編者按：在“雙碳”背景下分布式能源領(lǐng)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(xué)院院士、中國電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長周孝信做了主題為《新型電力系統(tǒng)的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)》的報(bào)告。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

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

主要內(nèi)容四個(gè)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(guān)鍵技術(shù)，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(shè)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(gè)單元里面包含了很多的技術(shù)，因?yàn)榻裉鞎r(shí)間所限，不能把技術(shù)都給大家介紹。四是做一個(gè)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(gè)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(chǔ)上，同時(shí)也是一個(gè)劃時(shí)代的過程，主要的特征表現(xiàn)在這幾個(gè)方面，這幾個(gè)是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)沒有的，但是也在過去的基礎(chǔ)上發(fā)展的，主要的特征五個(gè)方面，一個(gè)是高比例可再生能源，高比例電力電子裝備，多能互補(bǔ)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(guān)注的。六是高韌性本質(zhì)安全可靠，這個(gè)我們要提高現(xiàn)在的可靠性，達(dá)到本質(zhì)安全可靠。高韌性也說高彈性，我個(gè)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(gè)特征，高比例可再生能源這樣一個(gè)電力系統(tǒng)。我給大家一個(gè)例子，雙碳目標(biāo)下我們國家電力系統(tǒng)發(fā)展的情況我們最近做了一個(gè)初步的研究，這個(gè)研究就是把從2020年開始一直到2060年里面的發(fā)電裝機(jī)，發(fā)電的容量在各種宏觀目標(biāo)滿足的情況下，比如說碳中和的要求，碳達(dá)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(gè)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(guān)注綠色三角，是什么意思?2035年風(fēng)光裝機(jī)超過總?cè)萘康?0%，2035年實(shí)現(xiàn)風(fēng)光占50%，裝機(jī)容量50%，右邊的圖是發(fā)電量，發(fā)電量50%，風(fēng)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(jī)組發(fā)電的情況，最后做了一個(gè)核算，結(jié)果是左邊這條曲線，藍(lán)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(gè)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(gè)階段，這三個(gè)階段左邊到2030年的階段是碳達(dá)峰，我們做這個(gè)研究認(rèn)為碳達(dá)峰是電力系統(tǒng)也好，能源系統(tǒng)也好都可以在2030年前達(dá)到峰值，中間階段，2030-2050年階段，這段時(shí)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(chǔ)上往下減，我們2050年，2060年碳中和是不可能實(shí)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(yù)算的，實(shí)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(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)有10類，我把關(guān)鍵技術(shù)叫作具有全局性影響，不是很小方面的技術(shù)，對全局有影響的是整個(gè)方面有一個(gè)很大的發(fā)展，分成10個(gè)方面，一個(gè)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(shù)，綠色氫能生產(chǎn)，儲運(yùn)，氫能的一些問題，轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。六是新型核能發(fā)電技術(shù)，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(qiáng)調(diào)里面的小型化，模塊化，安全性又高，同時(shí)又適合各種各樣的位置，而且安全性高，經(jīng)濟(jì)性也好。

第七項(xiàng)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(gè)根本變化需要新的理論體系和運(yùn)行控制技術(shù)，都要相應(yīng)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(gè)綜合能源電力系統(tǒng)，這是一個(gè)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(qiáng)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(shè)想的初步研究。為什么提這個(gè)問題?左邊這個(gè)圖給大家一個(gè)概念，我給的是2020年的數(shù)，裝機(jī)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(jī)容量的情況，煤電占比占49.1%，煤電裝機(jī)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(dāng)高的，60%是煤電發(fā)的，風(fēng)光裝機(jī)占比24%，風(fēng)光的電力占比10%幾，這是任重道遠(yuǎn)的，我們要碳中和，碳達(dá)峰確實(shí)任重道遠(yuǎn)。

基于這樣現(xiàn)實(shí)背景，我們就覺得我們煤電的轉(zhuǎn)型發(fā)展確實(shí)是非常重要的問題，裝機(jī)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(guān)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(dá)峰，碳中和的要求，同時(shí)有很好的經(jīng)濟(jì)效益。我們提出了一個(gè)概念，叫綜合能源生產(chǎn)單元概念的示意圖，其中六個(gè)主要部分，一個(gè)部分是燃煤電廠，發(fā)電本身，另一個(gè)部分是發(fā)電本身它的煙氣進(jìn)行捕集和分離，把二氧化碳分離出來，這個(gè)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(shí)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(chǔ)的綠色的能源，一個(gè)是做甲醇，再一個(gè)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(yīng)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(gè)裝置是典型的多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)，電力能源虛擬電廠，把這個(gè)概念擴(kuò)大一點(diǎn)，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(kuò)展它的綜合能源。

我們看看有什么好處。一個(gè)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(gè)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(shí)曲線，最大的出力達(dá)到447兆瓦，機(jī)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(gè)負(fù)荷，是一個(gè)負(fù)的發(fā)電，整個(gè)調(diào)節(jié)能力從正到負(fù)，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(gè)正，一個(gè)負(fù)，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(yùn)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(gè)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(jī)輪機(jī)代替，實(shí)際上多了一個(gè)電源，這個(gè)電源將來可以制造出來的甲烷儲存起來，每天調(diào)峰的時(shí)候拿它發(fā)電，制造出來的綠色甲烷來發(fā)電，這個(gè)就是二型。

下面給大家一個(gè)例子，我們算了2020年-2060年能源電力，特別是電力的裝機(jī)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(diǎn)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(jī)容量是1.3億千瓦，非化石能源占比，裝機(jī)占比83.8%，風(fēng)光占比71%，這兩個(gè)加起來裝機(jī)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(jī)，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(gè)時(shí)候風(fēng)光的發(fā)電量占比57.1%，這是太陽能發(fā)電，這是風(fēng)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(gè)電力系統(tǒng)需要大量的調(diào)節(jié)能力，否則風(fēng)光占比那么大，隨機(jī)性，波動性，間歇性怎么克服，沒有非常強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力這個(gè)系統(tǒng)是沒有辦法運(yùn)行的，這是調(diào)節(jié)能力的情況，這不是真實(shí)的系統(tǒng)，是設(shè)想的未來系統(tǒng)，未來裝機(jī)比例是根據(jù)我們研究做出來的。

另外一個(gè)例子，它對夏季和冬季兩個(gè)季節(jié)的典型日，一天24小時(shí)怎么用靈活性調(diào)節(jié)這些電源和負(fù)荷，特別是像左邊這個(gè)圖夏季的典型日，負(fù)荷曲線是虛線，如果沒有這個(gè)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須我們用剛才講的一個(gè)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(shí)線之間從上午一直到中午過后，光伏發(fā)電大的時(shí)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(gè)實(shí)顏色的紅線，我們想辦法一個(gè)用抽水蓄能，新型儲能。但是棄光還是有相當(dāng)一部分的。

到了晚高峰不能滿足需求的時(shí)候，一個(gè)是IEPU起作用，一個(gè)是其他的儲能，抽水蓄能，化學(xué)儲能填補(bǔ)晚高峰的空缺，這個(gè)時(shí)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(shè)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(shí)到169小時(shí)，這期間有3-4天風(fēng)也小，光也很弱，這樣的情況下怎么滿足負(fù)荷需求?根據(jù)這個(gè)情況看，60%，70%的風(fēng)光沒有了，這個(gè)時(shí)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(xué)儲能，調(diào)節(jié)的時(shí)間也就是基本一天之內(nèi)，抽水蓄能做的好的時(shí)間強(qiáng)一些，但是能量是很有限的，怎么辦?我們有一個(gè)說法，極端天氣下風(fēng)光發(fā)電大幅度減弱的期間，IEPU燃?xì)鈾C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(yīng)，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(guān)鍵的作用，將來我們怎么考慮抽水蓄能，電化學(xué)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(guān)注的，特別是應(yīng)對極端天氣，這種極端天氣不是多年來一次，不是這樣的，嚴(yán)重的時(shí)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(fēng)好，光不好，光好，風(fēng)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(gè)人的理解。新型電力系統(tǒng)六項(xiàng)主要特征，我覺得這些特征應(yīng)該概括當(dāng)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(biāo)，概括了當(dāng)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(guān)鍵技術(shù)。它是總結(jié)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有全局影響的技術(shù)方向，這些技術(shù)方向比如說講低碳零碳的電源技術(shù)，入網(wǎng)技術(shù)，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(shù)要融合的情況，還有新型儲能和氫能，特別是氫能技術(shù)在應(yīng)對非常惡劣的天氣情況下和其他預(yù)料不到的情況下怎么樣保證能源和電力最起碼的供應(yīng)，這些方向是非常重要的。

最后關(guān)于IEPU的討論，剛才舉的兩個(gè)例子，一個(gè)是類型一，第二個(gè)是類型二兩種。融合既有煤電，二氧化碳捕集利用技術(shù)，可再生能源發(fā)電電制氫，制甲烷的技術(shù)，這是既有的一些技術(shù)，當(dāng)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(gè)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(gè)。

IEPU可以有不同的方案，我們介紹火電廠為主的方案，實(shí)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(jī)組，二氧化碳捕集，可以從空氣中捕集氮?dú)?，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(shí)體，在一個(gè)很小的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也可以是虛擬的，比如說太陽能發(fā)電可以是遠(yuǎn)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(shù)結(jié)合，形成能源供應(yīng)側(cè)各種智慧型基本的單元。與終端消費(fèi)側(cè)智慧型基本單元IECU，它對應(yīng)的P，這個(gè)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(fù)荷，在終端消費(fèi)側(cè)是IECU。這個(gè)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(gè)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(bào)整個(gè)里面的電網(wǎng)組成，發(fā)電的情況，一天24小時(shí)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(gè)分布式電源直接調(diào)度是不現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部的交易，IECU，IEPU內(nèi)部的交易，我認(rèn)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(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些重要的影響，現(xiàn)在這個(gè)還是初步的想法，希望大家共同研究，也許有這個(gè)辦法。

今天給大家匯報(bào)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(shù)戰(zhàn)略研究中心，對北京研究做了不少貢獻(xiàn)，謝謝大家。