我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，是黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局主動作出的重大戰(zhàn)略決策，是我國轉變發(fā)展方式、調整能源結構、保障能源安全、實現(xiàn)可持續(xù)與高質量發(fā)展的內(nèi)在要求。2021年3月15日召開的中央財經(jīng)委員會第九次會議，研究了我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和的基本思路和主要舉措，提出“要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。

一、未來新型電力系統(tǒng)的構想

碳排放與人口、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、能源、技術等多種因素有關，能源活動是我國主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的90%左右，其中電力行業(yè)排放約占能源行業(yè)排放的40%，因此能源電力行業(yè)是實現(xiàn)碳中和的主力軍。從數(shù)量關系上來看，實現(xiàn)碳中和，一是增加森林、海洋、濕地等碳匯量以及碳利用封存能力，二是降低化石能源消費、工業(yè)生產(chǎn)的碳排放，主要從能源供給的低碳化、能源利用的高效化、能源消費的電氣化三個方面著手。構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)碳達峰碳中和的主要途徑，不僅使電力系統(tǒng)“發(fā)-輸（變）-配-用”全環(huán)節(jié)發(fā)生根本變革，也會使建筑、交通、工業(yè)等行業(yè)用能方式發(fā)生深刻變化。

電力系統(tǒng)的基本任務是將電能在電壓、頻率等參數(shù)合格的前提下安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地分配給各用電負荷。在時間維度上，由于電能難以大規(guī)模存儲，電力系統(tǒng)的基本特征是必須時刻保持動態(tài)供需平衡，包括有功功率和無功功率動態(tài)平衡；在空間維度上，我國能源資源分布與需求中心逆向分布，跨省跨區(qū)輸電是重要手段，形成了“西電東送、北電南送”的資源配置格局。在電量平衡上，碳排放與發(fā)電量（非裝機容量）相關，“以新能源為主體”即要增加非化石能源發(fā)電量占比，降低火電機組發(fā)電量占比；在電力平衡上，光伏、風電置信容量低，據(jù)相關測算，我國水電可開發(fā)裝機約6.6億千瓦（目前已開發(fā)程度達到56%），沿海核電廠址資源約2億千瓦（含規(guī)劃在內(nèi)的），我國目前尚沒有可大規(guī)模替代火電機組的有效途徑和方式。

二、面臨的風險挑戰(zhàn)

由于新能源發(fā)電固有的強隨機性、波動性和間歇性，以及通過電力電子裝置并入電網(wǎng)的特征，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“一低、兩高、雙峰、雙隨機”的特點，即低系統(tǒng)轉動慣量、高比例新能源+高比例電力電子裝備、夏冬負荷雙高峰、發(fā)電出力和用電負荷雙側隨機波動，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來重大挑戰(zhàn)。

電源側，最大挑戰(zhàn)在于新能源以能夠參與電力實時平衡的很小的置信容量實現(xiàn)發(fā)電量高占比目標。據(jù)預測，在“3060”目標下，2030年風光裝機將達到17億千瓦以上，發(fā)電量占比約24%；2060年風光裝機將達到50億千瓦以上，發(fā)電量占比約67%。隨著新能源滲透率的提高，新能源出力的波動與負荷需求的波動疊加后的凈負荷峰谷差明顯增大，電力系統(tǒng)需要解決調峰、調頻、靈活調節(jié)資源稀缺、低慣性、抗擾動能力弱、新能源機組低/高電壓穿越等問題。

在日電力平衡上，新能源的日波動性大（據(jù)統(tǒng)計，國網(wǎng)區(qū)域風電日最大波動率約為23%、光伏日最大波動率約為54%）、反調峰特性及光伏“鴨型曲線”問題，使新能源對電力平衡支撐較弱，新型電力系統(tǒng)對靈活調節(jié)能力和快速爬坡能力要求更高；在月度電量平衡上，風電為春、秋高峰，光伏為夏、秋高峰，負荷為夏、冬高峰，加上季節(jié)性水電影響，季節(jié)性不平衡問題日益凸顯。

風光有效利用小時數(shù)低，相同發(fā)電量情況下需要約3倍煤電機組容量。新型電力系統(tǒng)下，實現(xiàn)發(fā)電量中新能源為主體，新能源的穿透率（新能源裝機/用電負荷）要遠高于100%，同時，現(xiàn)有技術條件下，煤電裝機客觀上仍需要隨著全社會用電負荷增加而增加（優(yōu)先考慮水電、核電、氣電參與平衡后），進而導致電力供應總體充裕，火電利用小時數(shù)不斷降低，新能源發(fā)力時段棄電上升，消納更加困難，新能源利用小時數(shù)也會減少，系統(tǒng)成本和全社會用電成本明顯增加。

電網(wǎng)側，“一低、兩高、雙峰、雙隨機”的新型電力系統(tǒng)以及交直流混聯(lián)電網(wǎng)的復雜結構給電力系統(tǒng)實時平衡帶來巨大挑戰(zhàn)，電網(wǎng)需不斷提升系統(tǒng)實時平衡能力、清潔能源消納能力以及資源優(yōu)化配置能力。新能源高比例接入電力系統(tǒng)后，系統(tǒng)轉動慣量減小、頻率調節(jié)能力降低，系統(tǒng)短路容量下降、抗擾動能力降低，系統(tǒng)無功支撐能力降低，暫態(tài)過電壓問題突出，新能源機組存在大規(guī)模電網(wǎng)解列可能，增加了電網(wǎng)安全運行風險，對電網(wǎng)調峰、調頻、電能質量控制以及維持系統(tǒng)平衡提出了更高要求。

新能源較為經(jīng)濟的利用方式是就地或就近利用，受土地、資源等因素制約，未來新能源開發(fā)將集中式與分布式并重，“三北”地區(qū)新能源資源豐富但本地消納困難，仍需考慮外送問題。風光水火（儲）打捆外送對于保障受端穩(wěn)定供應以及通道利用率都是有利的，而由于風光有效利用小時數(shù)低，高比例的風光（儲）外送或導致通道利用率低、投資回報低，或使風光裝機過剩以滿足設計輸送電量要求，都會影響項目經(jīng)濟性，因此未來如果配套火電機組不足，外送恐將成問題。

另外，隨著技術發(fā)展，未來新能源電量外送需求通過輸電線路抑或就地轉化為氫（或碳氫燃料）進行輸運，需結合下游應用及技術經(jīng)濟性深入研究。

用戶側，多元、互動、靈活的用能設備大量接入對配電網(wǎng)運行控制、終端電能質量等造成重大影響。分布式能源、儲能、電動汽車、智能用電等交互式設備大量接入，潮流流向將發(fā)生改變，電壓分布、諧波等影響配網(wǎng)電能質量，終端無序用電將會增加凈負荷峰谷差，功率波動問題更加突出，配網(wǎng)對新能源的接納能力和消納能力面臨挑戰(zhàn)，安全穩(wěn)定運行受到影響。同時，無論是電源還是電網(wǎng)若按傳統(tǒng)最大負荷進行規(guī)劃，設備利用率則將會降低。

電能將逐步成為最主要的終端能源消費品種，從2000年到2020年，我國電能占終端能源消費比重從14.5%增長到27%，年均提高0.6個百分點；據(jù)有關預測，2025年、2030年、2060年電能占終端能源消費比重有望分別達到30%、35%、65%以上，年均提高約1.0個百分點。終端電氣化對眾多領域用能方式將產(chǎn)生深遠影響。

儲能側，最大挑戰(zhàn)在于突破大規(guī)模、長周期、高安全、低成本的儲能技術。大規(guī)模儲能是一種顛覆性技術，改變了電能難以存儲的傳統(tǒng)認知，如果新能源電量大比例通過儲能解決穩(wěn)定供應問題，則某種程度上實現(xiàn)了電能的發(fā)輸配用環(huán)節(jié)的解耦，使得電能如同超市中的商品一樣。

電力系統(tǒng)需要滿足不同時間尺度需求的儲能技術，可大致分為功率型（秒～分鐘級）、能量型（1～2h）和容量型（>4h）。在調頻方面，電化學儲能功率調節(jié)范圍大、響應速度快，調頻性能最優(yōu)，在啟動速度上，電化學(秒級)>物理儲能（分鐘級）>燃氣發(fā)電（簡單循環(huán)15～30min，聯(lián)合循環(huán)1～2h）>燃煤發(fā)電（冷態(tài)啟動7～10h，熱態(tài)啟動1.5～2h）。在容量型儲能技術方面，目前來看，抽水蓄能、（全礬）液流電池和壓縮空氣儲能，以及帶儲熱（100%負荷配置）的光熱發(fā)電，能夠解決新能源日內(nèi)穩(wěn)定出力的調節(jié)需求（需至少具備6～8h時長的儲能）。

在多日、周、季等更長時間尺度下，氫能（新能源直接電解水制氫）是一種長周期化學儲能方式，在終端能源中作為電的重要補充（預測2050年前后氫能占終端能源消費的10%左右），可有效提高能源供應安全水平，適用于分布式熱電聯(lián)供、交通、冶金等多種場景，但是若再大規(guī)模集中地轉為電則仍需解決很多技術經(jīng)濟性問題，而兼具常規(guī)水輪發(fā)電機組和抽蓄機組的混合式水力發(fā)電也可實現(xiàn)長周期儲能，化石能源（煤、天然氣）本身就是一種可長時間存儲的一次能源，但是火電機組的冷/熱備用狀態(tài)對啟動時間、響應速度有較大影響，未來新型電力系統(tǒng)的負荷備用、旋轉備用、停機事故備用容量大小及方式選擇有待深入研究。

三、主要應對舉措

構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程，需要源-網(wǎng)-荷-儲全環(huán)節(jié)共同發(fā)力，依靠創(chuàng)新驅動發(fā)展，加快顛覆性技術突破，完善新型儲能價格形成機制及電價政策，加強電力市場建設。

一是優(yōu)化電力流總體格局，協(xié)同“資源優(yōu)化配置”與“負荷優(yōu)化配置”，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，將部分負荷由中東部向西南、“三北”地區(qū)布局，如“東數(shù)西算”工程，實現(xiàn)負荷需求與資源分布相適應；

二是統(tǒng)籌資源，推進風光水火儲多能互補，實現(xiàn)互補系統(tǒng)運行控制和調度的一體化，研究應用新能源高精度功率預測、主動支撐、虛擬同步機等友好并網(wǎng)技術，提高新能源的出力穩(wěn)定性和可調度性；

三是完善送受端網(wǎng)架，增強省間電力互濟，提升電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力，發(fā)展基于IGBT、SiC等新一代電力電子器件的柔性交直流輸電技術，使電網(wǎng)更能適應新能源的出力特性，優(yōu)化調度，提升電網(wǎng)對“源-網(wǎng)-荷-儲”的協(xié)同調度能力，提高系統(tǒng)消納能力和平衡能力；

四是提升源-網(wǎng)-荷靈活調節(jié)能力，如新建抽蓄、調峰氣電、煤電靈活性改造（深度調峰及快速啟停）、需求側響應、儲能等；探索V2G（Vehicle to grid）、V2H（Vehicle to home）、V2L（Vehicle to load）等應用場景（按帶60千瓦時算，可供家庭一周左右緊急用電）；

五是突破顛覆性技術創(chuàng)新，加快新型儲能技術規(guī)?；虡I(yè)化應用，建立新型儲能價格形成機制，推動氫制儲運用環(huán)節(jié)和燃料電池核心材料、關鍵零部件及裝備、系統(tǒng)研發(fā)示范；

六是實施數(shù)字化轉型升級，促進微電網(wǎng)、虛擬電廠等新形態(tài)發(fā)展，利用先進數(shù)字化和電力電子技術，加快智能、主動、柔性交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展，提高新能源與負荷的“可觀、可測、可控”水平，提高電網(wǎng)主動消納能力；

七是加快完善輔助服務市場、建立容量市場，不同市場主體電能價值具有多樣性，要通過完善電力市場予以體現(xiàn)和反映，發(fā)揮不同市場主體功能作用和積極性。