郭剑波：新型电力系统与电化学储能发展的思考
专家观点2023-12-07
近年来，国内外能源电力供给安全均受到了严峻考验。2021年2月，美国得克萨斯州极端寒潮天气导致新能源出力不足，全州电力负荷大增，电价飙升至每千瓦时9美元，一户居民一个月电费达到1万美元。2016年9月、2019年8月澳大利亚和英国分别发生因新能源支撑能力不足、恶劣天气导致的大停电事故。而我国东北、四川等地也陆续出现了由一次能源引起的电力短缺事件。
经济社会的发展使人类对电力供应的需求持续增加。尤其是在清洁低碳目标的前提下，“保供应、保安全、促消纳”矛盾交织，如何稳定安全地提供充足电力，成为电力系统需要积极应对的挑战。
随着新能源利用技术、智能电网技术、储能技术等多个领域的创新技术实现应用，电力系统正在推进的演化和变革，有望“一石三鸟”地满足经济、生态、用电安全三方面的共同要求。
中国工程院院士、国家电网有限公司一级顾问郭剑波认为，“清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能”的新型电力系统是未来的演进发展方向。那么，新型电力系统离我们还有多远?如何构建新型电力系统?目前还存在哪些难点?近日，科技日报记者就上述问题专访了郭剑波。
新能源发电对电力系统安全稳定有何影响
记者：“双碳”目标下，提升新能源发电比例被视为增加发电量的最优解。您如何看待这一观点?
郭剑波：从实现绿色低碳的角度出发，增加新能源的发电比例是解决人类能源问题的最佳方案之一。风、光等可再生能源近年来发展迅速。将风、光等可再生能源进行电力转化，在成本、效率方面逐渐可以满足大规模应用的要求，最近10年我国陆上风电成本下降了60%、光伏成本下降了80%左右。
从能源供应的安全角度看，大力发展新能源也将为我国能源的可持续发展开辟新的支撑路径。增加新能源发电供给有望进一步优化能源结构、提高能源自给率，保障能源安全。
但是，在认可新能源发电优势的同时，也要考量其对电力系统安全稳定的影响。当前我国电力系统有着较高的安全稳定水平，30多年未发生大面积停电事故，保持着特大规模电网安全运行的世界纪录。这样的成绩，与传统电力系统经过100多年构建所形成的设备、系统、技术、政策、法规等各方面的“自洽”密切相关。
随着新能源发电比例的逐渐增加，新能源发电波动性、弱支撑性等特点所带来的安全稳定问题逐步凸显。传统电力系统的“自洽”必须寻找新的平衡模式，逐步演进为新的“自洽”，进而保持我国电力系统一以贯之的、高水平的安全稳定。
记者：风光发电波动性、弱支撑性对电力系统的影响大吗?为什么?
郭剑波：新能源有波动性、随机性，通俗理解就是“不可靠”，风、光发电不能满足“一插就有电”的供电需求。更具体地说，电具有商品属性，用户购买电，对电的供应有质量标准的要求，即连续可靠，电压、频率、波形要满足标准要求，否则就是不合格的商品。“不合格的电”会带来如烧毁电器、高精密仪器无法正常运行等问题，甚至造成巨大的生产损失。
此外，在极端恶劣天气情况下。国内外均有停电事故或电力供应不足事故发生。我国近60年的气象数据表明，极端天气发生频率呈上升趋势，在长周期范围内，极端天气用电负荷与新能源发电出力也呈反调节特性，即“极热无风，晚峰无光”的特性，这无疑增加了新能源电力供电安全风险。
从电的商品角度出发，我们会发现，新能源发电在电的经济和环境成本方面贡献很大，但在电的安全质量方面贡献相对较小，这与新能源的特性密切相关。比如，为了满足用电需求，传统电厂都有备用机制，达到“即便用户多要电我也有”的效果，以防止运行预测不准确。煤电厂留备用的任务已经制度化，包括备好发电用燃煤、相应机组等一系列方案。而风电光伏要形成备用机制，经济性较差。其能源基础是难以储留的太阳能、风能，目前无法形成制度化的备用方案和稳定的备用供给。
提高新能源发电比例需多方协调配合
记者：我国中东部风、光资源技术可开发量总计20亿千瓦以上，远不能满足当地用电负荷需求，仍需依赖我国西北地区、东北地区的跨区输送电量。电力空间平衡的需求带来哪些挑战?
郭剑波：从能源分布角度看，“胡焕庸线”以东属经济发达地区，“胡焕庸线”以西是资源富集地区，存在着能源逆向分布的情况。随着新能源发电量的增加，新能源发电的大容量远距离外送面临的问题更多、挑战更大。
目前对于超过1000公里的大容量远距离输电来说，最经济的方式是直流输送。但直流输送的整流和逆变过程(交流电与直流电的变换过程)，需要强电源的支撑。而新能源发电则是以电力电子换流器并入电网，这种方式承受过电流能力低，通过这种方式产生的是“弱电源”。打个比方，直流输电的整流和逆变过程需要电源的支撑，传统技术中，电源的支撑能力可能如同3头牛、5头牛扛着这项工作，因此在系统有波动时，电源也能扛得住。而新能源并网时接入的换流器如同众多“小蚂蚁”，其汇集而成的力量也要承担运送“粮草”(电力)的任务，但承受系统故障冲击的能力低，这就导致大容量远距离外送的系统安全性面临挑战。
记者：增加新能源发电比例还有哪些工作要做?需要哪些方面的协调和配合?
郭剑波：随着新能源发电比例的增加，电力行业已经开始关注新能源发电入网对电力安全贡献薄弱的问题。
例如，技术方面存在的一个瓶颈是，新能源大规模并网带来的宽频振荡问题在不同国家和地区相继发生，其振荡频率覆盖范围广，从数十赫兹到数百赫兹乃至上千赫兹，机理复杂。针对上述问题，学界和产业界均开展了相关研究。如在振荡的抑制方面，可以通过建立千万千瓦级新能源发电集群全电磁暂态仿真平台，利用仿真重现的手段，帮助预防和解决振荡事故;在新能源机组发电的安全稳定性方面，主动建立并支撑电网频率和电压的构网型技术也得到了积极的发展。
持续提升新型电力系统的稳定性不完全是个技术问题，还与体系有关。以新型电力系统解决供需矛盾，不可能一蹴而就。比方说，过去的面粉种类有“75粉”“85粉”，同样是100斤麦子，有的能打出75斤面粉，有的能打出85斤面粉，两种面粉的价格肯定是不一样的。因为前一种除去了10斤“麸糠”，进行了质量升级的工作。现在的新能源发电由于本身特点，将使得电力系统低惯量、低阻尼、弱电压支撑等特点凸显，就好像掺杂了“麸糠”的面粉，但在并网时电力安全和质量成本未能体现在相关的核算中。随着产消者的出现，需适当修订现行的《电力法》，使其适应新型电力系统，也就是说要实现责权利对等。我们在鼓励新商业模式和商业形态兴起的同时，也应该赋予其同等的责任。
构建新型电力系统关键是形成新的“自恰”
记者：构建新型电力系统最大的挑战是什么?目前有哪些应对举措?
郭剑波：为解决新能源电力系统存在的问题，当前也涌现出不少技术和方案，比如，通过储能技术提高新能源发电的利用率。但当前这些技术和方案仍未能同时较好地解决安全保供、治理环境、提升经济效益三方面的问题。新能源出力具有随机性、波动性，电力电量时空分布极度不均衡，带来充裕性挑战;新能源的弱支撑性导致故障对电网造成的打击强度增加，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增加，需要政策机制的引导和保障，带来经济性和体制机制挑战。安全—经济—环境“矛盾三角形”将长期存在。如何在可接受范围内给出可以普及的、最优的问题解决方案，是新能源电力系统面临的难题。
从新型电力系统的构建来看，最大挑战是如何形成新的“自洽”。我们应该意识到，构建新型电力系统的根基是安全保供，它的起点和演进过程均需要依靠传统电力系统。新型电力系统不是通过推翻传统系统重新建立起来的。新型电力系统是在能源电力系统基础上持续演进的过程，应该客观、科学地认识新能源发电的弱点，通过开发安全稳定、成本可及、可持续发展的技术弥补这些问题，逐步形成新系统的“自洽性”。
记者：如何理解新型电力系统的演进方向?如何构建各参与主体、各关键要素协同发展的生态?
郭剑波：环境问题、能源危机和新能源成本下降必将加速新能源的发展，而新能源比例的增加将使得新型电力系统面临的安全、经济、体制机制等挑战来得更快、更猛烈、更复杂。因此，必须加快科技创新和推广应用，加强社会—能源—电力系统的协同，不断完善政策法规。
政策应进一步鼓励智慧技术的应用。新型电力系统是一个物理信息社会系统，电力系统的运行与社会行为、信息交互的关系将会更加紧密。以电动车为例，新型电力系统通过交互和调度，能够实现在太阳光充足时，让电动车多充些电、消耗负荷，在没太阳的时候则让电动车给电网供些电。这样的交互也可以发展到温感负荷的使用中，让每个电力的使用者都能为电力系统稳定贡献“平衡力”。
政策还将平衡新能源开发利用的着力点。当前，新能源开发受到行业产业的高度重视，但新能源真正发挥效果是在应用中。发电后如何满足不同用电场景、如何更便于行业企业的应用?在这些方面，技术创新开发仍旧不足。
可见，新型电力系统的形成，离不开包括政策法规作为“指挥棒”的方向引导作用。
记者：党的二十大报告指出，加快规划建设新型能源体系。如何正确理解新型电力系统与新型能源体系的关系?
郭剑波：首先，从量的关系上来说，据预估，到2060年能源消费侧的电力消费占比将是所有能源消费的50%以上，甚至可能达到70%，新型电力系统将逐步从新型能源体系的重要部分变成主要部分。其次，从相互之间的作用关系来看，能源低碳靠电力、电力安全靠能源。新型电力系统是源网荷储协同的系统。在新型电力系统演进过程中，需要迎接多能源利用、多行业发展对电力系统提出的挑战，还要兼顾解决世界能源理事会提出的能源“三难指数”(即能源安全、能源公平、环境可持续性)的矛盾。
因此，必须运用大系统观，从能源体系和社会体系的视角出发，认识新型电力系统演化趋势和发展规律。在新的历史条件下，要结合中国特有的实际情况，系统全面地考量安全经济环境因素，并以之为基础推进新型电力系统建设。
来源：科技日报 记者 张佳星
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