新型能源电力系统高质量发展探究

展望“十五五”时期新型能源电力系统的高质量发展，既要考虑新型能源电力系统的机、电、热、光等有关可靠性（R-Reliability）、可用性(A-Availability）、维修性(M-Maintainability）、安全性（S-Safety）及保障性（S-Supportability）等基础性要求，又要考虑新型电力系统适应新业态新发展的有关韧性（R-Resilience）、最低风险可行性（A-ALARP）、灵活性（M-Maneuverability）、稳定性（S-Steady）及经济性（E）新要求；既要从宏观上横览新型能源电力系统源—网—荷—储集成一体化的发展态势和云大互移智链有机融合的发展趋势，又要从微观上纵观新型能源电力系统结构与功能、材质与质量、性能与品质等变化和电力电子系统、子系统、机、电、热、光、设备、零部件、元器件、分子、原子及量子在不确定性环境中的工作状态。因此，“十五五”时期新型能源电力系统高质量发展，要以熵定律为指导，以能源（E—Energy）、经济（E—Economy）与环境（E—Environment）间E3问题为导向，以“双碳”（C2）目标为宗旨，以可靠性（R-Reliability）及韧性（R-Resilience）（R2）、可用性(A-Availability）及最低风险可行性准则（A-ALARP）（A2）、维修性(M-Maintainability）及灵活性（M-Maneuverability）（M2）、安全性（S-Safety）及保障性（S-Supportability）和稳定性（S-Steady）（S3）为性能指标，创新构建E3C2R2A2M2S3新型能源电力系统。

由于新型能源电力系统具有高比例可再生能源和高比例电力电子装备、多能互补综合能源、数字化智能化智慧能源等，从而对电力系统的安全保证、技术结构、运行方式等都提出新的要求。“双碳”（C2）目标下，如何科学推进固、液、气电升级改造及有序退出，促进新能源消纳也是重要研究课题。究其原因，一是受资源禀赋及行业发展历史等因素影响，我国仍保有大量固、液、气火电机组，若简单关停处理，不利于电力平稳过渡，从而要采取科学技术手段，推进存量固、液、气电机组升级改造，继续发挥其启动灵活、快速响应、调节范围广的基础性保障和灵活调节（调峰）作用；二是由于以风、光发电为主的可再生能源的波动性、间歇性及随机性、机组出力的不确定性，弱抗扰动性及弱动态调节性对电力系统安全稳定运行也带来严重冲击。为此，需要大大增强其系统灵活调节资源及其功能。新能源电力系统的发、输、配、用环节引入更多电力电子装备，电力系统呈现弱电机性、强电磁性。推动煤电机组深度调峰、快速爬坡等高效调节能力提升，以促进可再生能源吸收消纳。此外，还要考虑分布式抽水蓄能群，负荷侧高比例电气化和随机性、数字化智能化电力装备、AI芯片和物联网等广泛应用的特性及其影响。新型电力系统既包括固（煤炭）、液（石油）、气（天然气）态与水、风、光等可再生能源一次能源生产、运输与使用系统，又包括由发、输、变、配、储及用构成的电力系统；既涉及新型电力系统及其组成部分的质量与数量、功能与结构等“有形”成分，也涉及政策法规、管理决策和运行机制等“无形”成分；既从宇、球、宏观上考虑新型电力发展战略、指导思想、价值目标、发展布局、风险治理及国际合作的情景及其态势，又从中、微、渺、量子观上考虑新型能源电力系统组成部分、元器件、分子、原子及量子的性能及状态等。

新型电力系统高质量发展和高品质运行，要依据RAMS理论，系统考虑其可靠性（R）、可用性（A）、维修性（M）、安全性（S）及保障性（S）等功能性能基础性要求。欧盟航空航天等行业业已证明，可靠性（R）、维修性（M）和保障性（S）及其综合，既可提高其可用性（A），也能降低寿命周期成本（LCC）。新型能源电力系统高质量发展的新要求主要包括灵活性（M-Maneuverability）、韧性（R—Resilience)、风险最低合理可行准则（A-ALARP）、稳定性（S）和经济性（E）。

灵活性（M）作为电力系统灵活调节的能力指电力系统电源出力与负荷需求短、中及长期波动时，保持系统正常稳态运行的灵活调节能力，也是电力系统源网荷储相互协调保持正常运行的必要条件。新型能源电力系统中，以风电、太阳能发电为主的可再生能源占比高，对灵活性资源的需求巨大、要求更高。能源电力系统灵活性仿真分析表明，在风电、太阳能装机占比超过70%的情况下，电力系统正常运行除要有足够的煤电、气电及各类储能等灵活性资源参与调节外，还要配置光伏、电解水制氢等能源转换装置作为负荷可调节容量予以配合。在极端气候条件下，更需要长周期绿能储备如绿氢及甲烷、甲醇及氨等绿色气体液体燃料参与能源电力供应。主动负荷虽具有一定的自主调节能力，但很多主动负荷和用户行为都会增加负荷的波动性、电力系统实时平衡调度的难度，继而要求提升电力系统灵活性。

韧性(R)是指系统在考虑系统风险的情况下，对于随机干扰而改变自身状态或在随机干扰后能快速恢复，不发生崩溃、解列而保持正常运行的能力。在能源电力系统中，韧性亦指系统应对“小概率、大影响”的极端条件下，能调整系统状态减少故障造成的损失的能力。韧性作为逆境中发生的过程，是开放的、动态的及复杂的，还涉及多样性、冗余性和灵活性。韧性看似与可靠性相似，但其关注点和适用范围却不同。随着全球气候日渐恶化，仅利用可靠性不足以描述“小概率、大影响”极端事件的影响；而韧性则正好补充可靠性对于此类极端事件考量的缺失。韧性可增强应急情景下的电网应变能力，保证在电网发生故障时，能迅速辨识、定位故障的位置及其潜在的传播路径，对电网系统进行系统风险评估，继而形成闭环安全防御策略，增强极端情景下的电网恢复力，保证电网遭受极端事件情况下，能迅速恢复正常供电，最大限度地减少故障损失，体现感知力、协同力、应变力、防御力、恢复力和学习力等技术特点。

稳定性（S）作为系统承受各类扰动后保持暂态、动态稳定或重新恢复到运行平衡状态的能力，是电力系统正常及扰动后安全稳定运行的基本条件。随着高比例新能源接入并网，源、网、荷、储及其一体化系统特性发生变化，新型电力系统既将面临系统低惯性、频率电压稳定性、宽频振荡及信息物理系统、多能耦合系统稳定性等众多挑战，也面临电力电量平衡、短路电流、同步稳定、宽频振荡、电压稳定和频率稳定等多重问题。由于历史与现实所致，我国能源电力系统会较长时间处于新能源与常规能源的混合时代，因强随机性、间歇性与不确定性的影响而产生稳定性问题。

根据最低风险可行性【A-ALARP（As Low As Reasonable Practicable）】准则，可将新型电力系统风险划分为不可接受区、可接受区和可忽略区。风险与成本间要进行权衡分析：如风险水平在不可接受线之上，则该风险不可接受；如风险水平在可接受线之下，则该风险可接受，无需采取风险措施；如风险水平在不可接受线与可接受线之间，即落入ALARP区（可容忍区），就要进行风险投资的成本收益分析，以决定该风险是否被接受。

新型电力系统的经济性（E）分析，其核心是通过寿命周期成本（LCC）最小化而进行技术经济综合评价。基于寿命周期理论，寿命周期成本（LCC）包括设计建造成本Csj、运行维修成本Cyw和固定成本。通过求导数并令其为零，便可求得使LCC最小时的新型能源电力系统功能Fk，也就是设计建造成本Csj与运行维修成本Cyw相等时的功能Fk，又是新型能源电力系统的最适宜功能Fk。在LCC最小化的基础上，经工程经济学的成本效果分析就可求得新型能源电力系统的成本效果比，继而进行技术经济综合评价。

E3C2R2A2M2S3新型能源电力系统作为由资源流、能量流、信息流、人力流和价值流构成的开放的具有耗散结构的复杂巨系统，因热量、温度、湿度、受力、冲击、震动、电场力、磁场力及量子力等作用，都将对其性能功能状态产生巨大影响，对此，应基于熵定律进行分析研究。因此，E3C2R2A2M2S3新型能源电力系统高质量发展，任重而道远，有待理论探索，实践砺行。

（作者系华北电力大学经济管理学院教授）