目前的一種常見思維是，當建設了足夠多的可再生能源發電裝置後，碳排放問題就自然而然的得到了解決，我們就能實現“碳中和”。
這顯然不可能。
事實上，大量的新能源發電裝置的接入，會對當前的電網造成很大影響——放大燈在《如何從零造一臺風力發電機》一文中就描述過，能源結構中高佔比的風光電如何惡化了我國東北與美國得州的用電危機。因此，關於新能源併網，絕不是一個簡單的“越多越好”的二元問題。
針對新能源發電的管理，2021年3月，中央財經委員會第九次會議上指出“要著力提高利用效能，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”——這正是解決方案。
“以新能源為主體的新型電力系統”是什麼？有什麼特徵？要實現需要做些什麼？在哪些領域有更多的機會？本文將對這些問題一一解答。
凌霜微雨 | 特約作者
陳悶雷 | 編輯
放大燈團隊 | 策劃
什麼是以新能源為主體的新型電力系統
目前，新型電力系統仍然沒有官方的明確定義，但各方共識基本集中於“新能源為主體”，這意味著我國電力系統的新能源佔比未來將達到50%以上。
從發展階段來看，“以新能源為主體”將分為兩個主要階段：
- 新能源裝機佔50%以上；
- 新能源發電量佔50%以上。
然而在現階段，從裝機量看，2020年我國電源總裝機22億千瓦，其中風、光、生物質共佔比26%；可如果從發電量來看，風、光、生物質的佔比迅速跌到11%，與目標差距很大，可見未來的很長一段時間，大力發展風、光等新能源將成為構建新型電力系統的當務之急。
中國電源結構（資料來源《中國能源發展報告2020》）
相對來說，只要考察的當，建設加速，以我國的新能源基建水平，將裝機容量快速提升至50%水平並不困難。預計到2025年，可再生能源（含水電）裝機就將超過50%，而到2035年，新能源的裝機佔比就可以提升到50%以上。
與裝機相比，新能源的發電想達到50%以上則是一個更為長期、艱鉅的任務，因為風、光等新能源本身就具有不確定性，其利用小時數遠低於火電：統計資料顯示，風電的年發電利用小時數約是火電的一半左右，光伏則更低，所以為了發同樣的電，需要的新能源裝機容量可能是火電的兩到三倍。
資料來源：能源研究俱樂部
然而如果新能源的佔比真的如此之高，將給電力系統帶來一系列艱鉅的挑戰。
新型電力系統建設面臨的挑戰
不確定性帶來的平衡難題
從下圖可以看出，新能源有很強的波動性，出力忽大忽小；同時新能源天然也具有不確定性，你用電的時候不一定有風吹、有光照。當前電網中，新能源的佔比還不高，火電機組就全權負責承受這種波動和不確定性：風光發電少了，火電就多發電。風光發電多，火電就少發電。
但是未來呢？如果新能源成為了我們最主要的電源，又該如何解決問題？
調節能力缺陷干擾電網穩定性
電力系統想正常執行，就涉及了兩個重要的穩定概念：頻率穩定，電壓穩定。而傳統的同步發電機是維持這兩個穩定性的最大支柱。但風、光等新能源並不具備傳統發電機維持電壓和頻率的能力，甚至接入會消耗大量無功，還可能破壞電力系統的穩定，為電力系統的安全帶來風險。
頻率穩定：
是指電力系統受到嚴重擾動後，發電和負荷需求出現大的不平衡，系統仍能保持穩定頻率的能力，主要由同步發電機中的調頻裝置負責。
頻率與發電機的轉速息息相關，一般的電機一般會維持3000轉/分鐘（1對極，50轉/s），或1500轉/min（2對極，25轉/s）的轉速，對應的則是電網供電的50Hz交流電。當供電的功率比用電功率低的時候，發電機的轉速就會下降，將發電機巨大轉子（可參考下圖）裡儲存的一部分動能轉化為電能供給到電網裡，轉速下降帶來的就是電壓頻率的下降，例如降低到49.8Hz，此時頻率調節機構就會開始啟動，對於火電廠就加大蒸汽的流量、對於水電廠就增加水流的流量，來輸出更多的功率，讓發電機加速，繼而維持50Hz的頻率。
然而，風電、光伏往往靠天吃飯，當頻率下降的時候，沒有額外的方式可以讓他們輸出更多的功率，其頻率調節能力遠遠低於傳統火電機組。
電壓穩定：
是指處於給定執行點的電力系統在經受擾動後，維持所有節點電壓為可接受值的能力。它依賴於系統維持或恢復負荷需求和負荷供給之間平衡的能力。
發電機組在發電時，除了輸出有功功率外，還會輸出無功功率，而無功功率則是維持電力系統電壓的核心。然而，風電、光伏基本上不具備為電網提供無功功率的能力，或者只能提供非常少的無功功率，在很多時候可能還需要從電網吸收無功才能維持執行，這就降低了電網電壓的穩定性。同時，風、光發電的輸出功率波動很大（由於風、光資源不穩定），功率發生變化也就會帶來電壓的波動，這會讓電網電壓更加的不穩定。
電力電子裝置接入的系統性問題
傳統的電力系統及其分析理論建立在所有電源都是同步發電機的基礎上，也就是說我們的分析與調控手段都是基於發電機轉速下降/上升，線圈的磁場如何變化來制定的。
但新能源作為電源，他們依託了大量電力電子裝置進行發電，比如雙饋非同步風力發電機、永磁直驅風力發電機裡面都含有電力電子部件，而光伏的逆變器更是純電力電子裝置，當這些裝置成為主流後，建立在“發電機轉子轉動慣量”“線圈磁通磁導”這樣概念上的分析理論將不再適用，以往的調控方式也將難以應用於這樣的新型電力系統。
例如我們前面說過，發電機擁有巨大的轉子，裡面在正常轉動時儲存了大量的動能，也就是所謂的“慣性”。當功率不足時，發電機轉速下降，但損失的動能會變成電能繼續供電，這就為調節爭取了時間，但像光伏這樣的新能源根本就沒有“轉子”，更無從談起所謂的“慣性”了，所以原來的調節方式將不再適用，這也讓新能源佔比很高的電力系統變得異常脆弱。
新型電力系統建設的主要方向
上文我們提到了電力系統面對的新問題，那麼如何解決這些問題？這就需要做好三件事：看的準、調得動、儲得住。
看得準
可再生能源的不確定性帶來了新型電力系統中的很大一部分問題，那麼最直接的思路自然是賦予電網確定性，也就是提高對發電能力預測的準確性。
舉個例子，電網可以知道明天下午3:00風光端發不出電，就可以提前給旁邊的煤電廠打個電話，告訴對方在這一時段提高多發電來彌補缺口。
電力預測是門技術活，需要結合氣象、大資料分析、人工智慧等一系列的新技術。事實上我們國家每個風電場併網，都要求他們對自己的功率進行預測，並且規定了必須達到的預測精度，每個省各有不同。下圖是國家能源局東北監管局釋出的關於風電預測準確性的考核。
而且要知道，如果預測總出錯，是要罰錢的！例如河北南部電網，2021年2月風電場考核總費用就達到了422.54萬元，所以風光電廠往往有很強的動力去提升自己的預測精度。
那麼要如何進行預測呢？從技術角度說，我們可以將預測按照時間進行分類，分為超短期功率預測、短期功率預測、中長期功率預測三類。不同預測的特點與適用範圍，以及對應的典型方法如下所示：（節選於《中國電機工程學會專題技術報告2018 下卷 新能源發電功率預測技術》）
其中典型方法具體的方式如下：
（1）持續法：持續方法是以當前時刻實測功率值作為未來時刻預測功率的風電功率預測方法。其模型簡單，預測精度隨預測時間增加而迅速下降，通常適用於時間尺度較短的預測。
（2）物理法：物理方法的原理是根據風電場周圍的地形地貌資訊和物理資訊，採用微觀氣象學理論或流體力學方法，建立起符合風電場氣象特徵資訊的流體力學模型，然後採用該模型預測風電機組輪轂高度的風速、風向等資訊，進而預測風電場的功率。
（3）統計方法：統計方法不考慮風速變化的物理過程，以對歷史統計資料和NWP資料的分析研究為基礎，建立NWP資料與風電場輸出功率之間的對映關係。該方法直接利用NWP資料對風電場輸出功率進行預測。統計方法同時適用於超短期、短期和中長期預測，進行超短期風功率預測時只需使用歷史資料，短期和中長期預測時要使用歷史資料和NWP資料。統計方法相對物理方法而言更加簡單、使用的資料單一，但對突變資訊的處理能力較差。
（4）人工智慧方法：屬於統計方法，但更為先進。人工智慧方法需要大量的歷史觀測資料來建立模型，但其具有模型修改方便、精確度高的持點。人工智慧方法同時適用於超短期、短期和中長期預測，進行超短期風功率預測時只需使用歷史資料，短期和中長期預測時要使用歷史資料和NWP資料。
調得動
另一方面，既然風光總是波動來波動去，那電網是不是能跟上波動就行了呢？現在依靠大量的煤電去調節，未來煤電雖然越來越少，但是我們可以去找新的資源調節。
需要明確的是，其實煤電並不是一種非常好的調節資源。首先是它的調節範圍並不大，現有傳統煤電的調峰深度大概在50%左右，也就是說一臺滿發100MW的發電機，它的輸出功只能維持在50MW~100MW，低於50MW就要停機。東北常見的供熱機組的調峰深度更是隻有30%，基本上沒有調節空間。
其次是變的慢，火電的爬坡速度約是1.5%~3%/min，也就是100MW的機組，每分鐘最多變化1.5MW~3MW的出力，非常緩慢。相比之下水電的爬坡速率可以達到50%~100%/min，天然氣發電也有20%/min，調節能力都比火電強（核電的調峰能力更差）。之前依靠煤電數量多才壓住了新能源的波動性，用10臺機組，調1臺的波動，未來隨著煤電越來越少，這種情況一定要改變。
我從《2030年前碳達峰行動方案》（以下簡稱行動方案）中，節選了部分與之相關的材料：
“因地制宜開發水電。積極推進水電基地建設，推動金沙江上游、瀾滄江上游、雅礱江中游、黃河上游等已納入規劃、符合生態保護要求的水電專案開工建設，推進雅魯藏布江下游水電開發，推動小水電綠色發展。推動西南地區水電與風電、太陽能發電協同互補。統籌水電開發和生態保護，探索建立水能資源開發生態保護補償機制。“十四五”“十五五”期間分別新增水電裝機容量4000萬千瓦左右，西南地區以水電為主的可再生能源體系基本建立。”
“大力提升電力系統綜合調節能力，加快靈活調節電源建設，引導自備電廠、傳統高載能工業負荷、工商業可中斷負荷、電動汽車充電網路、虛擬電廠等參與系統調節，建設堅強智慧電網，提升電網安全保障水平。”
可以看到，國家點名了要“因地制宜”的“積極”發展水電，但完全沒提氣電，只是籠統的說了一句“加快靈活調節電源建設”。
這是因為水電是非常棒的資源，清潔無汙染，調節能力強，其實是未來的首選電源，但是我們國家的水電開發成績有目共睹，事實上開發已經非常充分了。根據測算，我們國家可開發水電5.41億千瓦，經濟可開發裝機4.02億千瓦，但根據2020年的資料，已經裝機的水電大概是3.3億千瓦，也就是說具有經濟性的可開發容量已經開發了82.1%，因此我們只能“積極”的根據具體情況，“因地制宜”去找到還未被開發的水電資源進行開發。
至於天然氣發電雖然很優秀，但不幸的是我國的燃氣非常依賴進口。2020年我國天然氣消費3288億立方米，其中進口1400億立方米，佔消費量的42.57%，而工業用氣1240億立方米，城市燃氣消費量1205億立方米——也就是說如果進口被卡脖子，我們正常家裡炒菜做飯取暖都會受影響，更不要說發電了。因此雖然氣電效能很好，但不是未來發展的重點。
那麼除了電源我們還有沒有其他的調節方式呢？檔案中說：“引導自備電廠、傳統高載能工業負荷、工商業可中斷負荷、電動汽車充電網路、虛擬電廠等參與系統調節”，又是什麼意思？
上面的內容除了自備電廠外和虛擬電廠外，基本都是去透過引導我們怎麼用電，來提升調節能力。電力系統是雙向的，電源負責發電，使用者負責用電，發電和用電總是平衡的。
如果電源發電一會高一會低要怎麼辦？“傳統高載能工業負荷、工商業可中斷負荷”參與調節的方式就是“少用電”，電網可以提前與一些工廠籤協議，給你錢或者電價優惠一點，但是在我讓你少用電的時候你必須要少用電，這就增加了電網的調節能力。
電動汽車充電網路則是利用海量電動汽車充電的功率進行調節，電多的時候功率大一點，電少的時候功率小一點，甚至在特殊情況下讓電動汽車作為儲能電池給電網供電。
“虛擬電廠”則更加複雜。我們可以將屋頂上的分散式光伏、小風電、儲能電池以及上文提到的各類系統統一排程，在電網看來這就像是一個電廠，電網給你下命令，你今天下午3點，必須發500千瓦的電，這個時候這個虛擬電廠就算來算去，發現下午光伏可以發300千瓦，我們手裡的負荷可以少用100千瓦的電（少用電等於發電），儲能可以再發100千瓦，齊活~透過這樣底層的協調控制，像一個電廠一樣參與到電網的執行裡，不是電廠、勝似電廠，所以叫“虛擬電廠”。
儲得住
在《行動方案》裡，還提到：“積極發展‘新能源+儲能’、源網荷儲一體化和多能互補，支援分散式新能源合理配置儲能系統。制定新一輪抽水蓄能電站中長期發展規劃，完善促進抽水蓄能發展的政策機制。加快新型儲能示範推廣應用。”
概括來說，就是重要的儲能說三遍。
儲能堪稱是為新型電力系統量身訂做的調節方式，多的時候可以充電，少了可以放電，其他調節往往是單向的，只能選擇少發電或多發電，負荷只能選擇少用電或多用電，而儲能則可以選擇到底發電還是用電，調節能力極強。
由於儲能本身也是一個大型產業鏈，涉及技術眾多，我們將在後續文章詳述，本文受篇幅所限不再進一步展開。
