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1 研究背景
2020年9月，习近平总书记提出我国“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”的战略目标。
近年来，我国新能源的装机快速增加，“十三五”期间的建设速度完全超越了规划预期，全国新能源实际投产装机规模是规划目标的1.7倍。同时在“十四五”规划中又明确提出了“提升新能源消纳和存储能力”的要求。截至2022年底，我国水电、火电、风电、太阳能发电的发电装机容量分别为4.1亿千瓦、13.3亿千瓦、3.7亿千瓦和3.9亿千瓦。预计到2050年，我国的水电装机将达到5.4亿千瓦，火电装机为11~13亿千瓦，风电和太阳能发电装机均达到15~20亿千瓦。高比例新能源的接入，对我国电力系统的消纳能力提出了巨大的挑战。
2 研究意义
为了应对日益增长的电力负荷需求以及高比例新能源消纳的要求，我国需要实现能源系统的绿色低碳变革。2023年中央全面深化改革委员会第二次会议指出，要构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统。
国家政策以及社会需求都对电力系统提出了新的要求，为了实现电力系统的转型，提升新型电力系统的新能源消纳能力并降低电力系统碳排放量，需要着重解决以下两个核心问题：第一，如何建立适用于调度及规划的新型电力系统框架结构及运行模型？第二，如何对新型电力系统的碳减排潜力给出合理的评估？
3 重点内容
1）新型电力系统框架结构。
新型电力系统的框架核心对是“源网荷储”各要素的系统化集成。与传统电力系统相比，新型电力系统在电源侧、电网侧、负荷侧以及储能侧4个方面都将发生明显的变化：电源侧风能、太阳能、氢能等新能源的发电比例显著增加，核能、生物质能等可调度新能源发电量也明显增加；电网侧大规模接入电力电子设备，交直流混联电网的广泛应用已是必然趋势；负荷侧的负荷种类多元化程度增加，灵活可控负荷快速发展；储能环节将与电源侧、电网侧及负荷侧深度融合以保障电力系统的整体调节能力。在我国现有的电力系统框架基础上，为了满足我国电力行业的低碳化转型及发展，新型电力系统的建设工作需要从“源网荷储”4个主要方面进行一体化推进。图1展示了新型电力系统框架结构中各组成元素的具体类型。
图1 新型电力系统框架结构图
2）新型电力系统运行调度数学模型。
新型电力系统主要包含“源网荷储”4部分组成要素，表1中总结了“源、网、荷、储”各自包含的主要要素类型以及常用的建模方式。无论是在规划还是调度问题中，都应当从系统运行机理角度出发，而且新型电力系统在运行时应当充分考虑可靠性、经济性和环保性等关键方面。为了保证新型电力系统的可靠性，本文在鲁棒优化框架下处理新能源出力不确定性、负荷不确定性以及传输安全约束等要素；为了提升新型电力系统的环保性，我们将新能源消纳量的提升、常规火电发电煤耗的减少以及碳排放量减少等因素作为系统的优化目标；同时常规火电发电煤耗的减少也对应于新型电力系统经济性方面的指标。基于以上考虑，本文给出新型电力系统运行调度的数学模型，可以用于调度问题或是规划问题中的系统运行描述。
表1 新型电力系统构成要素及建模特点描述
3）碳排放指标及碳减排瓶颈因素分析。
现有的电力系统评价指标大多从经济性、可靠性、环保性等方面进行考虑，本文在构建新型电力系统数学模型的基础上，提出了碳排放相关的评价指标及方法来衡量电力系统的碳减排潜力并给出规划方向的参考，所提的评价指标与现有的经济性和环保性等指标都旨在提升新型电力系统对于新能源的消纳量、降低常规火力机组发电的煤耗量，评价方向具有一致性。
文中通过一个说明性案例引入了“理想系统”的概念，并且进一步引出理想碳排放量的定义：在一个调度周期内，理想系统以碳排放量最低为运行目标，在典型场景下的二氧化碳排放量。
为了寻找对系统碳减排制约最大的瓶颈因素，本文给出了相关的灵敏度指标，用以分析单个系统要素的建设与系统碳排放量的关系。单要素碳减排单位成本：对系统进行单个要素升级，所需的单位时间规划成本与单个调度周期碳减排量的比值。其中单位时间规划成本是指规划建设成本平均到单个调度周期的经济成本。
4 结论与展望
高比例新能源的接入是新型电力系统发展的必然趋势，构建高比例消纳新能源的新型电力系统对于实现“双碳”战略目标有重大意义。本文通过对新型电力系统建设过程中要综合考虑的“源、网、荷、储”各组成部分进行了建模方法调研和对比，总结出一套适用于运行调度和规划问题的新型电力系统数学模型框架，并在电力系统碳排放表现的评价指标方面提出了新颖的观点和方法，为新型电力系统的碳减排规划提供了参考。我国的电力系统改革发展任重而道远，合理规划电力系统的建设方向是实现电力系统低碳化转型的必由之路。
