新型电力系统形态特征与关键技术
戴璟，王剑晓，张兆华，刘嘉，康重庆
（新型电力系统运行与控制全国重点实验室(清华大学电机工程与应用电子技术系)，清华大学能源互联网创新研究院智库研究中心，大数据分析与应用技术国家工程实验室(北京大学)，工业和信息化部产业发展促进中心）
一、研究背景
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出了30·60碳中和气候应对目标。目前，我国碳排放量每年约100亿吨，占全球碳排放总量的1/3，其中能源领域约占85%。因此，大力发展新能源技术，构建新型电力系统，促进电力领域脱碳，是推动能源清洁低碳转型、实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路。
经历多年发展，我国源–网–荷领域新技术研发与产业化进程正在不断加快。在电源侧，系统性地开展了大规模可再生能源发电并网系列技术研究，建成了世界上规模最大的新能源综合性示范项目—张北风光储输示范工程。在电网侧，构建并成功运营了世界上运行电压等级最高、规模最大、技术水平最高的交直流混联特大电网。在用户侧，安装智能电表超过5亿只，建成了全球规模最大的用电信息采集系统及国内覆盖面最广的开放智能充换电服务平台。在重大设备研制方面，自主研发了智能变电站成套设备、特高压输变电设备、智能电网调度控制系统等高端电工装备，达到国际领先水平。
尽管发展趋势日渐明朗，但在向新型电力系统迈进的新征程上，我国仍面临一系列重大战略需求与科学技术挑战：我国能源发电效率和灵活性需要进一步提升，高比例新能源并网特性亟待重塑；以新能源为主体的电力电子化供给形态对新型电力系统灵活安全运行带来空前的挑战；我国用户用电选择少、互动弱、能效低，电力需求侧资源不足，能源综合利用效率与电气化水平亟待提升；现有储能技术难以满足我国高比例新能源发展的战略需求，亟待突破高安全、长寿命、低成本新型储能技术；伴随着我国未来大规模风电、光伏等随机性能源的快速发展，构建新型电力系统，无论从技术还是模式上均史无前例，迈入了国际能源科技领域的“无人区”。
二、研究意义
新型电力系统真正意义进入了国际能源科技领域的无人区，亟待攻克“卡脖子”重大基础理论与关键核心技术。能源电力中的大量基础材料、核心器件还依赖进口，在疫情后中美博弈的国际形势下，攻克“卡脖子”技术装备研发，是实现我国新型电力系统领域科技自立自强的关键。因此，加快新型电力系统技术研发与产业部署，对于构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，具有重大的基础性、前瞻性和战略性意义。
三、重点内容
1. 新型电力系统形态特征
1）新型电力系统的核心内涵：
（1）建立适应大规模新能源接入的低碳化电力系统；
（2）建立保障能源供需和社会发展的安全电力系统；
（3）建立符合灵活开放式电力市场体系的高效率电力系统。
2）新型电力系统的基本特征：
（1）结构特征：以新能源为主体；
（2）形态特征：源网荷储互动；
（3）技术特征：各环节智能化；
（4）经济特征：电碳协同发展。
3）新型电力系统的动态演变：
（1）第一阶段：2021—2030年
2021—2030年是新型电力系统的建设期，新能源在装机占比上成为主体电源，常规电源逐步转变为调节性和保障性电源；总体来说，电力系统具有保持较高转动惯量和交流同步运行的特点，交直流协调互补，大电网与微电网共同发展；储能及需求侧响应等规模不断扩大。通过严控煤电总量，电力生产碳排放与碳强度明显下降。
（2）第二阶段：2031~2060年
2031—2060年是新型电力系统的发展成熟期，新能源实现发电量占比的主导地位，成为电力电量的供应主体，大部分煤电机组退出历史舞台，仅保留部分作为应急备用；分布式电源、微电网、交直流组网与大电网协同发展；源荷逐步实现全面解耦；逐步实现近零排放，最终为碳中和提供负排放空间。
2. 新型电力系统关键技术
1）能源生产技术：（1）煤炭清洁高效灵活智能发电技术；（2）先进风电技术；（3）太阳能利用技术；（4）负碳生物质技术；（5）氢能技术；（6）核能技术；（7）地热能技术。
2）能源传输技术：（1）高比例新能源并网支撑技术；（2）新型电能传输技术；（3）新型电网保护与安全防御技术。
3）能源消费技术：（1）柔性智能配电网技术；（2）智能用电与供需互动技术；（3）低碳综合能源供能技术；（4）电气化交通与工业能效提升技术。
4）能源存储技术：（1）电化学储能技术；（2）机械与电磁储能技术；（3）非电能源存储技术；（4）储能技术的商业模式。
5）共性支撑技术：（1）新型电工材料；（2）新型电力系统器件；（3）数字电网技术；（4）高性能仿真计算技术；（5）北斗技术；（6）CCUS技术；（7）电力市场交易；（7）碳排放流分析技术。
3. 发展新型电力系统的政策建议
1）转变规划思路，加强顶层设计
转变传统以保供应为导向的电力需求、电源、电网规划设计思路，加强新型电力系统顶层设计，以系统思维统筹源网荷储各环节，形成全局性的系统优化规划设计理念。在国家主管部门的指导下，组织规划咨询机构、智库机构、科研机构、电网和电源企业等开展研究，深入研究论证我国新型电力系统的发展路径，推动国家层面明确新型电力系统的发展战略，制定清晰的实施路线图，在“十四五”规划中明确阶段性的目标和任务，并在实践中不断总结和完善。
2）创新技术手段，整合知识体系
依托先进的规划设计、模拟运行仿真技术平台，深入研究大规模新能源和电力电子设备接入后的系统运行机理和应对措施、储能等新技术大规模应用后源网荷统一参与电力平衡的规划设计方法和协同运行理论，保障电力系统的安全稳定、经济运行，最大化提升新能源消纳能力。
聚焦新型电力系统建设，通过多学科跨界融合、产学研紧密合作，加大关键技术的集中攻关、试验示范和推广应用，重点在智能一体化调度、大规模储能、智慧电厂、虚拟电厂、负荷侧调节、柔性输电等方面实现突破。促进人工智能、大数据、物联网、先进信息通信等技术与电力技术深度融合，形成具有我国自主知识产权的新型电力系统关键技术体系。
3）推广示范应用，升级产业体系。
新型电力系统构建是一项长期的系统性工程，不可能一蹴而就，需要在实践中不断总结经验、完善方案。在“十四五”期间，建议以点带面、示范先行，依托技术、商业模式和体制机制创新，重点开展一批探索建设新型电力系统的先行示范工程，待形成示范效应后，逐步推广应用。
加强新型电力系统产学研体系建设，以智能制造为方向，融合运用数字信息技术，补足前端研发的产业短板，实现关键领域核心技术独立自主和升级换代，形成完整且具有国际竞争力的电力产业链，由中低端迈向中高端。结合“双循环”新格局下的产业优化调整，加强研发体系、人才队伍建设，统筹布局一批新型电力装备制造、电力与数字经济相融合的产业基地。
4）打破行业壁垒，推进体制改革
建立完善中长期交易、现货市场、辅助服务市场和容量补偿机制等相结合的市场体系，形成统一的电力市场交易标准体系，打破市场壁垒，推进适应能源结构转型的电力市场机制建设，加快建设全国统一电力市场。完善调度运行机制，建设智慧调控体系，支撑新能源发电的市场化交易电量比重不断提升。建立完善的价格机制，充分调动存量煤电、电储能和负荷侧提供灵活调节能力，满足大规模新能源并网消纳的需求。建立完善规模化新能源开发并网协同保障机制，促进各行业跨领域融合互补。
四、结论
通过综述世界各国和我国电力系统的发展现状，指出了构建新型电力系统面临的技术挑战，明确了新型电力系统的核心内涵和特征，并提出了未来5~15年我国需要重点支持、发展和培育的关键技术。据此，提出了我国构建新型电力系统的主要策略和实施方案。
诚然，关键技术的突破能够有效推进新型电力系统的革新与进步。但是，新型电力系统的发展并非不仅仅依靠技术，更取决于政策机制。技术突破是政策机制的目标产物，而机制是技术创新的动力源泉。因此，在研究新型电力系统形态特征与关键技术的同时，也应探索促进新型电力系统高质量发展的政策机制。主要方向有：1）建立规模化新能源开发并网协同保障机制，打破现有机制障碍壁垒；2）加强可再生能源消纳激励机制建设，完善煤电等支撑性电源收益保障机制；3）建立健全新型电力系统综合调节能力提升机制，充分释放源网荷储各侧调节能力。
引文信息
戴璟, 王剑晓, 张兆华, 刘嘉, 康重庆. 新型电力系统形态特征与关键技术[J]. 新型电力系统. 2023, 1(2): 161-183.
DAI Jing, WANG Jianxiao, ZHANG Zhaohua, LIU Jia, KANG Chongqing. Morphological Characteristics and Key Technologies of New Power System[J]. New Type Power Systems. 2023, 1(2): 161-183. (in Chinese)
作者介绍
戴璟（1983），女，博士，助理研究员，主要研究方向为能源政策、战略规划、综合能源系统与能源互联网等，jingdai@tsinghua.edu.cn；
王剑晓（1992），男，博士，助理研究员，主要研究方向为新能源电力系统规划运行、电解制氢与储能技术、电力市场与大数据分析，wang-jx@pku.edu.cn；
张兆华（1991），硕士，工程师，主要研究方向为能源、储能等高新技术领域发展战略、科技计划管理机制等科技政策，zhangzhaohua@idpc.org.cn；
刘嘉（1974），学士，高级工程师，主要研究方向为智能电网、制造、储能等高新技术领域发展战略、科技计划管理机制等科技政策，liujia@idpc.org.cn；
康重庆（1969），男，博士，教授，主要研究方向为电力系统规划、新能源并网、系统优化运行与电力市场，cqkang@tsinghua.edu.cn。
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