郭劍波院士：新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策

新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策郭劍波2023年9月26日三、結(jié)語習(xí)近平總書記在七十五屆聯(lián)大講話中宣布：習(xí)近平總書記在七十五屆聯(lián)大講話中宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、裝機(jī)容量/GW裝機(jī)容量/GW新能源快速發(fā)展我國是全球新能源(主要是風(fēng)電和光伏，下同)裝機(jī)規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家。截至29.6%,新能源已成為我國第二大電源。新能源發(fā)電量突破1萬億千瓦時(shí)，占我國總發(fā)電量的12.5%。同時(shí)，我國也是世界最大的新能源裝備制造國，全球10大風(fēng)電整機(jī)商中國占6個(gè)，10大光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量(GW)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量(GW)一一新能源裝機(jī)占比(%)我國風(fēng)電光伏累計(jì)裝機(jī)容量(2017~2021)■氣電煤電核電*水電風(fēng)電太陽能發(fā)電■其它2021我國電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)電量情況(億千瓦，萬億干瓦時(shí))4最大出力/萬kw最大出力/萬kw口《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出沙戈荒地區(qū)基地化規(guī)?；_發(fā)、中東南部分布式就口部分省份新能源已成為第一大電源，其中青海占比超過60%,河北、甘肅超50%?？?021年，西北電網(wǎng)新能源發(fā)電量占比達(dá)到21.18%,超過同等規(guī)模的歐盟電網(wǎng)2.1個(gè)百分點(diǎn)?？?022年，西北電網(wǎng)新能源單日最大發(fā)電量占比達(dá)35%、瞬時(shí)最大出力占比達(dá)48%。西北新能源最大出力西北電網(wǎng)新能源發(fā)電量占比西北新能源最大出力占西北電網(wǎng)占西北電網(wǎng)總出力的48%52022二月5“雙碳”目標(biāo)下的2030電力場(chǎng)景規(guī)發(fā)電裝機(jī)(23億)與最大負(fù)荷(22.5億)相當(dāng)，需求側(cè)減負(fù)荷6.7%,電力平衡難度大。平衡容量煤電水地1.需求側(cè)1.5非抽蓄1-1.1抽蓄11-1.141生物質(zhì)及其他1.03年09光熱0.09-0.11風(fēng)521電源種千瓦)千瓦時(shí))煤電氣電核電核電生物質(zhì)水電風(fēng)電0其它6煤電電太陽能煤電電太陽能核電風(fēng)電生物質(zhì)水電風(fēng)電工光天0水電L9核電3.62.8電5.457“雙碳”目標(biāo)下的2060電力場(chǎng)景據(jù)預(yù)測(cè)，2060年全社會(huì)用電量約15.7萬億千瓦機(jī)將超過40億千瓦，裝機(jī)占比超過60%,發(fā)電量占比超過50%,成為電量供應(yīng)主體；化石能源電量占比小于7%,考慮CCUS技術(shù)，電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放。常規(guī)發(fā)電裝機(jī)(22億)不足最大負(fù)荷(32億)的七成。如果負(fù)荷、光伏等發(fā)展高于預(yù)期，核電等發(fā)展低于預(yù)期，電力平衡難度電源種千瓦時(shí))煤電光熱2.252.3.氣電核電生物質(zhì)水電風(fēng)電0其它數(shù)據(jù)來源：國網(wǎng)能源院，《新型電力系統(tǒng)實(shí)施路徑研究——碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下能源電力發(fā)展場(chǎng)景及轉(zhuǎn)型路徑研究》7新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)仍是交流同步機(jī)制據(jù)測(cè)算，2030年同步機(jī)規(guī)模大于最大負(fù)荷，同步機(jī)出力占總負(fù)荷之比大于50%的累計(jì)時(shí)段為100%;2060年同步機(jī)出力占總負(fù)荷之比大于40%、50%的累計(jì)時(shí)段仍達(dá)全年時(shí)長的66%和53%。考慮到存量資產(chǎn)巨大、發(fā)展的漸進(jìn)性、大型電源送出以及特高壓輸電的需要等因素，同步機(jī)出力占負(fù)荷的比值累積持續(xù)小時(shí)數(shù)0102030年同步機(jī)出力大于負(fù)荷占比的累積持續(xù)小時(shí)數(shù)2060年同步機(jī)出力大于對(duì)應(yīng)負(fù)荷占比的累積持續(xù)小時(shí)數(shù)8新型電力系統(tǒng)發(fā)展面臨“矛盾三角形”挑戰(zhàn)低密度和分散性，使其發(fā)電出力時(shí)空分布極度不均衡且“高裝機(jī)、低電量”,帶來充裕性挑戰(zhàn)；新能源發(fā)電設(shè)備具有低抗擾、弱支撐性，快速可控與輸出能力受限的矛盾突出(增強(qiáng)系統(tǒng)非線低貢獻(xiàn)的矛盾，需要協(xié)調(diào)多利益主體(多行業(yè)、多系統(tǒng)、多能源、多電源)責(zé)權(quán)利，帶來體制機(jī)能源安全社會(huì)公平屬性環(huán)境可持續(xù)性經(jīng)濟(jì)矛盾三角形安全發(fā)屬經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境能源三難指數(shù)-世界能源委員會(huì)不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)→→→矛盾協(xié)調(diào)，優(yōu)化折中10挑戰(zhàn)技術(shù)需求挑戰(zhàn)技術(shù)需求應(yīng)對(duì)措施挑戰(zhàn)1:充裕性挑戰(zhàn)2:安全性挑戰(zhàn)3:機(jī)制體制不同時(shí)間尺度的功率平衡擾動(dòng)沖擊下的控制與安全防御市場(chǎng)體制機(jī)制靈活性系統(tǒng)認(rèn)知機(jī)理原理系統(tǒng)構(gòu)建形態(tài)格局電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行控制能力提升承載能力靈活調(diào)節(jié)技術(shù)融合信息化智能化最低同時(shí)率充裕性挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)(一)最低同時(shí)率可靠容量可靠容量缺口不斷電力平衡和各類電源可靠容量(單位：億千瓦)充裕性挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)(二)一次能源保障程度決定了系統(tǒng)“兜底”程度；通過靈活性改造、摻燒(氫、氨、生物質(zhì))和新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷比例的最小值、平均值和最大值新能源高裝機(jī)場(chǎng)景下的電力電量平衡示意圖安全性挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)(一)安全性挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)(一)風(fēng)電接入后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性降低國家電網(wǎng)有限公司新能源低抗擾、弱支撐特性，與火電相比，并網(wǎng)阻抗增加一倍，過流能力不足1/5。新能源低慣量、低電壓支撐、低抗擾特征，增大了系統(tǒng)頻率、電壓和新穩(wěn)定問題失穩(wěn)以及安控策略失配的風(fēng)險(xiǎn)。隨著新能源占比快速提高，擠占常規(guī)機(jī)組開機(jī)空間，系統(tǒng)“空心化”加劇，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，系統(tǒng)打擊強(qiáng)度增加，承受力下降，安全風(fēng)險(xiǎn)增大。據(jù)預(yù)測(cè)到2030年，部分區(qū)域電網(wǎng)新能源出力將超過系統(tǒng)總負(fù)荷的50%,系統(tǒng)安全性面臨挑戰(zhàn)。短時(shí)過流能力(倍額定電流)調(diào)壓和一次調(diào)頻能力常規(guī)電源7倍火電(T}=5.8-9.0s)核電(T)-7.6-8.6s)水電(T=4.0-6.0s)高壓并網(wǎng)，參與調(diào)壓和調(diào)頻新能源1.1～1.3倍常規(guī)控制模式下，直驅(qū)風(fēng)機(jī)、光伏不提供，雙饋風(fēng)機(jī)幾乎不提供慣量目前不參與調(diào)壓和調(diào)頻河白武白官東斷面功率(萬千瓦)—10月16日~17日—12月16日~17日安全性挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)(二)河白武白官東斷面功率(萬千瓦)—10月16日~17日—12月16日~17日援，平抑功率沖擊；加強(qiáng)動(dòng)態(tài)無功支撐(SVC/SVG,調(diào)相機(jī)),提升電壓支撐能力；開發(fā)構(gòu)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和體制機(jī)制挑戰(zhàn)44某風(fēng)電場(chǎng)成本組成某光伏電站成本組成山東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)五一期間負(fù)電價(jià)某風(fēng)電場(chǎng)成本組成某光伏電站成本組成電力市場(chǎng)電力市場(chǎng)需關(guān)注：市場(chǎng)體系結(jié)構(gòu)和交易品種設(shè)計(jì)。交易品種由“電能為主”向“安全支撐金融品種的結(jié)合。為適應(yīng)市場(chǎng)主體激增、地區(qū)矛盾差異大的特點(diǎn)，分層分區(qū)多時(shí)間尺度多層次交易調(diào)控模式的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)控整體性、分散風(fēng)險(xiǎn)、多種合約自治的關(guān)系。交易品種設(shè)計(jì)也不宜過于復(fù)雜，涉及安全性的品種要滿足系統(tǒng)需求和投資者預(yù)期、涉及經(jīng)濟(jì)性的品種要適應(yīng)市場(chǎng)猜想：新型電力系統(tǒng)，最大化假設(shè)和信息成立，市場(chǎng)出清因供需平衡點(diǎn)會(huì)頻繁觸及電力的安全屬性和社會(huì)公平屬性而觸及價(jià)格上限或中斷市場(chǎng)；從古典理論來看，無疑加劇短缺；或者失去市場(chǎng)配置資源的能力和初衷。新能源大幅波動(dòng)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)其強(qiáng)非線性使得市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)學(xué)面臨挑戰(zhàn)。售電公靜大用白動(dòng)的作用(尤其是小時(shí)間尺度安全穩(wěn)定控制的作用);儲(chǔ)能與系統(tǒng)分層分區(qū)的關(guān)系及其簡(jiǎn)化系統(tǒng)備用電能波動(dòng)源務(wù)電能質(zhì)量側(cè)管道網(wǎng)支撐阻塞儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的作用(5類17項(xiàng))效率(%)響應(yīng)時(shí)間能非補(bǔ)燃先過壓智吉瓦級(jí)能公仰級(jí)電化等百兆瓦級(jí)吉瓦級(jí)較酸鍵電出白兆亂級(jí)15000-20000次百粥瓦級(jí)百兆瓦級(jí)告瓦級(jí)1000015000次電屏液港露風(fēng)險(xiǎn)百熱瓦級(jí)古瓦級(jí)方向攻關(guān)電氫綜合利用技術(shù)方向攻關(guān)電制氫技術(shù)是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ木G氫生產(chǎn)方式，尤其是可再生能源電解水制氫，是制全球最大的電力需求增長因素，預(yù)計(jì)到2050年全球商業(yè)化電制氫將達(dá)到12萬億千瓦時(shí)，占全球電力需求的20%?，F(xiàn)階段，度電成本、運(yùn)行負(fù)荷、制氫效率與設(shè)備成本是阻礙電解水制氫技術(shù)推廣的關(guān)鍵因素；電制氫成本高、輸儲(chǔ)用成本占比高是氫大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。高效長壽性指能標(biāo)質(zhì)(質(zhì)(51電解能Rb體4膜電解水電事放電疫基體44最載或系(RkW)在兼顧電力系統(tǒng)碳減排目標(biāo)與靈活性、穩(wěn)定性的情況下，CCUS是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵所在，技術(shù)成本是影響其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。據(jù)初步測(cè)算預(yù)計(jì)到2030年，我國全流程技術(shù)CCUS(按250公里運(yùn)輸計(jì)，考慮捕集、運(yùn)輸、封存環(huán)節(jié))成本將降至310~770元/噸，2040年CCUS將在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用，到2060年成本若降至140~410元/噸，度電增加成本降至0.09~0.27元，此時(shí)火電支撐性電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源或儲(chǔ)備電源，則度電增加成本在可接受范圍內(nèi)。本(元噸)(萬億元)本(元)試點(diǎn)應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)入商型技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)廣泛部署術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，核聚變技術(shù)是：燃料的離子溫度(EAST實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒)、等離子體密度(HL-2M等離子體電流突破1兆安培，裝置設(shè)計(jì)中國出核聚變核西核西物院1967年科中科院發(fā)屬遠(yuǎn)景規(guī)劃等離子體所核西物院大1985年核西所清華JF聚變輸TER建設(shè)H所中國磁約束聚變發(fā)展技術(shù)路線圖實(shí)驗(yàn)堆★實(shí)驗(yàn)堆原型電站甘并部A*業(yè)主可以市場(chǎng)選擇。難點(diǎn)在于：規(guī)劃多目標(biāo)和準(zhǔn)則的確定(確定性、概率性),先驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢則能產(chǎn)生復(fù)雜系統(tǒng)特性、而復(fù)雜系統(tǒng)特性很難反演出簡(jiǎn)單多利益主體聯(lián)動(dòng)博弈數(shù)據(jù)挖掘指投資氣象條件是高比例新能源電力系統(tǒng)最關(guān)鍵的外部影響因素，其影響范圍涵蓋“發(fā)”(風(fēng)、“用”(溫度、降水等影響負(fù)荷行為，風(fēng)、光影響分布式新能源出力)全環(huán)節(jié)。國際電力研究機(jī)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)致災(zāi)模型新能源占比逐年增高支撐高比例新能源電力系統(tǒng)的電力氣象技術(shù)架構(gòu)新型電力系統(tǒng)數(shù)字化如何“化”?數(shù)字“化”的方向(“六度”:角度、維度、尺度、標(biāo)度、溫度和關(guān)聯(lián)度)、及其與數(shù)字化體系架構(gòu)(自身體系架構(gòu)及其與新型電力系統(tǒng)體系架構(gòu))和系統(tǒng)智能化程度的關(guān)系；感知系統(tǒng)如何提升數(shù)字“化”和智能化；數(shù)字“化”與社會(huì)-能源-電力系統(tǒng)可觀可達(dá)化金融金融h數(shù)實(shí)準(zhǔn)倍建筑熱力火電儲(chǔ)能數(shù)據(jù)交互工業(yè)風(fēng)電交通經(jīng)濟(jì)環(huán)保集成智能數(shù)字孿生人機(jī)協(xié)同數(shù)字孿生與人工智能集成智能數(shù)字孿生人機(jī)協(xié)同能源電力行業(yè)要發(fā)展行業(yè)大模型人工智能、多人機(jī)混合智能和實(shí)現(xiàn)“共同、共生、共榮”的數(shù)字孿生智能，為新型電力系統(tǒng)的認(rèn)知和控制提供了新的手段。難點(diǎn)：解決新型電力系統(tǒng)的開放性(先驗(yàn)缺)、脆弱性(先驗(yàn)不足)、不確定性(人-物-環(huán)境的變化和相互影響)、可解釋性人工智能物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)數(shù)字用社會(huì)視角定義和應(yīng)對(duì)技術(shù)融合用社會(huì)視角定義和應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)是一個(gè)社會(huì)廣泛參與、多種能源耦合的平臺(tái)系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)是一個(gè)與社統(tǒng)。難點(diǎn)：研究對(duì)象擴(kuò)展、學(xué)科交叉融合、新的定義和概念、數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)及創(chuàng)新、復(fù)雜系統(tǒng)理論與方法、科研范式的融合創(chuàng)新?？茖W(xué)的本質(zhì)是“求真”,何為“真”?“大道至簡(jiǎn)”!圖靈獎(jiǎng)獲得者、著名數(shù)據(jù)庫專家limGray博士：科學(xué)研究歷經(jīng)了四種范式#無模型推演實(shí)驗(yàn)歸納仿真模擬數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)，模型推演實(shí)驗(yàn)歸納新型電力系統(tǒng)的幾個(gè)特征新型電力系統(tǒng)的幾個(gè)特征新的-功能定位新的-供需特性新的-產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)新的-市場(chǎng)機(jī)制新的-政策法規(guī)新的-結(jié)構(gòu)形態(tài)新的-關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，其主要目的是支撐“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是“雙碳“目標(biāo)在電力系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)。