周孝信：新型电力系统的主要特征和关键技术

编者按：在“双碳”背景下分布式能源领域贯彻新发展理念，以“双碳背景下能源安全新思维——新型分布式综合能源保障”为主题的“第十八届中国分布式能源国际论坛”于2022年12月8日在北京采用线上的形式召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信做了主题为《新型电力系统的主要特征和关键技术》的报告。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

周孝信：大家好，我是中国电力科学研究院周孝信，我今天给大家汇报的题目是《新型电力系统的主要特征和关键技术》，这个题目有一点大，是一个提纲挈领的题目。我给大家做一个汇报，不确切的地方请大家批评指正。

主要内容四个方面。一是新型电力系统的主要特征。二是新型电力系统的关键技术，这些都是非常概略的说一下。三是介绍一下我们两年前提出的设想，现在已经做了初步的研究，综合能源生产单元，这个单元里面包含了很多的技术，因为今天时间所限，不能把技术都给大家介绍。四是做一个总结。

首先第一部分，新型电力系统的主要特征。原来提出的一个提法叫新一代电力系统，现在国内都叫新型电力系统，新型电力系统国外可能不太理解，新一代指的是有传承，在过去的基础上，同时也是一个划时代的过程，主要的特征表现在这几个方面，这几个是传统电力系统没有的，但是也在过去的基础上发展的，主要的特征五个方面，一个是高比例可再生能源，高比例电力电子装备，多能互补综合能源，信息物力融合智慧能源，清洁高效低碳零碳，这是大家非常关注的。六是高韧性本质安全可靠，这个我们要提高现在的可靠性，达到本质安全可靠。高韧性也说高弹性，我个人看法韧性比较好，现在国内一些别的行业都是叫韧性，也都有同样的问题。

我们就看一下刚才讲的第一个特征，高比例可再生能源这样一个电力系统。我给大家一个例子，双碳目标下我们国家电力系统发展的情况我们最近做了一个初步的研究，这个研究就是把从2020年开始一直到2060年里面的发电装机，发电的容量在各种宏观目标满足的情况下，比如说碳中和的要求，碳达峰的要求，这些都考虑了，考虑我们国家的需求等等，能源需求，电力需求做了一个研究，左边的图我们可以看什么叫高比例，高到什么程度?我们大家关注绿色三角，是什么意思?2035年风光装机超过总容量的50%，2035年实现风光占50%，装机容量50%，右边的图是发电量，发电量50%，风光发电量超过总发电量的50%，是2045年-2050年之间，我们现在才11%，12%这样的程度，要翻两三番。

这是碳排放的情况，低碳零碳这样的电力系统。要适合我们国家未来能源电力的发展，把碳的排放，包括煤电和天然气发电各种机组发电的情况，最后做了一个核算，结果是左边这条曲线，蓝颜色是能源的曲线，红线是电力系统，电力系统指什么?就是煤电和天然气发电，这两个加起来它的排放。黑色的曲线是煤电自己的发电，主要还是煤电排放比较多，刚才讲2020年-2040年期间我们分三个阶段，这三个阶段左边到2030年的阶段是碳达峰，我们做这个研究认为碳达峰是电力系统也好，能源系统也好都可以在2030年前达到峰值，中间阶段，2030-2050年阶段，这段时间是20年，这20年是加速减碳阶段，如果这阶段不加速，在稳定的基础上往下减，我们2050年，2060年碳中和是不可能实现的，所以我们叫加速减碳。

最后是碳中和阶段，2050年-2060年。绝对值意义不是很大，现在是预算的，实际上是90多亿吨的二氧化碳。我们电力系统其中占40%-45%，这是定性的一些概念。

下面讲关键技术。关键技术有10类，我把关键技术叫作具有全局性影响，不是很小方面的技术，对全局有影响的是整个方面有一个很大的发展，分成10个方面，一个是可再生能源发电，综合利用，燃煤发电，提高灵活性和CCUS，新型电力电子元器件，包括电源和电网，新能源接入系统，新型储能技术，绿色氢能生产，储运，氢能的一些问题，转化和应用。六是新型核能发电技术，不管我们国家，全世界都很重视核能的发展，所谓新型特别强调里面的小型化，模块化，安全性又高，同时又适合各种各样的位置，而且安全性高，经济性也好。

第七项是电力系统。这些电源注入之后，使我们电力系统发生了根本的变化，这个根本变化需要新的理论体系和运行控制技术，都要相应的建立好，八是综合能源电力系统，我们现在搞电不仅仅是电，将来要考虑热，电，冷，气各种各样用户的需求，我们以电力为主要满足他们的需求，是一个综合能源电力系统，这是一个方向。九是数字化，智能化，能源互联网，十是综合能源电力市场，不仅是电力市场，能源和电力市场某种情况下要很好的融合，或者加强他们之间的互联，这样才能真正起到市场的作用。

下面开始第三部分，综合能源生产单元设想的初步研究。为什么提这个问题?左边这个图给大家一个概念，我给的是2020年的数，装机容量和发电量，发电量的图装不下，所以我没有列出来，只是列出来了装机容量的情况，煤电占比占49.1%，煤电装机10亿8千万，量是很大的，下面图黑颜色的就是煤电，发电量的占比更高，占60.7%，是相当高的，60%是煤电发的，风光装机占比24%，风光的电力占比10%几，这是任重道远的，我们要碳中和，碳达峰确实任重道远。

基于这样现实背景，我们就觉得我们煤电的转型发展确实是非常重要的问题，装机容量占50%，发电量占60%，这样的情况下如何解决煤电的出路?是不是一关了之?我觉得并不适合中国的国情，要充分的把资源利用起来，把10亿千瓦，2025年之前，我们还要增加1-2亿千瓦，所以资源是非常宝贵的，怎么利用起来非常的重要，既能满足碳达峰，碳中和的要求，同时有很好的经济效益。我们提出了一个概念，叫综合能源生产单元概念的示意图，其中六个主要部分，一个部分是燃煤电厂，发电本身，另一个部分是发电本身它的烟气进行捕集和分离，把二氧化碳分离出来，这个根据我们的需要是全部捕集和分离。还有可以电解水制氢的装置，做就是电网，如果电比较便宜的时候也可以，三处来电制氢。

一方面氢本身就是产品，可以输出到它需要的地方去，另外单元内部我们希望能够把它用来制成以氢和碳为基础的绿色的能源，一个是做甲醇，再一个做甲烷，甲烷是什么?甲烷就是天然气主要的组成部分，这两种产品都可广泛应用做燃料，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，可以拿来开汽车。特别重要它也可以是重要的化工燃料，现在化工燃料以煤和石油做出来的，将来我们希望可再生能源。这个装置是典型的多能互补的综合能源系统，电力能源虚拟电厂，把这个概念扩大一点，不仅仅是需求侧，用户侧用虚拟电厂，我们源端也是虚拟电厂，是电力能源虚拟电厂，它是综合能源电力系统，现在我们对电力系统的理解基本上用电，用能组合能源，我们从源要扩展它的综合能源。

我们看看有什么好处。一个很重要的是综合能源生产单元的灵活调节能力，我给大家示意图做一个简单的例题，就是IEPU加很简单的电网，把日调度曲线优化出来，上面的这条曲线24小时曲线，最大的出力达到447兆瓦，机组容量30兆瓦，按传统灵活性改造之后可以做到30%-100%，还有电解水的装置，电解水制氢，作为一个负荷，是一个负的发电，整个调节能力从正到负，调节范围大很多，电解槽也是可调的，但是有一些限制，总的来讲是可调节的，一个正，一个负，光伏发电全来拿来制氢，做出的调节范围可以很大，与电网并网的优化运行结果表明IEPU比传统火电厂具有范围更大的灵活调节能力。

下面我们再看第二个概念图，IEPU二型，大部分是和一型是一样的，只不过制甲烷的装置用燃机轮机代替，实际上多了一个电源，这个电源将来可以制造出来的甲烷储存起来，每天调峰的时候拿它发电，制造出来的绿色甲烷来发电，这个就是二型。

下面给大家一个例子，我们算了2020年-2060年能源电力，特别是电力的装机容量和发电量，我们拿2050年的数据，电源的结构和用电的结构，但是系统不是全国的数做，而是拿从目前看比普通的省的规模还要小一点的系统，我们看2050年的系统电源结构和发电结构是什么样的，装机容量是1.3亿千瓦，非化石能源占比，装机占比83.8%，风光占比71%，这两个加起来装机占比83%，其他煤电，气电，核电，生物质发电占比较少的份额，气电和煤电不少的装机，煤电6%，气电10%，主要是做调节容量的。从发电量看，这个时候风光的发电量占比57.1%，这是太阳能发电，这是风力发电一共占50%几，快接近60%，煤电5.8%，气电6.8%，核电11%，水电12.9%这样的形成，所以是典型未来高比例可再生能源的电力系统。

这个电力系统需要大量的调节能力，否则风光占比那么大，随机性，波动性，间歇性怎么克服，没有非常强大的调节能力这个系统是没有办法运行的，这是调节能力的情况，这不是真实的系统，是设想的未来系统，未来装机比例是根据我们研究做出来的。

另外一个例子，它对夏季和冬季两个季节的典型日，一天24小时怎么用灵活性调节这些电源和负荷，特别是像左边这个图夏季的典型日，负荷曲线是虚线，如果没有这个调节能力大量的光伏发电就弃电了，到了晚高峰的时候要缺电了，尽管现在还有水电的调节，绿颜色的是水电调节，但是是远远不够的，必须我们用刚才讲的一个IEPU，还有其他的灵活调节能力，比如说这块，虚线和红色实线之间从上午一直到中午过后，光伏发电大的时候，这块的电力是拿来用做制氢的，电解槽制氢的，所以真正的系统曲线就是这个实颜色的红线，我们想办法一个用抽水蓄能，新型储能。但是弃光还是有相当一部分的。

到了晚高峰不能满足需求的时候，一个是IEPU起作用，一个是其他的储能，抽水蓄能，化学储能填补晚高峰的空缺，这个时候弃电主要不在IEPU内部，也可以在IEPU内部，这块是IEPU的能力，红颜色的是IEPU里面的弃电起的作用。

刚才讲的是正常情况下的作用，现在我们介绍一下我们设想的非常极端的，或者底端的气候变化，气候的改变情况。比如说一周的情况，从第一小时到169小时，这期间有3-4天风也小，光也很弱，这样的情况下怎么满足负荷需求?根据这个情况看，60%，70%的风光没有了，这个时候需要靠灵活的调节能力，而且不是一般的抽水蓄能，也不是一般的电化学储能，调节的时间也就是基本一天之内，抽水蓄能做的好的时间强一些，但是能量是很有限的，怎么办?我们有一个说法，极端天气下风光发电大幅度减弱的期间，IEPU燃气机组采用生产储备的氢+二氧化碳做出来的甲烷来发电，1.37亿千瓦，图的右边XX面积，这块就是IEPU里面燃气轮机用我们生产出来的氢+二氧化碳，它的储备还包括前期一些储备的氢和二氧化碳来发电。

这样有效缓解了电力的供应，发挥长周期储能，所以氢作为长周期储能发挥了很大的作用，对极端天气的影响是关键的作用，将来我们怎么考虑抽水蓄能，电化学储能和氢能以及其他储能之间不同的特性，不同的储能量的大小和调出来的容易还是不容易统一考虑储能的作用，特别是中长期储能，这是大家非常关注的，特别是应对极端天气，这种极端天气不是多年来一次，不是这样的，严重的时候每年有几次这样的情况，平常也会有发生不是这么极端，风好，光不好，光好，风不好的情况，这样的情况量不大，但是也需要中长期的储能。

我今天介绍就这些我个人的理解。新型电力系统六项主要特征，我觉得这些特征应该概括当今电力系统转型发展的趋势和前景，讲到电源和电网的结构革命性的变化，还有综合能源发展的趋势，数字化，智能的作用，还有低碳，零碳，高韧性的本质安全这些目标，概括了当前我们电力系统转型发展的趋势，将来需要什么东西，将来怎么做。

讲10类关键技术。它是总结构建新型电力系统具有全局影响的技术方向，这些技术方向比如说讲低碳零碳的电源技术，入网技术，将来一定要好好的研究。还有新型电力系统电网装备，装备本身包括电源装备，包括电网的装备，它不是我们现在普通的装备，而且数字技术要融合的情况，还有新型储能和氢能，特别是氢能技术在应对非常恶劣的天气情况下和其他预料不到的情况下怎么样保证能源和电力最起码的供应，这些方向是非常重要的。

最后关于IEPU的讨论，刚才举的两个例子，一个是类型一，第二个是类型二两种。融合既有煤电，二氧化碳捕集利用技术，可再生能源发电电制氢，制甲烷的技术，这是既有的一些技术，当前需要不断的完善和发展。构建综合能源生产单元，使这个单元成为能源电力系统中一种具有多种能源产品和灵活性调节功能的新成员，希望作为煤电低碳，无碳路径方案的考虑，怎么把煤电非常好的处理，利用起来，这是一个。

IEPU可以有不同的方案，我们介绍火电厂为主的方案，实际上不一定，IEPU所需的二氧化碳，我们刚才讲的例子从火电厂二氧化碳捕集，也可以从空气中捕集，现在很多国内，特别是国际上做了不少的研究，IEPU可以由水电厂，电解水制氢装置，水电厂没有火电机组，二氧化碳捕集，可以从空气中捕集氮气，电解水氢和氮耦合之后支制成了氨，可以作为燃料或者化工燃料。另外IEPU本身是可以实体，在一个很小的范围内实现，也可以是虚拟的，比如说太阳能发电可以是远方的太阳能发电送过来，就像虚拟电厂一样的。

不同类型的IEPU方案与数字化，智能化技术结合，形成能源供应侧各种智慧型基本的单元。与终端消费侧智慧型基本单元IECU，它对应的P，这个CU里面还要分布式电源，过去叫虚拟电厂，里面不光是发电厂，包括负荷，在终端消费侧是IECU。这个IEPU和IECU成为未来新型电力系统的基本组成结构，将来这个结构更有效，更有力，成为未来新型电力系统基本的组成结构，成为电网调度，直接面对IEPU或者IECU，每天要上报整个里面的电网组成，发电的情况，一天24小时给出来等等。还有需求怎么样，包括售端，大大减少电网调度所要考虑的每一家，每一户，每一个分布式电源直接调度是不现实的，将来组成了新的电源大大减轻了调度的工作，而且可以做得更好。同时是电力市场的基本单元，对市场交易，除了IECU本身和电力市场之外，之间可以实现内部的交易，IECU，IEPU内部的交易，我认为对未来电网的结构产生，包括调度的结构，市场的结构，整个系统的结构产生一些重要的影响，现在这个还是初步的想法，希望大家共同研究，也许有这个办法。

今天给大家汇报的主要内容就是这些，向大家表示感谢，感谢综合电科院的技术战略研究中心，对北京研究做了不少贡献，谢谢大家。