作者：康重庆;杜尔顺;郭鸿业;李姚旺;方宇晨;张宁;钟海旺
作者单位：清华大学电机工程与应用电子技术系；清华大学低碳能源实验室；清华四川能源互联网研究院；天府永兴实验室新型电力系统研究中心
面向碳中和目标,能源电力系统的安全高效、绿色低碳转型及数字化智能化技术创新已成为全球发展趋势及我国能源科技创新的关键抓手。
清华大学康重庆教授团队从国家宏观战略层面探讨了能源革命对建设新型电力系统的要求,阐述了新型电力系统的变革历程,从化石能源为主导的传统电力系统,到高比例新能源和高比例电力电子为主要特征的“双高”电力系统,再到新能源为主体的新型电力系统,分析了演化过程中不同阶段电力系统的关键要素。
在此基础上,总结凝练了新型电力系统的六大关键要素“源网荷储碳数”,阐述了六要素之间的耦合关系。最后,聚焦“碳”与“数”2个新兴的关键要素,分别从低碳化与数字化2个视角对建设新型电力系统的关键技术进行了探析与展望。
亮点论述：
3.1 新型电力系统的六要素
1) 源：清洁电源为主体，多类型电源共同支撑。
首先， 清洁电源成为主体，扮演电力系统的主 要供能角色， 发电量占比达到 90%以上。其中风电、 光伏等强随机性清洁电源发电量占比提升至 50% 以上，成为发电主体电源；水电、核电、生物质、 光热等灵活可控清洁电源作为重要组成部分协同 支撑高比例新能源消纳； 传统火电机组定位从“发 电主体”向“灵活性资源”转变，近期通过灵活性 改造， 提供包括调峰、调频、爬坡、电压支撑等辅 助服务， 远期加装碳捕集装置实现深度脱碳，作为 应急备用电源，保障能源电力安全[17]。
2) 网：电碳平台枢纽定位不断凸显。
新型电力系统电网将呈现明显的平台枢纽特 性，主要体现为多层次、强互动、多元化的特点[18]。 在多层次方面，将形成跨区域大电网+省级坚强电 网+主动配电网+多能微网兼容协同模式， 多层级电 网分别实现资源互济、安全支撑、灵活响应、就地 平衡等多种职能[19]；在强互动方面， 电网将在承担 电能传输的基本职能外， 转型为电力供需平衡跨区 互济、备用共享、源荷互动的平台枢纽； 在多元化 方面，未来电网将不仅是电力流的优化配置平台， 还将包括碳排放流、成本流、信息数字流在内的信 息-能量-价值融合的管理平台。
3) 荷：终端用能弹性化、多样化与多能融合化。
新型电力系统的负荷要素未来将呈现弹性化、 多样化与多能融合化的特点。在弹性化方面， 通过 数字化技术聚合海量分布式用户， 构建虚拟电厂与 主动配电网， 实现深度广泛的源荷互动。在多样化 方面，将涌现大量新型的负荷主体， 例如数据中心、 电动汽车等， 部分负荷主体带有储能设备和分布式 发电设备， 成为产消者。在多能融合化方面， 依托 电制热、 电制冷、 电制气等多能转化技术，实现 电– 热–冷–气在内的多能协同优化，实现不同能源 负荷在时序上的弹性替代；此外， 还将依托电制氢 制氨等电制非电能源技术，实现电–氢–氨等异质能 源的融合发展。
4) 储：跨时空多元融合的储能体系。
新型电力系统的储能将从多个环节、多个时间 尺度构成跨时空多元融合的储能体系[20]。在长时间 尺度， 通过储氢、储气、储热等手段实现广义季节 性储能，提供跨季节的能量互补；在中时间尺度， 配置抽水蓄能、压缩空气等储能技术， 用于提供日 间日内时间尺度的备用与调峰能力， 通过聚合海量 分布式的用户侧电动汽车来提供日内需求响应能力；在短时间尺度， 配置以电化学为主的短时储能， 提供包括虚拟惯量、调频、爬坡等辅助服务[21]。
5) 碳：从电视角转向电碳耦合视角。
未来电力系统的发展趋势与形态演化将转变 为节能减排、低碳发展的“外力驱动”倒逼机制[5]。 首先， 低碳转型的宏观发展环境与政策机制， 包括 碳税、碳配额、碳交易机制等，将为电力行业构建 全新的发展机遇与挑战， 助力低碳技术的突破创新 与蓬勃发展； 其次， 在碳减排目标倒逼下， 将对电 力系统源网荷储各个环节引入“碳约束”，驱动面向 低碳化的电力系统结构形态演化； 在此基础上， 低 碳电力技术的推广应用将使得电力行业呈现明显 的低碳发展与运营模式，广泛影响电力系统计量、 调控、规划、市场等各个环节。
6) 数： 全景信息感知与智慧灵活调控。
依托数字化转型，新型电力系统将呈现能源-信 息–物理系统深度融合特点。在物理系统层面，首 先， 电力系统通过低功耗、芯片化、智能化微型传 感器件实现电力装备全景信息感知及设备健康状 态评价与预测； 然后， 建立广域、分布式电网全景 信息实时采集的传感网络，构建信息-能量-物理融 合的数字孪生体；在此基础上， 依托电力系统大数 据以及人工智能平台对电力系统源网荷储各个环 节的协同互动运行与优化控制进行智能决策[22]。在 赋能转型层面， 电力系统数字化转型升级将推动建 设数字化的能源基础设施， 构建支撑源网荷储协同 互动的新型智慧调度运行体系， 实现以电为核心的 跨能源跨行业的柔性互联与灵活互动， 助力电网向 能源互联网升级，构建高质量新型电力系统[23]。
