“電力系統安全關系千家萬戶、事關國計民生，是國家安全的重要組成部分。實現‘雙碳’目標，需要構建新型電力系統。新型電力系統具有新的技術特征，面臨新的發展機遇和挑戰。” 中國工程院院士舒印彪近期在北京大學能源研究院主辦的以“新形勢下能源轉型思考——能源安全”為主題的北京論壇·能源分論壇暨第三屆北大能源論壇上指出。
電力與人們的衣食住行和生產生活息息相關、密不可分。作為經濟社會發展的重要物質基礎，電力已經成為人們須臾不可離開的資源要素。電力系統是現代社會重要的基礎設施，電力系統的根本任務是保證“安全、經濟、優質、清潔、高效”的電力供應。
舒印彪指出，實現“雙碳”目標，需要大規模開發新能源，構建新能源占比提高的新型電力系統。新型電力系統的“雙高”特征 (高比例新能源、高比例電力電子裝備) 帶來新的安全挑戰。
電力系統安全關系能源安全、經濟安全和國家安全
電力系統使人類極大擺脫了時間和空間上對能源生產、利用的限制。為了使用電力更廣泛、更便利，電力系統規模越來越大、結構更加復雜，世界上建成了一些大型的電力系統，比如北美聯合電力系統、歐洲電力系統、印度電力系統等，我國電力系統是全球最大、技術最復雜的電力系統。
舒印彪指出，電力系統具有三個顯著的技術特征。一是光速傳播。電磁功率以光速傳播，局部發生的故障會瞬間擴散，波及整個系統。二是實時平衡。電力還不能大規模經濟存儲，電力的發、輸、用必須同時完成。三是控制復雜。電力系統中設備種類繁多，涉及海量的狀態變量和控制參數，是典型的復雜巨系統，控制難度非常大。
由于電力系統穩定運行狀態被破壞，全球發生過多起大面積停電事故帶來巨大損失，美加“8·14”、歐洲“11·4”、印度“7·30”“7·31”大面積停電事故等。“經過多年實踐，我國構筑起‘三道防線’安全穩定控制系統，經受住了長期考驗。我國電力系統連續30多年沒有發生大面積停電事故，保持著特大型電力系統安全穩定運行的世界紀錄。”舒印彪說。
舒印彪表示，除傳統電力系統穩定破壞事故外，還有一類是非傳統安全事故，呈現頻發多發態勢，同樣需要高度重視。“包括極端天氣、自然災害、電磁暴、網絡攻擊等影響電力系統安全。2008年1月到2月初，我國南方遭遇有歷史紀錄以來最嚴重的長時間大范圍雨雪、冰凍災害，導致大量輸電線路倒塔斷線，事故波及湖南、湖北、貴州、江西等多個省份。”
構建新型電力系統面臨新的安全挑戰
舒印彪指出，電力系統安全運行主要看兩個指標，一是電壓穩定，二是頻率穩定，而新型電力系統面臨一系列新的安全挑戰。
新型電力系統正經歷三方面變化：新能源占比逐步提升、從電力系統變為電力電子系統、形態功能多樣化。舒印彪認為：“基于此，運行特性方面，由連續可控電源變為弱可控和強不確定性電源。傳統電力系統電源以常規火電、水電為主，發電出力連續可控。新型電力系統中新能源發電受氣候變化和天氣條件影響大，具有隨機性、波動性、間歇性的特點，發電出力弱可控和高度不確定。”
“穩定特性方面，保持頻率、電壓等同步穩定的技術基礎發生顯著改變。頻率穩定方面，常規同步發電機具有較大的轉動慣量，是維持頻率穩定的技術基礎。風電是弱轉動慣量系統，光伏沒有轉動慣量，導致電力系統轉動慣量大幅減少，保持頻率穩定的能力大幅下降，目前絕大部分‘風光’新能源還不能對電網提供有力支撐。”舒印彪說。
同時，高比例新能源、高比例電力電子裝備帶來兩大技術難題。
首先，電力電量實時平衡問題，日內、中短期和長期平衡難度都將加大。新能源日內出力波動大。風光等新能源發電功率達到裝機容量的概率幾乎為零，達到50%以上裝機容量的概率不足10%。預計2060年，新能源日最大發電功率波動將超過16億干瓦，占全國最大負荷的40%，與當時水火核電裝機容量基本相當。從周月平衡看，由于連續陰天、無風、寒潮等天氣，新能源周出力具有很強的不確定性。2020年，西北風電出力低于10%裝機最長持續4.9天，華東光伏出力低于20%裝機最長持續8天。新能源發電存在季節性差異。風電夏季比冬季利用小時少100～200小時，風電出力與負荷需求在時間上不完全匹配。
再者，上述變化帶來一系列安全性問題。舒印彪表示：“由于新能源占比提升，電力系統表現出新的穩定特性、產生新的安全問題不容忽視。2016年9月，強臺風襲擊澳洲南部地區，該地區電力電子類電源出力占比達55%，輸電線路相繼故障，大量風機脫網。由于系統轉動慣量不足，導致頻率崩潰。2015年9月。四川錦屏-江蘇直流發生雙極閉鎖故障，當時華東電網用電負荷1.4億干瓦，錦屏直流送電490萬千瓦、僅占華東負荷的3.5%。故障后，華東電網頻率降至49.58Hz，跌落幅度也遠超預計值，通過自動裝置動作和緊急調度后，系統恢復正常頻率。”
保障新型電力系統安全需要理論和技術創新
傳統電力系統的分析理論和控制方法已不完全適用新型電力系統，理論和技術創新迫在眉睫。
舒印彪指出，首先需要深化基礎理論研究，加強多時間尺度隨機規劃研究、建立新型電力系統穩定性認知體系。再者，提高平衡調節能力，提升電源支撐能力，挖掘用戶側響應資源，突破多時間尺度儲能技術，積極發展氫能，數字賦能新型電力系統。
新情景需要新手段，舒印彪建議增強分析控制能力。加強仿真分析與優化控制，構筑新型電力系統主動防御體系。“通過預測、預判、預警和預控，實現電力系統安全風險的主動防御。發揮電力電子裝備快速調節的特點，實現大范圍多資源協同快速控制，增強故障的事中防御、事后恢復能力，提高新型電力系統的韌性。”
舒印彪建議發揮我國獨特的電力系統體制優勢。堅持全國一盤棋，做好區域間、能源資源與經濟發展的統籌平衡，加強“西電東送”等重大能源基礎設施建設。加快構建全國統一電力市場，健全輔助服務、容量市場等機制，建立更加靈活、適應新能源隨機性波動性特點的電力交易機制。完善煤電容量成本回收機制，確保煤電作為支撐新能源大規模發展的基礎電源，系統調節價值得到合理回報。加強電力市場與碳市場的耦合聯動。
此外，要高度重視非傳統安全防御。“增強非傳統安全風險預警能力，將電力安全事件納入突發公共事件應急保障，就極端天氣、自然災害、網絡安全、公共安全等引起電力安全事件制定預案，明確安全保障措施.加強城市應急保障電源、重要電力保障通道等電力系統應急能力建設。”舒印彪說。（趙紫原）
作者：趙紫原
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