周孝信：新型電力系統(tǒng)的主要特征和關鍵技術

編者按：在“雙碳”背景下分布式能源領域貫徹新發(fā)展理念，以“雙碳背景下能源安全新思維——新型分布式綜合能源保障”為主題的“第十八屆中國分布式能源國際論壇”于2022年12月8日在北京采用線上的形式召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會上，中國科學院院士、中國電力科學研究院名譽院長周孝信做了主題為《新型電力系統(tǒng)的主要特征和關鍵技術》的報告。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

周孝信：大家好，我是中國電力科學研究院周孝信，我今天給大家匯報的題目是《新型電力系統(tǒng)的主要特征和關鍵技術》，這個題目有一點大，是一個提綱挈領的題目。我給大家做一個匯報，不確切的地方請大家批評指正。

主要內(nèi)容四個方面。一是新型電力系統(tǒng)的主要特征。二是新型電力系統(tǒng)的關鍵技術，這些都是非常概略的說一下。三是介紹一下我們兩年前提出的設想，現(xiàn)在已經(jīng)做了初步的研究，綜合能源生產(chǎn)單元，這個單元里面包含了很多的技術，因為今天時間所限，不能把技術都給大家介紹。四是做一個總結(jié)。

首先第一部分，新型電力系統(tǒng)的主要特征。原來提出的一個提法叫新一代電力系統(tǒng)，現(xiàn)在國內(nèi)都叫新型電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)國外可能不太理解，新一代指的是有傳承，在過去的基礎上，同時也是一個劃時代的過程，主要的特征表現(xiàn)在這幾個方面，這幾個是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)沒有的，但是也在過去的基礎上發(fā)展的，主要的特征五個方面，一個是高比例可再生能源，高比例電力電子裝備，多能互補綜合能源，信息物力融合智慧能源，清潔高效低碳零碳，這是大家非常關注的。六是高韌性本質(zhì)安全可靠，這個我們要提高現(xiàn)在的可靠性，達到本質(zhì)安全可靠。高韌性也說高彈性，我個人看法韌性比較好，現(xiàn)在國內(nèi)一些別的行業(yè)都是叫韌性，也都有同樣的問題。

我們就看一下剛才講的第一個特征，高比例可再生能源這樣一個電力系統(tǒng)。我給大家一個例子，雙碳目標下我們國家電力系統(tǒng)發(fā)展的情況我們最近做了一個初步的研究，這個研究就是把從2020年開始一直到2060年里面的發(fā)電裝機，發(fā)電的容量在各種宏觀目標滿足的情況下，比如說碳中和的要求，碳達峰的要求，這些都考慮了，考慮我們國家的需求等等，能源需求，電力需求做了一個研究，左邊的圖我們可以看什么叫高比例，高到什么程度?我們大家關注綠色三角，是什么意思?2035年風光裝機超過總?cè)萘康?0%，2035年實現(xiàn)風光占50%，裝機容量50%，右邊的圖是發(fā)電量，發(fā)電量50%，風光發(fā)電量超過總發(fā)電量的50%，是2045年-2050年之間，我們現(xiàn)在才11%，12%這樣的程度，要翻兩三番。

這是碳排放的情況，低碳零碳這樣的電力系統(tǒng)。要適合我們國家未來能源電力的發(fā)展，把碳的排放，包括煤電和天然氣發(fā)電各種機組發(fā)電的情況，最后做了一個核算，結(jié)果是左邊這條曲線，藍顏色是能源的曲線，紅線是電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)指什么?就是煤電和天然氣發(fā)電，這兩個加起來它的排放。黑色的曲線是煤電自己的發(fā)電，主要還是煤電排放比較多，剛才講2020年-2040年期間我們分三個階段，這三個階段左邊到2030年的階段是碳達峰，我們做這個研究認為碳達峰是電力系統(tǒng)也好，能源系統(tǒng)也好都可以在2030年前達到峰值，中間階段，2030-2050年階段，這段時間是20年，這20年是加速減碳階段，如果這階段不加速，在穩(wěn)定的基礎上往下減，我們2050年，2060年碳中和是不可能實現(xiàn)的，所以我們叫加速減碳。

最后是碳中和階段，2050年-2060年。絕對值意義不是很大，現(xiàn)在是預算的，實際上是90多億噸的二氧化碳。我們電力系統(tǒng)其中占40%-45%，這是定性的一些概念。

下面講關鍵技術。關鍵技術有10類，我把關鍵技術叫作具有全局性影響，不是很小方面的技術，對全局有影響的是整個方面有一個很大的發(fā)展，分成10個方面，一個是可再生能源發(fā)電，綜合利用，燃煤發(fā)電，提高靈活性和CCUS，新型電力電子元器件，包括電源和電網(wǎng)，新能源接入系統(tǒng)，新型儲能技術，綠色氫能生產(chǎn)，儲運，氫能的一些問題，轉(zhuǎn)化和應用。六是新型核能發(fā)電技術，不管我們國家，全世界都很重視核能的發(fā)展，所謂新型特別強調(diào)里面的小型化，模塊化，安全性又高，同時又適合各種各樣的位置，而且安全性高，經(jīng)濟性也好。

第七項是電力系統(tǒng)。這些電源注入之后，使我們電力系統(tǒng)發(fā)生了根本的變化，這個根本變化需要新的理論體系和運行控制技術，都要相應的建立好，八是綜合能源電力系統(tǒng)，我們現(xiàn)在搞電不僅僅是電，將來要考慮熱，電，冷，氣各種各樣用戶的需求，我們以電力為主要滿足他們的需求，是一個綜合能源電力系統(tǒng)，這是一個方向。九是數(shù)字化，智能化，能源互聯(lián)網(wǎng)，十是綜合能源電力市場，不僅是電力市場，能源和電力市場某種情況下要很好的融合，或者加強他們之間的互聯(lián)，這樣才能真正起到市場的作用。

下面開始第三部分，綜合能源生產(chǎn)單元設想的初步研究。為什么提這個問題?左邊這個圖給大家一個概念，我給的是2020年的數(shù)，裝機容量和發(fā)電量，發(fā)電量的圖裝不下，所以我沒有列出來，只是列出來了裝機容量的情況，煤電占比占49.1%，煤電裝機10億8千萬，量是很大的，下面圖黑顏色的就是煤電，發(fā)電量的占比更高，占60.7%，是相當高的，60%是煤電發(fā)的，風光裝機占比24%，風光的電力占比10%幾，這是任重道遠的，我們要碳中和，碳達峰確實任重道遠。

基于這樣現(xiàn)實背景，我們就覺得我們煤電的轉(zhuǎn)型發(fā)展確實是非常重要的問題，裝機容量占50%，發(fā)電量占60%，這樣的情況下如何解決煤電的出路?是不是一關了之?我覺得并不適合中國的國情，要充分的把資源利用起來，把10億千瓦，2025年之前，我們還要增加1-2億千瓦，所以資源是非常寶貴的，怎么利用起來非常的重要，既能滿足碳達峰，碳中和的要求，同時有很好的經(jīng)濟效益。我們提出了一個概念，叫綜合能源生產(chǎn)單元概念的示意圖，其中六個主要部分，一個部分是燃煤電廠，發(fā)電本身，另一個部分是發(fā)電本身它的煙氣進行捕集和分離，把二氧化碳分離出來，這個根據(jù)我們的需要是全部捕集和分離。還有可以電解水制氫的裝置，做就是電網(wǎng)，如果電比較便宜的時候也可以，三處來電制氫。

一方面氫本身就是產(chǎn)品，可以輸出到它需要的地方去，另外單元內(nèi)部我們希望能夠把它用來制成以氫和碳為基礎的綠色的能源，一個是做甲醇，再一個做甲烷，甲烷是什么?甲烷就是天然氣主要的組成部分，這兩種產(chǎn)品都可廣泛應用做燃料，都是燃料，甲醇是燃料，甲烷本身就是燃料，甲醇也可以做燃料，可以拿來開汽車。特別重要它也可以是重要的化工燃料，現(xiàn)在化工燃料以煤和石油做出來的，將來我們希望可再生能源。這個裝置是典型的多能互補的綜合能源系統(tǒng)，電力能源虛擬電廠，把這個概念擴大一點，不僅僅是需求側(cè)，用戶側(cè)用虛擬電廠，我們源端也是虛擬電廠，是電力能源虛擬電廠，它是綜合能源電力系統(tǒng)，現(xiàn)在我們對電力系統(tǒng)的理解基本上用電，用能組合能源，我們從源要擴展它的綜合能源。

我們看看有什么好處。一個很重要的是綜合能源生產(chǎn)單元的靈活調(diào)節(jié)能力，我給大家示意圖做一個簡單的例題，就是IEPU加很簡單的電網(wǎng)，把日調(diào)度曲線優(yōu)化出來，上面的這條曲線24小時曲線，最大的出力達到447兆瓦，機組容量30兆瓦，按傳統(tǒng)靈活性改造之后可以做到30%-100%，還有電解水的裝置，電解水制氫，作為一個負荷，是一個負的發(fā)電，整個調(diào)節(jié)能力從正到負，調(diào)節(jié)范圍大很多，電解槽也是可調(diào)的，但是有一些限制，總的來講是可調(diào)節(jié)的，一個正，一個負，光伏發(fā)電全來拿來制氫，做出的調(diào)節(jié)范圍可以很大，與電網(wǎng)并網(wǎng)的優(yōu)化運行結(jié)果表明IEPU比傳統(tǒng)火電廠具有范圍更大的靈活調(diào)節(jié)能力。

下面我們再看第二個概念圖，IEPU二型，大部分是和一型是一樣的，只不過制甲烷的裝置用燃機輪機代替，實際上多了一個電源，這個電源將來可以制造出來的甲烷儲存起來，每天調(diào)峰的時候拿它發(fā)電，制造出來的綠色甲烷來發(fā)電，這個就是二型。

下面給大家一個例子，我們算了2020年-2060年能源電力，特別是電力的裝機容量和發(fā)電量，我們拿2050年的數(shù)據(jù)，電源的結(jié)構(gòu)和用電的結(jié)構(gòu)，但是系統(tǒng)不是全國的數(shù)做，而是拿從目前看比普通的省的規(guī)模還要小一點的系統(tǒng)，我們看2050年的系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)和發(fā)電結(jié)構(gòu)是什么樣的，裝機容量是1.3億千瓦，非化石能源占比，裝機占比83.8%，風光占比71%，這兩個加起來裝機占比83%，其他煤電，氣電，核電，生物質(zhì)發(fā)電占比較少的份額，氣電和煤電不少的裝機，煤電6%，氣電10%，主要是做調(diào)節(jié)容量的。從發(fā)電量看，這個時候風光的發(fā)電量占比57.1%，這是太陽能發(fā)電，這是風力發(fā)電一共占50%幾，快接近60%，煤電5.8%，氣電6.8%，核電11%，水電12.9%這樣的形成，所以是典型未來高比例可再生能源的電力系統(tǒng)。

這個電力系統(tǒng)需要大量的調(diào)節(jié)能力，否則風光占比那么大，隨機性，波動性，間歇性怎么克服，沒有非常強大的調(diào)節(jié)能力這個系統(tǒng)是沒有辦法運行的，這是調(diào)節(jié)能力的情況，這不是真實的系統(tǒng)，是設想的未來系統(tǒng)，未來裝機比例是根據(jù)我們研究做出來的。

另外一個例子，它對夏季和冬季兩個季節(jié)的典型日，一天24小時怎么用靈活性調(diào)節(jié)這些電源和負荷，特別是像左邊這個圖夏季的典型日，負荷曲線是虛線，如果沒有這個調(diào)節(jié)能力大量的光伏發(fā)電就棄電了，到了晚高峰的時候要缺電了，盡管現(xiàn)在還有水電的調(diào)節(jié)，綠顏色的是水電調(diào)節(jié)，但是是遠遠不夠的，必須我們用剛才講的一個IEPU，還有其他的靈活調(diào)節(jié)能力，比如說這塊，虛線和紅色實線之間從上午一直到中午過后，光伏發(fā)電大的時候，這塊的電力是拿來用做制氫的，電解槽制氫的，所以真正的系統(tǒng)曲線就是這個實顏色的紅線，我們想辦法一個用抽水蓄能，新型儲能。但是棄光還是有相當一部分的。

到了晚高峰不能滿足需求的時候，一個是IEPU起作用，一個是其他的儲能，抽水蓄能，化學儲能填補晚高峰的空缺，這個時候棄電主要不在IEPU內(nèi)部，也可以在IEPU內(nèi)部，這塊是IEPU的能力，紅顏色的是IEPU里面的棄電起的作用。

剛才講的是正常情況下的作用，現(xiàn)在我們介紹一下我們設想的非常極端的，或者底端的氣候變化，氣候的改變情況。比如說一周的情況，從第一小時到169小時，這期間有3-4天風也小，光也很弱，這樣的情況下怎么滿足負荷需求?根據(jù)這個情況看，60%，70%的風光沒有了，這個時候需要靠靈活的調(diào)節(jié)能力，而且不是一般的抽水蓄能，也不是一般的電化學儲能，調(diào)節(jié)的時間也就是基本一天之內(nèi)，抽水蓄能做的好的時間強一些，但是能量是很有限的，怎么辦?我們有一個說法，極端天氣下風光發(fā)電大幅度減弱的期間，IEPU燃氣機組采用生產(chǎn)儲備的氫+二氧化碳做出來的甲烷來發(fā)電，1.37億千瓦，圖的右邊XX面積，這塊就是IEPU里面燃氣輪機用我們生產(chǎn)出來的氫+二氧化碳，它的儲備還包括前期一些儲備的氫和二氧化碳來發(fā)電。

這樣有效緩解了電力的供應，發(fā)揮長周期儲能，所以氫作為長周期儲能發(fā)揮了很大的作用，對極端天氣的影響是關鍵的作用，將來我們怎么考慮抽水蓄能，電化學儲能和氫能以及其他儲能之間不同的特性，不同的儲能量的大小和調(diào)出來的容易還是不容易統(tǒng)一考慮儲能的作用，特別是中長期儲能，這是大家非常關注的，特別是應對極端天氣，這種極端天氣不是多年來一次，不是這樣的，嚴重的時候每年有幾次這樣的情況，平常也會有發(fā)生不是這么極端，風好，光不好，光好，風不好的情況，這樣的情況量不大，但是也需要中長期的儲能。

我今天介紹就這些我個人的理解。新型電力系統(tǒng)六項主要特征，我覺得這些特征應該概括當今電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的趨勢和前景，講到電源和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)革命性的變化，還有綜合能源發(fā)展的趨勢，數(shù)字化，智能的作用，還有低碳，零碳，高韌性的本質(zhì)安全這些目標，概括了當前我們電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的趨勢，將來需要什么東西，將來怎么做。

講10類關鍵技術。它是總結(jié)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有全局影響的技術方向，這些技術方向比如說講低碳零碳的電源技術，入網(wǎng)技術，將來一定要好好的研究。還有新型電力系統(tǒng)電網(wǎng)裝備，裝備本身包括電源裝備，包括電網(wǎng)的裝備，它不是我們現(xiàn)在普通的裝備，而且數(shù)字技術要融合的情況，還有新型儲能和氫能，特別是氫能技術在應對非常惡劣的天氣情況下和其他預料不到的情況下怎么樣保證能源和電力最起碼的供應，這些方向是非常重要的。

最后關于IEPU的討論，剛才舉的兩個例子，一個是類型一，第二個是類型二兩種。融合既有煤電，二氧化碳捕集利用技術，可再生能源發(fā)電電制氫，制甲烷的技術，這是既有的一些技術，當前需要不斷的完善和發(fā)展。構(gòu)建綜合能源生產(chǎn)單元，使這個單元成為能源電力系統(tǒng)中一種具有多種能源產(chǎn)品和靈活性調(diào)節(jié)功能的新成員，希望作為煤電低碳，無碳路徑方案的考慮，怎么把煤電非常好的處理，利用起來，這是一個。

IEPU可以有不同的方案，我們介紹火電廠為主的方案，實際上不一定，IEPU所需的二氧化碳，我們剛才講的例子從火電廠二氧化碳捕集，也可以從空氣中捕集，現(xiàn)在很多國內(nèi)，特別是國際上做了不少的研究，IEPU可以由水電廠，電解水制氫裝置，水電廠沒有火電機組，二氧化碳捕集，可以從空氣中捕集氮氣，電解水氫和氮耦合之后支制成了氨，可以作為燃料或者化工燃料。另外IEPU本身是可以實體，在一個很小的范圍內(nèi)實現(xiàn)，也可以是虛擬的，比如說太陽能發(fā)電可以是遠方的太陽能發(fā)電送過來，就像虛擬電廠一樣的。

不同類型的IEPU方案與數(shù)字化，智能化技術結(jié)合，形成能源供應側(cè)各種智慧型基本的單元。與終端消費側(cè)智慧型基本單元IECU，它對應的P，這個CU里面還要分布式電源，過去叫虛擬電廠，里面不光是發(fā)電廠，包括負荷，在終端消費側(cè)是IECU。這個IEPU和IECU成為未來新型電力系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，將來這個結(jié)構(gòu)更有效，更有力，成為未來新型電力系統(tǒng)基本的組成結(jié)構(gòu)，成為電網(wǎng)調(diào)度，直接面對IEPU或者IECU，每天要上報整個里面的電網(wǎng)組成，發(fā)電的情況，一天24小時給出來等等。還有需求怎么樣，包括售端，大大減少電網(wǎng)調(diào)度所要考慮的每一家，每一戶，每一個分布式電源直接調(diào)度是不現(xiàn)實的，將來組成了新的電源大大減輕了調(diào)度的工作，而且可以做得更好。同時是電力市場的基本單元，對市場交易，除了IECU本身和電力市場之外，之間可以實現(xiàn)內(nèi)部的交易，IECU，IEPU內(nèi)部的交易，我認為對未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，包括調(diào)度的結(jié)構(gòu)，市場的結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些重要的影響，現(xiàn)在這個還是初步的想法，希望大家共同研究，也許有這個辦法。

今天給大家匯報的主要內(nèi)容就是這些，向大家表示感謝，感謝綜合電科院的技術戰(zhàn)略研究中心，對北京研究做了不少貢獻，謝謝大家。