陈皓勇：碳中和目标下的电力系统和电力市
场转型
世界经济的快速发展，推动了世界能源消费的不断增长。近年来，由于人类对化石能源的过度开采和使用，化石能源走向枯竭，同时大量碳排放导致温室效应日益加重。为应对能源危机和全球变暖，世界各国纷纷作出承诺，将加强对清洁能源的开发，降低吴庭艳
二氧化碳排放量。碳中和是指个体或系统在一定时间内，直接或者间接回收的碳氧化物量大于或等于其所排放的碳氧化物量，即碳氧化物的静排放量小于或者等于零。碳中和联盟（Carbon Neutrality Coalition，CNC）的国家和地区作为碳中和社会的探索先驱者，通过制定法律或政策以尽早实现《巴黎协定》的碳中和目标。中国国家主席习近平在9月22日召开的第七十五届联合国大会一般性辩论上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”随着工业生产及交通行业的电气化程度增高，电力能源在终端能源消费的占比日益增大，电力行业在节能减排上承担主要责任。为实现碳中和目标，电力系统需要在发电侧对能源结构进行改革，淘汰或改造已存碳排放量高的化石能源热发电机组，加大对水能、核能、风能、太阳能等清洁能源的投资和开发。自21世纪以来，风能、太阳能、生物质能等无污染、可再生、环境友好的新能源吸引了各国研究牡丹花工笔画
人员对其开采和发电技术的研究，其中风能、太阳能尤甚。自然界蕴含丰富的风能和太阳能，开采潜能足以满足未来人类对能源的需求。对新能源的开发在一
定程度上降低了世界碳排放量的增长速度，但是短时间内仍无法弥补人类对能源需求快速上涨所造成的碳排放增长。对火力发电机组的改造是另一条节能减排的渠道，通过对燃料所产生的二氧化碳进行回收和封存，可以实现发电机组整体的碳零排放。清洁能源的大量开发以及旧煤电机组的淘汰推动传统电力系统能源结构向碳中和电力系统发展的同时，也面临着一些社会、经济和技术难题。特别是风能、太阳能发电属于不可控发电，具有极强的随机性，使得在电力系统规划和运行中的功率平衡问题呈现概率化。另外，风力、光什么是逆商
伏发电机组通过电力电子设备并入电网，电力系统稳定分析和控制趋向复杂化。而火力发电机组的改造则需要有大量资金投入，相关技术难炖鳕鱼
题也还没有被完全攻克。碳中和目标下的电力系统规划运行碳中和电力系统指的是在电力生产中，使用水能、核能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源作为能量来源，或者使用装有碳捕捉和封存装置的燃气发电机组，实现生产过程的碳氧化物静排放量为零甚至为负值，同时所产生一年级小故事
的电力在质和量上要求能够满足电力用户的需求。相比传统电力系统只考虑电力用户的需求，碳中和电力系统在环境保护、能源可持续性上有了更高的要求。碳中和电力系统与100%可再生能源电力系统有一些区别。在能源结构上，碳中和电力系统以核能、水能、化石能源（如装有“碳捕集、利用与封存”装置，即CCUS装置的火电机组）以及风能和太阳能为主，强调的是无碳排放；100%可再生能源电力系统则是以水能、风能、太阳能、生物质能和地热能为主，强调的是能量来源的可持续性。100%可再生能源电力系统需要对当前电力系
统中装机占比最大的化石能源发电机组全部进行替换，因而实现起来非常困难。相对来说，碳中和电
力系统则比较容易实现，许多国家制定了时间表来完成对碳中和电力系统的构建。然而，碳中和电力系统在规划和运行方面，也将面临诸多难题。碳中和电力系统的规划问题碳中和电力系统的电源规划内容包括现有化石能源发电机组的淘汰和改造规划、配备CCUS装置的化石能源发电机组扩展规划和清洁能源发电机组的扩展规划等。通过对各种发电装置的协调规划，以实现碳中和电力系统碳氧化物零排放的核心目标，同时维持系统惯性水平来保证系统有足够的安全稳定裕度，以及有足够的灵活性资源为碳中和电力系统运行提供辅助服务，并尽可能减少总投资费用。碳中和电力系统含有多种清洁能源，在进行电源规划时需要考虑到的约束也将更复杂。风电、光伏发电出力具有极强的不确定性，在进行电源投资规划决策时要确保系统的发电资源能适应各种风力、光伏出力场景。碳中和电力系统中高比例随机性、间歇性能源并网，电网线路中潮流大小甚至方向变化频繁，在进行电网规划时需要考虑随机性对电网规划决策方案的影响，提高电网鲁棒性。在输电网规划方面，需要考虑不确定性的影响以及电网的形态和安全性。目前已有许多研究采用随机优化、鲁棒优化等方法处理输电网规划中的随机性，以获得适应性更强、经济性更高的输电网规划方案。在电网形态上，由于源荷分布的高度不平衡，远距离输电需求量增大。高压直流输电技术日益成熟，未来碳中和电力系统的输电网将呈现出交直流混联的形态，由于输电设备的电力电子化程度高，对输电网的扩展规划需要考虑交流线路、
直流线路相协调的问题。在配电网规划方面，需要考虑各种分布式能源的英语寓言故事
并网运行特性和出力随机性，以及配电网的安全性。在碳中和电力系统的配电系统中，小规模清洁能源发电装置、储能及电动
车以分布式能源形式接入，需求侧响应措施的实施，以及源、荷两端的强不确定性，都会对配电网规划决策产生影响。碳中和电力系统的运行问题高比例新能源的并入给电力系统引入高度不确定性的同时，也淘汰了大部分同步发电机组，后者是安全稳定的重要控制手段。此外，新能源通过逆变器并入电网，系统的电力电子化程度高，增加了系统失稳的风险。发电调度是系统运行最主要的任务，它承担了系统供电、用电功率的实时平衡工作。碳中和电力系统中新能源渗透率高，且发电成本低。在保证满足系统负荷及安全稳定运行的前提下，应尽可能多地消纳新能源，有效节省系统的运行成本。碳中和电力系统中，包含有气、水、储能等多种灵活性资源。为应对风、光等新能源出力的不确定性，系统还需要有足够的旋转备用。综合考虑各种灵活性资源的运行特性，协调安排各类灵活性资源预留的吉他谱入门
上下备用量，使发电和风险成本降到最低。设备检修安排是系统保持安全可靠运行必不可少的工作。碳中和电力系统中源、网、荷的设备类型均呈现多且杂的形势，给电气设备检修时间安排增添了难度。在碳中和电力系统中，大量同步发电机组被新能源发电机组所替代，系统往往会处于低惯性状态，频率调节能力不足、阻尼特性差，大大提高了频率稳定控制的难度。2019年8月9月英国出现的大停电事故就是由频率失稳所引发。事实上英国2019年风能、太阳能装机占比仅33%，而碳中和电力系
统中风能、太阳能装机占比会远高于此，因此需进一步研究新能源对于系统惯性、频率、电压的支撑作用并研发相关设备。碳中和目标下的电力市场体制机制电力市场体制机制改革的目的归根到底还是更有效地支撑电力系统的规划运行。在碳中和目标下的电力系统中，随着以光伏和风电为代表的间歇
性可再生能源发电比例逐步升高、各种类型储能的成本逐渐降低、智能电表的普及和需求侧响应的引入，世界各国的电力市场都面临着更新换代。欧盟在2016年12月公布的新电力市场设计方案中指出，“当今能源市场规则是为了满足过去以传统火力发电和没有需求侧响应的能源系统而设计的。”美国国家可再生能源实验室在2014年发布的报告也明确指出，虽然美国各ISO在可再生能源大规模接入条件下对电力市场规则进行了持续的改进，但仍然难以确定各种改进措施是否能维持电力市场稳定、高效的运作。近期美国能源部与各大电力市场ISO/RTO的争论将电力市场结构、价格形成机制等黑布林是什么水果
进一步改革问题推向公众视野。美国能源部指出，当前的电力市场设计方案可能难以满足未来市场演变带来的挑战。如果具有近零边际成本的波动性可再生能源实现高比例并网，将拉低电力批发价格，给传统基荷及非基荷电厂特别是燃煤电厂和核电厂带来亏损，迫使燃煤电厂和核电厂过早退役，威胁到电网的安全可靠性。因此，电力市场运营商需要识别、定义不同的电力资源，并设计适合不同属性电力资源的定价和补偿机制，从而提高电力系统的可靠性和弹性。深入研究体现多种不同价值的电能商品价格形成机制传统电力市场中电能商品的价值相对来说比较简单，主要包括电能量价值（体现
