新型电力系统：清洁高效又智能

电力系统作为现代社会的基础设施，是人类历史上最复杂、最庞大的工程系统之一，它的存在和运行对于我们的日常生活至关重要，从照明、家庭电器到工业生产、信息通信，无一不依赖于电力的稳定供应。新型电力系统清洁高效、灵活智能，可在保障电力安全的前提下，满足经济社会电力发展的需求。我国具有丰富的风能、太阳能等新能源资源和容量充裕的输配电网络。新型电力系统的开发与利用正在加速能源绿色低碳转型升级，保证电力高效稳定供应。

(资料图片)

电力系统是最复杂的人造系统之一

电力系统的早期发展可以追溯到19世纪末，?直流电系统被广泛使用。随着技术的进步，?交流电系统逐渐取代直流电系统，?成为电力系统的主要形式。20世纪初，电力系统开始迅速扩展，电网互联的概念逐渐形成。二战后，各国加快了电力基础设施建设，形成了大规模的电网。进入21世纪，?全球气候变化和能源转型的需求给传统电力系统带来新的挑战和机遇，高新技术的应用为电力系统的现代化和智能化提供技术支持，电力系统迎来新的发展浪潮。

电力系统包括发电、输电、变电、配电和用电等环节，是电能生产与消费的完整链条。发电是电力系统的起点，将各种一次能源(如煤炭、天然气、核能、风能、太阳能等)转化为电能;输电系统负责将发电厂产生的电力通过高压线路远距离传输到变电站或负荷中心，是电力系统中高效传输的动脉;变电系统将高压电力通过变压器降低到适合配电的电压等级;配电系统将电力从变电站通过配电线路输送到终端用户，并进行最后的电压调整;用电环节涉及工业、商业、居民等终端用户的实际用电过程，以及设备运行、耗电量管理及电费计算等。

应对气候变化 电力系统迈向绿色低碳

随着温室气体排放的增加，全球气温不断上升，极端天气频发。为应对这一趋势，我国宣布力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，并于2060年前实现碳中和目标。近年来，我国加速推动能源结构转型，大力发展可再生能源，制定碳达峰行动方案，力求在全球应对气候变化的行动中发挥关键作用。

面对气候变化，逐步建设新型电力系统，推动能源结构转型，减少温室气体排放，是能源电力行业的重要议题。传统的以火力为主的发电形式受限于化石燃料资源存量和温室气体排放，难以独立和全面支撑可持续发展的需求。在此背景下，以风力、光伏为代表的新能源发电因其清洁、对环境影响小的优势，受到各国的重视。

自2010年以来，我国在新能源发电领域取得了显著进展。2010年，全国风电和光伏装机容量仅为数千万千瓦，处于起步阶段。随着政策支持的加强，特别是《可再生能源法》和全额保障性收购制度的出台，风光发电迅速增长。随着技术进步和成本下降，风光产业逐渐规模化。至2024年6月底，全国发电装机达30.7亿千瓦，其中新能源装机16.53亿千瓦，占比53.8%，首次超过煤电。这一进展为全球能源转型提供了重要经验，助力我国实现“碳达峰、碳中和”目标，迈向绿色低碳未来。

新能源电力接入电网 新型电力系统更灵活智能

随着大规模新能源电力接入电网，电力系统需要在随机波动的负荷需求与电源之间实现能量的供需平衡，其结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革，形成了以新能源电力生产、传输、消费为主体的新一代电力系统，即新能源电力系统。围绕能源转型和“双碳”目标的国家需求，中国工程院院士刘吉臻依托新能源电力系统全国重点实验室提出了以“多源互补、源网协同、供需互动、灵活智能”四个技术创新为引领的新型电力系统发展新形态。

多源互补是新型电力系统的关键特征。传统电网主要依赖单一能源发电，受到资源和效率的限制，随着风能、太阳能等新能源的引入，电力系统的能源来源变得更加多样化。通过优化不同能源的组合，能够充分发挥各类资源的优势，降低对单一能源的依赖，从而提升系统的稳定性和可靠性。

源网协同是新型电力系统优化运行的核心。传统电网将发电和输电系统视为独立运作的部分，缺乏系统级的协调。面对分布式发电与新能源的广泛接入，发电与电网间的互动日益错综复杂。构建源网协同控制体系，可实现发电侧与电网侧的深度协调与优化调度，显著增强电网的适应力与响应速度，支撑更高比例新能源的接入和利用。

供需互动是新型电力系统高效运行的关键。传统电网具有稳定的发电和用电平衡特征，而随着新能源发电比例的增加，其随机性和波动性对电力供需平衡提出了新的挑战。通过引入需求侧资源，可以释放调节潜力，有效平衡电力供需，确保电网的稳定运行。同时，分布式智能电网和需求侧管理技术使电力需求响应更加灵活精准，提高供需匹配效率。

灵活智能是新型电力系统的特点。传统电网依赖大规模集中式电站供电，而新能源发电系统支持分布式电源和微电网的发展，实现了多样化的电力供应模式。通过大数据和人工智能等技术手段，智能电网可以实现对电网的智能监测和优化控制，提升系统运行的效率和稳定性。

新型电力系统发展面临技术挑战

尽管新型电力系统的前景令人期待，但其发展过程仍面临诸多技术挑战，这些挑战主要体现在充裕性、安全性、经济性三个维度。

充裕性挑战 新型电力系统发展的挑战之一，来自风光发电相对于系统负荷的充裕性，即如何在不同时空预留足够的灵活性资源来保障源荷双侧的电力电量平衡。在一般气象条件下，光伏和风力发电能力取决于光照辐射、风速、温度等参数，由于现有预测水平难以消除气象预测偏差，仍需提前预留火电、储能等灵活调节资源作为发电备用。当电力系统遭遇极端天气等迅速且剧烈的气象变化时，常常伴随着风光机组低温切出、温控型负荷激增、输变电设备故障等突发情况，亟须火电、储能等快速响应资源提供电力充裕性来弥补瞬时功率缺额。而当系统遭遇长时间电煤供应短缺、极热无风、极寒无光等情况时，则又需要气电、水电等异质资源提供电量充裕性来弥补长周期的供需缺口。凡此种种，在大力发展新能源的同时，新型电力系统必须权衡其对电力电量充裕性的挑战。

安全性挑战 新型电力系统发展的挑战之二，来自高比例新能源和高比例电力电子器件的“双高”特性，及其所诱导的安全性挑战。一是新能源固有随机性导致系统功率分布的不确定性高，常态化静态安全分析需要适应从确定性向不确定性的过渡;二是新能源“集群化”和“分布式”的发展趋势：前者以“沙戈荒”大型风光基地为代表，设备—场站—场群—网侧换流站串联，并最终依赖配套送出工程实现大范围能量转移。多环节嵌套导致故障的传播流程复杂，单一设备故障可能引发系统性功率缺失;后者则以微电网、零碳园区为代表，就地平衡消纳为主。扰动距离用户近、涉及线路多、接入设备杂，对保护装置的速度和精度要求高。亟须系统性突破故障后的新能源电力系统保护及源网协同控制技术;三是电源侧、电网侧、负荷侧大量电力电子换流设备的应用，使得电力系统的惯量下降，相对于传统的以同步电源为主的火电系统而言，对于大小扰动的抵御性下降，亟须拓展不依赖于同步电源的保护新理论。

经济性挑战 新型电力系统发展的挑战之三，来自经济性，也即电力市场化机制所决定的资源优化配置效率。当前，面对高比例新能源在全国范围内转移传输的特征，传统的面向化石能源、以就近供需平衡为主的市场机制，显现出全局统筹能力不足的局限;储能、分布式发电等新技术提高了负荷侧电力自发自用的水平，富裕的电力和负荷调节能力甚至可以反向支撑大电网。然而，传统的负荷调节主要依托于行政手段，缺乏源荷互动的灵活性和激励性。新形势下亟须建设全国统一的电力市场，推动跨省跨区电力市场化交易和源网荷储深度互动，完善电力中长期、现货、辅助服务交易有机衔接机制。

市场机制进一步引导了电力系统的形态演化。目前，绿电交易、碳市场、虚拟电厂等新需求新概念层出不穷，它们本质上都是市场化的工具。如何预测不同市场机制下新能源、火电、氢能、储能协同发展与演进路径，在多变的环境中运用上述政策工具实现对系统形态结构的调整，形成面向长周期的新能源电力系统演化规划的理论和方法，仍有待研究。

面对日益严峻的气候危机与能源安全挑战，构建新型电力系统已成当务之急。在此过程中，一方面需大力推动新能源的开发与利用，另一方面也要充分发挥传统能源作为“压舱石”的重要作用，稳步推进新型电力系统建设，为“双碳”目标的实现提供重要支撑!

(作者：刘念 蒋凯，分别系华北电力大学电气与电子工程学院副院长，讲师)

标签：