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曾勇剛 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司黨委副書記、院長
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，“堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐”。
構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是推動能源革命的重要戰(zhàn)略舉措，科技創(chuàng)新在新型電力系統(tǒng)構建中處于核心地位。
新型電力系統(tǒng)的特點與發(fā)展階段
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)在源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)都將呈現(xiàn)新的特點：
電源開發(fā)將呈現(xiàn)風光新能源為主體、多種清潔能源協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢。初步測算，到2030和2060年，我國以風光為主的新能源發(fā)電量占比將分別超過25%和60%。新型電力系統(tǒng)構建過程中將逐步呈現(xiàn)高比例新能源特性。
終端能源消費“新電氣化”進程加快，能效提升。初步測算，工業(yè)、建筑、交通三大領域終端用能電氣化水平將從目前的30%、30%和5%提升至2060年的約50%、75%和50%，數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展也將推動終端用能電氣化水平進一步提高。電力電子裝備的廣泛應用在提升能效的同時將使需求側電力電子化特征凸顯。
電網(wǎng)支撐新能源大范圍優(yōu)化配置的平臺作用更加顯著。大電網(wǎng)柔性互聯(lián)將進一步提升更大范圍資源配置能力，滿足新能源基地大規(guī)模集中開發(fā)與跨省區(qū)輸送需求；配電網(wǎng)與微電網(wǎng)協(xié)同發(fā)展將具備更高的靈活性和主動性，實現(xiàn)分布式新能源的高效就地消納。
規(guī)模化儲能將加快發(fā)展并廣泛應用。高比例新能源并網(wǎng)消納需要合理配置大規(guī)模儲能以提高系統(tǒng)的可控性和靈活性。大量電力電子變換器型儲能裝置在增加系統(tǒng)靈活性的同時，也使得系統(tǒng)特性復雜度進一步增加。
電力市場在資源優(yōu)化配置和市場主體利益協(xié)調(diào)中的作用更加凸顯。新能源和傳統(tǒng)電源角色發(fā)生轉變，需要有高效完善的電力市場支撐，以更高效地協(xié)調(diào)不同市場主體的利益訴求，實現(xiàn)全要素資源的充分投入和優(yōu)化配置，這對靈活高效的市場機制設計與實現(xiàn)技術提出了更高要求。
基于新型電力系統(tǒng)的以上特點，從動態(tài)發(fā)展的角度，我國新型電力系統(tǒng)的構建將大致經(jīng)歷以下4個階段：第一階段，預計到2030年，新能源裝機占比在各類型電源中居首位，處于相對主導地位，支撐“碳達峰”目標實現(xiàn)；第二階段，新能源裝機占比超過50%，處于主導地位；第三階段，新能源發(fā)電量占比超過50%，處于絕對主導地位；第四階段，新能源發(fā)電量占比超過60%，全面支撐2060年“碳中和”目標實現(xiàn)。
構建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源與高度電力電子化特征，對可靠供電、安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行帶來新的挑戰(zhàn)。
電力系統(tǒng)持續(xù)可靠供電面臨新挑戰(zhàn)。風光等新能源發(fā)電具有較強的隨機性、波動性和間歇性。大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，不同時間尺度供需平衡調(diào)控難度大幅增加，對新能源資源評估與發(fā)電預測、電力電量平衡、大范圍資源配置、規(guī)模化儲能等技術提出了更高要求。此外，風光新能源高度依賴自然條件，發(fā)電設備耐受極端天氣能力脆弱，系統(tǒng)保底供電能力和快速恢復能力面臨更大挑戰(zhàn)。
電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨新挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)在延續(xù)交直流復雜大電網(wǎng)特征的同時，由于源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)高度電力電子化，將呈現(xiàn)低轉動慣量、寬頻域振蕩等新的動態(tài)特征，系統(tǒng)功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定問題更加復雜。目前構筑于以傳統(tǒng)同步發(fā)電機為主體之上的系統(tǒng)運行控制理論與技術，難以滿足新型電力系統(tǒng)安全運行要求，系統(tǒng)基礎理論、分析方法、控制技術亟須全面創(chuàng)新與突破。
電能供應經(jīng)濟性面臨新挑戰(zhàn)。新能源能量密度小、發(fā)電年利用小時數(shù)低，且大型新能源基地通常遠離負荷中心，為保障高比例新能源并網(wǎng)消納、系統(tǒng)安全與可靠供電，總體上新型電力系統(tǒng)建設和運營成本將上升。需要先進的數(shù)字化技術與電力電子技術提升各環(huán)節(jié)運行效率，靈活的市場機制釋放源網(wǎng)荷儲各方潛力，將供電成本控制在合理范圍。
科技創(chuàng)新是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐
2021年3月16日，南方電網(wǎng)公司印發(fā)了《南方電網(wǎng)公司加強國家戰(zhàn)略科技力量建設的實施意見》，明確了高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制、超遠距離跨區(qū)域大容量特高壓直流輸電等十大重點研發(fā)方向和電力系統(tǒng)自主專用芯片等八大產(chǎn)業(yè)鏈方向，組建海上風電、先進儲能技術等16個聯(lián)合實驗室，成立了交直流串并聯(lián)復雜大電網(wǎng)規(guī)劃與運行、儲能與可再生能源、數(shù)字電網(wǎng)與人工智能等九大科研團隊。南方電網(wǎng)公司將依托以上優(yōu)勢科技資源，針對構建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，重點從以下方面開展科技攻關。大規(guī)模新能源高效消納技術。
大規(guī)模新能源并網(wǎng)消納是構建新型電力系統(tǒng)亟須解決的首要問題。在新能源發(fā)電特性方面需突破集中式與分散式風光資源精細化評估技術，新能源發(fā)電多時空尺度出力特性分析技術，新能源發(fā)電場站和集群精確建模技術，新能源發(fā)電監(jiān)測與預測技術。在新能源消納方面需突破源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃技術，概率化電力電量平衡與全景運行模擬技術，電網(wǎng)大規(guī)模新能源承載能力提升技術。
遠距離大容量直流輸電與電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術。為實現(xiàn)大規(guī)模新能源在更大區(qū)域的優(yōu)化配置，需大幅提升電網(wǎng)柔性互聯(lián)和跨省區(qū)輸電能力。在遠距離大容量直流輸電方面依托直流輸電技術國家重點實驗室等平臺，突破大容量高海拔特高壓柔性多端直流輸電技術，遠海風電柔性直流輸電技術。在電網(wǎng)柔性互聯(lián)方面需突破數(shù)字技術與先進電力電子技術融合的大電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術，滿足分布式新能源高效并網(wǎng)消納的交直流配電網(wǎng)與智能微網(wǎng)技術。
高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制技術。為應對新型電力系統(tǒng)潮流復雜多變，高度電力電子化帶來的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)運行控制技術亟須變革創(chuàng)新。需突破高比例電力電子化系統(tǒng)穩(wěn)定基礎理論，柔性電網(wǎng)多時間尺度仿真技術，特大型交直流串并聯(lián)復雜大電網(wǎng)數(shù)字化調(diào)控技術，新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定防控體系重構技術，針對極端天氣及外部攻擊的系統(tǒng)主動防御與快速恢復技術。
先進儲能及應用技術。儲能是提升電網(wǎng)靈活性和新能源消納水平、保障電網(wǎng)安全可靠的關鍵環(huán)節(jié)。需重點研究支撐大規(guī)模新能源柔性并網(wǎng)和分布式新能源開放接入的儲能配置、系統(tǒng)集成與調(diào)控技術，源網(wǎng)荷側多類型儲能應用技術，突破新一代先進儲能器件、裝備與回收利用技術，新型/小型化抽水蓄能設計施工與運維技術。
促進新能源消納的電力市場技術。有效電力市場機制在挖掘各類資源調(diào)節(jié)潛力、促進新能源消納中的作用將更加凸顯。需重點研究適應新能源為主體的多類型市場品種交易機制，促進新能源消納的現(xiàn)貨電能量市場、輔助服務市場交易機制與實現(xiàn)技術，靈活多樣的市場化需求響應交易模式。
需求側響應與虛擬電廠技術。需求側資源參與系統(tǒng)功率整體平衡是新型電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的必然要求。需突破海量多元用戶的供需互動與能效提升技術，規(guī)模化靈活資源虛擬電廠聚合調(diào)控技術，電熱冷氣多元融合技術，電動汽車與電網(wǎng)互動技術。
數(shù)字電網(wǎng)與人工智能技術。數(shù)字與物理系統(tǒng)深度融合是新型電力系統(tǒng)顯著特征。需突破電力專用芯片及智能傳感技術，物聯(lián)感知及通信技術，數(shù)字電網(wǎng)平臺及人工智能技術，數(shù)字電網(wǎng)一體化安全防護與支撐技術。
南方電網(wǎng)公司將整合優(yōu)勢資源，加大關鍵技術的集中攻關、試驗示范、推廣應用，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的新型電力系統(tǒng)關鍵技術與標準體系，成為國家戰(zhàn)略科技力量，以科技創(chuàng)新支撐新型電力系統(tǒng)構建，為我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標貢獻力量。
來源：南方能源觀察
首發(fā)于《中國電力報》2021年4月26日第二版
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，“堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐”。
構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是推動能源革命的重要戰(zhàn)略舉措，科技創(chuàng)新在新型電力系統(tǒng)構建中處于核心地位。
新型電力系統(tǒng)的特點與發(fā)展階段
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)在源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)都將呈現(xiàn)新的特點：
電源開發(fā)將呈現(xiàn)風光新能源為主體、多種清潔能源協(xié)調(diào)發(fā)展態(tài)勢。初步測算，到2030和2060年，我國以風光為主的新能源發(fā)電量占比將分別超過25%和60%。新型電力系統(tǒng)構建過程中將逐步呈現(xiàn)高比例新能源特性。
終端能源消費“新電氣化”進程加快，能效提升。初步測算，工業(yè)、建筑、交通三大領域終端用能電氣化水平將從目前的30%、30%和5%提升至2060年的約50%、75%和50%，數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展也將推動終端用能電氣化水平進一步提高。電力電子裝備的廣泛應用在提升能效的同時將使需求側電力電子化特征凸顯。
電網(wǎng)支撐新能源大范圍優(yōu)化配置的平臺作用更加顯著。大電網(wǎng)柔性互聯(lián)將進一步提升更大范圍資源配置能力，滿足新能源基地大規(guī)模集中開發(fā)與跨省區(qū)輸送需求；配電網(wǎng)與微電網(wǎng)協(xié)同發(fā)展將具備更高的靈活性和主動性，實現(xiàn)分布式新能源的高效就地消納。
規(guī)模化儲能將加快發(fā)展并廣泛應用。高比例新能源并網(wǎng)消納需要合理配置大規(guī)模儲能以提高系統(tǒng)的可控性和靈活性。大量電力電子變換器型儲能裝置在增加系統(tǒng)靈活性的同時，也使得系統(tǒng)特性復雜度進一步增加。
電力市場在資源優(yōu)化配置和市場主體利益協(xié)調(diào)中的作用更加凸顯。新能源和傳統(tǒng)電源角色發(fā)生轉變，需要有高效完善的電力市場支撐，以更高效地協(xié)調(diào)不同市場主體的利益訴求，實現(xiàn)全要素資源的充分投入和優(yōu)化配置，這對靈活高效的市場機制設計與實現(xiàn)技術提出了更高要求。
基于新型電力系統(tǒng)的以上特點，從動態(tài)發(fā)展的角度，我國新型電力系統(tǒng)的構建將大致經(jīng)歷以下4個階段：第一階段，預計到2030年，新能源裝機占比在各類型電源中居首位，處于相對主導地位，支撐“碳達峰”目標實現(xiàn)；第二階段，新能源裝機占比超過50%，處于主導地位；第三階段，新能源發(fā)電量占比超過50%，處于絕對主導地位；第四階段，新能源發(fā)電量占比超過60%，全面支撐2060年“碳中和”目標實現(xiàn)。
構建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源與高度電力電子化特征，對可靠供電、安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行帶來新的挑戰(zhàn)。
電力系統(tǒng)持續(xù)可靠供電面臨新挑戰(zhàn)。風光等新能源發(fā)電具有較強的隨機性、波動性和間歇性。大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，不同時間尺度供需平衡調(diào)控難度大幅增加，對新能源資源評估與發(fā)電預測、電力電量平衡、大范圍資源配置、規(guī)模化儲能等技術提出了更高要求。此外，風光新能源高度依賴自然條件，發(fā)電設備耐受極端天氣能力脆弱，系統(tǒng)保底供電能力和快速恢復能力面臨更大挑戰(zhàn)。
電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨新挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)在延續(xù)交直流復雜大電網(wǎng)特征的同時，由于源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)高度電力電子化，將呈現(xiàn)低轉動慣量、寬頻域振蕩等新的動態(tài)特征，系統(tǒng)功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定問題更加復雜。目前構筑于以傳統(tǒng)同步發(fā)電機為主體之上的系統(tǒng)運行控制理論與技術，難以滿足新型電力系統(tǒng)安全運行要求，系統(tǒng)基礎理論、分析方法、控制技術亟須全面創(chuàng)新與突破。
電能供應經(jīng)濟性面臨新挑戰(zhàn)。新能源能量密度小、發(fā)電年利用小時數(shù)低，且大型新能源基地通常遠離負荷中心，為保障高比例新能源并網(wǎng)消納、系統(tǒng)安全與可靠供電，總體上新型電力系統(tǒng)建設和運營成本將上升。需要先進的數(shù)字化技術與電力電子技術提升各環(huán)節(jié)運行效率，靈活的市場機制釋放源網(wǎng)荷儲各方潛力，將供電成本控制在合理范圍。
科技創(chuàng)新是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐
2021年3月16日，南方電網(wǎng)公司印發(fā)了《南方電網(wǎng)公司加強國家戰(zhàn)略科技力量建設的實施意見》，明確了高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制、超遠距離跨區(qū)域大容量特高壓直流輸電等十大重點研發(fā)方向和電力系統(tǒng)自主專用芯片等八大產(chǎn)業(yè)鏈方向，組建海上風電、先進儲能技術等16個聯(lián)合實驗室，成立了交直流串并聯(lián)復雜大電網(wǎng)規(guī)劃與運行、儲能與可再生能源、數(shù)字電網(wǎng)與人工智能等九大科研團隊。南方電網(wǎng)公司將依托以上優(yōu)勢科技資源，針對構建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，重點從以下方面開展科技攻關。大規(guī)模新能源高效消納技術。
大規(guī)模新能源并網(wǎng)消納是構建新型電力系統(tǒng)亟須解決的首要問題。在新能源發(fā)電特性方面需突破集中式與分散式風光資源精細化評估技術，新能源發(fā)電多時空尺度出力特性分析技術，新能源發(fā)電場站和集群精確建模技術，新能源發(fā)電監(jiān)測與預測技術。在新能源消納方面需突破源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃技術，概率化電力電量平衡與全景運行模擬技術，電網(wǎng)大規(guī)模新能源承載能力提升技術。
遠距離大容量直流輸電與電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術。為實現(xiàn)大規(guī)模新能源在更大區(qū)域的優(yōu)化配置，需大幅提升電網(wǎng)柔性互聯(lián)和跨省區(qū)輸電能力。在遠距離大容量直流輸電方面依托直流輸電技術國家重點實驗室等平臺，突破大容量高海拔特高壓柔性多端直流輸電技術，遠海風電柔性直流輸電技術。在電網(wǎng)柔性互聯(lián)方面需突破數(shù)字技術與先進電力電子技術融合的大電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術，滿足分布式新能源高效并網(wǎng)消納的交直流配電網(wǎng)與智能微網(wǎng)技術。
高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制技術。為應對新型電力系統(tǒng)潮流復雜多變，高度電力電子化帶來的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)運行控制技術亟須變革創(chuàng)新。需突破高比例電力電子化系統(tǒng)穩(wěn)定基礎理論，柔性電網(wǎng)多時間尺度仿真技術，特大型交直流串并聯(lián)復雜大電網(wǎng)數(shù)字化調(diào)控技術，新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定防控體系重構技術，針對極端天氣及外部攻擊的系統(tǒng)主動防御與快速恢復技術。
先進儲能及應用技術。儲能是提升電網(wǎng)靈活性和新能源消納水平、保障電網(wǎng)安全可靠的關鍵環(huán)節(jié)。需重點研究支撐大規(guī)模新能源柔性并網(wǎng)和分布式新能源開放接入的儲能配置、系統(tǒng)集成與調(diào)控技術，源網(wǎng)荷側多類型儲能應用技術，突破新一代先進儲能器件、裝備與回收利用技術，新型/小型化抽水蓄能設計施工與運維技術。
促進新能源消納的電力市場技術。有效電力市場機制在挖掘各類資源調(diào)節(jié)潛力、促進新能源消納中的作用將更加凸顯。需重點研究適應新能源為主體的多類型市場品種交易機制，促進新能源消納的現(xiàn)貨電能量市場、輔助服務市場交易機制與實現(xiàn)技術，靈活多樣的市場化需求響應交易模式。
需求側響應與虛擬電廠技術。需求側資源參與系統(tǒng)功率整體平衡是新型電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的必然要求。需突破海量多元用戶的供需互動與能效提升技術，規(guī)模化靈活資源虛擬電廠聚合調(diào)控技術，電熱冷氣多元融合技術，電動汽車與電網(wǎng)互動技術。
數(shù)字電網(wǎng)與人工智能技術。數(shù)字與物理系統(tǒng)深度融合是新型電力系統(tǒng)顯著特征。需突破電力專用芯片及智能傳感技術，物聯(lián)感知及通信技術，數(shù)字電網(wǎng)平臺及人工智能技術，數(shù)字電網(wǎng)一體化安全防護與支撐技術。
南方電網(wǎng)公司將整合優(yōu)勢資源，加大關鍵技術的集中攻關、試驗示范、推廣應用，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的新型電力系統(tǒng)關鍵技術與標準體系，成為國家戰(zhàn)略科技力量，以科技創(chuàng)新支撐新型電力系統(tǒng)構建，為我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標貢獻力量。
來源：南方能源觀察
首發(fā)于《中國電力報》2021年4月26日第二版
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