新型电力系统的建设发展展望

相关会议指出，要深化电力体制改革，加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统，更好推动能源生产和消费革命，保障国家能源安全。会议强调，要科学合理设计新型电力系统建设路径，在新能源安全可靠替代的基础上，有计划分步骤逐步降低传统能源比重。要健全适应新型电力系统的体制机制，推动加强电力技术创新、市场机制创新、商业模式创新。要推动有效市场同有为政府更好结合，不断完善政策体系，做好电力基本公共服务供给。本文拟对新型电力系统的建设发展进行探讨和展望。

科学合理设计新型电力系统建设路径

在能源清洁低碳转型进程中，风电、光伏发电等新能源大规模接入给电力系统运行与控制带来重大挑战。新能源的随机性、间歇性、波动性使电力系统规划和运行中的功率平衡问题呈现概率化，在一定程度上降低了供电可靠性，并且传统电力系统单一的“源随荷动”（即根据负荷变动情况调节发电功率）模式将转变为“源荷互动”的友好互动模式。

电力系统受扰后的稳定特性由传统机电模式主导向机电—电磁多模式耦合交互影响演化，系统稳定分析与控制问题受到广泛关注。电源侧低惯性和低短路比特征突出，安全稳定支撑能力不断被削弱；负荷侧动态特性越来越复杂；电网侧交直流、多直流间耦合更加紧密。

近年来，国外发生了几起电网设备故障诱发的大停电事故，引起热烈讨论。2016年9月28日，澳大利亚南澳电网发生了历时50h的全州大停电事故。2019年8月9日英国发生的大面积停电事故约有100万人受到停电影响。2021年2月15日~19日美国得克萨斯州发生大停电事故，最多影响人口达450万人，得州电网进入三级紧急状态，切负荷2000万kW，实时市场价格超过9000美元/(MW·h)。

由此可见，为确保电力安全可靠供应，在相当长一段时间内，传统能源依然需要起到支撑性、调节性电源的作用。能源转型不可能一蹴而就，只能有计划分步骤逐步降低传统能源比重。

健全适应新型电力系统的体制机制

在“双碳”目标下，随着高比例间歇式可再生能源的接入，需健全适应新型电力系统的体制机制。在传统的基于实时电价理论的电力批发市场设计中，由于光伏、风电近零边际成本的特点，使得市场出清价格降低，甚至出现负值，将传统火电、核电在以边际成本为准的竞价交易中挤出，因此火电、核电难以生存，导致电源结构失衡，并降低电力系统的安全性和灵活性。而同时，光伏和风电的随机性、间歇性、波动性，给电力系统的运行和控制带来重大挑战，对于系统灵活性的需求急剧增加，需要为灵活性资源提供足够的经济激励。

在“双碳”目标下，设计正确体现不同品质电能价值的新市场机制十分关键。在新型电力系统中，作为“源荷互动”运行模式的立脚点，柔性负荷、虚拟电厂等新技术和商业模式受到了广泛关注。

柔性负荷包含具备需求韧性的可调节负荷或可转移负荷、具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及分布式电源、微电网等，其用电行为可对价格信号作出灵活响应，是电力系统灵活性的重要来源。在供电无法满足用电需求增长的大城市，柔性负荷的削峰填谷作用还可对保障电网的安全运行起到关键作用。随着电力市场改革的推进，柔性负荷和虚拟电厂参与电力现货市场和辅助服务市场的条件逐步具备，商业模式逐渐形成。

推动有效市场同有为政府更好结合

电力系统的经济性和安全性是一体两面，而经济性建立在安全性的基础上，离开了安全性，电力系统的经济性就无从谈起。长期以来，我国电力系统坚持安全第一，对经济性则重视不够，电网运行保留了很高的安全裕度，还有为了安全过度投资的现象。电力市场改革体现了中共中央、国务院对电力系统效率和经济性的高度重视，为我国电力工业的发展翻开了崭新的一页，也带来前所未有的机遇。

在电力市场设计、运营和监管中，仍需时时将电力系统安全性作为考虑的前提。在电力市场中的非商业性环节，应充分重视计划方式（包括政府干预和电网的计划管理）的作用，让计划这只“看得见的手”和市场这只“看不见的手”分工协作，取长补短，充分发挥我国电力行业公有制为主体和社会主义市场经济体制的优越性。

具体来说，在安全性占主导的场合、自然垄断和公共服务环节，适合引入计划管理；在经济性占主导（效率优先）的场合，则适合采用市场调节；有些环节处于两者之间，则应依具体情况而定。有效市场和有为政府应明确各自的合理边界。只有让政府管理做好公共服务、确保电网安全，才能让市场交易更加自由和流畅，在资源配置中真正起决定性作用。

建设分层集群的新型电力系统

电力与能源的生产、传输、消费往往需要通过各种类型的网络来进行，如电网、热网、燃气网等。由于本质上这些网络传递的都是能量，只是表现形式不同，所以统称为能量网络。能量网络包含不同类型能源的子网（电网、热网、燃气网等），而各种子网之间又通过能量转换设备（比如发电机、泵、空调和热水器等）相连。

由于信息通信技术（information communication technology，ICT）的飞速发展，在物理层面的能量网络的基础上，又可建立基于传统自动化、互联网技术和“云大物移智链”等新兴技术的信息网络，以对能源生产、储运和利用设备进行调控。而电力与能源商品在实际运行的交易及价值传递则形成价值网络。价值网络是电力与能源价格体系的基础，并且受能量网络的物理规律制约。因此，新型能源体系与新型电力系统将呈现出“能量—信息—价值”三层网络架构的形态，这三层网络是紧密耦合、相互关联的。

在新型电力系统中，风、光等可再生清洁能源将处处存在，意味着电源将遍布于整个电力系统，电力系统形态结构将发生重大变化。天津大学余贻鑫院士等提出分层分群电网体系结构，即“将系统分解为群集（clusters）的层次结构和全局协调”和“每个集群（cluster）都保持自己的净功率平衡和局部自优化”。为清晰起见，本文将具有这种结构特征的电力系统称为“分层集群的新型电力系统”，并进一步探讨其运行与控制问题。

分层集群的新型电力系统也呈现出“能量—信息—价值”三层网络架构并与其他能源系统紧密相连。分层集群的新型电力系统的规划与运行问题可以分为物理机理（“能量网络”层面）、运行控制（“信息网络”层面）和市场交易（“价值网络”层面）三个层面的问题，是典型的多学科交叉问题，需要通过多学科、多行业的联合攻关来解决。

在传统电力系统中，大容量发电机组往往建在一次能源资源富集的地区，并通过超/特高压远距离输电技术输送到负荷中心。而从传统电网至未来新型电力系统的转变过程，根据国家“双碳”目标和保障能源安全的要求，传统能源的逐步退出必须在新能源安全可靠替代的基础上，随着低碳、无碳能源与负荷的渗透率的逐步提升，电力系统转型将是一个先立后破的过程。

在电力系统转型过程中，电力企业与其他市场主体将逐步提升分布式电源在电力系统，尤其是在用户侧与配电网的利用率,发展分布式智能电网。这意味着配电网的形态和功能将会发生重大变化，特别是分布式电源、电动汽车、储能、柔性负荷等将大量接入。

以光伏发电为例，我国光伏装机总量呈逐年快速递增的趋势。从2016年至今，新增和累计装机容量均为全球第一。为使在广大沙漠、荒漠、工矿废弃地、农村地区发展的光伏生态、农光互补皆能实现稳定供能，应提高其灵活性与便利性，大幅降低对现有发电与输配电设备规划与运行的影响。
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