構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)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(dòng)性和隨機(jī)性特征，對(duì)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(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高質(zhì)量運(yùn)行？在近日舉行的2021年中關(guān)村論壇“碳達(dá)峰碳中和科技論壇”上，中國(guó)工程院院士、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司院長(zhǎng)湯廣福給出他的觀點(diǎn)。
（文 | 本報(bào)記者 朱妍）
既要完成能源轉(zhuǎn)型任務(wù)，還要解決供給安全問(wèn)題
“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，都為能源清潔低碳轉(zhuǎn)型指引了方向?！睖珡V福表示，在此要求下，首先要清醒認(rèn)識(shí)當(dāng)前形勢(shì)。
一方面，我國(guó)能源安全供給面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2020年我國(guó)能源消費(fèi)總量49.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。同時(shí)，我國(guó)能源對(duì)外依存度總體達(dá)到20%，其中原油、天然氣對(duì)外依存度分別為73%和43%。
另一方面，我國(guó)用能結(jié)構(gòu)清潔程度低，溫室氣體排放量大。全球90%的碳排放來(lái)自能源系統(tǒng)，其中又有83%來(lái)自化石能源。不同于歐美國(guó)家已經(jīng)達(dá)峰、正在下降，我國(guó)碳排放尚未達(dá)峰、還在增加，控排任務(wù)艱巨。
“未來(lái)40年間，我們除了要完成能源轉(zhuǎn)型，還要解決能源供給安全問(wèn)題。”湯廣福表示，根據(jù)中國(guó)工程院研究預(yù)測(cè)，到2035年，我國(guó)能源消費(fèi)總量將達(dá)57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)外依存度降至約19%。到2035年、2060年，非化石能源占比分別達(dá)到27%和80%，“希望通過(guò)綠電替代，降低能源對(duì)外依存度。這樣一來(lái)，油氣資源主要用于化工需求，以保證能源供給相對(duì)安全、獨(dú)立自主?！?
實(shí)現(xiàn)上述思路并非易事。湯廣福坦言，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已完成從煤炭到油氣時(shí)代的轉(zhuǎn)型，正在加速進(jìn)入可再生能源時(shí)代。我國(guó)能源消費(fèi)以煤為主，直接向可再生能源時(shí)代變革難度巨大。加上靈活電源占比遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，我國(guó)能源轉(zhuǎn)型還面臨關(guān)鍵制約?！懊?、英等國(guó)天然氣發(fā)電占比較高，這些氣電既是靈活電源，又是清潔電源，轉(zhuǎn)型更為容易。我國(guó)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(lái)，而要漸變發(fā)展、主動(dòng)變革
為破解轉(zhuǎn)型難題，電力成為主戰(zhàn)場(chǎng)。“風(fēng)、光、水、核等一次能源，均要轉(zhuǎn)化為電能才能加以利用，氫能、儲(chǔ)能也主要通過(guò)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中起到核心作用?！睖珡V福指出，“我國(guó)電力系統(tǒng)是規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)層次最復(fù)雜、強(qiáng)非線性和高維特性的人造系統(tǒng)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，我們不可能推倒重來(lái)，必須漸變發(fā)展，重點(diǎn)是運(yùn)用戰(zhàn)略思維主動(dòng)變革。”
在變革過(guò)程中，新能源發(fā)電占比越來(lái)越大。而新能源資源的波動(dòng)性和隨機(jī)性，對(duì)電力系統(tǒng)的功率平衡、抗沖擊能力提出考驗(yàn)；新能源發(fā)電設(shè)備的低抗擾性和弱支撐性，給電網(wǎng)自身安全及運(yùn)行控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。“2018年，西北地區(qū)風(fēng)電最大日波動(dòng)接近3200萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于一個(gè)中等省份的用電最高負(fù)荷。西北地區(qū)新能源裝機(jī)占比約25%，在風(fēng)機(jī)不同出力水平下，西北電網(wǎng)頻率已到極限?！睖珡V福舉例，新能源大規(guī)模接入不僅降低系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，還使得系統(tǒng)慣量降低、調(diào)頻能力下降，導(dǎo)致頻率變化加快、波動(dòng)幅度大、頻率越限風(fēng)險(xiǎn)增加。
轉(zhuǎn)型還給源-網(wǎng)-荷各層級(jí)帶來(lái)新的變化。除了電源，用戶也在變，例如工業(yè)負(fù)荷中大量采用變頻設(shè)備，高鐵、電動(dòng)汽車等電氣化交通負(fù)荷迅猛發(fā)展?！鞍l(fā)電側(cè)、負(fù)荷側(cè)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(shuō)。
此外，隨著電能在交通、居民生活等領(lǐng)域推廣，用戶側(cè)供需互動(dòng)需求加大，對(duì)電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力提升、服務(wù)模式改變提出新的要求。“以電動(dòng)汽車為例，到2030年保守預(yù)估有8000萬(wàn)輛，按照等效總?cè)萘?0億千瓦時(shí)計(jì)算，如果任由這些車輛無(wú)序充電，國(guó)家電網(wǎng)公司峰值負(fù)荷將增加1.53億千瓦，相當(dāng)于區(qū)域峰值負(fù)荷的13%。對(duì)此要有序控制，實(shí)現(xiàn)供需互動(dòng)，用好了就是重要的儲(chǔ)能來(lái)源?！睖珡V福表示。
預(yù)計(jì)到2050年，電力系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)凈零排放
基于種種挑戰(zhàn)，湯廣福認(rèn)為，新型電力系統(tǒng)應(yīng)具備4個(gè)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(guó)，化石能源仍居主導(dǎo)地位，無(wú)論從裝機(jī)總量還是從發(fā)電量來(lái)看，火電均占比最大?！帮L(fēng)、光總發(fā)電量目前只占到11.2%，年利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)不及火電。預(yù)測(cè)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(diǎn)。”湯廣福提出，遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)風(fēng)光領(lǐng)跑、多元協(xié)調(diào)。到2060年，風(fēng)光裝機(jī)、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(yù)計(jì)在2025年左右達(dá)峰，峰值約45億噸。通過(guò)電源的清潔化替代結(jié)合負(fù)碳技術(shù)，2030年之后電力系統(tǒng)碳排放將快速下降，到2050年基本實(shí)現(xiàn)凈零排放?！?
為支撐新能源發(fā)展，加強(qiáng)靈活電源建設(shè)、提升系統(tǒng)靈活性是關(guān)鍵。湯廣福表示，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型都是以大量靈活電源作為基礎(chǔ)支撐，該比例在30%左右。除了適度發(fā)展抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電，我國(guó)還要加快提升火電機(jī)組調(diào)節(jié)能力?！澳茉崔D(zhuǎn)型還要求電網(wǎng)形態(tài)主動(dòng)轉(zhuǎn)變，提升電網(wǎng)柔性傳輸能力，重構(gòu)未來(lái)新型電網(wǎng)。通過(guò)多種儲(chǔ)能綜合應(yīng)用，助力削峰填谷，增強(qiáng)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(shù)支撐，但在能源特別是電網(wǎng)領(lǐng)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?！拔磥?lái)，上億級(jí)的發(fā)電和用戶全部參與調(diào)度，源網(wǎng)荷儲(chǔ)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(jì)劃調(diào)度不再適用，必須提升數(shù)字化分析水平，加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)控能力。德國(guó)靈活電源比例不到16%，但電網(wǎng)柔性化和數(shù)字化可彌補(bǔ)不足，可以支撐28.8%的可再生能源消費(fèi)。目前，我國(guó)電力系統(tǒng)自動(dòng)化做得比較好，智能化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！?
