碳中和背景下建设以新能源为主体的新型电力系统的研究及展望

碳中和背景下建设以新能源为主体的新型电力系统的研究及展望

陈鹏

国电南瑞能源有限公司   江苏 南京   210000

摘要：随着碳中和成为全球能源发展的主要趋势，建设以新能源为主体的新型电力系统已经成为当务之急。本文通过概述碳中和的背景，分析当前电力系统存在的问题，探讨以新能源为主体的新型电力系统的特点，以及关键技术与装备的发展，提出有关政策建议，展望了未来电力系统的发展前景。

关键词：碳中和，新能源，电力系统，关键技术，政策建议

引言：随着全球气候变化的日益严重和碳排放问题的突出，碳中和成为了全球范围内的关注焦点。为了应对气候危机和减少温室气体排放，各国纷纷承诺实现碳中和，即将净碳排放降至零或负值。在这一背景下，电力系统作为关键的碳排放来源，需要进行深刻的改革和升级。

1、碳中和背景概述

碳中和是一项迫切的全球行动，旨在应对气候变化和环境保护的紧迫挑战。这一概念的核心思想是通过采取一系列措施，将碳排放量降至零或甚至负值，从而实现对大气中温室气体浓度的控制[1]。全球气温上升、极端天气事件增多以及生态系统威胁等问题，使碳中和成为了国际社会的共同目标和应对气候危机的战略之一。电力系统在碳中和过程中扮演着至关重要的角色，因为电力产业是温室气体排放的主要来源之一。比如：每节约1度(千瓦时) 电

= 节约 0.404 千克标准煤 (即电力折标煤的等价值)

= 减排 0.272 千克碳

= 减排 0.997 千克二氧化碳 (CO2)

= 减排 0.03 千克二氧化硫 (SO2)

= 减排0.015 千克氮氧化物 (NOX)

如果以标准煤计节约1 千克标准煤 = 减排 2.493 千克"二氧化碳”= 减排 0.68 千克"碳1千克原煤 = 0.7143 千克标准煤。为实现碳中和目标，电力系统需要采用清洁能源、提高能源效率、减少碳排放，并积极参与碳汇项目，以达到在生产和消费环节均实现碳中和的目标。电力系统的碳中和不仅对减少温室气体排放具有重要意义，还有助于提高能源的可持续性和可靠性。新能源技术的不断发展和可再生能源的广泛应用，使电力系统更加环保、高效和灵活，能够更好地应对负荷波动和能源供应的挑战。

2、当前电力系统存在的问题

2.1 碳排放问题

传统的电力系统主要依赖于化石燃料，如煤炭、石油和天然气，这些燃料的燃烧会释放大量的二氧化碳和其他温室气体到大气中。这些温室气体是主要的气候变化因素之一，导致全球气温上升、极端天气事件增多和海平面上升等问题。碳排放的问题已经引起了国际社会的广泛关注，碳中和成为了切实应对气候变化的紧急行动。

2.2 能源不稳定性

新能源如风能和太阳能具有间歇性和不稳定性，其能源产出受到气象条件和时间因素的限制。这种不稳定性对电力系统的运营和规划构成了挑战，因为电力供应需要始终满足需求，而不稳定的新能源可能无法持续提供所需的电力。这也可能导致电力系统的不稳定，影响供电的可靠性。

2.3 环境影响

传统电力系统的建设和运营对环境造成了多方面的影响。电厂的建设需要大量土地和资源，导致土地占用和生态破坏。电力生产过程消耗大量的水资源，可能导致水资源的短缺。此外，电力系统的运营产生废弃物和污染物，对周边环境造成负面影响[2]。因此，新型电力系统需要更加环保和可持续，减少对自然环境的不利影响，更好地保护生态系统。

3、以新能源为主体的新型电力系统特点

3.1 推进电气化进程

以新能源为主体的新型电力系统的一个显著特点是积极推进电气化进程。这意味着电力将成为更多领域的首选能源，取代传统的燃烧能源。电气化涵盖了交通、工业、建筑和家庭等多个领域，使电力需求大幅增加。同时，电动交通工具、智能家居和工业自动化等新兴应用也将电力作为主要能源。这种电气化趋势将促进新能源的大规模利用，同时也需要新型电力系统具备更高的可靠性和适应性，以满足电力需求的不断增长。

3.2 促进电力系统转型

新型电力系统的另一个显著特点是促进电力系统的转型。这包括从传统的中心化电力生产向分布式能源生产的转变，以及从基于化石燃料的电力向清洁能源的转型。分布式能源系统将新能源如太阳能和风能引入城市和乡村，减少了对远距离输电的需求，提高了电力系统的弹性。清洁能源的广泛应用将有助于减少碳排放，降低环境影响。电力系统的转型需要新的技术和设备支持，例如智能电网、高效储能系统和智能电表等。这种转型也有助于提高电力系统的可持续性，实现碳中和和可再生能源目标。

4、新型电力系统的关键技术与装备

4.1 源网荷储双向互动技术

传统电力系统通常是单向的，电力从发电厂通过输电线路传输到终端用户。这项技术的一个主要特点是双向电力流动。传统电力系统中，电力只能从发电厂流向用户，而新能源系统产生的电力可以双向流动。这意味着电力可以从用户处返回电网，从而形成电力的双向交换。当新能源系统产生的电力超过用户的需求时，多余的电力可以注入电网，供其他用户使用。相反，当用户需要更多电力时，他们可以从电网获取所需的电力。这种双向流动的能力使电力系统更加灵活，能够更好地应对能源波动和负荷变化。此外，源网荷储双向互动技术还支持能源储存系统的应用。电力系统可以将多余的电力用于充电能源储存设备，如电池。这些储能设备可以在需要时释放储存的电力，以平衡供需，提高电力系统的稳定性。储能技术还有助于应对太阳能和风能等新能源的不可预测性，确保电力系统的可靠供电。

4.2 虚拟同步发动机技术

虚拟同步发动机技术代表着新型电力系统的一项创新，其重要性不容忽视。这项技术应对了新能源，尤其是风能和太阳能的特殊特点，即其间歇性和不稳定性。在传统电力系统中，电力是通过同步发电机产生的，这些发电机具有稳定的电压和频率控制，能够确保电力系统的稳定运行。然而，新能源的引入改变了这种情况，因为它们的电力产生与天气条件和日夜变化等因素密切相关，导致电力的波动性较大。

虚拟同步发动机技术的核心目标是通过智能控制和电力电子装置，模拟和控制电力系统的运行，使其表现得像传统同步发电机一样。这种仿真效应让电力系统能够保持稳定的电压和频率，从而维护了电网的稳定性。这是至关重要的，因为电力系统的稳定性直接关系到供电的可靠性和质量。

虚拟同步发动机可以迅速调整其输出，以适应电网的波动，包括电压和频率的调节。这使得电力系统更具灵活性，能够在需求发生变化时迅速作出反应，确保电网的稳定供电。这对于整合大规模新能源发电至关重要，因为这些能源的电力产生常常呈不规则的模式，需要有一个可靠的机制来平衡供需。此外，虚拟同步发动机技术还具备调频和调压的功能。这意味着它可以帮助维持电网的电压和频率在合理的范围内，不受外部因素的干扰。

4.3 长周期储能技术

随着清洁能源如太阳能和风能的增加，电力系统面临着电力供需之间的不匹配和不稳定的挑战。而长周期储能技术则提供了一种有效的方法，可以储存多余的电力，并在需要时释放，以平衡电网供需，维持电力系统的稳定运行。

这项技术的多种形式包括液态空气储能、重力储能、抽水蓄能等，它们都具备高容量的特点，可以存储大量电能。液态空气储能技术将电能转化为压缩的空气，然后将其存储在储气罐中，需要时通过释放压缩空气来发电。重力储能则利用高低水平的地势差，将电能转化为势能，然后通过释放势能来产生电力。抽水蓄能技术则利用水的上升和下降来存储和释放电能。这些储能技术都具备较长的周期，可以在数小时甚至数天内释放电能，使其成为解决电力系统波动性的理想选择。长周期储能技术的应用有助于提高电力系统的可靠性和可用性。它们可以用来弥补新能源的不稳定性，确保电力供应连续和稳定。

4.4 信息技术与智能化技术

信息技术和智能化技术的应用是新型电力系统的重要组成部分，对于电力系统的现代化和智能化发展起着关键作用。

首先，信息技术的应用使电力系统能够实现远程监测和实时数据分析。通过远程监测，运营人员可以实时监控电力系统的运行状态，及时发现并解决问题[3]。实时数据分析则可以帮助运营人员更好地理解电力系统的性能，预测需求变化，并进行运营决策。这些功能有助于提高电力系统的响应速度和决策效率，减少了潜在故障和问题的发生。

其次，智能化技术如人工智能和大数据分析可以帮助电力系统更好地优化运行。人工智能可以用于预测电力需求、优化电力分配和调整发电计划。大数据分析则可以分析大量数据，识别潜在问题和趋势，帮助决策制定者做出更明智的决策。这些技术的应用可以提高电力系统的效率，减少浪费，降低运营成本，同时还有助于提高电力系统的可靠性和安全性。

最后，信息技术和智能化技术的应用支持电力系统的智能化发展。智能电表、智能变电站和智能配电设备等智能化装置的广泛应用使电力系统能够更灵活地管理电力流动，适应新能源的整合和管理。这些装置可以根据实时需求调整电力分配，实现电力系统的自动化运行。

5、有关政策建议

5.1 建设电为中心的现代能源体系

为了推动以新能源为主体的新型电力系统的建设，政府和相关部门应积极推动建设以电为中心的现代能源体系，这是一个对能源领域的全面转型和升级。第一，电力作为清洁、高效的能源形式，应被视为未来能源体系的核心。通过提高电力在综合能源中的比重，可以减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，实现碳中和的目标。第二，为了适应新能源的整合和管理，需要对电力系统进行先进的技术升级。这包括建设智能电网、加强电能存储技术、提高电力系统的稳定性和可靠性。第三，政府可以制定碳定价政策，鼓励电力系统减少碳排放，推动清洁能源的发展和利用。此外，建设以电为中心的能源体系还需要加大对可再生能源的支持，包括风能、太阳能、水能等。政策制定者可以提供补贴和激励措施，降低新能源的成本，促进其在能源供应中的比重提高。

5.2 加大创新发展力度

政府应该增加对电力系统创新研究的资金投入，特别是对于那些具有长期影响和战略重要性的项目。这可以通过设立专项科研基金、创新奖励计划以及与私营部门的合作来实现。资金的充足投入将为科学家、工程师和企业提供更多资源，推动电力系统技术的不断突破。

新型电力系统需要涵盖多个领域的关键技术，包括电能存储、智能电网、新能源利用、电力传输和分配等。政府可以设立科研项目，鼓励科学家和工程师在这些领域进行前沿研究。此外，政府还可以促进产学研合作，加强技术创新的转化和应用，将研究成果快速转化为实际产品和服务。

5.3 共建“双碳”目标下合作共赢的生态圈

这一生态圈的核心目标是共同努力实现“双碳”目标，即减少温室气体排放并推动碳中和。为了建立这样的生态圈，各国政府应积极合作，制定一致的政策和法规，推动清洁能源的发展和利用。此外，各国政府还可以加强技术合作，共同研发和推广低碳技术，以降低温室气体排放。跨国公司可以加强国际合作，建立全球供应链，推广可持续生产和运营方式，减少碳排放。此外，企业还可以共同投资于清洁能源项目，支持碳中和目标的实现。社会团体和非政府组织可以起到促进和监督的作用，推动政府和企业履行承诺，确保“双碳”目标得以实现。国际合作是共建“双碳”目标下合作共赢的生态圈的关键。各国政府可以签署国际协议和合作框架，建立碳市场和碳交易机制，促进跨国碳排放权的交换和流通。

结束语：

以新能源为主体的新型电力系统是实现碳中和目标的关键环节，它将推动电力系统的升级和转型，提高能源利用效率，减少碳排放，保护环境。通过关键技术和政策的支持，新型电力系统将成为未来电力领域的发展趋势，为可持续能源未来做出贡献。

参考文献：

[1]侯海霞. 打造以新能源为主体的新型电力系统示范区[N]. 韶关日报,2023-01-11(A01).

[2]潘挺.数字化技术在以新能源为主体的新型电力系统中的运用[J].电子元器件与信息技术,2022,6(11):10-13+21.

[3]肖先勇,郑子萱.“双碳”目标下新能源为主体的新型电力系统：贡献、关键技术与挑战[J].工程科学与技术,2022,54(01):47-59.