金丽娜
（兰州资源环境职业技术大学，兰州 730021）
现代社会的发展离不开电力产业，随着智能化生产的需求，工业、农业和制造业等对电能的依赖正逐年增强。至今为止，火力发电依然是我国电力产业的主体，火力发电带来的碳排放问题是现在全人类研究的课题，从图1可以看出，电力生产和存储、生产和制造大约各占碳排放总量的1/3，其中电力生产和存储会影响生产制造业、取暖与制冷等其他行业，由此可以看出，优化电力生产和存储可以减小碳排放问题。
图1 人类活动碳排放占比
通过电力生产和存储实现碳达峰与碳中和不能一蹴而就，其是多个环节共同作用的结果。火力发电是电力生产碳排放的重要来源，故由新能源发电代替传统火力发电是降低碳排放问题的有力手段。目前中国各大电网公司也纷纷响应国家“碳达峰、碳中和”发展规划，正在逐步关闭碳排放问题突出的火电厂，加快以新能源为主体的新型电力系统的建设。
由于智能电网的需求，电力系统在运行安全、稳定的前提下，需提高开关开断速度与电源切换速度，提高电力系统电能输送率，减小电能损耗。这就需要在输、配电网络中，加入大量电力电子设备。在用电侧，加快设备电气化改造，提高各个设备的用电率，降低传统电力系统终端用能的碳排放问题，在电力系统发电侧、供配电侧与用电侧的共同作用下，实现国家减碳需求，实现2060年的最终目标。
2.1 新型电力系统存在的问题
由于大比例新能源系统的接入、大量电力电子元件的使用、大规模多能互补综合能源的加入和清洁高效材料的转型，使电力系统从电源与负荷的动态平衡向电源、电网、负荷与储能的综合动态平衡过度，使确定性电量的电力系统的有功平衡与无功平衡模式发生了改变。这些由新能源构成的发电系统输出的电能具有一定的间歇性和随机性，能源形势也具有可变性，这给电力系统的安全性和稳定性带来了很大的影响。由电力电子器件构成的低转动惯量替代了传统的机械电磁转动惯量，打破了原有的调节方式，给电力系统的可靠运行带来了新的挑战。
电力系统经过多年的运行与优化，已找到了影响系统频率、功角和电压稳定性的安全因素，比如发电机组的类型及新能源发电机组的渗透率、系统运行工况及控制策略、电网环境因素及接入强度。新能源发电系统输出的电能具有一定的间歇性和随机性，大量新能源发电机组的接入会改变原来电力网络的潮流分布与结构，破坏原有的电力系统稳定性，使系统出现低频振荡与电压偏移现象。在“双碳”背景下，电力系统会逐步减少火电厂的数量，加入大量的新能源机组，使系统运行不稳定，电力设备运行点发生偏移，发生机电振荡与低频功率振荡，电力系统电压稳定性遭到破坏，进而发生系统解列事件，这种现象在联络电力系统中会更加突出。可见，传统的功角、电压与频率稳定的分析方法已不再适合新型电力系统，需要科研人员与专业技术人员共同努力，开发出一套适合新型电力系统的分析方法。
2.2 实现路径
为实现“双碳”目标，推动我国新型电力系统建设，需要考虑以下几个途径：一是充分开发并综合利用太阳能、生物质能、风能、核能与地热能等非化石能源，构建以非化石能源为电源结构的新型电力系统，完成新型电力系统的能源转型与应用。二是努力加强与推进煤电转型，减少火电厂二氧化碳的排放量，提升煤电设备切除与投入的速度，为高比例可再生能源的智能化电力系统运行提供紧急备用和灵活调节能力，积极探索煤电碳资源综合协调能力，实现煤电的低碳与无碳转型。三是持续推进电力系统终端用电设备的电气化水平，实现多能互补电力结构的改造，大幅度地提升能源综合利用效率。四是加强电力电子和储能等关键技术创新，通过电力参数的数字化转型推动新一代输配电网和能源互联网建设，促进高比例可再生能源的电力消纳力度，确保电力系统的安全、稳定运行。五是完善电力系统能源转型的各项政策，寻找电力市场化改革的方向，加快完善绿色电力与碳交易市场的建设，助力国家应对气候变化及碳中和目标的实现。
3.1 运营管控智能化、精益化
积极发展电力网络运营管控的智能化、精益化，满足电力行业的可持续发展的规划，是全世界电力行业共同的需求。从2009年起，国网公司就智能电网开展了研究实践工作，在新能源发电并网方面研究出了多项关键技术，实现了电力系统输电过程的精益化管控和电网运行安全决策问题，完成了电力系统配电网的运行智能化改造，强化了电力系统的能耗双控与能效管理，综合运用信息化技术，结合先进理论与新技术，可以大幅度增强电网自愈的能力，加快有功功率与无功功率动态平衡的调节过程，优化电力系统电压、频率与波形的质量，满足用户对新型电力系统的需求，挖掘需求侧响应潜能，构成具有可靠性、安全性、稳定性、经济性与环保性的智能电网。
未来的新型电力系统是一个依托于互联网的庞大系统，其由互联网、云计算设备、电力系统控制网络、天然气系统控制网络、智能交通网络、交通系统控制网络、输气网络及加压站、储气设备、电转气设备、输配电网络、大型发电机组及分布式电源和储能及可控负荷组成。人工智能技术是电力运营管控智能化、精益化的有效手段，人工智能技术可有效收集电网的数据化信息，并及时分析和有效地管理，使数字化电网向人工智能方向快速发展，这更加符合存在大比例新能源的电力系统的需求。通过专家系统控制技术、神经网络控制技术和模糊控制技术等，可以快速控制智能电网运行，提前感知电网运行参数的变化，实现电力网络的个性化定制，符合各个企业的多元化与互动化的不同需求。
3.2 能源生态数字化、多元化
新型电力系统是一个需要时刻分析大数据的系统，数据分析的快速性、可靠性、实时性、灵敏性和全面性是新型电力系统安全运行的前提，能源生态数字化是实现“双碳”目标的必经之路。随着“云、大、物、移、智、链”等技术在电力领域的广泛应用，电网的稳定运行越来越离不开大量的数字化信息。比如，获取设备及线路运行状态的传感器、反馈电力系统运行参数的各类智能仪表。随着超高压、远距离输电线路大容量与智能化发展，电力系统从发电到用电各个环节的数据也变得复杂化、多样化，能源生态数字化变得非常重要。
截至2021年底，中国的全口径火电的装机容量为13.0亿kW，占总发电装机容量的46.7%，相比上一年单位数据，总体降低了2.3%。核电装机总容量为5326万kW，相比上一年增长了6.8%。并网风电装机容量为3.3亿kW，增幅较大，为16.6%；
其中，陆上风电占主导地位，装机容量为3.0亿kW，海上风电占比较小，容量为2639万kW。太阳能发电涨幅为20.9%，装机容量为3.1亿kW；
其中，集中式光伏发电2.0亿kW，分布式光伏发电1.1亿kW，光热发电57万kW。目前，电力系统智能化芯片并非全部来自国内，部分电力设备缺乏加密手段，这使新型电力系统的运行安全受到威胁。因此，新型电力系统在顶层设计、整合资源和精准体验方面需要不断探索，不断加强数字化的引导与建设，助力新型电力系统生产、输送与服务体系的全面开展。
3.3 资源技术灵活化、创新化
充分挖掘灵活性资源、加大煤电设备的灵活性改造，提高电力人员的创新能力是新型电力系统稳定运行的后备保障。如表1所示，新型电力系统新技术创新城市数量正逐年上升，但上升速度不大，还需加大资金投入提高创新能力。如表2、表3所示，为提高新型电力系统的稳定性能，国内学者已经采用空间自相关、基尼系数和空间计量模型等方法证实了新能源产业技术与创新能力的关系。可见，加大新技术创新、挖掘灵活性资源是新型电力系统发展必须跨过的门槛。
表1 新型电力系统新技术创新城市数量统计
3.3.1 发展经济、教育资源
新技术创新能力往往与当地的经济发展水平有直接的关系，经济水平高的城市资源配置和调动的能力较强，高水平人才数量多。如表2所示，国民经济（In GDP）每提高1%，新型电力系统的创新能力至少升高0.5个百分点。所以其创新能力与当地经济的发展情况是有关的。城市的教育状况也与当地创新水平息息相关，当地教育水平（In EDU）每增加1个百分点，新型能源创新能力也相应提高0.127%和0.110%，发展当地教育业、提高当地人口的文化素质是新型电力系统发展的有力保障。当地经济发展会吸引大量产业发展，用电需求量自然升高，当地教育机构也可提供充足的电力人才，进而新型电力系统的创新能力也相应增高。
表2 我国新能源产业技术创新能力影响因素
3.3.2 加大科技、创新水平
2019-2021年，我国在电力科技创新方面投入了很多，比如我国已构建新型电力系统科技示范基地、强化储能技术创新和高比例新能源送端调度控制技术等，也取得了较好的成就，但是还不能满足新型智能化电力系统的需求。从表3可以看出，科技投入（In INS）对新能源技术创新能力的影响是非常大的，西北是国家重点的风光能源基地，风光资源条件优越，科技投入应适当倾斜，各方统筹科研力量，充分考虑地方性电能消纳、跨省送电、光伏与风电开发等科技创新。
3.3.3 升级产业、提升需求
产业结构的转型和升级也是稳定新型电力系统的重要途径，其包含生产方式的转变与增长方式的转变。如表3所示，工业化水平（In IND）对新型电力系统创新水平的直接效应值均已通过1%的显著性检验，发展工业经济与产业化改造还有很大的上升空间，各个地区应充分考虑本地实际情况，结合本地特色与制约条件，大力开发资源，实现产业升级，加大用电需求（In ELE）。
表3 中国新能源产业技术创新能力影响因素的空间杜宾模型的直接效应和间接效应
3.3.4 吸引资本、拓展人力
人力资本（In CAP）对风能技术创新的直接效应有很大的影响，而间接效应相对影响较小，从由3可知，人力资本对新型电力系统的风力发电的创新能力有推动的作用，所以提升人力资本也是新型电力系统发展的关键因素。
3.3.5 制定制度、规范要求
环境规制（In ER）对太阳能技术创新的直接效应有很大的影响，通过制定严格的规章制度、加大环境保护宣传和环境保护进校园等方式，增强电力人员的环保意识。大量开发、使用新型清洁能源，都有利于新型电力系统的建设。
为了实现国家“双碳”目标，保护人类共同的家园，电力产业需要重新构建以新能源为主体的新型电力系统，为了满足智能化与快速化的要求，新型电力系统还加入了大量的电力电子元件。新能源与电力电子的存在，使传统电力系统的稳定性分析方法不再适用，这就需要电力系统在运营管控方面、能源生态方面和资源技术方面进行转型，开发、推进新理念与新技术。
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