第1卷第1期新型电力系统Vol.1No.12023年6月NewTypePowerSystemsJun.2023文章编号：2097-2784(2023)01-0032-12中图分类号：TM721文献标识码：A新型电力系统面临的挑战及应对思考郭剑波1，王铁柱2，罗魁2，秦晓辉2，荆逸然2，赵兵2，马士聪2（1.国家电网有限公司，北京100031；2.中国电力科学研究院有限公司，北京100192）DevelopmentofNewPowerSystems:ChallengesandSolutionsGUOJianbo1,WANGTiezhu2,LUOKui2,QINXiaohui2,JINGYiran2,ZHAOBing2,MAShicong2(1.StateGridCorporationofChina,Beijing100031,China；2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China)ABSTRACT:Theconstructionofnewpowersystemsisthekeysolutiontorealizethecarbonpeakandcarbonneutralitytargetsandenergytransformation.Withthedeepeningrevolutionoftheenergystructure,thepowersystemstructureandcharacteristicswillalsoexperienceprofoundchanges.Theexistingtechnologycannotsatisfytherequirementsofensuringpowersupply,gridsecurityandenergyconsumptioninthewholestageofenergytransformation,andtherefore,theconstructionofthenewpowersystemsfacesaseriesofchallenges.Thispaperbrieflyintroducestheenergyandpowerscenariosunderthe“dualcarbon”target,systematicallyanalyzesthechallengesofsufficiency,security,economyandinstitutionalmechanismsfacingbythenewpowersystems,andputsforwardkeytechnologies.Finally,comparedwiththeexistingpowersystems,thispapersummarizesthemaininnovationsofthenewpowersystems.KEYWORDS:newpowersystems;energyandelectricpowerscenario;sufficiencychallenge;securitychallenge;economicchallenge;keytechnology;systemrevolution摘要：构建新型电力系统是我国实现双碳目标和能源转型的重要途径。随着能源结构变革的深入推进，电力系统的结构和特性也将发生深刻变化，安全‒经济‒环境“矛盾三角形”是构建新型电力系统将面临的长期挑战。该文简要介绍了我国“双碳”目标下的能源和电力场景，系统分析了我国新型电力系统面临的充裕性、安全性、经济性和体制机制挑战，提出了值得关注的关键技术，最后总结提炼了新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革。关键词：新型电力系统；能源电力场景；充裕性挑战；安全性挑战；经济性挑战；关键技术；系统变革0引言能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。党的二十大报告强调：确为应对气候变化，落实《巴黎协定》，中国承保粮食、能源资源、重要产业链供应链安全；立足诺2030年左右二氧化碳排放达到峰值，2060年实我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤现碳中和[1]。2021年中央财经委员会第九次会议提实施碳达峰行动；加快规划建设新型能源体系。出：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源结构由高碳向低碳转型，是实现“双碳”目标的关键，而电力又是其主战场。能源结构转型基金项目：中国工程院战略研究与咨询项目“高比例新能源系统需要在生产侧进行清洁替代，在消费侧进行电能替构建与战略研究”(2021-JJZD-03)。代。生产侧用清洁能源替代化石能源，清洁能源目前主要以电能形式开发利用；消费侧通过电能替ProjectSupportedbyChineseAcademyofEngineering'sStrategicResearchandConsultingProgram(2021-JJZD-03).第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考33代，可降低终端用能部门直接碳排放，并降低全社1）我国2030年能源场景预测。会整体碳排放[2]。电力系统将成为能源供应、消费据预测[7]，2030年全国一次能源消费总量不超以及传输转换的主要环节，需要支撑清洁能源的消过60亿t标煤。2030年前，我国能源消费增速逐纳、保障终端多种用能的需求，形成可支撑多种能渐放缓，从近十年3.0%的年均增速降到1.5%。能源品种交叉转换的现代能源体系枢纽和平台。效逐渐提升，2030年单位GDP能耗较2021年下降近1/4。终端电气化水平由2021年的27%上升至美国、英国、欧盟等发达国家/地区在政府主2030年的39%。导下持续推动能源低碳转型和电力系统变革，在2）我国2030年电力场景预测。新能源(本文中新能源特指风、光新能源，下同)发据预测[7]，2030年全社会用电量将达到11.8万电和并网、电力市场运营、火电机组灵活性改造亿kW·h，电源装机总量将达到40亿kW，风光发等方面取得了一系列进展，丹麦2021年新能源发电量占比超过50%，德国和英国可再生能源发电电装机超过煤电成为第一大电源，但煤电仍然是电量占比约40%。与此同时，近年来国外高比例新能源电力系统事故频发，如英国2019年“8·9”大力电量供应主体，如表1所示。2030年前电力系统停电事故、美国得州2021年2月的电力短缺、澳碳排放达峰，预计峰值约49亿t，电力行业将承接大利亚2022年6月中旬的电力市场停摆事件[3-5]。因此，必须加快新型电力系统的研究和建设。其他行业转移的碳排放，碳减排任务和压力更大。本文从我国“双碳”目标下的能源和电力场表12030年中国不同电源装机量及发电量预测景出发，分析我国新型电力系统所面临的充裕性、Table1Powerinstalledcapacityandpowergeneration安全性、经济性和体制机制挑战，提出应对措施和关键技术建议，并总结提炼新型电力系统相对forecastin2030,China于传统电力系统的主要变革。以期为能源电力行业从业人员提供有益参考。电源种类装机/(万kW)电量/(亿kW⋅h)1能源电力发展场景煤电14000058278我国是全球新能源装机规模最大、发展速度气电210006000最快的国家。截至2022年底，我国风电、光伏发电装机容量分别达到3.7亿kW和3.9亿kW，新能核电111008547源装机占我国电源总容量的27.3%，新能源已成为我国第二大电源[6]。我国“三北”地区已建成8个生物质57002618千万千瓦级风电基地、8个太阳能发电基地，部分省份新能源已成为第一大电源，其中青海占比超水电5401615760过60%，甘肃占比接近50%。2022年，西北电网新能源发电量占比达到23.56%，超过同等规模的风电6109113445欧盟电网1.26%。2022年，西北电网新能源单日最大发电量占比达35%、瞬时最大出力占比达48%。太阳能9402111860过去几十年电力系统的快速发展满足了新能源新型储能120000快速发展需求，满足了国民经济和社会发展需求。在“双碳”目标、能源转型和新型电力系统构建的其他57502632多重驱动下，我国能源电力系统仍将快速发展。3）我国2060年能源场景预测。据预测[7]，2060年我国一次能源消费总量较2030年下降1/4左右，约为46亿t标准煤，如图1(a)所示，其中非化石能源占比将达到80%以上，其中风、光成为主要能源；非化石能源发电量占90%以上；终端能源消费方面，交通、建筑、工业等行业纷纷将电气化作为实现双碳目标的重要举措，电能占终端能源消费比例将超过70%，如图1(b)所示电力行业是实现双碳目标的主战场。4）我国2060年电力场景预测。据预测[7]，2060年全社会用电量达到约15.7万亿kW·h，电源装机将超过67亿kW。如表2所示，非化石能源装机占比和发电量占比均超过80%；风光装机将超过40亿kW，装机占比超过60%，发34新型电力系统第1卷电量占比超过50%，成为电量供应主体，但在电电的需要等因素，2060年前主干电网仍以交流同力平衡中占比仍然较低；化石能源电量占比小于步机制为主，系统安全稳定问题将更加突出。7%，考虑碳捕获、利用与封存(carboncapture，utilizationandstorage，CCUS)技术，电力行业实现10000净零排放。8000小时数60004000一次能源需求量/(亿t标准煤)6020005004000.20.40.60.8130同步机出力占总负荷的比值20图22060年同步机出力大于对应负荷占比的累积持续小时数Fig.2Cumulativedurationhoursthatsynchronous10machineoutputisgreaterthanthecorrespondingloadproportionin206002020202520302035204020452050205520602新型电力系统面临的挑战年份终端能源需求/(亿t标准煤)煤油气核水风光其他新能源发电出力具有随机性、波动性，电力(a)我国一次能源结构演变过程电量时空分布极度不均衡，丰饶和短缺交织，带来充裕性挑战；新能源发电大规模替代常规机组，40新能源的弱支撑性导致电网“空心化”加剧，故障造成打击强度增加，新能源调节和耐受能力相35对于同步机又不足，带来安全性挑战；新能源发电成本下降，但系统匹配的调节和安全成本大幅30增加，新能源高电量场景需要多行业、多系统协调实现，需要政策机制的引导和保障，带来经济25性和体制机制挑战。安全‒经济‒环境“矛盾三角形”将长期存在，也是新型电力系统面临的长期20挑战。2.1充裕性挑战15新能源具有高装机、低电量、弱保障特性，10与同容量火电相比，新能源可发电量约为火电的1/3~1/4，保证出力约为火电的1/20(新能源最低同5时率见图3)，功率波动与火电可调出力相当。02021年，我国全社会用电量达8.3万亿kW·h，202020252030203520402045205020552060同比增长10.3%。如表3所示，按照“十四五”期年份间5%、“十五五”期间4%的年均增速预测，“十煤油天然气热力电力氢其他四五”和“十五五”末的总用电量将分别达到约(b)我国终端能源结构演变过程10万亿和12万亿kW·h，2022—2030年平均每年新增用电量约4430亿kW·h，约为当前全部已有新图1我国2020—2060年能源场景能源年发电量的45%(2021年全国新能源装机约Fig.1Energyscenariosof2020—2060inChina6.4亿kW，新能源发电量9815亿kW·h)。在现有表22060年中国不同电源装机量及发电量预测Table2Powerinstalledcapacityandpowergenerationforecastin2060,China电源种类装机/(万kW)电量/(亿kW⋅h)煤电600006320气电300003802核电4000032200生物质170006640水电7390021830风电18100045461太阳能23750040095新型储能320000其他26001067据测算，2030年同步机规模大于最大负荷，同步机出力占总负荷之比大于50%的累计时段为100%；2060年同步机规模约占最大负荷的80%，同步机出力占总负荷之比大于50%的累计时段仍约占全年时长的一半(见图2)。考虑到存量资产巨大、发展的渐进性、大型电源送出以及特高压输第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考35最低同时率/%109春夏秋冬160136142新能源出力占系统总负荷比例/%8线性(最小值)12387140103线性(最大值)6666120最小值65444343443100平均值8280最大值655832222222126051445111242403123283560华北华东华中东北西北西南20101418810121416公司公司及各区域电网1450202020252030203520402045205020552060图3国网公司及各区域电网不同季节晚高峰新能源最低年份同时率图4新能源出力占系统总负荷比例的最小值、平均值和Fig.3Newenergylowestsimultaneityfactorinevening最大值peakhourswithdifferentseasonsofStateGridCorporationandregionalpowergridsFig.4Minimum,averageandmaximumproportionofnewenergyoutputtothetotalload技术条件下，“保供应”和“促消纳”需要常规装20亿kW以上(陆上风能8.96亿kW，海上风能4亿kW，集中式光伏3.58亿kW，分布式光伏5.31亿机增长同步于负荷和新能源装机增长。kW)[9]，据估算年发电量仅为约2.5万亿kW·h，远表3我国总用电量及增速情况统计和预测不能满足当地负荷用电需求，仍需依赖我国西北Table3Totalelectricityconsumption,incrementstatistics地区、东北地区的跨区输送电量。如表4所示，据anditsforecast预测，2060年西北地区年外送电量将达到6481亿kW·h，作为对比，西北地区2021年的外送电量约时间平均增速/%总用电量/年平均新增用2750亿kW·h；2060年西北地区约有1.6亿kW新能(亿kW⋅h)电量/(亿kW⋅h)源电力外送需求(峰值电力可达2.2亿kW)，而当前十二五6.3西北跨区外送直流规模为7071万kW，2060年时十三五5.756933—需扩充为当前的2~3倍。能源电力空间平衡的需求十四五(预测)5751003640十五五(预测)410104351801229344380据预测，到2030年，新增常规装机与新增负和挑战大，需解决能源经济社会统筹、输电走廊荷和新增新能源装机之比分别为1:1.8和1:1.6，保供应和保消纳压力将逐渐增大。而且，随着新能规划、系统安全保障等问题。源电量占比的提高，常规火电效率效益随之下降。安全(保供应)‒环境(促消纳)‒经济矛盾更加突出。表42060年西北、东北新能源发电量及消纳情况2.1.1时间尺度平衡Table4Generationandconsumptionofnewenergyin根据图4所示的测算结果，2030年新能源出NorthwestandNortheastChinain2060力占系统总负荷之比为5%~51%，2060年为16%~142%[8]。新能源出力大波动需要系统具备相应的电量类型不同地区的数值/(亿kW⋅h)灵活调节能力。新能源长时间低出力(目前晚高峰保证出力仅为装机容量的4.8%)需要常规电源及其西北东北一次能源保证电力供应；新能源长时间高出力则给系统消纳、安全和能源转储利用带来挑战。新负荷176699590能源各时间尺度波动需要系统匹配相应时间尺度的灵活调节能力，还需要电力系统、能源系统甚风电66353530至社会系统(用电行为、需求侧响应等)协同。2.1.2空间尺度平衡光伏132604276我国中东部风、光资源技术可开发量总计水电1588142火电2667776核电02687外送电量648118212.2安全性挑战2.2.1系统惯量降低、调频能力下降，频率越限风险增加新能源大规模接入，挤占常规机组开机空间，系统转动惯量降低、调频能力下降，导致频率变化加快、波动幅度增大、稳态频率偏差增大，越36新型电力系统第1卷限风险增加。以我国某区域电网为例进行仿真分分布式光伏高渗透率(≥30%)情况下，由于分布式析，在相同的损失350万kW发电出力故障下，风光伏对主网电压支撑能力弱，且耐频耐压能力较电出力1200万kW情况下系统频率下跌幅度比无差，在主网发生严重故障时分布式光伏低穿失败风电情况下增加0.3Hz，仿真结果如图5所示。而大规模脱网，导致该省级电网电压失稳，仿真曲线如图6所示。50.01.249.81.0系统频率/Hz母线电压/pu0.849.6无风电0.649.40.449.20.3Hz0.249.0风电1200万kW0.005101520253035400.02.04.06.08.010.012.014.0时间/s时间/s图5某区域电网故障后频率曲线对比图6某高分布式光伏渗透率省级电网的故障后电压曲线Fig.5ComparisonofsystemfrequencywithWTandFig.6Post-failurevoltageofprovincialgridswithhighwithoutWTafterthefailuredistributedPVpower新能源发电参与一次调频可缓解稳态频率偏2.2.3功角稳定特性复杂，不确定性增加新能源的运行工况、控制策略等都会影响系差和暂态最大频率偏差，但因未改善故障初期的统功角稳定，耦合关系复杂，且可能引发新的稳系统惯量及频率变化率，低惯量系统越限风险仍定问题；惯量下降导致稳定问题时间缩短、暂态过程加快。新能源大规模接入使功角稳定特性复然存在(不同电源提供转动惯量的对比如表5所杂、不确定性增加，“预案”式安控策略配置困示)。需保持一定惯量水平、增强新能源调频能难，失配风险增大，影响电网安全。力，加强系统频率监测和优化提升。2.2.4宽频带振荡等问题出现表5不同电源提供转动惯量对比基于电力电子装置的新能源发电设备具有快Table5Comparisonofmomentofinertiaprovidedby速响应特性，电力电子设备及其控制系统、锁相环等与交直流电网中的电感、电容相互作用，会differentpowersources使电力电子设备与系统之间发生多个非基频下的能量交换，从而引发宽频振荡，带来了电力电子传统机组常规控制新能源风电虚拟惯量控制装置涉网稳定新问题[10-11]。火电双馈风机与同步机转子转速变化范围近年来，我国风电汇集地区相继出现振荡现TJ=5.8~9.0s几乎不提供惯量(0.95~1.05pu)相比，变速风机转速范象。张北柔直是世界上首个新能源通过柔直电网围(约0.7~1.2pu)更大，具备潜在的惯孤岛送出的工程。2021年11月，张北柔直端对端核电直驱风机(康保—丰宁)单极运行，康保站新能源场站接入出TJ=7.6~8.6s不提供惯量量支撑能力。现6Hz(44Hz电流)功率振荡，录波结果见图7，光伏发电存在的问题：转速恢复过程吸收能量，工程现场通过参数优化以及合理安排运行方式解水电不提供惯量决了该振荡问题。但电力电子装置涉网引发的宽TJ=4.0~8.0s可能导致频率二次跌落频振荡机理、判据、分析和控制方法仍需进一步深化研究，以期系统性攻克该问题。2.2.2新能源低压并网，电压支撑和调节能力弱随着新能源大量替代常规电源，电力系统的电压支撑变弱，在系统发生扰动时，电压失稳风险增加。其原因在于：一是常规控制模式下电力电子型电源提供短路容量和电压支撑能力弱，新能源大量替代常规电源导致系统动态无功支撑能力不足；二是新能源电源通过逐级升压与主网相连，电气距离是常规机组的2~3倍，对主网的电压支撑能力差，主网电压支撑呈现“空心化”状态。对我国某省级受端电网的仿真分析表明，在第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考37560功率/MW功用复杂多变、利益交织耦合，以及交易品种的550多样性需求，对市场交易和管理机制、政策引导540机制的设计提出了更高要求[12]。5302.3.4多目标协同难度大520510在能源转型过程中，安全‒经济‒环境协同难500度大。目标的多样性、基础能源稳定性需求与新490能源不确定性的矛盾，以及利益主体庞杂和多属性特征，政府和市场“两只手”的关系及协同，0.00.10.20.30.40.50.60.70.8都增大了制度设计对目标可控性的难度，体制机时间/s制设计难度大。图7张北柔直电网工程康保站功率录波曲线3应对措施及关键技术Fig.7PowerrecordingcurveofKangbaostationin安全‒经济‒环境“矛盾三角形”是新型电力ZhangbeiVSC-HVDCproject系统面临的长期挑战，需要通过科技创新、政策改进等措施不断缓解三者矛盾，使其在新平衡态宽频振荡问题严重危害设备安全和电网运行下支撑能源转型和“双碳”目标的实现，支撑国安全，需要加强稳定机理研究和新型控制方法和民经济健康发展。应对思路如图8所示，下面推荐装置的研发。若干关键技术供参考。2.3经济性和体制机制挑战3.1灵活能力建设2.3.1新能源发电边际成本低、系统成本高按照新能源规划发展规模，以新能源全额消相比火电，新能源运行边际成本低。为了应纳测算，据有关机构估计，国网经营区内2030年对新能源给电力系统带来的充裕性和安全性挑战的系统调峰能力缺额为3.98亿kW，其中“三北”以及促进新能源消纳，需要额外增加系统成本。地区调峰能力缺额为2.43亿kW。通过对源‒网‒荷以火电灵活性改造为例，火电机组存量高，灵活侧进行改造提升和协调优化、增加储能资源、发性改造后可为系统提供大量调节容量和支撑能力，挥互联电网对新能源出力的尺度平滑作用等措施，但火电机组的改造成本、改造后运行效率效益下可以提高电力系统的供电保障和新能源消纳能力。降的沉没成本，需要通过市场电价机制设计进行补偿。新能源绿色、低边际成本、高辅助服务需1）提升灵活调节电源比重。我国的资源禀赋求对市场机制设计带来挑战。决定了我国发电装机以燃煤机组为主。我国灵活2.3.2新能源发电开发门槛低、建设快调节电源比例大幅低于欧美国家，占比不到6%。此外，新能源发电保障出力小，需要与其他电源新能源发电开发门槛低，建设周期短，开发配合保障供给安全。对燃煤机组进行灵活性改造、模式多样。目前风电和光伏建设周期短，规模在因地制宜发展燃气机组、建设抽水蓄能电站等提50MW以下的风电项目建设周期为几个月到一年，升灵活调节电源占比的措施，是增强系统灵活调地面兆瓦级光伏电站施工期一般在4~6个月，与电节能力和保供电能力的重要途径。“十四五”期间网规划建设周期不匹配。众筹、互联网金融、实煤电机组灵活性改造2亿kW，可以增加系统调节物融资租赁等开发模式推动了新能源快速发展。能力3000万~4000万kW[13]。市场主体多元化与无序建设对市场机制和运行管理带来挑战。2）提升电网互通互济能力。我国气候类型多2.3.3利益主体庞杂交织样，在较大范围内新能源出力呈现一定的时空互补性。对比区域电网和省级电网24h出力波动，随着新能源装机比例的提高，参与市场主体数量快速增长、平均体量快速下降(骨干企业主导地位降低)。产消者(prosumer)、虚拟电厂、电动车以及源‒网‒荷‒储互动技术等使得市场参与主体同时具有“供方/需方”属性特征。各市场参与主体38新型电力系统第1卷挑战1：充裕性挑战2：安全性挑战3：经济性挑电网安全及抗扰动冲击能力机制建设和成本疏导战与需不同时间尺度的平衡能力求应灵活性能力建设电网技术研发与创新综合提升技术政策和市场机制对措施从灵活能力提升、平衡调控技术、综合提升技术、政策和市场机制等方面形成技术体系与应对方案图8应对措施和关键技术Fig.8Solutionsandkeytechnologies风电波动减少42%，光伏减小10%。通过提升电电能制氢是应对一次能源随机波动、平抑源荷侧网互通互济能力，可以在大范围内降低新能源出供需长时间不平衡的重要手段之一，是实现碳中力的波动性和不确定性，提升新能源消纳水平。和目标的重要途径。氢能可作为氢燃料电池用于预计到2025年，“西电东送”能力达到3.6亿kW系统灵活调节，或作为工业生产原料替代化石能以上，国家电网公司经营区跨省跨区输电能力达源，此外，利用CO2加氢制低碳烯烃(乙烯、丙到3.0亿kW，输送清洁能源占比达到50%。烯)，可以减排二氧化碳。德国、日本等多个国家都十分重视电能制氢技术。未来需解决高效低成3）构建可中断、可调节的多元负荷资源。随着第二产业用电比重稳步下降、第三产业和本制氢、输氢、储氢等问题，以及氢能与新能源居民用电占比逐年增加，以及电动车等波动性的统筹规划研究。根据机构预测，2060年我国绿负荷规模不断增长，用电负荷峰谷差持续增大，氢将达到1亿t，则需要至少4万亿kW·h以上的新尖峰负荷保障成本增加。构建可中断、可调节能源电量，对应的新能源装机容量约30亿kW，对的多元负荷资源，挖掘需求侧响应潜力，可以新能源总装机规模提出了更高要求，氢能利用规有效增加系统灵活调节能力，降低社会整体用模和经济性需在新型能源体系的框架下统筹考虑。能成本。预计到2025年，我国电力需求侧响应3.2电网技术研发与创新能力达7000万kW，占最大负荷的3%~5%[14]。1）系统性认知新型电力系统的安全稳定机理。4）利用储能、电动汽车等灵活调节资源。储由于新能源的强不确定性和低保障性，要重新审能和电动汽车将在新型电力系统的电力电量平衡中视系统安全的定义和理论，包括供给安全(总量、起到重要的灵活调节作用，支撑供需双侧动态匹结构、分区)、运行安全、生命线安全(极端条件下配，促进新能源有效利用。未来需解决低成本、大的安全)；高比例新能源电力系统中多状态变量耦容量、长时间、高可靠的能量存储问题，海量电动合、多时间尺度交织、非线性特征明显、动态特汽车有序充放电及充电桩的高效利用问题，以及大性复杂多变，需要加大对稳定基础理论的研究。规模、多类型储能的协调调控问题。预计2030年抽2）加强电力系统规划的权威性和强制性。规蓄投产容量1.2亿kW，非抽蓄储能容量达1亿kW，划方面，必须强化国家层面的规划及其强制性作新能源汽车保有量可能超过8000万辆。用，业主方可以采用市场手段选择。安全是由法在提升电力系统灵活性之外，通过构建具有规定义、规划设计出来的。确定性规划要向概率灵活性的能源系统，实现多种能源和用能形式的性规划转型，其难点是统计数据和标准。规划阶综合优化，以多种能源储存介质作为重要的中间段必须加入市场规则(辅助服务能力提供者和生产媒介，如P2X，也是灵活能力建设的重要部分。电量者都要获利)。第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考393）加快新能源并网/组网技术的创新研究与应将加剧极端气候的影响。国际电力研究机构普遍用。在新型电力系统中，新能源需实现从“并网”认为气象原因是未来影响电网运行的三大关键因到“组网”的角色转变。新能源发电机组要实现素之一。频率、电压、惯量等主动支撑，需重点解决新型电力系统构建的技术条件及其与之相适应的新能3）数字化技术。源设备‒运行‒控制的标准体系。截止到2022年底，新型电力系统是由一系列系统构建的“体系”西北电网新能源参与快速频率响应改造容量超过(systemofsystems)，其数字化技术是为“体系”3000万kW，成为守护西北电网频率安全的新服务，数字“化”的交互融合能力决定了“体系”力量[15]。协同能力；数字“化”在于“感知世界、联通世界、认识世界、改造世界”，而不仅仅是数字利用4）建立在快速感知、智能决策和“三道防线”的技术；新型电力系统数字化的“温度”和“维等基础上的运行控制。运行控制方面，按预案运行度”决定了系统应对变化的时间尺度和智能程度；和防御需要向基于状态感知、趋势分析的自适应和新型电力系统数字化为智能化服务，数字“化”分区层次化主动防御转型。为克服设备数量多、分的角度、维度、尺度、标度和关联度(“五度”)决布广、可控性差、不确定性等难题，需要清晰的电定了系统智能化程度。网结构、创新安全稳定控制的思路和理论、应用4）碳捕获、利用与封存(carboncapture，“大云物移智链”等新技术，要加强新能源发电功utilizationandstorage，CCUS)技术。率预测和负荷预测技术研究，加强源网荷储特性的CCUS技术是实现碳中和的重要技术，在双碳动态匹配和协同及预防性控制，巩固“三道防线”，目标下，化石能源发电、钢铁等领域需要配合支撑高比例新能源电力系统安全运行。CCUS技术进行深度脱碳，实现近零排放。此外，3.3综合提升技术生物能源与碳捕获和储存技术(bioenergywithcarboncaptureandstorage，BECCS)将生物质燃料1）虚拟电厂。发电和热利用过程的二氧化碳排放捕集和埋存，虚拟电厂通过先进通信技术和控制架构，实进一步实现CO2负排放。经济成本是CCUS大规模现地理位置分散的各种能源设备的聚合和协调优发展的重要因素，在捕集、输送、利用与封存环化(包括新能源发电、储能系统、可控负荷、电动节中，捕集是目前能耗和成本最高的环节。据多汽车等)，作为一个特殊的虚拟电厂参与电力市场方预测，2060年我国碳捕集量为6~12亿t/年。根和电网运行的能源协调管理系统。2025年深圳将据亚洲开发银行的一项研究，发电厂安装CCS设建成100万kW级可调节能力的虚拟电厂，逐步形备之后，碳排放大幅度下降，但电厂初始投资增成年最大负荷5%左右的稳定调节能力[16-17]。加多少、效率下降多少，平准化度电成本与可再2）电力气象。生能源发电成本不相上下。除受制于经济问题，气象条件是高比例新能源电力系统最关键的该技术的使用还受当地封存条件的限制，而且还外部影响因素，其影响范围涵盖“发”(风、光是有贮存后泄露等安全隐患，需要在低成本、大规新能源的一次资源)、“输”(气象灾害对输变电设模利用方面加强研发力度。备的损坏、气象条件对输电能力的影响)、“用”5）数字孪生与人工智能。(温度、降水等影响负荷行为，风、光影响分布式数字孪生和人工智能为新型电力系统的认知新能源出力)全环节。随着新能源占比的提高，近和运行控制提供了新的手段。利用数字孪生构建年来极端天气下的停电事故呈上升趋势。极端天与物理系统实时联动的数字运行体系，提升对物气下新能源低出力与不断增大的温控负荷需求加理系统的认知、诊断、预测、决策和管理。人工剧了电力供需不足矛盾。预计2030年和2060年温智能可应用于能源电力各个领域，应对复杂性和度敏感负荷分别占最大负荷的38%、52%左右，40新型电力系统第1卷不确定性，提升系统的智能化水平。数字孪生与的方式解决环境问题，通过发挥市场在资源配置人工智能技术在新型电力系统中应用，其难点包中的作用，在交易过程中形成合理碳价并向企业括但不限于，如何适应一个具有开放、不确定、传导，促使其淘汰落后产能或加大研发投资。脆弱、复杂和巨系统特征且可信性(甚至可解释性)和可靠性要求极高的系统，并且实现数字、智能5）界定和协调电力的安全属性与商品属性。与物理系统的“共同、共生、共荣”。双碳目标下，电力在能源结构中的占比和作用日3.4政策和市场机制益突出，作为能源安全的重要保障，电力的安全属性进一步凸显。为保障安全，需要使电力系统1）完善电价市场机制。新能源发电的不确定具备足够覆盖全部负荷的可靠出力，但其实现代性、低边际成本特性，使得新能源高占比场景中，价和成本是巨大的，亟需发挥政策法规的引导作电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，丰饶用，对电力的安全属性进行界定。一方面利用电与短缺交织。市场设计要协调好“市场生态环境”力的商品属性，通过市场化手段释放综合能源系与“市场运行”的关系。要稳定投资者预期、建统中各环节的灵活调节潜力；另一方面设计布局立新型电力系统“兜底”所需的各种平衡资源和“生命线工程”，建设足够多的可靠电源保障安全能力，形成良好的市场生态环境；要加快构建促底线，实现对保障性负荷的供给安全。进新能源消纳的电价市场机制，丰富交易品种、优化定价机制、协调市场参与主体利益，共同实4新型电力系统变革现价值提升和价值创造。新型电力系统也需要考虑金融市场以发挥风险平抑和对冲作用。“双碳”目标背景下，新型电力系统在本质特征上有显著的变化。新的特征带来了系统要素变2）辅助服务市场建设。高比例新能源的并化、要素关联关系的变化，需要进一步加强系统网，增加了电力系统对备用、调频、无功等辅助观、全局观，从系统层面重新审视、认知电力系服务的需求，需要建设容量市场鼓励常规电源承统，厘清新的矛盾主体和矛盾演化规律，以适应担辅助服务，提高灵活调节电源的财务生存能力，新型电力系统发展与建设的需求[18]。对负荷侧响应提供补偿，引导可中断、可调节负4.1新的功能定位荷参与系统调节。此外，在市场设计中需要研究考虑新能源接入的辅助服务需求计算方法，合理随着电力占终端能源消费比例由2020年的界定新能源应该承担的辅助服务义务，并在规划27%提高到2060年的70%以上，能源三难指数(能设计阶段加以考虑。源安全、社会公平属性和可持续发展属性)的重任将逐渐由电力承担，并在电力发展中充分体现。3）新能源利用成本传导机制。面对新能源装其特点是：在国民经济和人民生活中社会责任提机和电量占比将持续快速提升的发展趋势，需要升、全局性和基础性作用增强、安全性特征凸显，超前研究并着力构建新能源利用成本传导机制，给政府政策法规制定和监管、电力企业运营带来明确界定新能源参与电力市场的权利与义务，评了挑战。需要以更广阔视角、体系观念、底线思估高比例新能源系统成本水平，以市场化手段推维来审视和应对新型电力系统面临的挑战。新型动辅助服务费用合理传导，使得终端用电价格充电力系统之“新”首先是功能定位和观念之“新”分体现新能源并网与消纳成本，体现电力的商品而“新”。属性，引导新能源有序发展和优化布局。4.2新的供需特性4）建设碳市场、绿证市场。碳排放权交易市新能源电力具有强不确定性和低保障性。我场是指以温室气体排放配额或温室气体减排信用国用电负荷高峰时段新能源仅能按装机容量的为标的物进行交易的市场，是一种全新的环境经5%~10%纳入电力平衡，2030年新能源出力占系济政策工具。其最大的创新之处在于通过市场化统总负荷之比为5%~51%；新能源呈现“大装机、第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考41小电量”特征。此外根据预测未来高峰负荷增速负荷总电量/(万亿kW·h)，高峰负荷/(亿kW)25快于负荷电量增速(见图9)，“极热无风、晚峰无光”以及负荷与新能源出力共同受极端天气影响2019.8的负相关性等特征明显，供需两侧呈现出新的特11.8性，时空平衡难度增大，需要加强相关基础设施1512.316.43和平衡能力的规划建设。由“供随需动”到“供9.86需协同”，要研究引导需求时空分布的政策机制和技术手段。107.624.3新的产业基础5新型电力系统建立在新型产业链基础上，物0质基础、技术体系和瓶颈环节将发生变化。国际能源署(InternationalEnergyAgency，IEA)报告指202020252030出：陆上风电场所需的矿产资源是类似规模燃气电厂的9倍(见图10)，作为新能源产业的重要原年份料，2040年锂、钴、镍等金属年消耗量比2020年水平分别增至42、21、19倍[19]。目前我国铝、“能负荷总电量高峰负荷源金属”锂、铜铁、镍对外依存度分别为60%、图9总用电量和高峰负荷预测数据Fig.9Forecastontotalpowerconsumptionandpeakloadrequirements70%、80%、90%左右，此外美国主导组建十国矿产资源联盟，强化锂钴镍等新能源矿产的掌控，主导全球矿产资源供应。关键矿物原料等产业链的供应安全成为能源资源供应安全新的组成部分，需要防范产业链风险转移对新型电力系统相关技术发展和建设的影响。铜锂镍锰钴石墨交通领域电动汽车铜传统汽车锂50100150200镍0250矿物需求量/(kg/辆)锰海上风电钴陆上风电铬钼电力领域光伏石墨核电锌煤电稀土燃气发电硅其他5000100001500020000矿物需求量/(kg/MW)图10部分能源技术的矿物单位需求量Fig.10Newenergytechnologiesrequirementsonmainminerals4.4新的结构形态构网型新能源)都必须满足系统对可控性的要求并从电源结构看，新能源装机规模不断扩大，可监督考核。各类电源作用、成本构成等方面的到2060年占比超过60%，多种形式的储能和能源差异需通过市场机制设计解决。品类参与系统平衡。清洁发电对系统演进形态将从电网形态看，呈现交/直流混联、大/微电网起到决定性作用，煤电仍将是重要的电源，通过共存、交流同步机制为主的多层级多元电网形态掺烧(氢、氨、生物质)、提高效率(提高参数、超和多种运行机制。以特高压交直流为骨干、配合临界CO2循环发电)和CCUS等技术实现清洁低碳500kV/750kV构成的输电网仍将持续加强，据预发电。通过火电灵活性改造，水电扩容或扩建成测，2060年跨区电力流将增长近1倍，通过电网混蓄电站，核电参调等措施扩大常规电源运行灵互联，利用新能源时空尺度平滑和互济效应促进活性，促进新能源消纳；常规电源和新能源(发展“保供应、保安全、促消纳”。配电网从被动配送42新型电力系统第1卷网络向主动平衡区域电力供需、支撑能源综合利之间的衔接和协同，以及与市场机制、供需关系用的资源配置平台转变，向上作为参与主网调控等的协同。和交易的主体，向下作为虚拟电厂、分布式电源和综合能源系统、用电负荷和储能等参与主体的5结论交易和调控平台，实现自治、平衡与安全。电力是能源革命主战场，新型电力系统是现从负荷形态看，整体上呈现总量持续增长、时代能源体系的枢纽和平台。新型电力系统的发展空不确定性增加、产销融合、冷热气电多种能源供构建过程将长期面临安全‒经济‒环境矛盾叠加、应形式协同的特征。虚拟电厂、微网、综合能源“保供应、保安全、促消纳”问题交织的挑战。需系统、电动车等，以及“大云物移智链”等新技要充分认识和掌握新型电力系统演进的客观规律术、新业态的出现，为负荷的聚合、时空迁移和和各阶段主要矛盾，坚持先立后破，有计划分步可控提供了可能，为电力系统各尺度平衡提供支骤实施行动。撑，也为政策法规和市场机制设计提供了空间。科技创新是新型电力系统演进的动力和支新的结构形态决定了新型电力系统是以电力撑，同时，新型电力系统是一个在现有系统基础为平台、电网为枢纽核心的多能源、多层级综合上新旧技术结合，用新政策法规、新体制机制、能源系统，需要对系统进行结构化和规则化处理，新标准规范、新产业基础构建的动态发展的系合理选择能源利用方式。统，是一个用新思想理念构建的多系统交互、多4.5新的市场机制能源耦合的系统。需要各级政府、各行各业协同配合，系统性施策，应对系统构建中的各种挑战电力市场建立在可靠、安全的电力供应基础和矛盾。上。新能源高占比场景中，电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，将呈现丰饶和短缺交织的参考文献新市场形态。同时现有以电量竞争为主的市场机制功能不完善，与多层级多种类市场体系的功能[1]习近平．在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲需求不匹配，难以对新能源接入系统成本进行合话[R]．北京：中华人民共和国国务院，2020．理分摊和传导。需要调动协调市场参与主体共同参与辅助服务等多层级市场，加强交易品种和定[2]国网能源研究院有限公司．中国能源电力发展展望价机制研究，通过保障和激励机制及有效的监管(2020)[M]．北京：中国电力出版社，2020．机制，稳定投资者预期，确保安全、可靠、经济、可持续的电力供应，实现系统整体价值最优。[3]孙华东，许涛，郭强，等．英国“8·9”大停电事故分析及4.6新的政策法规对中国电网的启示[J]．中国电机工程学报，2019，39(21)：6183-6191．我国1996年颁布的电力法是在新能源发展初SUNHuadong，XUTao，GUOQiang，etal．Analysison期制定的，未来作为新型电力系统的“主体电blackoutingreatBritainpowergridonAugust9th，2019源”，新能源的不确定性、高系统成本及相关的矿anditsenlightenmenttopowergridinChina[J]．产开发、退役回收等给能源电力的安全、经济、ProceedingsoftheCSEE，2019，39(21)：6183-6191．清洁供应带来新的挑战，建立适用新型电力系统的政策规范引导其健康发展十分必要。比如规划[4]安学民，孙华东，张晓涵，等．美国得州“2.15”停电事件的法律地位和责任关系、电力监管的重点和方式、分析及启示[J]．中国电机工程学报，2021，41(10)：3407-电力商品和安全双重属性的统筹、供电营业区与3415．微电网/产消者的关系、同网同质同价、电力可获ANXuemin，SUNHuadong，ZHANGXiaohan，etal．得的公平属性等等。同时需要注意不同政策法规AnalysisandlessonsofTexaspoweroutageeventonFebruary15，2021[J]．ProceedingsoftheCSEE，2021，41(10)：3407-3415．[5]杨晓冉．澳大利亚电力现货市场“停摆”[N]．中国能源报，2022-06-27(006)．[6]中国电力企业联合会．中国电力行业年度发展报告2022[R]．北京：中国电力企业联合会，2022．[7]国网能源研究院．碳达峰、碳中和目标下能源电力发展第1期郭剑波等：新型电力系统面临的挑战及应对思考43场景及转型路径研究[R]．北京：国网能源研究院，修回日期：2023-02-08。2021．收稿日期：2023-01-18。[8]辛保安，陈梅，赵鹏，等．碳中和目标下考虑供电安全约作者简介：束的我国煤电退减路径研究[J]．中国电机工程学报，2022，42(19)：6919-6930．郭剑波XINBaoan，CHENMei，ZHAOPeng，etal．Researchon1960–，男，教授级高级工程师，中国工coalpowergenerationreductionpathconsideringpower程院院士supplyadequacyconstraintsundercarbonneutralitytarget研究方向为电力系统分析与控制inChina[J]．ProceedingsoftheCSEE，2022，42(19)：E-mail：guojb@epri.sgcc.com.cn6919-6930．[9]杜祥琬，曾鸣．应从四方面优化东西部新能源发展格局王铁柱(通信作者)[N]．中国能源报，2021-04-07(005)．1989–，男，工程师[10]胡家兵，袁小明，程时杰．电力电子并网装备多尺度切研究方向为电力系统分析与控制换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题[J]．中E-mail：wangtiezhu@epri.sgcc.com.cn国电机工程学报，2019，39(18)：5457-5467．HUJiabing，YUANXiaoming，CHENGShijie．Multi-罗魁timescaletransientsinpower-electronizedpowersystems1989–，男，高级工程师consideringmulti-timescaleswitchingcontrolschemesof研究方向为新能源并网分析powerelectronicsapparatus[J]．ProceedingsoftheE-mail：luokui@epri.sgcc.com.cnCSEE，2019，39(18)：5457-5467．[11]袁小明，程时杰，胡家兵．电力电子化电力系统多尺度秦晓辉电压功角动态稳定问题[J]．中国电机工程学报，2016，1979–，男，教授级高级工程师36(19)：5145-5154．研究方向为电力系统分析与规划技术、YUANXiaoming，CHENGShijie，HUJiabing．Multi-电力系统新技术应用timescalevoltageandpowerangledynamicsinpowerE-mail：qinxh@epri.sgcc.com.cnelectronicsdominatedlargepowersystems[J]．ProceedingsoftheCSEE，2016，36(19)：5145-5154．荆逸然[12]郭剑波．新型电力系统面临的挑战以及有关机制思考1991–，女，高级工程师[J]．中国电力企业管理，2021(25)：8-11．研究方向为电力系统分析与控制、新能[13]国家发展改革委，国家能源局．全国煤电机组改造升级源并网控制实施方案[EB/OL]．(2021-10-29)．https://www.ndrc.E-mail：jingyiran@epri.sgcc.com.cngov.cn/xxgk/zcfb/tz/202111/t20211103_1302856_ext.html．[14]国家发展改革委，国家能源局．“十四五”现代能源体赵兵系规划[EB/OL]．(2022)．http://www.nea.gov.cn/131051980–，男，教授级高级工程师24241_16479412513081n.pdf．研究方向为电力系统安全稳定分析与控[15]电网头条．三千万新能源成为守护西北电网频率新力制、电力系统负荷建模、直流电网运行量[EB/OL]．(2022-01-14)．http://finance.sina.com.cn/控制jjxw/2022-01-14/doc-ikyakumy0345382.shtml．E-mail：zhaobing@epri.sgcc.com.cn[16]深圳市发改委．深圳市虚拟电厂落地工作方案(2022-2025年)[R]．2022．马士聪[17]石文辉，屈姬贤，罗魁，等．高比例新能源并网与运行发1980–，男，教授级高级工程师展研究[J]．中国工程科学，2022，24(6)：52-63．研究方向为大电网稳定分析与控制、自SHIWenhui，QUJixian，LUOKui，etal．Grid-治电力系统integrationandoperationofhigh-proportionednewenergyE-mail：mashicong@epri.sgcc.com.cn[J]．StrategicStudyofCAE，2022，24(6)：52-63．[18]苏南，董梓童．电力系统将发生革命性变革[N]．中国(责任编辑李兰欣)能源报，2022-08-22(007)．[19]IEA．Theroleofcriticalmineralsincleanenergytransitions[R]．2021．