构建以新能源为主体的新型电力系统，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。但随着新能源大规模开发、高比例并网，其波动性和随机性特征，对电力系统的功率平衡、抗冲击能力等提出新挑战，电网调度也面临压力。如何实现安全、稳定、高质量运行？在近日举行的2021年中关村论坛“碳达峰碳中和科技论坛”上，中国工程院院士、全球能源互联网研究院有限公司院长汤广福给出他的观点。
既要完成能源转型任务，还要解决供给安全问题
“构建清洁低碳安全高效的能源体系，实现碳达峰、碳中和目标，都为能源清洁低碳转型指引了方向。”汤广福表示，在此要求下，首先要清醒认识当前形势。
一方面，我国能源安全供给面临严峻挑战。2020年我国能源消费总量49.8亿吨标准煤。同时，我国能源对外依存度总体达到20%，其中原油、天然气对外依存度分别为73%和43%。
另一方面，我国用能结构清洁程度低，温室气体排放量大。全球90%的碳排放来自能源系统，其中又有83%来自化石能源。不同于欧美国家已经达峰、正在下降，我国碳排放尚未达峰、还在增加，控排任务艰巨。
“未来40年间，我们除了要完成能源转型，还要解决能源供给安全问题。”汤广福表示，根据中国工程院研究预测，到2035年，我国能源消费总量将达57亿吨标准煤，对外依存度降至约19%。到2035年、2060年，非化石能源占比分别达到27%和80%，“希望通过绿电替代，降低能源对外依存度。这样一来，油气资源主要用于化工需求，以保证能源供给相对安全、独立自主。”
实现上述思路并非易事。汤广福坦言，欧美发达国家已完成从煤炭到油气时代的转型，正在加速进入可再生能源时代。我国能源消费以煤为主，直接向可再生能源时代变革难度巨大。加上灵活电源占比远低于发达国家水平，我国能源转型还面临关键制约。“美、英等国天然气发电占比较高，这些气电既是灵活电源，又是清洁电源，转型更为容易。我国目前仍以煤电为主体电源，具有灵活调节能力的油气发电量占比不到3.5%。”
电力系统不可能推倒重来，而要渐变发展、主动变革
为破解转型难题，电力成为主战场。“风、光、水、核等一次能源，均要转化为电能才能加以利用，氢能、储能也主要通过电能进行转换。因此，电力系统在能源转型中起到核心作用。”汤广福指出，“我国电力系统是规模最大、结构层次最复杂、强非线性和高维特性的人造系统。对于这样的系统，我们不可能推倒重来，必须渐变发展，重点是运用战略思维主动变革。”
在变革过程中，新能源发电占比越来越大。而新能源资源的波动性和随机性，对电力系统的功率平衡、抗冲击能力提出考验；新能源发电设备的低抗扰性和弱支撑性，给电网自身安全及运行控制带来挑战。“2018年，西北地区风电最大日波动接近3200万千瓦，相当于一个中等省份的用电最高负荷。西北地区新能源装机占比约25%，在风机不同出力水平下，西北电网频率已到极限。”汤广福举例，新能源大规模接入不仅降低系统的抗扰动能力，还使得系统惯量降低、调频能力下降，导致频率变化加快、波动幅度大、频率越限风险增加。
转型还给源-网-荷各层级带来新的变化。除了电源，用户也在变，例如工业负荷中大量采用变频设备，高铁、电动汽车等电气化交通负荷迅猛发展。“发电侧、负荷侧不确定性均在急剧增加，电网稳定控制、协调调度也面临巨大挑战。”汤广福说。
此外，随着电能在交通、居民生活等领域推广，用户侧供需互动需求加大，对电网调节能力提升、服务模式改变提出新的要求。“以电动汽车为例，到2030年保守预估有8000万辆，按照等效总容量80亿千瓦时计算，如果任由这些车辆无序充电，国家电网公司峰值负荷将增加1.53亿千瓦，相当于区域峰值负荷的13%。对此要有序控制，实现供需互动，用好了就是重要的储能来源。”汤广福表示。
预计到2050年，电力系统基本实现净零排放
基于种种挑战，汤广福认为，新型电力系统应具备4个内在特征，即电力电源清洁化、电力系统柔性化、电力系统数字化及电力电子化。
在我国，化石能源仍居主导地位，无论从装机总量还是从发电量来看，火电均占比最大。“风、光总发电量目前只占到11.2%，年利用小时数远不及火电。预测到2030年、2050年，火电占比仍将在52%和20%，必须发挥火电能源保障的基石作用，大力发展火电清洁化是近期重点。”汤广福提出，远期实现风光领跑、多元协调。到2060年，风光装机、发电量将分别占到72.5%、56.6%，由此成为主体能源。“电力系统碳排放总量预计在2025年左右达峰，峰值约45亿吨。通过电源的清洁化替代结合负碳技术，2030年之后电力系统碳排放将快速下降，到2050年基本实现净零排放。”
为支撑新能源发展，加强灵活电源建设、提升系统灵活性是关键。汤广福表示，欧美发达国家能源转型都是以大量灵活电源作为基础支撑，该比例在30%左右。除了适度发展抽水蓄能、燃气发电，我国还要加快提升火电机组调节能力。“能源转型还要求电网形态主动转变，提升电网柔性传输能力，重构未来新型电网。通过多种储能综合应用，助力削峰填谷，增强电网调峰能力。”
汤广福还称，电力系统离不开数字化技术支撑，但在能源特别是电网领域，数字融合深度不足，人工智能算法、大数据理论等刚刚起步。“未来，上亿级的发电和用户全部参与调度，源网荷储需要纵向贯通，都离不开信息化的全面支撑。传统分析理论、计划调度不再适用，必须提升数字化分析水平，加强电网调控能力。德国灵活电源比例不到16%，但电网柔性化和数字化可弥补不足，可以支撑28.8%的可再生能源消费。目前，我国电力系统自动化做得比较好，智能化远远不够。”
