電力安全是能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的底線。近年來，世界多國電力安全問題頻發(fā)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)成為能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求，也是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。新型電力系統(tǒng)以確保能源電力安全為基本前提，具有電力電源清潔化，電力系統(tǒng)柔性化、數(shù)字化、電力電子化的內(nèi)在本質(zhì)特征。
中國工程院湯廣福院士研究團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第2期發(fā)表《能源安全格局下新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略框架》一文。文章結(jié)合我國能源安全轉(zhuǎn)型面臨的新形勢、新挑戰(zhàn)，明確了能源安全涉及的供給、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、科技等方面的內(nèi)涵;探討了能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標(biāo)與戰(zhàn)略路徑，闡述了新型電力系統(tǒng)對于能源安全的重要性;剖析了影響新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲能、市場、技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章認(rèn)為，需從應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御3 個層面著手，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展所需的核心體系;進(jìn)一步提出了新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑研究的基本思路，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及安全發(fā)展研究提供基礎(chǔ)參考。
一、前言
黨的二十大報告提出，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和(“雙碳”)，深入推進(jìn)能源革命，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，確保能源安全。目前，我國是世界第二大石油消費國、第三大天然氣消費國;作為高碳能源類型的煤炭仍處核心消費能源地位，加之國際形勢復(fù)雜多變、消費能源價格高企，我國從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型過程具有顯著的復(fù)雜度和挑戰(zhàn)性。能源安全作為能源綠色轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基本前提，與環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全等密切相關(guān)，對國家經(jīng)濟(jì)、社會、外交等具有不容忽視的影響。
電力安全是能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的底線。近年來，世界多國電力安全問題頻發(fā)，如烏克蘭電網(wǎng)系統(tǒng)遭網(wǎng)絡(luò)攻擊而中斷(2015年)、美國得克薩斯州大停電(2021年)、我國東北部分地區(qū)拉閘限電(2021年)、我國四川省大規(guī)模高溫限電(2022年)等。2021年3月，我國首次提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，這是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。新型電力系統(tǒng)以確保能源電力安全為基本前提，具有電力電源清潔化，電力系統(tǒng)柔性化、數(shù)字化、電力電子化的內(nèi)在本質(zhì)特征。隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級不斷加快，一次能源特性、電源布局功能、電網(wǎng)形態(tài)規(guī)模、負(fù)荷結(jié)構(gòu)特性等都發(fā)生深刻變化;新能源的強(qiáng)不確定性、低保障性、電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)、多能源融合、信息網(wǎng)絡(luò)防御等因素，都與新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定發(fā)展密切關(guān)聯(lián)。
近年來，針對國內(nèi)外頻繁發(fā)生的電力安全事故問題開展了一些研究分析。在電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻方面，因高比例新能源的接入，電力系統(tǒng)慣量與以常規(guī)發(fā)電機(jī)組為主體的系統(tǒng)相比大幅降低，出現(xiàn)擾動或故障時的電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡出現(xiàn)變化，而慣量對電網(wǎng)的支撐能力不足可導(dǎo)致系統(tǒng)啟動低頻減載等措施;如英國“8·9”大停電事故、歐洲大陸同步電網(wǎng)“1·8”解列事故的研究表明，需提升電源側(cè)抗干擾能力，合理配置系統(tǒng)保護(hù)資源，加強(qiáng)電網(wǎng)頻率特性及調(diào)頻能力。在應(yīng)對極端天氣方面，結(jié)合美國得克薩斯州大停電事故分析，提出了我國新能源在適應(yīng)氣候環(huán)境、電力互濟(jì)能力、電力預(yù)測與調(diào)度技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系制定等方面的發(fā)展建議。在電網(wǎng)形態(tài)構(gòu)建方面，分析了我國電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展中存在的穩(wěn)定性問題，提出了交 / 直流聯(lián)合運行3種發(fā)展模式并以“交流分區(qū)+直流組網(wǎng)”為優(yōu)。
隨著高比例新能源、高度電力電子化新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行不僅面臨來自源側(cè)、網(wǎng)側(cè)變化的直接挑戰(zhàn)，而且受到荷、儲、市場、技術(shù)等新增關(guān)鍵因素的影響。因此，為了實現(xiàn)能源有序低碳轉(zhuǎn)型、新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展，需立足國家能源安全的宏大背景，聚焦源、網(wǎng)、荷、儲、市場、技術(shù)等主要影響因素，深入探討新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的戰(zhàn)略架構(gòu)。針對于此，本文解析能源轉(zhuǎn)型形勢下的能源安全內(nèi)涵，明確能源安全轉(zhuǎn)型的目標(biāo)、路徑、支撐，分析能源安全與新型電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)系;提出反映源、網(wǎng)、荷、儲、市場、技術(shù)六大影響因素，包含應(yīng)急預(yù)警、共享互濟(jì)、安全防御三大技術(shù)體系的新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略框架，以期促進(jìn)新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展、高質(zhì)量建設(shè)等研究。
二、能源安全與新型電力系統(tǒng)發(fā)展
(一)能源安全的內(nèi)涵與能源轉(zhuǎn)型發(fā)展
1. 能源安全的內(nèi)涵
20世紀(jì)70年代，因石油危機(jī)研究提出了能源安全概念;隨后逐步形成了更為綜合的能源安全概念，主要包括能源資源的可利用性，能源資源的可獲得性，環(huán)境的可接受性，能源成本的可承受性。在全球能源轉(zhuǎn)型的新形勢下，因極端天氣、科技發(fā)展、地緣政治等因素影響，全球能源供應(yīng)問題頻發(fā)，如價格波動、供應(yīng)趨緊等，能源安全韌性的不足得以充分暴露。當(dāng)前，我國進(jìn)入了能源轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，能源安全要求常態(tài)情況下的“長久安全”、極端情況下的“自主可控”;具體而言，可從供給安全、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)安全、科技安全四方面把握其核心內(nèi)涵。
供給安全是能源安全的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，石油供應(yīng)是能源安全供應(yīng)的核心內(nèi)涵;而當(dāng)今的能源體系，品種范圍擴(kuò)展至多種其他能源，納入了能源供應(yīng)鏈及基礎(chǔ)設(shè)施，同時供給安全涉及的范圍擴(kuò)大至社會穩(wěn)定、地緣政治、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)福利等。我國作為世界最大的能源消費國，面臨著較為嚴(yán)峻的能源安全形勢。
① 傳統(tǒng)能源供應(yīng)風(fēng)險增大，油氣消費對外依存度居高不下，2021年的能源對外綜合依存度達(dá)到20%(其中原油、天然氣消費分別超過70%、40%)，油氣消費的持續(xù)增長將放大傳統(tǒng)能源安全風(fēng)險。
?、?新能源的安全風(fēng)險逐步顯現(xiàn)，能源系統(tǒng)受極端氣候的影響更為明顯，如2022年夏季四川省面臨持續(xù)高溫，水電日發(fā)電能力下降超過50%，全天電力電量“雙缺”，每天外省入川支援電力約6×106kW仍無法對沖電力缺口。
?、?未來新能源規(guī)模的擴(kuò)大，對礦產(chǎn)資源的需求保持高速增長并將呈現(xiàn)多樣化，而部分關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的對外依存度已超過80%。
環(huán)境安全是在適應(yīng)生存的基礎(chǔ)上反映人與環(huán)境和諧程度的量度，兼顧能源系統(tǒng)的綠色低碳發(fā)展才能更好實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)?；茉慈紵a(chǎn)生的大量SO2、煙塵等氣體和固體污染物，導(dǎo)致霧霾、酸雨、土壤、水資源污染等現(xiàn)象。以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)帶來了溫室氣體排放量的持續(xù)增加，我國2021年能源產(chǎn)生的CO2排放量約為1.087×1010 t，占世界總量的32.1%;加之碳中和過程的窗口期偏短(全球從碳達(dá)峰到碳中和平均用時為53年，我國僅有30年時間)，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)可謂時間緊、任務(wù)重。此外，我國的單位國內(nèi)生產(chǎn)總值產(chǎn)生的CO2強(qiáng)度較高，主要原因是煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，如2021年煤炭在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到56%。整體來看，“偏煤”的能源結(jié)構(gòu)凸顯了減碳與保供的矛盾，能源轉(zhuǎn)型節(jié)奏把握難度較大，局部地區(qū)易因煤電供應(yīng)不足出現(xiàn)規(guī)模性的“拉閘限電”。
經(jīng)濟(jì)安全指妥善解決能源價格日益上漲、穩(wěn)定能源價格需求迫切之間的矛盾。近年來，受產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國際形勢等因素的影響，能源價格波動幅度加大，一次能源、關(guān)鍵礦產(chǎn)資源價格高啟，抬高了能源轉(zhuǎn)型成本，如鋰的價格快速和大幅波動(1年時間價格上漲7倍多)。能源體系中新能源占比的提升推動了終端用能成本的增長，而隨著碳市場的深化發(fā)展，化石能源使用成本也將隨之走高，直接影響經(jīng)濟(jì)市場體系的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
科技安全是能源安全的根本保障。當(dāng)前，我國能源安全的重點領(lǐng)域中存在諸多技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，如煤炭清潔利用與轉(zhuǎn)換，新能源核心技術(shù)，先進(jìn)核電技術(shù)，智能電網(wǎng)，智慧礦山，氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)與裝備，天然氣上游勘探開發(fā)，現(xiàn)代煤化工(技術(shù)、裝備、催化劑)等。著力補(bǔ)齊能源發(fā)展的技術(shù)短板，引領(lǐng)新興領(lǐng)域前沿技術(shù)發(fā)展，才能保障能源科技自主可控與高質(zhì)量發(fā)展。
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