郭劍波院士：電力系統(tǒng)必須尋找新的平衡模式

　　近年來，國內(nèi)外能源電力供給安全均受到了嚴峻考驗。2021年2月，美國得克薩斯州極端寒潮天氣導致新能源出力不足，全州電力負荷大增，電價飆升至每千瓦時9美元，一戶居民一個月電費達到1萬美元。2016年9月、2019年8月澳大利亞和英國分別發(fā)生因新能源支撐能力不足、惡劣天氣導致的大停電事故。而我國東北、四川等地也陸續(xù)出現(xiàn)了由一次能源引起的電力短缺事件。

　　經(jīng)濟社會的發(fā)展使人類對電力供應(yīng)的需求持續(xù)增加。尤其是在清潔低碳目標的前提下，“保供應(yīng)、保安全、促消納”矛盾交織，如何穩(wěn)定安全地提供充足電力，成為電力系統(tǒng)需要積極應(yīng)對的挑戰(zhàn)。

　　隨著新能源利用技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、儲能技術(shù)等多個領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用，電力系統(tǒng)正在推進的演化和變革，有望“一石三鳥”地滿足經(jīng)濟、生態(tài)、用電安全三方面的共同要求。

　　中國工程院院士、國家電網(wǎng)有限公司一級顧問郭劍波認為，“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能”的新型電力系統(tǒng)是未來的演進發(fā)展方向。那么，新型電力系統(tǒng)離我們還有多遠?如何構(gòu)建新型電力系統(tǒng)?目前還存在哪些難點?近日，科技日報記者就上述問題專訪了郭劍波。

　　新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定有何影響

　　記者：“雙碳”目標下，提升新能源發(fā)電比例被視為增加發(fā)電量的最優(yōu)解。您如何看待這一觀點?

　　郭劍波：從實現(xiàn)綠色低碳的角度出發(fā)，增加新能源的發(fā)電比例是解決人類能源問題的最佳方案之一。風、光等可再生能源近年來發(fā)展迅速。將風、光等可再生能源進行電力轉(zhuǎn)化，在成本、效率方面逐漸可以滿足大規(guī)模應(yīng)用的要求，最近10年我國陸上風電成本下降了60%、光伏成本下降了80%左右。

　　從能源供應(yīng)的安全角度看，大力發(fā)展新能源也將為我國能源的可持續(xù)發(fā)展開辟新的支撐路徑。增加新能源發(fā)電供給有望進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源自給率，保障能源安全。

　　但是，在認可新能源發(fā)電優(yōu)勢的同時，也要考量其對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響。當前我國電力系統(tǒng)有著較高的安全穩(wěn)定水平，30多年未發(fā)生大面積停電事故，保持著特大規(guī)模電網(wǎng)安全運行的世界紀錄。這樣的成績，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)經(jīng)過100多年構(gòu)建所形成的設(shè)備、系統(tǒng)、技術(shù)、政策、法規(guī)等各方面的“自洽”密切相關(guān)。

　　隨著新能源發(fā)電比例的逐漸增加，新能源發(fā)電波動性、弱支撐性等特點所帶來的安全穩(wěn)定問題逐步凸顯。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“自洽”必須尋找新的平衡模式，逐步演進為新的“自洽”，進而保持我國電力系統(tǒng)一以貫之的、高水平的安全穩(wěn)定。

　　記者：風光發(fā)電波動性、弱支撐性對電力系統(tǒng)的影響大嗎?為什么?

　　郭劍波：新能源有波動性、隨機性，通俗理解就是“不可靠”，風、光發(fā)電不能滿足“一插就有電”的供電需求。更具體地說，電具有商品屬性，用戶購買電，對電的供應(yīng)有質(zhì)量標準的要求，即連續(xù)可靠，電壓、頻率、波形要滿足標準要求，否則就是不合格的商品。“不合格的電”會帶來如燒毀電器、高精密儀器無法正常運行等問題，甚至造成巨大的生產(chǎn)損失。

　　此外，在極端惡劣天氣情況下。國內(nèi)外均有停電事故或電力供應(yīng)不足事故發(fā)生。我國近60年的氣象數(shù)據(jù)表明，極端天氣發(fā)生頻率呈上升趨勢，在長周期范圍內(nèi)，極端天氣用電負荷與新能源發(fā)電出力也呈反調(diào)節(jié)特性，即“極熱無風，晚峰無光”的特性，這無疑增加了新能源電力供電安全風險。

　　從電的商品角度出發(fā)，我們會發(fā)現(xiàn)，新能源發(fā)電在電的經(jīng)濟和環(huán)境成本方面貢獻很大，但在電的安全質(zhì)量方面貢獻相對較小，這與新能源的特性密切相關(guān)。比如，為了滿足用電需求，傳統(tǒng)電廠都有備用機制，達到“即便用戶多要電我也有”的效果，以防止運行預測不準確。煤電廠留備用的任務(wù)已經(jīng)制度化，包括備好發(fā)電用燃煤、相應(yīng)機組等一系列方案。而風電光伏要形成備用機制，經(jīng)濟性較差。其能源基礎(chǔ)是難以儲留的太陽能、風能，目前無法形成制度化的備用方案和穩(wěn)定的備用供給。

　　提高新能源發(fā)電比例需多方協(xié)調(diào)配合

　　記者：我國中東部風、光資源技術(shù)可開發(fā)量總計20億千瓦以上，遠不能滿足當?shù)赜秒娯摵尚枨?，仍需依賴我國西北地區(qū)、東北地區(qū)的跨區(qū)輸送電量。電力空間平衡的需求帶來哪些挑戰(zhàn)?

　　郭劍波：從能源分布角度看，“胡煥庸線”以東屬經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，“胡煥庸線”以西是資源富集地區(qū)，存在著能源逆向分布的情況。隨著新能源發(fā)電量的增加，新能源發(fā)電的大容量遠距離外送面臨的問題更多、挑戰(zhàn)更大。

　　目前對于超過1000公里的大容量遠距離輸電來說，最經(jīng)濟的方式是直流輸送。但直流輸送的整流和逆變過程(交流電與直流電的變換過程)，需要強電源的支撐。而新能源發(fā)電則是以電力電子換流器并入電網(wǎng)，這種方式承受過電流能力低，通過這種方式產(chǎn)生的是“弱電源”。打個比方，直流輸電的整流和逆變過程需要電源的支撐，傳統(tǒng)技術(shù)中，電源的支撐能力可能如同3頭牛、5頭?？钢@項工作，因此在系統(tǒng)有波動時，電源也能扛得住。而新能源并網(wǎng)時接入的換流器如同眾多“小螞蟻”，其匯集而成的力量也要承擔運送“糧草”(電力)的任務(wù)，但承受系統(tǒng)故障沖擊的能力低，這就導致大容量遠距離外送的系統(tǒng)安全性面臨挑戰(zhàn)。

　　記者：增加新能源發(fā)電比例還有哪些工作要做?需要哪些方面的協(xié)調(diào)和配合?

　　郭劍波：隨著新能源發(fā)電比例的增加，電力行業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注新能源發(fā)電入網(wǎng)對電力安全貢獻薄弱的問題。

　　例如，技術(shù)方面存在的一個瓶頸是，新能源大規(guī)模并網(wǎng)帶來的寬頻振蕩問題在不同國家和地區(qū)相繼發(fā)生，其振蕩頻率覆蓋范圍廣，從數(shù)十赫茲到數(shù)百赫茲乃至上千赫茲，機理復雜。針對上述問題，學界和產(chǎn)業(yè)界均開展了相關(guān)研究。如在振蕩的抑制方面，可以通過建立千萬千瓦級新能源發(fā)電集群全電磁暫態(tài)仿真平臺，利用仿真重現(xiàn)的手段，幫助預防和解決振蕩事故;在新能源機組發(fā)電的安全穩(wěn)定性方面，主動建立并支撐電網(wǎng)頻率和電壓的構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)也得到了積極的發(fā)展。

　　持續(xù)提升新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不完全是個技術(shù)問題，還與體系有關(guān)。以新型電力系統(tǒng)解決供需矛盾，不可能一蹴而就。比方說，過去的面粉種類有“75粉”“85粉”，同樣是100斤麥子，有的能打出75斤面粉，有的能打出85斤面粉，兩種面粉的價格肯定是不一樣的。因為前一種除去了10斤“麩糠”，進行了質(zhì)量升級的工作?，F(xiàn)在的新能源發(fā)電由于本身特點，將使得電力系統(tǒng)低慣量、低阻尼、弱電壓支撐等特點凸顯，就好像摻雜了“麩糠”的面粉，但在并網(wǎng)時電力安全和質(zhì)量成本未能體現(xiàn)在相關(guān)的核算中。隨著產(chǎn)消者的出現(xiàn)，需適當修訂現(xiàn)行的《電力法》，使其適應(yīng)新型電力系統(tǒng)，也就是說要實現(xiàn)責權(quán)利對等。我們在鼓勵新商業(yè)模式和商業(yè)形態(tài)興起的同時，也應(yīng)該賦予其同等的責任。

　　構(gòu)建新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵是形成新的“自恰”

　　記者：構(gòu)建新型電力系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)是什么?目前有哪些應(yīng)對舉措?

　　郭劍波：為解決新能源電力系統(tǒng)存在的問題，當前也涌現(xiàn)出不少技術(shù)和方案，比如，通過儲能技術(shù)提高新能源發(fā)電的利用率。但當前這些技術(shù)和方案仍未能同時較好地解決安全保供、治理環(huán)境、提升經(jīng)濟效益三方面的問題。新能源出力具有隨機性、波動性，電力電量時空分布極度不均衡，帶來充裕性挑戰(zhàn);新能源的弱支撐性導致故障對電網(wǎng)造成的打擊強度增加，帶來安全性挑戰(zhàn);新能源發(fā)電成本下降，但系統(tǒng)匹配的調(diào)節(jié)和安全成本大幅增加，需要政策機制的引導和保障，帶來經(jīng)濟性和體制機制挑戰(zhàn)。安全—經(jīng)濟—環(huán)境“矛盾三角形”將長期存在。如何在可接受范圍內(nèi)給出可以普及的、最優(yōu)的問題解決方案，是新能源電力系統(tǒng)面臨的難題。

　　從新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建來看，最大挑戰(zhàn)是如何形成新的“自洽”。我們應(yīng)該意識到，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的根基是安全保供，它的起點和演進過程均需要依靠傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。新型電力系統(tǒng)不是通過推翻傳統(tǒng)系統(tǒng)重新建立起來的。新型電力系統(tǒng)是在能源電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上持續(xù)演進的過程，應(yīng)該客觀、科學地認識新能源發(fā)電的弱點，通過開發(fā)安全穩(wěn)定、成本可及、可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)彌補這些問題，逐步形成新系統(tǒng)的“自洽性”。

　　記者：如何理解新型電力系統(tǒng)的演進方向?如何構(gòu)建各參與主體、各關(guān)鍵要素協(xié)同發(fā)展的生態(tài)?

　　郭劍波：環(huán)境問題、能源危機和新能源成本下降必將加速新能源的發(fā)展，而新能源比例的增加將使得新型電力系統(tǒng)面臨的安全、經(jīng)濟、體制機制等挑戰(zhàn)來得更快、更猛烈、更復雜。因此，必須加快科技創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，加強社會—能源—電力系統(tǒng)的協(xié)同，不斷完善政策法規(guī)。

　　政策應(yīng)進一步鼓勵智慧技術(shù)的應(yīng)用。新型電力系統(tǒng)是一個物理信息社會系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的運行與社會行為、信息交互的關(guān)系將會更加緊密。以電動車為例，新型電力系統(tǒng)通過交互和調(diào)度，能夠?qū)崿F(xiàn)在太陽光充足時，讓電動車多充些電、消耗負荷，在沒太陽的時候則讓電動車給電網(wǎng)供些電。這樣的交互也可以發(fā)展到溫感負荷的使用中，讓每個電力的使用者都能為電力系統(tǒng)穩(wěn)定貢獻“平衡力”。

　　政策還將平衡新能源開發(fā)利用的著力點。當前，新能源開發(fā)受到行業(yè)產(chǎn)業(yè)的高度重視，但新能源真正發(fā)揮效果是在應(yīng)用中。發(fā)電后如何滿足不同用電場景、如何更便于行業(yè)企業(yè)的應(yīng)用?在這些方面，技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)仍舊不足。

　　可見，新型電力系統(tǒng)的形成，離不開包括政策法規(guī)作為“指揮棒”的方向引導作用。

　　記者：黨的二十大報告指出，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系。如何正確理解新型電力系統(tǒng)與新型能源體系的關(guān)系?

　　郭劍波：首先，從量的關(guān)系上來說，據(jù)預估，到2060年能源消費側(cè)的電力消費占比將是所有能源消費的50%以上，甚至可能達到70%，新型電力系統(tǒng)將逐步從新型能源體系的重要部分變成主要部分。其次，從相互之間的作用關(guān)系來看，能源低碳靠電力、電力安全靠能源。新型電力系統(tǒng)是源網(wǎng)荷儲協(xié)同的系統(tǒng)。在新型電力系統(tǒng)演進過程中，需要迎接多能源利用、多行業(yè)發(fā)展對電力系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)，還要兼顧解決世界能源理事會提出的能源“三難指數(shù)”(即能源安全、能源公平、環(huán)境可持續(xù)性)的矛盾。

　　因此，必須運用大系統(tǒng)觀，從能源體系和社會體系的視角出發(fā)，認識新型電力系統(tǒng)演化趨勢和發(fā)展規(guī)律。在新的歷史條件下，要結(jié)合中國特有的實際情況，系統(tǒng)全面地考量安全經(jīng)濟環(huán)境因素，并以之為基礎(chǔ)推進新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

　　來源：科技日報 記者 張佳星