从信息—物理—社会系统视角看新能源消纳——访国家电网公司首席专家、南瑞集团首席专家薛峰
当前，我国新能源装机容量稳居全球首位，在实现“双碳”目标的背景下，随着大规模新能源装机并网，新能源消纳再次成为热点关注问题。政府机构、学术界、工业界已经针对未来的新能源消纳问题开展了大量讨论，形成了诸多洞见与实施方案，指导了我国新能源消纳工作的高质量开展，也启发了电力科研工作者开展科技创新工作。
2024年是实施“十四五”规划的关键一年，“深入推进生态文明建设和绿色低碳发展”是我国今年经济工作九项重点工作之一。《能源评论》杂志专访深耕大电网安全稳定分析控制领域的国家电网公司首席专家，南瑞集团首席专家、系统保护实验室主任薛峰，他将从信息—物理—社会系统视角分析如何确定合理的新能源消纳比例。
《能源评论》：《“十四五”可再生能源发展规划》提到，可再生能源高质量发展，既大规模开发、也高水平消纳、更保障电力稳定可靠供应。 请总体分析一下当前的新能源发展状况，以及需要关注的重点问题。
答：目前，我国风电与太阳能发电装机容量分别达到3.65亿千瓦与3.93亿千瓦，发电量占比稳步提升至15%，发电侧度电成本快速下降至无需补贴的平价新阶段。与此同时，通过政府、电网公司、发电企业、科研机构在技术、装备、政策、机制等各方面的持续努力，曾制约新能源高质量发展的新能源利用率问题已得到根本性缓解。2022年，全国风电平均利用率达到96.8%，全国平均光伏发电利用率达到98.3%。然而，从各省级区域新能源并网消纳情况来看，部分新能源发电高占比地区仍然存在消纳不足的问题。
为实现碳达峰碳中和目标，到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，到2060年非化石能源消费比重达到80%以上。随着新能源占比的逐渐提高，科学认识、分析与应对新能源消纳问题，对于如期实现我国碳达峰碳中和目标至关重要。
《能源评论》：根据《中国新能源发电分析报告2023》，我国新能源利用率已连续五年超过95%，对于这一数据，您认为有哪些需要重视的思考维度？
答：电力安全是国家安全和经济社会发展的“生命线”，“保供电、保安全”是电力系统的核心要务。新能源在提供大量清洁电力的同时，其发电出力天然的间歇性和随机波动性，也为电力系统安全运行带来一系列挑战。受电力安全约束等因素影响，新能源消纳存在极限。
配置更多灵活性调节资源、加强电网互联、改进新能源出力与极端气象的预测技术固然可以提升消纳极限，但是即便在未来高比例新能源接入的条件下，其利用率也很难达到100%，新能源消纳问题最终仍然要落实到技术可行性与经济代价上。当增加单位新能源消纳量所需付出的代价大于其所能避免的弃电损失时，继续提高新能源消纳比例的做法就值得商榷。在新能源高占比条件下，这一理念的重要性将被提到前所未有的高度。
《能源评论》：可以采用何种研究方法来确定合理的新能源消纳比例？
答：新能源消纳问题的复杂性及其影响因素的时—空—物动态耦合，决定了仅依靠定性分析或者仅依靠因果和统计分析手段获得少数断面状态，很难有效支撑决策。
南瑞集团2017年原创提出了能源的信息—物理—社会系统(CPSSE)框架，开创了研究跨领域多学科协调优化问题的新范式。其主要思路是：建立涵盖跨领域多尺度仿真模型，如融合电力电量平衡的运行规划模型、基于因果关系和/或统计关系的投资规划模型，以及真实参与者参与决策的混合仿真模型，设计并开展关键场景的混合交互仿真，提取多领域演化轨迹的量化知识，从统筹能源、电力、环境、经济社会发展的全局视角优化决策。
相关研究成果已应用于国家、企业、地区等层面的能源电力转型战略决策、电力系统充裕性控制、电碳市场分析与协调监管等领域，这为新能源消纳比例的分析与决策提供了一种有效技术路径。即便如此，我们还有很长的路要走。
《能源评论》：新能源消纳问题是一个系统性问题，您认为确定合理的新能源消纳比例还有哪些难题亟待研究？
答：从全局视角科学审定新能源消纳比例这一问题，事关“双碳”变革与新型电力系统建设的顺利实现。当前，仍存在着许多理论和应用的难题亟待创新突破，例如研究新能源消纳与电力保供、低碳转型、新能源投资者的经营效益、全社会供电成本等因素之间复杂关系的量化分析方法；揭示新能源消纳比例提升对电力系统规划与运行产生负面效应的机理；研究时空物协调的新能源消纳比例自适应优化算法，并将其与现有的电力调度与控制体系相融合；剖析最优新能源消纳比例随关键参数变化的机理；综合考虑能源、电力、排放、气象等多领域，源网荷储等环节，年、季、月、日、时、分、秒等多时间尺度，国家、区域、省域等多空间尺度的复杂交互，在广域信息不完备的情况下系统谋划最优的新能源发展规模及其实现路径。未来，应研究新能源消纳相关利益主体间激励相容的政策与市场机制，引导各利益主体站在主动支撑“双碳”目标实现、能源安全保障及经济社会发展的高度看待新能源消纳问题。
所有这些方面，都需要原创性、引领性甚至颠覆性的理论、技术、装备与机制创新，既要解决迫在眉睫的问题，也要面向远期发展目标，加强基础性前瞻性研究，做好长期艰苦攻关的思想准备。
