“預計'十四五'時期，我國陸上風電和光伏發電將全面平價或低于火電，部分地區可實現低價。同時，隨著大規模新能源接入電網，電力系統需要在隨機波動的負荷需求與隨機波動的電源之間實現供需平衡，其結構形態、運行控制方式和規劃建設將發生根本性變革，形成新一代電力系統及新能源電力系統。” 中國工程院院士劉吉臻近日在中電聯舉辦的“2020年中國電力技術經濟高端論壇”上表示。
中電聯日前發布的《2020年前三季度全國電力供需形勢分析預測報告》（以下簡稱《報告》）顯示，前三季度全國電源工程建設完成投資3082億元，同比增長51.6%，其中“風光”發電投資分別增長138.4%、113.9%。全國全口徑非化石能源發電裝機容量合計8.9億千瓦，占全口徑發電裝機容量的42.6%。
新能源高比例并網，將給電力系統帶來哪些挑戰？“十四五”時期，如何應對和解決這些挑戰？成為專家熱議的焦點。
電力結構將更“綠色”
清華大學氣候變化與可持續發展研究院近日聯合印發的《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》提出，低碳路徑下，我國能源消費總量在2030-2035年之間進入峰值，“十四五”期間非化石能源必須成為能源消費增量主體。
中國工程院院士郭劍波指出，為了構建清潔低碳、安全高效的能源體系，我國能源轉型主要朝兩個方向進行：終端消費側，電能深度替代化石能源；能源生產側，以電能形式開發利用新能源。
上述《報告》指出，截至今年9月，我國并網風電2.2億千瓦，并網太陽能發電2.2億千瓦，合計占全國全口徑發電裝機容量的21.05%；全口徑并網風電和并網太陽能發電量合計5331億千瓦時，占全國規模以上電廠總發電量的9.8%。
“根據預測，2030年全國新能源總發電量占比將達20%，2050年高達48%。未來高比例新能源電量的電力系統將從局部地區逐步向全國擴展。” 郭劍波指出。
中電聯行業發展與環境資源部副主任張琳表示，“十四五”時期，“風光”將成為可再生能源開發的主題增量。“根據預測，2025年風電、太陽能發電裝機均突破4億千瓦，非化石能源裝機占比將超過50%，電力碳排放強度將降低5%。”
水電水利規劃設計院總院副長易躍春指出，按照努力爭取2060年前實現碳中和的目標，經測算，可再生能源大約將占我國一次能源消費總量的75%左右。
經濟和安全問題待解
根據中國人民大學應用經濟學院教授鄭新業提出的“能源不可能三角”理論，任何一種能源都無法做到既供給充足，又價格便宜、清潔環保。高比例的清潔電源并網后，“經濟賬”和“安全賬”如何算？
對此，易躍春表示，近中期提升新能源消納能力的主要障礙不是技術問題，而是經濟和機制問題。“電力系統硬件結構決定了新能源消納潛力，但政策和經濟激勵決定了消納潛力能否充分發揮。近中期看，'挖潛'是促進新能源消納最經濟、有效的措施。”
目前，國家電網經營區域內大型新能源場站4000多個，西北新能源場站超1500個，分布式發電約170萬個。郭劍波預測，未來我國新能源發電單位將達數千萬，氣象環境、運行控制等信號可達數十億，系統調度運行極其復雜，控制配置措施和實施難度大。“以某省級電網為例，在火電最小技術出力50%條件下，新能源消納問題十分突出。當新能源發電量占比達30%時，新能源限電率將達23%，且此時已出現全部由新能源供電的時段。
“2019年，國家電網公司經營區內，新能源日最大功率波動達1.07億千瓦，占其裝機的31%，預估2050年新能源日最大功率將超過10億千瓦。”郭劍波說，“波動功率與屆時常規電源火電、水電總裝機容量相當，僅靠常規電源調節難以應對新能源日內功力波動，新能源消納挑戰巨大。”
“同時，新能源尖峰出力功率大、電量小，保證尖峰出力需調動巨大的靈活性資源，但對全年發電量貢獻極小。未來，高比例新能源電力系統中保證尖峰出力的全額消納代價大。”郭劍波指出，2018年，新疆電網風電出力陡增至890.5萬千瓦，占風電裝機容量的46%，持續時間僅為5分鐘，累計電量74萬千瓦，但對應的電量僅占全天風電發電量的3.3%。
安全方面，郭劍波直言，新能源大規模接入擠占常規機組開機空間，或出現系統運轉調頻能力下降、無功支撐不足、電壓穩定問題突出、越限風險增加等問題。
靈活電力系統是大勢
對于高比例新能源電力系統情景下電力系統的變化，郭劍波認為可能會有兩種演化方式：通過改造新能源電站，使其具有同步發電機的特性；改造傳統發電站使其具有逆變器特性，在此方式下，系統的穩定性、分析理論和方法都將不同于傳統電網。
而針對新能源既不參與電力平衡調節，也不參與電量平衡調節的“權責利”問題，郭劍波表示：“新能源發電因不確定性、邊際成本低等特點，電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出，將催生新的商業模式，市場和政策及只需考慮新能源與常規電源以及用戶的配合，協調市場內多利益主體。”
易躍春指出，未來，數字化和信息化技術將被廣泛應用，推動系統安全性和靈活性大幅提升。電力系統靈活性從目前的發電側為主向發電側、電網側、用戶側并重轉變，構建適應高比例可再生能源的智能電力系統。“另外，可再生能源加速發展面臨的空間發展約束開始顯現，'十四五'要關注其開發與國土空間規劃的銜接。”