双碳目标下电源结构时空演化机理、优化路径和安全运行研究

双碳目标下电源结构时空演化机理、优化路径和安全运行研究

演化机理—电源时间尺度、空间尺度（MLP属性综合演化机理）

路径优化-新型电力系统路径约束、颠覆性技术、可再生能源为中心的电力系统

安全运行—路径里面考虑极端场景、灵活性

1.立项依据

以新能源为主的新型电力系统安全稳定运行面临较大挑战。从发电侧来看，未来在高比例新能源电力的广泛接入下，由于可再生能源存在的间歇性、不稳定性等缺陷，低概率的极端气候场景下电力系统的安全可靠运行将受到很大威胁。从电网侧来看，未来电网将呈现出交直流远距离输电、区域电网互联、大电网与微电网协同的发展模式。然而我国当前的微电网支撑多能互补、并网离网的智能控制技术还不成熟，控制系统集成度不高，运行效率和可靠性偏低，大电网与微电网的协同运行亟待解决。

2.国内外相关研究现状

1.1可再生能源大规模发展路径研究综述

碳中和已成为当前全球发展的热门话题，截至2020年底，包括中国在内全球已有120多个国家提出了碳中和目标（Kang et al., 2021）。碳中和概念最早由伦敦未来森林（Future Forests）公司在1997年提出，指消费者个人购买“碳信用”来抵消日常生活产生的碳排放。《巴黎协定》将碳中和的概念拓展到宏观层面，定义为“在本世纪下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡，即实现净零排放”（UNFCCC, 2015）。中国作为全球最大的排放国，若能实现碳中和目标，有望使本世纪的全球变暖减少0.24摄氏度，并对其他国家的减排会产生积极“溢出”效应，推动全球气候治理行动（Pollitt, 2020）。中国正在从全球气候治理的参与者转变为全球气候治理的引领者。

全球能源转型实践表明，大规模发展可再生能源对于减缓气候变化是必要的（Sonter et al., 2020）。与化石能源碳捕获技术相比，可再生能源具有更高的投资回报率（Sgouridis et al., 2019），并能实现更高效率的碳减排（Rau et al., 2018）和更好的公共卫生与气候效益（Buonocore et al., 2016）。欧美国家确立气候法规、推进碳市场、部署灵活的天然气发电实现了可再生能源发电比重的快速提升，摆脱了对高碳高污染煤电的依赖（Candelaria，2021）；巴西大力发展水电和生物燃料，其一次能源中可再生能源占比达到47.3%，远超世界平均水平（Duailibe, 2010）；东南亚地区采取区域光伏协同规划与跨区电力交易，可以替代水电成为更有潜力的可再生能源来源（Siala et al., 2021）；西非地区水-光-风协同规划实现电力的稳定供应，避免水资源过度开发的同时其成本较天然气发电可降低10% （Sterl et al., 2020）；中国推动煤电灵活性改造、跨区输送及可再生能源配额制等措施有效降低了弃风弃光率（国家能源局, 2019）。可见，世界各国可再生能源发展路径是基于本地资源特性和转型目标，在政策激励、市场驱动等因素推动下的有序协同。

可再生能源发展既得益于技术进步带来的成本快速下降和多技术协同实现稳定的电力供应，也依赖于政策、市场、金融等多重因素的并行叠加效应。基于各国的转型实践经验，范英和衣博文（2021）将能源转型驱动因素概括为政策、创新、市场和行为。首先，政府设定具有法律约束力的能源气候目标以及相关的政策措施，引导企业开展新能源技术的研发和部署，是可再生能源发展的基础（莫建雷， 2018）。其次，技术创新是全球新能源快速发展的最主要驱动力，例如2010-2020年间陆上风电和光伏发电的度电成本下降了48%和85%（IRENA，2021）。然后，在扶持措施退出后，市场成为推动低碳技术快速进步与应用的强外部作用力（李平, 2018）。最后，社会公众的参与行为也是推动需求侧可再生能源发展的重要力量。

但是，可再生能源大规模发展也带来了其他的挑战。首先，风电和太阳能发电的随机性和间歇性会影响电力系统的安全稳定运行（Chen et al., 2020），尤其是极端天气影响下电力供应可靠性会受到极大影响，例如2020年欧洲电价飙升和我国湖南拉闸限电事件、2021年美国得州停电事件等，同时依赖气候的可再生能源可能容易受到未来气候变化的影响（Gernaat et al., 2021; Santos et al., 2021）。其次，可再生能源技术设备生产及利用可能加剧采矿业对生物多样性的威胁（Sonter et al., 2020），非理性的可再生能源规模扩张会破坏土地、森林等资源（Spillias et al., 2020）。再者，高比例可再生电力系统中电化学储能是保障电力供应的重要一环，但受运行时长限制，仅依靠锂电池（或其他具有类似特性的短时储能技术）来增加可再生发电容量并不是一种成本效益高的脱碳电力系统策略（Nestor et al., 2018）。最后，可再生能源发展不确定性还来自于对资本成本的估计偏离未来的轨迹而导致的不可预见的成本超支（Bogdanov et al., 2019）。对此，充分考虑转型过程的不确定性可有效对冲长期风险、提升未来大规模发展可再生能源路径的稳健性和适应性。

综上，发展可再生能源是应对气候变化的必需措施，但其大规模发展需依据本国实际在政策-创新-市场-行为机制框架下设定发展路径与策略；同时，可再生能源大规模发展面临着诸多潜在的风险因素，可能会对能源安全、生态环境、技术革新等方面产生不确定性影响。碳中和作为我国长期发展的纲领性目标，是要实现全社会系统性的清洁低碳转型，可再生能源大规模发展作为其中的关键环节，需要在明确碳中和图景边界条件的基础上，从各国可再生能源发展实践中吸取经验教训，在能源经济系统的宏观层面构建促进可再生能源大规模发展的多要素长效机制。因此，本课题将首先系统性地开展碳中和目标下我国可再生能源发展的多情景模拟，充分借鉴国内外可再生能源发展经验，结合我国中长期气候目标和能源资源禀赋，对实现碳中和目标的可再生能源大规模发展路径设计、综合效益评估和不确定性影响进行深入探讨，以期为我国中长期可再生能源发展战略提供参考。

2.2可再生能源大规模发展的关键技术研究综述

碳中和目标的实现，关键是要构建以新能源为主体的新型电力系统，随着具有随机性与波动性可再生能源大规模并网，电力系统的安全稳定运行面临诸多挑战。国内外学者针对电力系统的源网荷储各环节关键技术开展了大量研究，以促进可再生能源的进一步消纳。电源侧，煤电依然是我国电力系统中占比最大的发电资源，为实现“双碳”目标，必须控制煤电装机规模，加快煤电合理退出（Cui et al. , 2021; 李政等, 2021），推动煤电功能定位转型（袁家海等, 2020）。同时加快大规模、高效率碳减排的低碳电力技术的部署应用（Bistline et al., 2021），结合核电等灵活性资源对新型电力系统的构建形成有效支撑。电网是保障新能源消纳最重要的基础设施，除了特高压交流输电（舒印彪, 2007）等输电技术，诸多研究开始聚焦于分布式电源与微网的发展（周孝信, 2013），包括微网与大电网的协调运行、微网自身保护控制和能量管理等方面（张忠等, 2015），输配电网间的调度模式逐渐向分层分级多源协调优化模式演变（李逐云等, 2017）。2013年至2020年间，加利福尼亚州的分时实际电力需求与电力供应的曲线变化呈现出“鸭型”曲线，为促进供需平衡，可通过价格信号和激励机制灵活地调整电力实时需求量，需求响应在美、欧、日等国家得到的应用最为广泛，目前在中国市场化不明显，仅在部分试点省份推广。为进一步实现电力负荷的柔性化，需要通过调动负荷侧参与需求响应或进行远程优化控制，支撑供电侧的可靠、经济运行（田世明等, 2014）。储能作为能源电力系统实现能量转换、存储和利用的有效途径，能进一步提高电力系统安全稳定运行水平，促进新能源消纳。目前抽水蓄能技术相对成熟，但装机规模也易受水库库容限制（王松岑等, 2013），随着可再生能源接入比例增加，在中长期电力发展过程中亟需推进电化学储能和季节性储能（Maryam et al., 2019）等新型技术的部署应用，提供日内调峰调频等短时服务和应对长时间尺度下的电量不平衡问题（姜海洋等, 2020）。为保障高比例可再生能源安全并网，并有效地实现资源全局优化配置，需要将更多灵活性资源纳入规划研究，综合运用多种供输关键技术，实现电源侧、电网侧、负荷侧与储能侧四个环节协调优化运行（曾鸣等, 2016；张宁等, 2016）。

能源供给安全作为能源安全新战略的重要内容之一，是我国长期面临且必须面对的重大课题。近年来，全球范围内美国、印尼、英国等多国相继发生多起大停电事故，能源电力供给安全成为各方关注的焦点与舆论热点。造成大停电事故的原因包括自然灾害问题、人为事故及网络安全等（胡源等, 2021）。其中，电力网络事故是最为常见且影响较大的电力安全隐患。较大的直流干扰会严重影响沿海城市电力电源的安全性，现有的直流不平衡配电方法由于优化过程复杂且直流故障影响范围扩大，难以应用于沿海城市多终端直流输电系统（CU-MTDC）（Wang et al., 2021）。孤岛化是电力系统的一种管理程序，它在分布式发电水平上实施，以保护合理负荷不受停电影响，并在出现大量分布式发电时保证电力供应的连续性，德国和意大利的实践表明电网层面上的孤岛效应是一种能够提高能源安全和电网弹性的合理措施（Mario et al., 2016）。除了电力网络安全事故因素外，具有偶发性的极端事件也是不容忽视的关键风险因素，如冰雪灾害、地震等会引发大停电事故。因此，为提高能源电力系统应对大型危机的能力，应充分考虑极端事件（如极端天气风险等）影响下能源电力系统风险抵御能力，如运用考虑极端天气风险的能源系统优化模型（Bennett et al., 2021）评估能源系统安全可靠运行的能力。为支撑碳达峰、碳中和目标，我国风力和光伏发电为主的新能源发电系统将继续迎来加速发展，同时也将对电力供应的安全保障带来更多的挑战，针对高比例可再生能源电力系统中出现的稳定与保护、经济安全运行、规划与发展等方面的挑战，需进一步加强对供电稳定性控制与监测、电力电量在时间空间上的平衡以及多样化清洁能源电力的研究，探究电力系统未来形态与转型路径、稳定性机理与规划运行技术等问题（卓振宇等, 2021）。

综上，在电力系统源网荷储协同方面，电源侧通过灵活清洁电源和煤电加装CCS设备等为电力系统提供辅助调峰服务，能够促进其与风电和光伏发电的协同发展。同时电网侧和负荷侧通过输配网优化调度、微电网并网运行和需求侧响应，可以有效地实现资源全局优化配置，再将储能技术应用到电力系统，协同源网荷储各环节资源，将保障高比例可再生能源安全并网，构建以新能源为主体的新型电力系统；在能源供给安全风险研究领域，国内外研究从极端事件等角度出发，通过不同能源电力安全事故演变追溯、风险评估防御技术等多维度对能源供给安全领域开展了研究分析，在大规模发展可再生能源的趋势下，由于风光等能源间歇性和波动性特点，能源电力系统面临的供给安全问题将变得愈加复杂，需要进一步研究识别能源供应系统面临风险的成因及影响，研究支撑综合能源供给安全的关键技术协同发展路径。

2.3 供需两侧发力

能源系统转型既需要调整供应侧供能结构，也需要转变需求侧用能方式，供需两侧应通过数字技术实现交互与反馈（范英等，2021）。在需求侧，未来终端部门高度电气化的发展趋势已成为国际能源转型研究者的基本共识，Chaudry et al.(2021) 以英国能源系统为例，提出通过发展电动或氢燃料电池汽车，公共充电设施和配置CCS 的生物质电厂可有效实现供暖和道路运输的去碳化，推动能源系统净零排放。针对交通部门，有研究将中国交通能源模型嵌套在GCAM 中，从全球角度评估中国交通部门的长期能源消耗和二氧化碳排放趋势（Yin et al.，2015）。Zhang et al. (2015) 认为，零碳能源系统下终端用能的75%将依靠电力，且核能、可再生能源以及少量的天然气配碳捕捉和储存技术（CCS）将承担全部的电力供给。在供给侧，提高清洁电力生产，构建安全稳定的新型电力系统能够为可再生能源的高效利用提供基础和保障，是构建零碳能源系统的有效路径 (O’Connell et al，2021；Davis et al.，2018)。 一方面需要新兴储能技术的创新、投资和部署（Kittne et al.，2017），克服风光电力的间歇性带来的挑战，另一方面，需要明确新型电力系统灵活性资源发展路径，有效促进“源-网-荷- 储”互动（赵东元等，2020），提升高比例可再生能源电力系统安稳运行能力。

2.3新型电力系统规划研究

我国电力部门是重要的碳排放部门，约占能源碳排放的 40%，作为能源转型的重要方面和碳减排的关键领域，电力部门需要承担更大的减排责任，因此，必须加快构建以新能源为主体的新型电力系统，推动能源电力低碳转型发展，助力我国碳达峰、碳中和目标的实现。新型电力系统的构建是一个复杂过程，涉及能源电力的多个维度、多个层次。以下从能源电力资源评估、多区域电力规划和新型电力系统发展模式三个方面对国内外相关研究现状和动态进行分析。

（1）能源电力资源评估研究

可再生能源替代传统化石能源是能源电力脱碳的关键路径，准确评估可再生能源电力资源，对具有诸多不确定性的风、光等电力资源大规模并网、论证风电和光伏发电项目建设的可行性具有重要意义。叶林等 (2016) 对风电场风能资源评估的测量—关联—预测(measure-correlate-predict, MCP）方法进行了阐述，靳晶新等(2017) 进一步从数理统计方法和数值模拟技术2个角度，对风能资源评估领域国内外研究进行归类与梳理，为提高风电场风能资源评估精度提供了参考依据。Zhang et al. (2021) 应用 K-means聚类算法对中国大陆风电资源的变动特性进行分区，建立多目标优化模型确定2030年各区域风电容量的最优配置。了解技术可行性、成本竞争力、与电网兼容的太阳能发电潜力，对中国未来能源发展路径至关重要。Chen et al. (2019) 构建了一个综合空间模型对“一带一路”地区太阳能光伏发电的技术潜力进行评估。Lu et al. (2021) 引入空间地理、资源气象、工程经济等多源数据，在分析我国光伏技术潜力时空分布特征的基础上，结合学习曲线模型和行业动态，构建了光伏平价上网时间与平价上网潜力的评估方法。张倩等 (2019) 在负荷和光伏发电精确预测的基础上分析了光伏的消纳能力。有研究结合中国现阶段供热实际情况及未来可再生能源发展面临的挑战，提出有利于中国清洁供暖发展、能源高效利用、能源供应安全以及能源结构升级的一些启示和借鉴（宋晨晨等，2021）。

综上所述，现有文献对能源电力资源评估有了一定的研究基础，但针对分区域能源电力资源评估的研究还在少数，区域可再生能源上也仍存在国家规划与区域规划之间的不衔接、区域规划的可实施性差等问题。因此，亟需进一步系统评估不同区域风光等可再生发电资源，从多时空尺度识别其储量、经济性和互补性等特征，促进可再生能源大规模发展。

（2）多区域电力规划研究

多区域电力系统协调规划可以实现不同地区、不同发电资源的协调互补，以及发电资源和输电线路的协调投资，实现电力资源大范围优化配置。目前，与多区域电力规划相关的研究包括电源规划、电网规划以及电源、电网协调规划。国内外学者从可再生能源与传统能源的协调、可再生能源消纳以及出力特性等角度构建多区域电源规划模型。有研究通过考虑大气污染物排放约束、多区域电力系统互联和小时级电力调度，用资源富集区域的可再生能源电厂替代规划煤电厂，可以将地区的排放量控制在低于当地环境承载力的水平（Chen et al.，2019）。有研究提出了一种综合机组组合问题 (UCP) 和长期发电扩展规划 (GEP) 的通用混合整数线性规划 (MILP)模型，将机组组合问题纳入长期规划范围，对可再生能源固有的间歇性进行了综合模拟，量化了二氧化碳排放定价对长期投资决策的影响（Koltsaklis et al.，2015）。

区域间电力资源的分布不均衡特点、可再生能源的间歇性和波动性使得大范围的资源优化配置、跨区域电源和电网协调规划更为复杂。薛松等（2016）建立了多区域电力规划模型，考虑了区域内的发输电之间的协调规划及区域间的电力交易，指出规划期各阶段各发电机组类型的最优组合以及开发的优先程度。面向高比例可再生能源电力系统的发展场景，需要转变传统的电力规划研究方法，以应对风光等可再生能源大规模发展带来的挑战。王耀华等（2017）考虑不同发展阶段各类可再生能源技术进步及成本下降趋势，提出了多区域、多场景中长期电力规划模型，实现了电力规划与运行层面的适度耦合。同时，学者在扩大既有电力规划研究范畴和功能方面也做了有益探索。赵庆波等（2014）提出了多区域、多资源、多维度的新型电力规划理论，扩展了电力规划的研究范畴。通过优化选择包含电力送受端的多区域电源扩展方案和跨区电力流规模、流向，实现发电能源、水、环境、土地等资源的优化配置。

综上所述，目前国内外对跨区电力系统相关的研究主要集中在环境约束、电力交易和可再生能源特性方面，电力系统规划的研究主要集中在单一的电源规划和电网规划，针对多区域电源、电网协调规划的研究较少。多区域电源、电网协调规划能够有效促进电能互补及利用，提高资源配置效率，实现整体投资最优。随着大型清洁能源基地以及特高压输电通道的全面建设，跨区电力系统协调规划研究亟待进一步深入。

（3）新型电力系统发展模式研究

以新能源为主体的新型电力系统是未来电力系统发展的方向，需要尽快加强电力系统对新能源的适应性和兼容性，提高可再生能源占比，尽早实现电力脱碳。有研究通过对煤电存量机组规模、技术水平、污染物排放等方面分析，确定整体和区域煤电定位，认为电力系统应在2045年实现近零排放并在之后实现负碳（袁家海等，2021）。舒印彪等（2021）认为近期新能源的快速发展更为迫切，远期还需在大规模储能、高效电氢转换、碳捕集、利用与封存（CCUS）、纯直流组网等颠覆性技术方面尽快取得突破。气候目标约束下煤电规模需逐步下降，可再生能源发电大规模并网及远距离输送将成为显著特征，气电将承担比现在更重大的责任，核电需抛开争议安全有序发展（张文华等，2021）。

此外，新型电力系统的发展必须考虑地区间的资源禀赋和技术条件差异，一方面，随着碳减排约束加强，可再生能源发电在各地区（尤其是西北地区）所占的比例将迅速增加（Yao et al.， 2020）；另一方面，当前中东部地区仍是能源电力需求中心（He et al.， 2020），因此，必须打破地区间的输电障碍，科学规划跨地区输电，实现全国最佳资源配置（Chi et al.，2021）。

除了大规模发展可再生能源，安装二氧化碳捕获和储存(CCS) 装置也是有效减碳手段（IEA, 2015）。有研究显示为实现2℃目标中国至少需要对165个现役燃煤电厂（总装机175GW）进行 CCS改造，主要集中在东北地区、环渤海地区、长江三角洲地区、西北地区（Wang et al，2020），而CCS商业化时间在2035年左右，若发展太慢会导致减排成本大幅上升（Guo et al，2020； Fan et al, 2018）。此外，将生物质发电与 CCS结合能够实现负排放，考虑到我国以燃煤为主的电力基础设施，燃煤耦合生物质发电+CCS技术有望成为符合中国国情的最具商业化应用潜力的一项BECCS技术，这将是我国中长期电力系统保留部分煤电机组并实现负碳的经济可行性选项（袁家海等，2021；樊静丽等，2021）。

综上所述，已有研究从煤电有序退出、可再生能源大规模并网发展、跨区输电、低碳能源技术突破等视角探讨了新型电力系统的发展模式，但仍处在起步探索阶段。在中国新型电力系统发展过程中，基于经济社会发展和技术进步等多重不确定性，从需求牵引供给角度出发，综合考虑能源电力需求侧和供应侧资源，探索需求引致的新型电力系统发展模式是需要进一步深入研究的方向。

3. 对已有相关代表性成果及观点做出科学、客观、切实的分析评价，说明可进一步探讨、发展或突破的空间，具体阐明本选题相对于已有研究的独到学术价值、应用价值和社会意义

（1）可再生能源作为全球应对气候变化的主要方式，在取得快速发展的同时仍面临着能源安全、开发应用、技术革新、生态平衡等方面不确定性因素的挑战。

碳中和正在成为号召全球共同应对气候变化的重要行动，而我国主动承担减排责任、大力倡导减排行动、积极谋求全球共同发展，在减排承诺、可再生能源发展、国际减排合作等方面付诸实际行动。发展可再生能源是实现二氧化碳减排成效最显著、效率最高的措施，也是未来碳中和愿景下能源供应的主要载体，因此，可再生能源大规模发展应成为应对气候变化的必然选择。

大规模发展可再生能源意味着要打破原有的化石能源体系，其需要依据本国实际情况设定发展路径与策略，可概括为“政策-创新-市场-行为”协同机制，集中表现为以政府政策培育可再生能源发展初始环境，如制定可再生能源发展中长期目标与规划；鼓励技术进步创造可再生能源经济性优势，如加大技术投入研发实现风电和光伏发电成本快速下降；完善市场机制提供可再生能源竞争平台，如电力市场、碳市场、金融市场助力可再生能源企业发展；推广低碳社会理念实现全民参与可再生能源发展，如倡导低碳出行、生活节能等。全球主要经济体正凭借各自优势加快可再生能源的部署，但是，可再生能源大规模发展并非完全是正向效应，其面临着诸多安全、经济、生态等潜在的风险因素及不确定性影响。

尽管各国实践已经表明可再生能源大规模发展的可观前景及适用性，但可再生能源大规模发展路径无法完全模仿与复刻，需要根据各国资源条件与能源经济目标，综合考虑规模布局、部署方式、配套机制、市场制度、终端应用等发展路径的细节问题，重塑能源体系的“安全、经济、低碳”三角难题，以可再生能源大规模发展为突破口带动能源结构与经济发展的转型升级。

（2）电力系统、能源安全等关键技术需要协同发展以支撑碳中和实现过程中可再生能源大规模发展。

当前针对电力系统内部源网荷储协同有了一定研究基础，但在可再生能源大规模发展的新趋势下，当前关于源网荷储各环节关键技术如何协同发展以构建新能源为主体的新型电力系统的研究还处在起步阶段；结合碳中和目标及可再生能源大规模发展实现路径，基于可再生能源不同发展阶段下电力系统源网荷储一体化关键技术全面综合协同发展机制相关研究成果较少。

能源电力安全是我国长期面临且必须始终面对的重大课题，已研究从极端事件等角度出发，从国内外不同能源安全事故演变追溯、风险评估防御技术等多维度对能源供给安全领域开展了研究分析。但在大规模发展可再生能源的趋势下，由于风光等能源间歇性和波动性特点，能源电力系统面临的供给安全问题将愈加复杂，亟需进一步研究识别面向可再生能源大规模发展的能源供应系统风险成因及影响，提出保障能源电力供给安全的关键技术协同发展路径。

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