按照全國電網(wǎng)運行與控制標準化技術委員會給出的新型電力系統(tǒng)的定義，新型電力系統(tǒng)是以承載實現(xiàn)碳達峰碳中和，貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局、推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求為前提，確保能源電力安全為基本前提、以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展電力需求為首要目標、以最大化消納新能源為主要任務，以堅強智能電網(wǎng)為樞紐平臺，以源網(wǎng)荷儲互動與多能互補為支撐，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動基本特征的電力系統(tǒng)。這個定義非常全面，提到了新型電力系統(tǒng)的基本前提、首要目標、主要任務、實現(xiàn)手段和基本特征。但也不難發(fā)現(xiàn)，定義雖然“全面”，其不足也很突出，很難總結出我國要建設的新型電力系統(tǒng)到底“新”在哪里。如果我們給出的定義過于寬泛，核心要點過多，容易把握不住本質(zhì)的“新”，就會分散投資的方向，甚至在錯誤的方向上付出巨大的成本，從而引發(fā)電價的不合理上漲。
電力系統(tǒng)不斷升級下的新舊相對論
回顧我國的電力系統(tǒng)發(fā)展，歷次電力系統(tǒng)升級都曾產(chǎn)生過當時的“新型電力系統(tǒng)”。
根據(jù)電力規(guī)劃總院的相關研究成果，到目前可分為起步發(fā)展、省級電網(wǎng)互聯(lián)、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)三個階段。回頭看看那些被替代的電力系統(tǒng)，也曾經(jīng)是新型電力系統(tǒng)，例如省級電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)相對起步發(fā)展階段的電力系統(tǒng)就可以稱為新型電力系統(tǒng)，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)相對省級電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)也可以稱為新型電力系統(tǒng)。
起步發(fā)展階段
此階段指從19世紀80年代我國電力起步到1980年左右省級電網(wǎng)初步形成的階段。起步發(fā)展階段，我國電力系統(tǒng)以小電源、單個電網(wǎng)為主。由初期孤立電廠外送直接供電，發(fā)展到多個電廠互聯(lián)和以電廠為中心向四周供電的局部電力系統(tǒng)，電力就地平衡，系統(tǒng)分散，不均衡發(fā)展;后期，隨著220千伏線路的建設，城市電網(wǎng)形成。至1980年，省級電網(wǎng)基本形成，全國有容量10萬千瓦以上電網(wǎng)32個，其中100萬千瓦12個。全國發(fā)電設備容量達6587萬千瓦。該階段電網(wǎng)伴隨電源建設特點明顯，電網(wǎng)結構薄弱，自動化水平較低，電網(wǎng)頻繁出現(xiàn)穩(wěn)定問題，僅“四五”時期發(fā)生的穩(wěn)定事故就有100起左右。
省級電網(wǎng)互聯(lián)階段
此階段指1980年到1995年，相比較起步發(fā)展階段，區(qū)域電力系統(tǒng)形成時期。改革開放以來，集資辦電等一系列政策的實施，極大地促進了電力建設，帶動我國電力系統(tǒng)快速發(fā)展。該階段是市場經(jīng)濟體制的確立與探索時期，加快適應國民經(jīng)濟發(fā)展仍然是該時期電力工業(yè)建設的主要任務。電力行業(yè)管理體制實現(xiàn)政企分開。這個階段電力系統(tǒng)的“新”體現(xiàn)在電網(wǎng)用于互濟與互聯(lián)功能顯著提高，超高壓電網(wǎng)高速發(fā)展，區(qū)域電網(wǎng)初步形成。本階段電力工業(yè)進入超高壓時期，電力系統(tǒng)建設一方面適應大容量機組遠距離外送，另一方面滿足電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行;以區(qū)域內(nèi)資源配置為主，立足省內(nèi)平衡，輔以省間互濟，圍繞省內(nèi)負荷中心重視省網(wǎng)建設。除臺灣、香港等地區(qū)外，全國形成了東北、華北、西北、華中、華東等5 個區(qū)域電網(wǎng)、南方聯(lián)營電網(wǎng)和 10 個獨立省區(qū)電網(wǎng)的電力系統(tǒng)格局。
全國電網(wǎng)互聯(lián)階段
1996年以來，電力工業(yè)的建設在社會主義市場經(jīng)濟的大背景下飛速發(fā)展，大型梯級水電站和煤電基地相繼投產(chǎn)，嚴重缺電局面開始扭轉。進入新世紀，我國啟動電力體制改革，實施政企分開、廠網(wǎng)分離。與此同時，國家實施西部大開發(fā)和“西電東送”戰(zhàn)略，大電源基地、大電網(wǎng)建設進入快速發(fā)展階段。相對于第二階段，本階段電力系統(tǒng)的“新”體現(xiàn)在西電東送與區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)。電力系統(tǒng)以區(qū)域電網(wǎng)為基礎，以超高壓、特高壓交直流電網(wǎng)為載體，發(fā)展跨省大跨區(qū)的大規(guī)模電力資源配置，電網(wǎng)大范圍資源配置能力顯著增強。在滿足電力系統(tǒng)安全可靠運行，預防事故發(fā)生的前提下，立足在能源基本格局下區(qū)域平衡，優(yōu)化主網(wǎng)架結構。截至2020年底，除臺灣外，我國各省級電網(wǎng)全部實現(xiàn)交直流聯(lián)網(wǎng)，基本形成全國聯(lián)網(wǎng)格局，跨省跨區(qū)特高壓輸電通道22回，交流最高電壓等級1000千伏，直流最高電壓等級，建成了全世界規(guī)模最大的多區(qū)域互聯(lián)、交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)。
從我國電力系統(tǒng)發(fā)展史來看，實際上“新”是與“老和舊”相對的，是個描述事物比較狀態(tài)的形容詞，今天我們建設的新型電力系統(tǒng)，也許20年后就會被更新型的電力系統(tǒng)所替代。上述三個階段電力系統(tǒng)的演進是以省(城市)電網(wǎng)-區(qū)域電網(wǎng)-區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)為主要標志進行的，其間電源側也經(jīng)歷了燃煤機組從幾千千瓦到百萬等級、水電機組從幾百到七十萬等級、核電從無到有、可再生能源成為重要組成部分的巨大進步，但是電源側的變化并沒有成為階段劃分的標志，并沒有出現(xiàn)跨越式的、性質(zhì)的變化。
新型電力系統(tǒng)有其內(nèi)在核心的“新”
本輪電力系統(tǒng)發(fā)展要建設的新型電力系統(tǒng)，就其本身而言，核心本質(zhì)就是發(fā)電側要大規(guī)模、高比例使用可再生能源。其他諸如堅強智能電網(wǎng)、網(wǎng)源荷儲互動與多能互補、清潔高效煤電這些特征，其實在我國電網(wǎng)發(fā)展的第二三階段都有提及，甚至部分技術在百年前已經(jīng)面世，并非是本輪新型電力系統(tǒng)建設的核心特征，而應當定位其為順應發(fā)電側大規(guī)模、高比例使用可再生能源需要采用的可能手段?？稍偕茉吹陌l(fā)電特性是間歇性、不連續(xù)性，這與用戶側要求的連續(xù)穩(wěn)定供電相矛盾，也與電力系統(tǒng)安全、連續(xù)、穩(wěn)定供電的基本要求相矛盾，即使是本輪的新型電力系統(tǒng)，也未改變用戶側的需求和電力系統(tǒng)本身的需要，那么就要采用其他手段對沖可再生能源不符合用戶側和電力系統(tǒng)要求的發(fā)電特性。當然，技術在不停地進步，20年的時間仍然很長，何時出現(xiàn)新的技術、何時舊有技術經(jīng)濟性取得突破都無法預計，2040年的新型電力系統(tǒng)可能會使用我們暫時還沒有發(fā)現(xiàn)的技術路徑和技術組合。我們現(xiàn)在的分析，是在考慮經(jīng)濟性的前提下，基于現(xiàn)有技術組合和技術路徑可行性進行的論證。
為什么要使用堅強智能的電網(wǎng)?
將可再生能源的間歇性與不連續(xù)性轉變?yōu)橛脩魝人枰倪B續(xù)穩(wěn)定供電，有兩種方式供選擇，一種方式是通過儲能(含制氫)，使可再生能源生產(chǎn)的電能“離線”形成庫存，并在用戶側需要時平穩(wěn)的釋放;另一種方式是通過電網(wǎng)形成平臺，由其他能源(主要是傳統(tǒng)能源)生產(chǎn)的電能，對可再生能源間歇性與不連續(xù)性“在線”進行實時調(diào)節(jié)服務。本輪新型電力系統(tǒng)的建設之所以選擇后一種方式，主要還是考慮經(jīng)濟性因素。由于我國在歷年正常氣候下，均有3-7日風光出力極小，部分地區(qū)甚至可達無風無光的程度，在此情況下如果僅依靠儲能，我國電價的水平會上漲到經(jīng)濟無法承受的程度[1]。因此，在目前的技術水平之下，堅強智能的電網(wǎng)是承載大規(guī)模、高比例可再生能源的唯一經(jīng)濟性選項。
為什么仍然要發(fā)展清潔高效的煤電?
所有以電網(wǎng)為平臺的電力系統(tǒng)，都需要三種商品，一是電能量，二是調(diào)節(jié)能力，三是有效容量(可靠性)。電能量無需過多解釋。調(diào)節(jié)能力是指跟隨負荷變化或應對電源側事故保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力。有效容量是指在極端天氣或負荷尖峰時刻能夠保證出力、實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定供電的容量。傳統(tǒng)電源一般來說既能提供電能量，又能提供調(diào)節(jié)能力，還能提供有效容量，因此在本輪新型電力系統(tǒng)建設之前，電源為系統(tǒng)提供的商品是同一主體身兼數(shù)職的，經(jīng)濟性較好?？稍偕茉从捎谝淮蝿恿?ldquo;看天吃飯”，從事電能量生產(chǎn)是沒有問題的，但是在不加裝“外設”的前提下，很難提供調(diào)節(jié)能力，甚至由于一次動力的間歇和不連續(xù)，還要大幅增加系統(tǒng)對調(diào)節(jié)能力的需求。同時，可再生能源出力受天氣限制，我國目前負荷高峰的發(fā)展趨勢是冬季逐步逼近夏季或超過夏季高峰，晚高峰大于日高峰。系統(tǒng)尖峰大概率出現(xiàn)在氣候較為極端的時間，該時段往往是可再生能源出力很低、甚至完全沒有出力的時段。因此，未來新型電力系統(tǒng)需要可再生能源生產(chǎn)電量以減少碳排放，需要傳統(tǒng)電源提供調(diào)節(jié)能力和有效容量。換言之在保證電力系統(tǒng)可靠性的要求下，未來的尖峰負荷有多大，就應當保留多少容量的傳統(tǒng)電源[2]。此外，由于我國缺油少氣，且水電資源剩余可開發(fā)量不大(且冬季水電往往處于小出力的枯水期)，將來支撐新型電力系統(tǒng)有效容量的電源類型只能是清潔的煤電，并將由其提供系統(tǒng)需要的主要調(diào)節(jié)能力。
為什么要網(wǎng)源荷儲互動與多能互補?
從國際經(jīng)驗來看，可再生能源就地平衡的經(jīng)濟性最好，同時在能源供給側，采用不同能源種類聯(lián)動會產(chǎn)生互補效益。實際上，隨著可再生能源比重增加，僅僅依靠傳統(tǒng)電源提供調(diào)節(jié)和有效容量成本巨大。這好比傳統(tǒng)電源同時提供電能量、調(diào)節(jié)和有效容量模式，像“一個和尚挑水吃”，可再生能源生產(chǎn)電能量，傳統(tǒng)電源提供有效容量和調(diào)節(jié)能力，像“一個和尚(可再生能源)挑水吃，一個和尚(傳統(tǒng)電源)等著幫忙抬水吃”，自然而然成本就上升了。通過粗略估算，就能看到可再生能源自身投資成本的下降，遠遠無法抵消消納成本的上升，要想辦法減少“幫忙抬水和尚”的數(shù)量。因此，具有一定調(diào)節(jié)能力和中斷用電能力的用戶側必須要參加調(diào)節(jié)和提供有效容量。原來用戶側參與調(diào)節(jié)和提供有效容量的情況很少，主要原因是缺乏有吸引力的價格。而現(xiàn)在由于高比例可再生能源的大規(guī)模接入，推動了電價一定程度的上漲，形成了具有一定吸引力的價格。當然，用戶側參與調(diào)節(jié)和提供有效容量，以單個用戶為主體既不可靠、也不具有經(jīng)濟性，利用用戶側資源的方式應當是“網(wǎng)源荷儲”一體化和多能互補，這既可以為新型電力系統(tǒng)需要的調(diào)節(jié)能力和有效容量提供較為廉價的補充，又可以對提高可再生能源就地消納有一定的促進作用。
新型電力系統(tǒng)的“新”并未止于其本身
實際上，與電力系統(tǒng)前三個發(fā)展階段相比，本輪新型電力系統(tǒng)的外部環(huán)境發(fā)生了根本性的變化。電力系統(tǒng)發(fā)展的前三個階段，由政府主管部門審批投資、核定電價并分配發(fā)電計劃，電網(wǎng)企業(yè)按照核定電價和政府確定的發(fā)電計劃，統(tǒng)購統(tǒng)銷電量，這實質(zhì)上是一個“管生又管養(yǎng)”的過程，電源投資沒有風險，這也是過去發(fā)電企業(yè)“跑馬圈地”的原因之一。但是本輪新型電力系統(tǒng)建設所處的外部環(huán)境是電力市場化，也就是電源項目未來不再是政府“管生又管養(yǎng)”的機制，而是變成了“政府準生、市場謀生”的模式。這恐怕是新型電力系統(tǒng)建設過程中與其他階段電力系統(tǒng)發(fā)展外部條件最大的“新”。
“市場謀生”的機制對新型電力系統(tǒng)的建設有著重大的意義，因為我們需要的新型電力系統(tǒng)，是為社會經(jīng)濟發(fā)展服務的，是不能超越社會經(jīng)濟正常發(fā)展所需電價水平的。電力系統(tǒng)發(fā)展的任何階段，能源“不可能三角”都在持續(xù)發(fā)揮作用，可靠(安全)、綠色、經(jīng)濟永遠不可能同時達到。目前技術條件下，在必須安全，且大規(guī)模使用綠色電力的前提下，電價上漲是必然的。雖然上漲無法避免，但是上漲的幅度是可以通過精準控制實現(xiàn)最優(yōu)的。這個精準控制的辦法就是市場機制。本輪新型電力系統(tǒng)建設，由于引入了用戶側調(diào)節(jié)做補充，可采用的技術和商業(yè)模式很多，發(fā)電側在電價上升的預期下，也有很多可以使用的技術，各方主體難免出現(xiàn)“王婆賣瓜”，讓決策者難以決定產(chǎn)業(yè)政策重點支持的技術。但是通過市場機制，可以實現(xiàn)“登臺唱戲、同臺競爭”的局面，最好、最有發(fā)展前途的技術一定是規(guī)?；罂梢越?jīng)受住殘酷市場競爭后被篩選出的技術。通過市場競爭篩選出大規(guī)模、高比例可再生能源消納所需要的技術，才是最有經(jīng)濟性的技術，才能確保實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)建設成本最小化的目的。
當然，“市場謀生”還需要堅持技術中立原則的市場設計。既然新型電力系統(tǒng)之下將電力商品分為了電能量、調(diào)節(jié)和有效容量三種，那么就要相應設計對應的市場。首先，通過現(xiàn)貨市場，準確計算可再生能源的消納成本，以便精準設計場外的政府授權合約和配額制度，以避免過激勵，同時通過發(fā)用雙方承擔平衡責任體現(xiàn)電能量商品的特殊性。其次，通過現(xiàn)貨市場和輔助服務市場設計，體現(xiàn)電力調(diào)節(jié)商品的價值。再次，通過容量市場的設計體現(xiàn)有效容量商品的價值。
總結上述內(nèi)容，可以明確新型電力系統(tǒng)的“新”來自于兩個方面，內(nèi)在的“新”源于發(fā)電側要大規(guī)模、高比例使用可再生能源生產(chǎn)電能量，外在的“新”則是指新型電力系統(tǒng)的投資回報需要在市場競爭中獲得。掌握了這兩個“新”，就能夠獲得“慧眼”，穿透技術和經(jīng)濟的“迷霧”，確定工作努力的方向。
“雙碳”新時代，呼喚新型的電力系統(tǒng)。把握了新型電力系統(tǒng)核心的“新”，就能分清哪些是目的、哪些是手段，哪些是“道”、哪些是“術”。只有深刻認識新型電力系統(tǒng)內(nèi)在和外在的“新”，才能明確要用什么方法去規(guī)劃投資和評估收益，以及檢驗不同技術的可行性。
大道至簡，衍化至繁，致遠方可行穩(wěn)!
[1] 現(xiàn)有儲能的經(jīng)濟性僅體現(xiàn)在提供小時級或日級的服務層面。
[2] 在不考慮用戶側參與調(diào)節(jié)的情況下。
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