司院長湯廣福給出他的觀點。
（文 | 本報記者 朱妍）
既要完成能源轉型任務，還要解決供給安全問題
“構建清潔低碳安全高效的能源體系，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，都為能源清潔低碳轉型指引了方向?！睖珡V福表示，在此要求下，首先要清醒認識當前形勢。
一方面，我國能源安全供給面臨嚴峻挑戰(zhàn)。2020年我國能源消費總量49.8億噸標準煤。同時，我國能源對外依存度總體達到20%，其中原油、天然氣對外依存度分別為73%和43%。
另一方面，我國用能結構清潔程度低，溫室氣體排放量大。全球90%的碳排放來自能源系統(tǒng)，其中又有83%來自化石能源。不同于歐美國家已經(jīng)達峰、正在下降，我國碳排放尚未達峰、還在增加，控排任務艱巨。
“未來40年間，我們除了要完成能源轉型，還要解決能源供給安全問題?！睖珡V福表示，根據(jù)中國工程院研究預測，到2035年，我國能源消費總量將達57億噸標準煤，對外依存度降至約19%。到2035年、2060年，非化石能源占比分別達到27%和80%，“希望通過綠電替代，降低能源對外依存度。這樣一來，油氣資源主要用于化工需求，以保證能源供給相對安全、獨立自主?！?
實現(xiàn)上述思路并非易事。湯廣福坦言，歐美發(fā)達國家已完成從煤炭到油氣時代的轉型，正在加速進入可再生能源時代。我國能源消費以煤為主，直接向可再生能源時代變革難度巨大。加上靈活電源占比遠低于發(fā)達國家水平，我國能源轉型還面臨關鍵制約?！懊馈⒂⒌葒烊粴獍l(fā)電占比較高，這些氣電既是靈活電源，又是清潔電源，轉型更為容易。我國目前仍以煤電為主體電源，具有靈活調(diào)節(jié)能力的油氣發(fā)電量占比不到3.5%?！?
電力系統(tǒng)不可能推倒重來，而要漸變發(fā)展、主動變革
為破解轉型難題，電力成為主戰(zhàn)場?！帮L、光、水、核等一次能源，均要轉化為電能才能加以利用，氫能、儲能也主要通過電能進行轉換。因此，電力系統(tǒng)在能源轉型中起到核心作用?！睖珡V福指出，“我國電力系統(tǒng)是規(guī)模最大、結構層次最復雜、強非線性和高維特性的人造系統(tǒng)。對于這樣的系統(tǒng)，我們不可能推倒重來，必須漸變發(fā)展，重點是運用戰(zhàn)略思維主動變革?！?
在變革過程中，新能源發(fā)電占比越來越大。而新能源資源的波動性和隨機性，對電力系統(tǒng)的功率平衡、抗沖擊能力提出考驗；新能源發(fā)電設備的低抗擾性和弱支撐性，給電網(wǎng)自身安全及運行控制帶來挑戰(zhàn)?！?018年，西北地區(qū)風電最大日波動接近3200萬千瓦，相當于一個中等省份的用電最高負荷。西北地區(qū)新能源裝機占比約25%，在風機不同出力水平下，西北電網(wǎng)頻率已到極限。”湯廣福舉例，新能源大規(guī)模接入不僅降低系統(tǒng)的抗擾動能力，還使得系統(tǒng)慣量降低、調(diào)頻能力下降，導致頻率變化加快、波動幅度大、頻率越限風險增加。
轉型還給源-網(wǎng)-荷各層級帶來新的變化。除了電源，用戶也在變，例如工業(yè)負荷中大量采用變頻設備，高鐵、電動汽車等電氣化交通負荷迅猛發(fā)展。“發(fā)電側、負荷側不確定性均在急劇增加，電網(wǎng)穩(wěn)定控制、協(xié)調(diào)調(diào)度也面臨巨大挑戰(zhàn)?！睖珡V福說。
此外，隨著電能在交通、居民生活等領域推廣，用戶側供需互動需求加大，對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力提升、服務模式改變提出新的要求。“以電動汽車為例，到2030年保守預估有8000萬輛，按照等效總容量80億千瓦時計算，如果任由這些車輛無序充電，國家電網(wǎng)公司峰值負荷將增加1.53億千瓦，相當于區(qū)域峰值負荷的13%。對此要有序控制，實現(xiàn)供需互動，用好了就是重要的儲能來源?！睖珡V福表示。
預計到2050年，電力系統(tǒng)基本實現(xiàn)凈零排放
基于種種挑戰(zhàn)，湯廣福認為，新型電力系統(tǒng)應具備4個內(nèi)在特征，即電力電源清潔化、電力系統(tǒng)柔性化、電力系統(tǒng)數(shù)字化及電力電子化。
在我國，化石能源仍居主導地位，無論從裝機總量還是從發(fā)電量來看，火電均占比最大?！帮L、光總發(fā)電量目前只占到11.2%，年利用小時數(shù)遠不及火電。預測到2030年、2050年，火電占比仍將在52%和20%，必須發(fā)揮火電能源保障的基石作用，大力發(fā)展火電清潔化是近期重點?！睖珡V福提出，遠期實現(xiàn)風光領跑、多元協(xié)調(diào)。到2060年，風光裝機、發(fā)電量將分別占到72.5%、56.6%，由此成為主體能源?！半娏ο到y(tǒng)碳排放總量預計在2025年左右達峰，峰值約45億噸。通過電源的清潔化替代結合負碳技術，2030年之后電力系統(tǒng)碳排放將快速下降，到2050年基本實現(xiàn)凈零排放。”
為支撐新能源發(fā)展，加強靈活電源建設、提升系統(tǒng)靈活性是關鍵。湯廣福表示，歐美發(fā)達國家能源轉型都是以大量靈活電源作為基礎支撐，該比例在30%左右。除了適度發(fā)展抽水蓄能、燃氣發(fā)電，我國還要加快提升火電機組調(diào)節(jié)能力。“能源轉型還要求電網(wǎng)形態(tài)主動轉變，提升電網(wǎng)柔性傳輸能力，重構未來新型電網(wǎng)。通過多種儲能綜合應用，助力削峰填谷，增強電網(wǎng)調(diào)峰能力。”
湯廣福還稱，電力系統(tǒng)離不開數(shù)字化技術支撐，但在能源特別是電網(wǎng)領域，數(shù)字融合深度不足，人工智能算法、大數(shù)據(jù)理論等剛剛起步。“未來，上億級的發(fā)電和用戶全部參與調(diào)度，源網(wǎng)荷儲需要縱向貫通，都離不開信息化的全面支撐。傳統(tǒng)分析理論、計劃調(diào)度不再適用，必須提升數(shù)字化分析水平，加強電網(wǎng)調(diào)控能力。德國靈活電源比例不到16%，但電網(wǎng)柔性化和數(shù)字化可彌補不足，可以支撐28.8%的可再生能源消費。目前，我國電力系統(tǒng)自動化做得比較好，智能化遠遠不夠?！?
