王成山

中國工程院院士，天津大學(xué)國家儲能產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺主任。長期從事配電系統(tǒng)與微電網(wǎng)技術(shù)研究，在配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、微電網(wǎng)控制系統(tǒng)與裝備等領(lǐng)域取得了系統(tǒng)性創(chuàng)新成果，技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用。成果獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng);獲何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、全國首屆創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)。所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)入選教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

“充分挖掘電力供需互動環(huán)節(jié)的潛力，推廣應(yīng)用負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)與智慧用能等先進(jìn)技術(shù)，解決相關(guān)技術(shù)在示范落地、市場推廣、運(yùn)營體制機(jī)制上的瓶頸問題，是推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一。”11月9日，在天津召開的2023年智慧用能與節(jié)能技術(shù)發(fā)展論壇上，中國工程院院士、天津大學(xué)教授、中國電機(jī)工程學(xué)會智慧用能與節(jié)能專委會主任委員王成山向行業(yè)同仁分享了有關(guān)電力系統(tǒng)供需互動相關(guān)問題的思考。

數(shù)據(jù)顯示，我國電源側(cè)的風(fēng)光裝機(jī)容量快速增加，2022年已達(dá)到7.5億千瓦，占發(fā)電總裝機(jī)的29.6%，而發(fā)電量在全部發(fā)電量中占比則達(dá)到了13.4%，盡管這一比例在逐年快速增長，但距離2060年碳中和場景下50%以上的電量占比還相差很遠(yuǎn)。同時(shí)，在需求側(cè)，我國2022年全社會用電量已達(dá)到8.64萬億千瓦時(shí)，電能占終端用能占比超過了27%，電動汽車保有量已經(jīng)達(dá)到千萬輛級，而到2060年，這些數(shù)據(jù)都會翻倍增長。這些數(shù)據(jù)表明，在“雙碳”目標(biāo)下，我國電網(wǎng)的源-荷形態(tài)都將發(fā)生重大改變。

王成山指出：“電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，在我國靈活性電力調(diào)節(jié)資源嚴(yán)重短缺的情況下，有效提升電力供需互動水平將成為保障系統(tǒng)安全和高比例新能源消納的重要手段，先進(jìn)儲能技術(shù)的應(yīng)用與用戶側(cè)互動資源的挖掘，將對新型電力系統(tǒng)源荷平衡至關(guān)重要。”

電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行面臨空前挑戰(zhàn)

王成山表示，電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行正面臨著來自源、荷兩側(cè)的挑戰(zhàn)：電源方面，我國2022年風(fēng)光裝機(jī)突破7.5億干瓦，日最大波動上億千瓦，預(yù)計(jì)2030年風(fēng)光裝機(jī)將超過1 2億千瓦，火電裝機(jī)比例逐漸降低，深度調(diào)峰能力不足，新能源出力具有波動性、間歇性等特征，對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力提出更高要求;負(fù)荷方面，我國2022年電動汽車保有量超過一千萬輛，電網(wǎng)中總負(fù)荷日最大波動同樣超過一億千瓦，隨著空調(diào)、電動汽車等負(fù)荷快速增長，季節(jié)性用電趨勢和峰谷差愈加明顯。電源與負(fù)荷的變化，使得大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)。

另一方面，我國配電網(wǎng)同樣面臨著巨大壓力。據(jù)公開報(bào)道顯示，今年河南省分布式光伏建設(shè)增速“狂飆”，截至今年6月底，新增光伏裝機(jī)7.59吉瓦，山東等省的分布式光伏也發(fā)展迅猛。分布式光伏的“井噴”對配網(wǎng)的運(yùn)行造成了空前挑戰(zhàn)。王成山分析道：“分布式電源在一些地區(qū)的安全容量已高于實(shí)際負(fù)荷需求，導(dǎo)致從低壓電網(wǎng)向高壓電網(wǎng)反送電，進(jìn)而導(dǎo)致線路和變壓器過載、局部電壓過高等問題出現(xiàn)。”為此，河南省發(fā)展和改革委員會于今年11月發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)分布式光伏發(fā)電健康可持續(xù)發(fā)展的通知》(簡稱《通知》)，《通知》對戶用光伏備案主體進(jìn)行了規(guī)范，開展分布式電源接入電網(wǎng)承載力評估工作，嚴(yán)格按照國家部署安排開展測算，根據(jù)配電網(wǎng)承載能力明確紅黃綠區(qū)域，同時(shí)引導(dǎo)通過加快配電網(wǎng)建設(shè)、配套建設(shè)儲能等方式，拓展發(fā)展空間。

前述分布式電源超過電網(wǎng)承載力的問題在全國各地都有不同程度的體現(xiàn)，國家能源局、國家電網(wǎng)公司也堅(jiān)持應(yīng)接盡接的原則，制定有利于分布式電源發(fā)展的政策，實(shí)施配網(wǎng)升級改造工程，加大相關(guān)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，爭取提出分布式電源“又好又快”并網(wǎng)的解決方案。

“實(shí)際上，不管是分布式電源還是沙戈荒新能源大基地外送，‘源隨荷動’的時(shí)代已經(jīng)過去，現(xiàn)在我們強(qiáng)調(diào)源荷互動，換言之要加強(qiáng)負(fù)荷側(cè)參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的能力。”王成山進(jìn)一步解釋道，“如今，隨著電動汽車技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，為了讓使用者更加便捷，正在努力縮短電動汽車充電時(shí)間，在快充場景下，一臺電動汽車快充功率就可能超過一個(gè)小區(qū)的變壓器容量，可想而知今后電網(wǎng)企業(yè)要滿足上億輛電動汽車充電的難度之大。作為新型負(fù)荷，電動汽車的充電也需要與電網(wǎng)互動，未來如果能夠向電網(wǎng)放電，則將成為負(fù)荷側(cè)一種更加有效的互動資源。”

根據(jù)預(yù)測，從現(xiàn)在到2060年，全社會用電量還將翻番，如今配電網(wǎng)已深感壓力山大，隨著未來用電量的進(jìn)一步增長，配電網(wǎng)應(yīng)該如何應(yīng)對?配電網(wǎng)能否隨電量的增加再成倍地增加容量，即“再建一個(gè)配電網(wǎng)”，王成山認(rèn)為，這個(gè)方案既不經(jīng)濟(jì)也不可行。“過去配電網(wǎng)建設(shè)速度之所以那么快，是因?yàn)榕c城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了同步，早在城市建設(shè)之初，配電網(wǎng)就實(shí)現(xiàn)了與城市發(fā)展同步規(guī)劃。如今，我國城市化進(jìn)程已達(dá)到較高水平，由于環(huán)保、征地等限制性約束太多，城市電網(wǎng)想滿足更多的電量需求，已經(jīng)幾乎不可能再采取大面積規(guī)劃建設(shè)新線路擴(kuò)容的方式，必須采取新的措施或技術(shù)手段，例如著眼于將峰谷差縮小、將峰荷降低、優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等等。”王成山進(jìn)一步解釋道。

在談及未來實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的技術(shù)路徑時(shí)，王成山強(qiáng)調(diào)說：“就目前而言，最終哪項(xiàng)技術(shù)勝出要靠市場來決定。火電+CCUS、風(fēng)光+儲能、負(fù)荷側(cè)挖潛等不同技術(shù)路線目前都有各自的應(yīng)用場景和限制，我們必須讓市場來說話，加快推進(jìn)電力市場建設(shè)，讓市場更好地發(fā)揮資源配置的決定性作用。”

電力供需互動重要而緊迫

相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)和需求頻現(xiàn)

據(jù)王成山介紹，電力供需互動形式既體現(xiàn)在單側(cè)互動也體現(xiàn)在雙側(cè)互動，供需單側(cè)互動主要有供方發(fā)電權(quán)交易和需方用電權(quán)交易等，而供需雙側(cè)互動包括需求側(cè)響應(yīng)、虛擬電廠技術(shù)、源荷調(diào)度等。

王成山指出，電力供需互動依賴于市場機(jī)制、技術(shù)和政策支持。電力供需互動有多種目標(biāo)，如移峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻、局域電網(wǎng)源荷平衡、應(yīng)急保供電等，建立市場環(huán)境下多時(shí)間尺度、多主體、多目標(biāo)供需平衡主動響應(yīng)的電價(jià)模型、激勵(lì)機(jī)制是亟需解決的問題。需要盡快出臺鼓勵(lì)智能用電、負(fù)荷聚合商參與等一系列支持政策。在實(shí)際應(yīng)用中，如何提高海量用戶的互動意愿，進(jìn)一步有效聚合用戶資源并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控是電網(wǎng)供需互動技術(shù)的難點(diǎn)，需要提出行之有效的方案。

那么，就具體技術(shù)而言，電力供需互動有哪些主要的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)?王成山指出，電力供需互動技術(shù)領(lǐng)域目前主要有三大技術(shù)挑戰(zhàn)和六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

第一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是規(guī)模化靈活資源動態(tài)聚合和特征提取。新元素大量融入負(fù)荷側(cè)，加之電力市場改革促使多種新角色伴隨而生，使得供需互動場景更加多元，負(fù)荷資源更加復(fù)雜多變，數(shù)量多、分布廣的規(guī)模化靈活資源動態(tài)聚合和特征提取難度極大。

第二個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是電力供需互動的精準(zhǔn)調(diào)控。規(guī)模化可調(diào)資源具有高度隨機(jī)性與地理分散性，受參與聚合方式、通信條件、市場機(jī)制和多場景業(yè)務(wù)需求不同的影響，有效實(shí)現(xiàn)規(guī)模化靈活資源聚合調(diào)控存在困難。

第三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)是多層級供需互動系統(tǒng)與控制終端。電網(wǎng)、園區(qū)、用戶多層級供需互動支撐系統(tǒng)和終端控制能力不足，可靠傳輸、數(shù)據(jù)交互能力差，互動功能不完善，造成落實(shí)措施繁瑣、實(shí)施效果差。

第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是考慮隱私保護(hù)的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)。將來自不同主體、異構(gòu)、多元傳感器獲取的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行高效整合，考慮隱私保護(hù)和信息安全，做出更加客觀、合理的決策和判斷，支持市場機(jī)制下的電力供需互動。

第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是靈活資源的精準(zhǔn)畫像與互動能力的評估技術(shù)。面向削峰填谷、新能源波動平抑等場景，考慮生產(chǎn)特性、用戶行為等因素，構(gòu)建涵蓋工業(yè)、商業(yè)、居民、新型負(fù)荷等可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源的精細(xì)化互動模型、進(jìn)行多元場景下多類型負(fù)荷可調(diào)節(jié)潛力的精準(zhǔn)量化評估，為電力供需互動提供支撐。

第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是市場機(jī)制下基于云端的電網(wǎng)調(diào)控靶向決策。考慮電網(wǎng)、用戶、社會等多方利益訴求，包含生成日前日內(nèi)實(shí)時(shí)多階段資源調(diào)控方案，考慮多類型用戶調(diào)控指令響應(yīng)的時(shí)滯差異，通過不同動態(tài)負(fù)荷的時(shí)序協(xié)同控制，兼顧經(jīng)濟(jì)性和公平性，實(shí)現(xiàn)多元負(fù)荷多時(shí)間尺度精準(zhǔn)調(diào)控。

第四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是用戶側(cè)基于邊端的供需互動自主響應(yīng)決策。面向削峰填谷、新能源波動平抑等場景，采用可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源自適應(yīng)調(diào)節(jié)架構(gòu)，支撐大規(guī)模多類型靈活資源分層聚合自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，實(shí)現(xiàn)多元場景下邊緣端控制。

第五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是電力供需互動管理平臺。形成多層級、可視化、大規(guī)模靈活資源供需互動管理平臺，具備分層分級分區(qū)管理、調(diào)度多樣化源荷互動資源，滿足區(qū)域電力系統(tǒng)的雙向協(xié)調(diào)優(yōu)化與聚合控制。

第六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是電力供需互動邊緣控制終端。基于云邊協(xié)同的多源異構(gòu)系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步機(jī)制，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化多主體控制框架與自適應(yīng)調(diào)控策略，并將其嵌入互動控制終端，使用戶數(shù)據(jù)信息根據(jù)業(yè)務(wù)的需求自動流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對連續(xù)、離散負(fù)荷和大型復(fù)雜負(fù)荷的快速、精確、經(jīng)濟(jì)控制。

展望未來，王成山認(rèn)為，還有許多供需互動技術(shù)需要進(jìn)一步探索，例如推動基于大數(shù)據(jù)大模型的應(yīng)用、著力提升工業(yè)高載能負(fù)荷靈活性、居民類海量負(fù)荷供需互動、工商業(yè)建筑光-儲-直-柔互動模式的探討，構(gòu)建切實(shí)有效的車網(wǎng)雙向互動體系、推動共享儲能、虛擬電廠等技術(shù)的大范圍、規(guī)模化應(yīng)用等。

“由于供需互動技術(shù)直接涉及廣大用戶，市場機(jī)制、互動模式、技術(shù)架構(gòu)、硬件和軟件系統(tǒng)都需要不斷創(chuàng)新并落地實(shí)施，雖然難度大但市場前景廣闊。”王成山總結(jié)道。