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双碳目标下新型电力系统发展展望

针对新型电力系统建设过程中存在的诸多问题与相应的应对措施，本文认为双碳目标下建设而成的新型电力系统，将会在电网结构、核心技术与能源体制关键问题上发生重大变革。

新型电力系统研究思路与研究框架

新结构：由通过区域互联的大电网集中消纳的结构转向通过能源终端网络?主动配电网?区域大电网逐层消纳的新结构

随着我国电力系统的发展，现代电力系统逐渐呈现了新的特征。目前，我国已建成了全世界规模最大、传输距离最长、电压等级最高、网架结构最为复杂的电力系统。同时，风电、光伏等间歇性新能源迅速发展并大规模并网，新能源的随机性与波动性等因素对电力系统的影响日益突出。为解决我国新能源资源与负荷中心的逆向分布问题以及大规模并网后的新能源消纳问题，近年来我国高压交直流混联技术快速发展，特别是特高压直流输电项目，在促进可再生能源大规模优化配置与供需匹配等问题中，起到了重要作用，电力系统的网络结构变化巨大。在双碳目标下，传统电力系统的网络结构与功能形态将无法适应新型电力系统建设的需要，主要原因如下：1）相比于传统电力系统，在新型电力系统中，“高新能源占比、高电力电子器件占比”的“双高”问题将更加突出，将对交直流混联大电网的运行带来更多问题：一方面，在新能源成为电力供应主体后，常规机组的装机容量将会显著下降，其对电力系统频率与电压的调节能力也将降低；另一方面，新能源机组采用电力电子变流器作为和电力系统的接口，等效转动惯量较低，难以对系统运行提供有效支撑。因此，当负荷波动与新能源机组出力波动较大时，仅靠少量的常规机组所提供的转动惯量将无法维持电力系统的频率稳定；同时，当系统受到扰动后，电力系统的抵抗频率变化的能力也将明显降低，电力电量的实时平衡与电网的连续稳定运行将面临重大挑战。

新型电力系统构建的方法论

2）我国风能、太阳能等新能源资源与需求呈逆向分布的禀赋特征，新能源出力的强随机性以及能源消费高度电气化带来的用电需求持续快速增长，都意味着若依旧采用传统的通过交直流混联大电网进行集中消纳的方式，跨省跨区电力平衡需求与调度压力将会随着新型电力系统建成而骤增[47]。3）由于交流电力系统需要同步电源的支撑，在常规机组逐渐退出电力供应的主体后，传统电网结构将难以适应新能源集中开发、海上风电以及大量分布式新能源接入等局部场景。因此，电力系统的电源布局与负荷结构发生巨大变化，仅依赖交直流混联大电网进行“区域互联，集中调度”的传统电网形态结构难以适应新型电力系统运行需求。在新型电力系统的运行特性与建设需求下，将会在区域互联大电网的基础上，逐渐形成由能源终端网络?主动配电网?区域大电网为关键支撑点的逐层消纳新结构。风电、光伏等新能源机组大规模并网后，新能源消纳的压力激增，维持系统的惯性能力严重不足，需要大量开发电网的惯性与灵活性资源。因此，未来的电网结构将会呈现能源终端网络?主动配电网?交直流混联大电网的三层混合数字化组网格局，优先利用终端消费网络进行新能源就地消纳，分层分区通过需求响应开发各层次消费侧的惯性资源，并自下而上逐层实现电力电量平衡。在这样逐层消纳的多层新结构下，各省、各区域的电网，通过交直流大电网进行集中式调度的模式将逐渐转换为各能源消费终端、主动配电网、区域内电网分层分区互联互济的分布式与集中式相协同的调度方式。

新型电力系统数字化技术

在这样的多层消纳结构下，随着再电气化水平不断深化与智能控制技术的广泛应用，能源终端的电力消费水平将进一步提升，终端负荷的灵活性与安全控制显著增强，将会优先在能源终端网络层面对新能源进行就地消纳。因此，首先要通过需求侧响应的方式，利用多个分布式微网、园区，开展终端负荷与分布式新能源之间的源荷双向互动，并借助终端综合能源系统，利用电?氢耦合、电?冷?热耦合等多能互补、转换与存储的方式，对新能源进行就地消纳。在主动配电网层面，通过增量配电网与“隔墙售电”的分布式电力市场机制，对能源终端无法消纳、无法平衡的新能源与电力负荷，在配电网内部，结合分布式电力市场，对不同能源终端网络间的电力电量进行互济与平衡，实现配网层面的新能源分布式消纳。最后，鉴于我国新能源资源与负荷中心逆向分布的资源禀赋，通过高压交直流混联大电网，对电力负荷中心与新能源资源中心进行跨区匹配与集中式消纳，进而实现能源消费终端?主动配电网?交直流大电网的分层逐次消纳、集中式与分布式消纳相协同的新型电网结构。值得一提的是，上述的多层逐次消纳的新型结构，并非意味着彻底抛弃传统的区域互联大电网的调度与运行方式，而是在传统交直流混联大电网的基础上，优先通过能源终端与配电网对新能源分布式的消纳与调度，并将分层分区的分布式消纳与电力电量调度方式与传统集中式调度方式相结合，多种运行调度方式并举，减轻大电网的运行与消纳压力，降低新能源与用户侧的波动对电网运