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新型電力系統(tǒng)需要靈活性資源支撐，從而適應(yīng)新能源快速發(fā)展
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-05-27

1. 電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電五個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成

電能從產(chǎn)生到消費(fèi)的生命周期：發(fā)、輸、變、配、用5個(gè)環(huán)節(jié)，電力系統(tǒng)也是在此基礎(chǔ)上構(gòu)成。發(fā)電是指將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿沫h(huán)節(jié)，比如常見(jiàn)的火力、水力發(fā)電就是將熱能、動(dòng)能/勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這一環(huán)節(jié)是電能誕生的環(huán)節(jié)；

輸電是將誕生的電能向各個(gè)不同的地方傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)需要克服地理因素、自然因素，還要盡可能避免電能損耗；經(jīng)歷了長(zhǎng)途跋涉之后，電能尚未能夠被我們方便的使用，因?yàn)闉榱吮M量避免電能損耗，采用了高壓輸電的方式，我國(guó)常用的輸電電壓有 110kV、220kV、500kV、800kV、1000kV 等，但這么高的電壓，無(wú)法被終端用戶使用，因此有了變壓環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)中，變壓器會(huì)將高電壓逐級(jí)降低；

配電可以理解為微縮版的輸電+變電，配電的電壓等級(jí)比輸電和變電低得多，在配電環(huán)節(jié)進(jìn)一步降低電壓，直到滿足日程使用的電壓 220V（單相）和 380V（三相），并且將這些電能，更細(xì)致的分配到終端用戶；最終就是居民和工商業(yè)的用電環(huán)節(jié)，由于用電電器對(duì)電能的質(zhì)量是有要求的，包括電壓的范圍、頻率范圍、相位和波形，如果發(fā)出來(lái)的電能沒(méi)有滿足用電電器的要求，電就屬于無(wú)法利用的垃圾電。

此外，為實(shí)現(xiàn)這一功能，電力系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，對(duì)電能的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、通信和調(diào)度，以保證用戶獲得安全、優(yōu)質(zhì)的電能。

在電能的發(fā)電、輸變電、配電、用電環(huán)節(jié)所需要的設(shè)備統(tǒng)稱為電力設(shè)備，分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。

一次設(shè)備指直接用于生產(chǎn)、輸送和分配電能生產(chǎn)過(guò)程中的電氣設(shè)備，是供電系統(tǒng)的主體，是用電負(fù)荷的載體，高電壓或大電流是一次設(shè)備的主要特點(diǎn)，包括開(kāi)關(guān)、變壓器、電抗器、電容器、互感器、絕緣子、避雷器、直流輸電換流閥及電線電纜等。

二次設(shè)備是指對(duì)一次設(shè)備的工作進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)節(jié)，以及為運(yùn)行、維護(hù)人員提供工況、事故報(bào)警及生產(chǎn)指揮信號(hào)所需的低壓電氣設(shè)備，如繼電保護(hù)與監(jiān)控裝置、測(cè)量與計(jì)量?jī)x表、信號(hào)燈、轉(zhuǎn)換與控制開(kāi)關(guān)、接觸器、小型低壓斷路器與熔斷器等。

發(fā)電由電廠負(fù)責(zé)，變電、輸配電由電網(wǎng)負(fù)責(zé)，我國(guó)電網(wǎng)區(qū)分為國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)兩個(gè)全國(guó)性電網(wǎng)公司及少量的地方電網(wǎng)公司，電網(wǎng)要按照分層分區(qū)的原則，考慮電網(wǎng)安全，重點(diǎn)要考慮負(fù)荷供電的可靠性、各類電源的聯(lián)合運(yùn)行、電網(wǎng)本身安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性等因素。因此發(fā)電及用電環(huán)節(jié)為網(wǎng)外設(shè)備，輸變電及配電環(huán)節(jié)為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備。

2. 電網(wǎng)消納新能源的能力由電源調(diào)節(jié)性能決定，亟需靈活性資源調(diào)峰

2.1. 電網(wǎng)消納新能源的能力由系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力決定

系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)能力計(jì)算用于考慮電力系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)其他電源讓出的調(diào)峰空間，即新能源的消納空間。電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用同時(shí)完成,電力負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的時(shí)變特點(diǎn),目前我國(guó)區(qū)域電網(wǎng)峰谷差已達(dá) 30%左右,并呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。系統(tǒng)平衡的原則是調(diào)節(jié)常規(guī)電源出力跟蹤負(fù)荷變化，保持動(dòng)態(tài)平衡。

電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的一個(gè)基本條件是系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力必須大于負(fù)荷的變化。通?？紤]極端情況如負(fù)荷較低時(shí)，此時(shí)的負(fù)荷水平與常規(guī)電源的最低極限出力之差，即得出此時(shí)消納空間（調(diào)峰空間）還有多少。

由于風(fēng)、光的資源特性，新能源出力存在隨機(jī)性和波動(dòng)性，新能源高比例接入電力系統(tǒng)后，增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負(fù)擔(dān)，常規(guī)電源不僅要跟隨負(fù)荷變化，還需要平衡新能源的出力波動(dòng)。當(dāng)新能源出力超過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時(shí)，必須控制出力以保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡，就會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力由電源調(diào)節(jié)性能決定，不同電源具有不同的調(diào)峰能力。新能源消納問(wèn)題與系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力密切相關(guān)，在一定規(guī)模的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力主要由電源調(diào)節(jié)性能決定，與電源結(jié)構(gòu)相關(guān)。通常如果電力系統(tǒng)中靈活性電源較多（氣電、抽蓄、電化學(xué)儲(chǔ)能），則最低極限出力較低，系統(tǒng)可以容納較多的新能源發(fā)電空間。

如果系統(tǒng)電源不夠靈活（如煤電調(diào)峰深度不夠），則難以為新能源讓出足夠多的消納空間。不同類型電源的調(diào)峰深度有很大差異，核電機(jī)組通常作為基荷運(yùn)行，較少參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)；凝汽燃煤機(jī)組和供熱火電機(jī)組調(diào)節(jié)性能較差；燃?xì)狻⒊樗钅?、水電等電源能夠快速啟停、大幅調(diào)節(jié)，靈活參與平衡。我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以火電為主，電源總體調(diào)節(jié)性能主要取決于火電調(diào)峰深度和靈活調(diào)節(jié)電源比例。

2.2. 電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均可提供靈活性，形式多樣互為補(bǔ)充

電力系統(tǒng)中靈活性資源廣泛地存在于電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、儲(chǔ)能，形式多種多樣且互為補(bǔ)充。多元組合提升能夠吸收各靈活性資源的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)靈活性提升效果和系統(tǒng)投資運(yùn)行成本的平衡。

1）電源側(cè)包括可控的傳統(tǒng)電源和相對(duì)可控可調(diào)度的可再生能源。氣電和水電是優(yōu)質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)電源，我國(guó)煤電擁有存量裝機(jī)容量高、靈活性挖潛空間大的天然優(yōu)勢(shì)，結(jié)合調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制的完善今后勢(shì)必會(huì)成為重要的靈活性資源。

2）電網(wǎng)側(cè)靈活性資源更多地承擔(dān)統(tǒng)籌送受端調(diào)峰安排，制定更加靈活的電網(wǎng)運(yùn)行方式，通過(guò)就地消納、“風(fēng)光火電”打捆、特高壓跨省跨區(qū)遠(yuǎn)距離消納、建立跨省跨區(qū)電力市場(chǎng)進(jìn)行市場(chǎng)化交易、微電網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)跨省、跨區(qū)共享調(diào)峰與備用資源。

3）負(fù)荷側(cè)可以通過(guò)大力發(fā)展需求側(cè)相應(yīng)，利用虛擬電廠平衡調(diào)節(jié)供需，設(shè)計(jì)合理的激勵(lì)資金保障機(jī)制，優(yōu)化峰谷電價(jià)和尖峰電價(jià)機(jī)制，結(jié)合現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)探索實(shí)時(shí)電價(jià)，優(yōu)化電力市場(chǎng)的供需平衡。

4）儲(chǔ)能側(cè)作為優(yōu)質(zhì)的靈活性資源，在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)均可以發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)迅速、容量配置靈活、建設(shè)快速簡(jiǎn)便。

從政策來(lái)看，我國(guó)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)按照“三步走”的發(fā)展路徑，在電源、電網(wǎng)、用戶、儲(chǔ)能側(cè)有不同的演變進(jìn)程。按照黨中央提出的新時(shí)代“兩步走”戰(zhàn)略安排要求，錨定2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，基于我國(guó)資源稟賦和區(qū)域特點(diǎn)，以2030年、2045 年、2060 年為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建戰(zhàn)略目標(biāo)的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，制定新型電力系統(tǒng)“三步走”發(fā)展路徑，即加速轉(zhuǎn)型期（當(dāng)前至 2030 年）、總體形成期（2030 年至2045年）、鞏固完善期（2045 年至 2060 年），有計(jì)劃、分步驟推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的“進(jìn)度條”。