電力系統是能源體系的關鍵組成部分，電力行業碳排放占碳排放總量的40%以上，是我國能源轉型與碳減排的主戰場。3月15日，習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議，指出要“實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統”。這為“雙碳”目標下我國電力系統形態演化與技術變革指明了戰略方向。

　　我國能源轉型中電力系統面臨的挑戰

　　為了構建清潔低碳、安全高效的能源體系，必須大力推進清潔能源的開發利用，風、光、水、核等清潔能源必須轉化為電能才能加以利用和轉換，因此電力系統在能源轉型中將起到核心作用。對我國而言，電力系統在能源轉型的要求下，即要滿足復雜嚴苛的外部約束條件，又需應對自身變革帶來的多重挑戰，其總體難度遠超西方國家。

　　2020年我國發電量為7.51萬億千瓦時，居世界首位。為滿足經濟社會高質量發展與人民美好生活需要，未來我國用電需求仍將保持增長態勢，預計到2060年我國社會用電量將達到15.9萬億千瓦時。而作為規模最大、結構層次最復雜、強非線性和高維特性的人造系統，電力系統又是一個必須保證實時平衡的系統。這使得我國電力系統低碳轉型面臨諸多挑戰。

　　一是發電資源稟賦制約突出。風電、光伏發電具有顯著的間歇性、波動性特征，需要有一定比例的靈活調節電源作為支撐。2020年美國油氣發電量占比已超過60%，英國和德國的燃氣發電量占比也超過36%和16%，發達國家依靠大量的油氣發電，不僅推動了電源的低碳化，也給新能源消納提供了有力的支撐。我國在一次能源方面呈現富煤、缺油、少氣的特點，油氣發電量占比很小，缺乏大規模靈活調節電源給我國新能源消納帶來了巨大挑戰。

　　二是電源強隨機特性顯著。隨著未來新能源發電占比大幅增大，電力系統電源從可預測的火電和水電變為隨機性更高的新型負荷、難以預測的風電和光伏發電，給系統實時平衡帶來巨大挑戰。以西北電網為例，其風電的最大日波動幅度達3200萬千瓦，相當于一個中型省份的用電負荷。同時，缺乏慣量與自主電壓參考的新能源發電裝置呈現明顯的低抗擾性和弱支撐性，給電網自身的安全及運行控制也帶來挑戰。

　　三是源-網-荷-儲協調控制困難。未來電源結構與網架形態的演化，將使得電力系統中源、網、荷、儲各層級物理特性變化，電力電量平衡難度增大。電源側和用戶側的集中/分布式新能源大量接入，一方面導致系統潮流分布不確定性急劇增加，另一方面帶來電力電子設備間復雜的寬頻耦合作用機制，使電網的脆弱性增強并在穩定控制上面臨巨大挑戰。

　　四是用戶側供需互動大幅增加。未來電能占終端能源消費比重將進一步加大，同時新能源汽車、儲能系統等具備雙向能量流動特性的新型負荷占比將大幅提升。這給電力系統的調節能力、服務模式帶來全新挑戰。根據中國汽車協會預測，2030年我國電動汽車保有量將達到8000萬輛。如果這些電動車仍采用無序充電，將會導致電力系統的峰值負荷大幅增加，帶來高昂的建設成本，反之如果利用得當，也蘊含著巨大的電網調峰潛力。

　　五是全環節多維度數字賦能不足。為使新型電力系統的源、網、荷、儲等多環節之間實現靈活協調、智能交互，必須全面采用數字化技術。目前我國能源電力系統的數字化水平整體較低，數字技術和物理系統融合不夠深入，支撐電網高度智能化運行的能力還不夠。同時，我國在人工智能算法、大數據理論等方面的基礎理論研究不足，在智能化電力設備所需的高端芯片、核心元器件等方面還存在一些“卡脖子”和短板技術。

　　六是電力市場機制有待完善。實踐證明，市場和技術間應相互協調促進，否則就會阻礙新技術發展與應用。我國現有電力市場機制還不能充分滿足高比例新能源電力系統的建設運行需求，市場在資源配置中的作用體現不夠。跨省跨區備用、用戶參與調頻、儲能等新業務形態的電價形成機制有待完善。同時，市場還不夠開放，投資主體多元化程度不足，推動社會資本有序參與抽蓄、儲能等新設施投資建設和長期運營機制不完善。

　　新型電力系統的“四化”特征

　　新能源裝機、電量占比不斷提升帶來的量變，將逐步引發電力系統在物理形態和技術框架上產生本質性變化，從而使得新型電力系統呈現出區別于傳統電力系統的一些顯著特征，可以概括為“四化”，即電力電源清潔化、電力系統柔性化、電力系統數字化、電力系統電力電子化。

　　（一）電力電源清潔化

　　電力行業碳排放占碳排放總量的40%以上，因此電源的清潔化是實現碳中和的關鍵。目前我國電力能源結構仍以化石能源為主體，截至2020年，風電、光伏發電總裝機容量占比為24.32%，發電量占比僅為11.2%（火電占比71.2%）。未來電力系統的新能源占比將快速提升，并逐步成為主體和主導電源，預計到2060年，風電、光伏發電裝機占比將達70%以上并提供超過55%的電量。

　　但是，考慮到我國的資源稟賦約束，以及極端條件下的電力可靠供給，我國在較長時期內，仍需維持一定的煤電裝機（預計2030和2050年發電量占比將為52%和20%），以充分發揮其在能量平衡與系統穩定支撐中的基石作用。為此，必須大力發展清潔煤電技術，降低其碳排放水平。

　　通過風、光、水、核、煤等多種發電形式的協同發展，我國最終將形成風光領跑、多元協調的電源結構，從而使電力電源快速實現清潔化，并推動電力系統于2050年左右率先實現“碳中和”。

　　（二）電力系統柔性化

　　為了適應發電側大規模新能源帶來的強波動性，必須從多環節入手，全面提升電力系統運行的靈活性和可控性，實現柔性化發展。

　　一是加強靈活調節電源建設，提升系統靈活性。歐美發達國家的能源轉型以大量靈活電源作為支撐，而我國靈活電源比例過低，抽水蓄能和燃氣的總發電量占比不足4%，難以支撐更高比例的新能源消納。因此，必須提高抽水蓄能與燃氣發電的裝機容量占比，同時通過技術升級，大幅度提升煤電的快速靈活調節能力。

　　二是提升電網柔性傳輸能力，重構電網形態。在新型電力系統中，輸、配電網不再是單純的電能傳輸通道，而是成為能量廣域時空互濟的紐帶，這對電網的拓撲形態和調控能力提出全新要求。如歐洲在2004年就制訂了“SuperGrid（超級電網）”建設規劃，大力發展柔性輸配電技術。目前德國憑借高度柔性化的電力系統，在不足15%的靈活電源裝機下，實現了40%以上的新能源電力消納。這對“缺油少氣”的我國具有很好的借鑒意義。因此，我國未來應構建多區域柔性互聯的電網架構，充分發揮電網的間接儲能作用，提升新能源承載能力。

　　三是提升電能存儲能力，助力電網削峰填谷。為彌補新能源的短期和中長期波動性，規模化的儲能是必需的手段。目前，抽水蓄能仍是大規模電能存儲的最佳手段，在儲能的功率、容量、時長、成本方面均占優勢，但是在一定程度上要受到地理條件的限制。各種物理、化學儲能技術近年來得到了長足發展，但是離電力系統的需求仍有很大差距。氫能憑借能量密度高、存儲時間長的優點，未來有潛力成為跨周、跨季節能量平衡的重要手段。

　　（三）電力系統數字化

　　電力系統數字化是通過數字技術與物理系統的深度融合，實現對電力系統的“數字賦能”，從而實現新型電力系統的全面感知與高度智能化運行。

　　一是提升數字分析水平，加強電網協調控制能力。風、光等新能源發電所采用的雙饋式/直驅式風機、光伏逆變器等都使用了電力電子裝置，這些電力電子裝置代替了原有系統中的機械轉動設備，使得系統的動態過程將從常規的機電暫態為主變為電磁暫態為主，分析計算需要在更復雜、更精細化的數學模型與更短的時間尺度下進行，因此必須發展更好的建模、解算方法與軟、硬件平臺。另外，由于新型電力系統在運行中存在大量強隨機波動因素，基于人工離線計算的傳統調度手段難以勝任，必須借助人工智能等手段實現高度智能化的調度控制。

　　二是促進多元用戶供需互動，提升需求側管理水平。通過廣域信息采集和互動技術，實現大范圍內海量分散電源和負荷之間的協調聚合，使之作為整體深度參與電網供需平衡，可充分釋放需求側主動調節的潛力，緩解電源和負荷的波動性帶來的挑戰。在這一方面，德國依托E-Energy項目開展了廣泛的應用，取得了良好的效果。

　　三是加強數字與設備融合，提升設備智能化水平。設備是系統構建的物理基礎，通過高精度分布式傳感、物聯網等先進數字技術與設備的深入融合，可實現電力裝備與系統的全方位實時化狀態感知，為廣域智能控制建立信息基礎。而我國目前在該領域的高端傳感器和核心芯片等技術仍存在欠缺。

　　（四）電力系統電力電子化

　　在新能源替代、柔性輸變電與新型負荷等多重內、外部需求的共同驅動下，電力電子技術將在新型電力系統的發、輸、變、配、用各環節得到更加廣泛的應用。預計2060年，我國電力系統中發、輸、用各環節的電力電子化程度將達72%、50%和95%以上。隨著發電機、變壓器等常規電力裝置逐漸被電力電子裝置所取代，電力系統所需要考慮和控制的頻帶將從50赫茲左右擴展到數赫茲至數千赫茲的較寬范圍，而數以百萬計的電力電子裝備組成的系統，需要高速的協調控制才能實現良好運行，現有針對傳統電力系統的機理、測量、運行、控制方法都難以適用，相關的控制、智能化水平也遠遠難以支撐。

　　一是在靈活交流輸電方面，我國已全面掌握各類型靈活交流輸電裝備技術并實現了工程示范和大范圍推廣。未來的新型電力系統中，靈活交流輸電技術將成為動態優化潮流分布、提升高比例新能源條件下系統靈活性和穩定性的重要手段。

　　二是在特高壓直流輸電方面，我國自主研制出國際領先的±800千伏和±1100千伏特高壓直流核心裝備，可實現千萬千瓦級電能的超遠距離、超大容量傳輸。在新型電力系統中，特高壓直流仍將是“西電東送”戰略實施的重要手段。

　　三是在柔性直流與直流電網方面，我國自主研制出國際領先的柔性直流輸電裝備，并完成上海、廈門、舟山、渝鄂等系列工程示范，在風電并網、城市供電、大電網互聯等方面發揮出重要作用。在此基礎上，我國又進一步突破了直流電網技術，在張北建成世界首個直流電網工程，實現了張北地區100%新能源外送，并為綠色冬奧提供了基礎設施保障。作為靈活性最高、可控性最好的輸電技術，柔性直流和直流電網將在未來的新型電力系統中得到更廣泛的應用，成為新能源友好并網與區域電網柔性互聯的重要技術手段。

　　在新型電力系統的“四化”本質特征中，電力電源清潔化是推動能源轉型的內在動力；電力系統柔性化是重構電力系統形態的必然趨勢；電力系統數字化是升級電力系統的必要手段；“電力系統電力電子化”是重塑電力系統運行控制理論的客觀要求。新型電力系統的四大本質特征相輔相成，成為有機融合的整體，也為開展新型電力系統理論和技術研究提供了出發點和落腳點。