大家好，我是王一波，一名从事可再生能源发电技术研发的科研工作者，来自中国科学院电工研究所。今天我们就聊一聊零碳电力到底面临哪些挑战。

碳达峰和碳中和的目标要求我们减少人类活动的二氧化碳排放,可是目前电力部门主要依赖化石燃料发电，二氧化碳的排放量极大。

从这张图上大家可以看到，2021年我国的全国发电量是8.2万亿度，其中有5.3万亿度来自于化石燃料发电，二氧化碳排放量高达45亿吨，占到了全国当年总排放量的45%以上。因此，电力部门的减碳迫在眉睫。

放眼未来，随着中华民族的伟大复兴，我国社会、经济、文化各项事业的蓬勃发展，可以预期未来的电力需求会急剧增加。同时，工业电气化、交通电气化、建筑电气化也会进一步增大电力需求。

我们预测，到2060年左右，全国的用电需求量会达到15万亿度以上。假如这些电全部由化石燃料来提供，由此产生的二氧化碳排放量将高达130亿吨，是我们2021年全国碳排放总量的1.3倍多，这将成为巨大的气候灾难。

所以我们必须发展可再生能源，要用没有碳排放的光伏、风能、水能等可再生能源来替代高碳排放的化石燃料。

首先，我们需要提高发电水平，把15万亿度的发电目标与现在发电总量之间巨大的差额补上来；其次，要把电力行业的碳排放缩减到10亿吨以下。10亿吨是我国自然环境可以自己消纳的二氧化碳数量值，这样就能实现碳中和。显然,这个愿景不那么容易实现，是一个巨大的挑战。

一方面，可再生能源具有三个重要的自然属性：间歇性、波动性和季节性。光伏发电在白天发电，晚上不发电，这就是一种典型的间歇性。风力发电在有风时发电，没有风时不发电，大风时多发电，小风时少发电，这就是典型的波动性。水力发电在枯水季发电量很小，在丰水季发电量很大，这是典型的季节性。

另一方面，电力系统是可再生能源大规模利用的一个瓶颈。电力系统由电源、电网和用电负荷三部分组成。我们可以简单地把电源看作是火电厂、风电厂、光伏电站等发电厂，它们一般远离中心城市，距离用电负荷比较远，电源和电负荷之间的距离可能达到上千公里。因此就需要电网来连接电源和用电负荷。比如我们在北京给手机充了1度电，这1度电可能来自于上千公里之外的沙戈荒大基地（位于西北沙漠、戈壁、荒漠的新能源基地），这是非常不容易的。

接下来，我就用科研过程中遇到的一些事，给大家讲述一下我们应对零碳电力挑战的措施。

回到2006年，那时我国光伏电站的建设刚刚起步，我们在西藏羊八井建设了中国第一个高压并网的光伏电站。这时我们接到了一个任务，也就是需要回答一个关键问题：这个光伏电站最大能扩容到多少？在那时还没有人针对这个问题做过相关研究。

这个项目由国家投资，所以它所需的空间和经济成本都不是难题，我们需要考虑的是它的并网条件。当时的西藏电网和全国的大电网没有任何连接，作为一个缺乏大电网支撑的孤立电网，它的并网条件特别差。那么，如何测算光伏电站的最大容量呢？这就是我们要解决的问题。

我们首先想到要借鉴传统火电厂的一些确定性的规划方法，在全年电网的用电负荷当中，选择最大负荷和最小负荷两个应用场景分别做测算，测算之后以两个结果当中较小的一个作为最终结果，就可以得到答案了。但是我们发现，用这种方法测算得到的结果非常保守，只有1兆瓦左右，远远低于我们的预期。所以我们认为这个方法一定有一些不合理的地方。

接着，我们进一步分析光伏发电的特性，发现了两个问题。第一个问题是，光伏发电的峰值和电网用电的最大负荷与最小负荷分别出现在白天、夜晚和后半夜，不会同时出现，所以用最大负荷和最小负荷的方式测算光伏电站的功率并不合理。第二，不同跟踪方式的光伏的发电特性也不一样。以固定式为例，每天的正午就是它的峰值。如果是双轴或者是水平单轴的跟踪方式，峰值就未必出现在正午。

这种情况下，我们提出采用不确定性的时间序列模型进行测算，同时引入了不同的跟踪方式。这个方法一经提出就受到了很多人的质疑。有些人说，这个不确定性的方法没有经过验证，也没人用过，用在这里无法确定到底合不合适，而确定性方法虽然保守但是可靠，得到的结果不会有问题。

我们最终还是顶住压力，最终测算出这个电站的最大装机容量可以达到10兆瓦。后来我们按照这个结论给羊八井光伏电站安装了10兆瓦的光伏，没有出现任何问题，再次验证了这个方法的有效性。后来这个方法还被应用到了西藏、青海、张家口等一些省市的可再生能源规划当中。

到2012年，国家出台了上网电价补贴政策，整个行业处于井喷的前期。青海作为我国太阳能、风能、水能资源最丰富的省份，吸引了大量的投资。这也提出了一个非常重要的问题：一个省级电网到底能够容纳多少可再生能源？

我们必须好好回答这个问题。因为如果装机装多了，电网无法消纳，就会使电网垮网，导致大范围停电。这样就会造成非常恶劣的影响，一件好事会因此变成坏事。

接到这个任务之后，我们全面调研了青海大大小小的光伏电站、风电厂和水电站，拿到了第一手的资料。在这个基础之上，我们提出了“因地制宜、多能互补、打捆外送”的方案，同时提出了要在青海建设两个千万千瓦级基地，一个是海南水光储互补发电基地，一个是海西光伏、光热、天然气以及储能互补发电基地。通过多能互补，一种能源产生波动时，就可以用其他能源代替接力，这样电网就不会垮网，能够保证电网的安全运行。

这个方案第一次使省级电网的可再生能源装机比例超过60%。最终，这个方案被青海省可再生能源发展规划纳入，并且使青海在接下来的几年中一直保持着全国装机第一的地位。

在研究青海电力系统的过程中，我们发现了一个新的问题，就是高比例可再生能源带给电网的季节性平衡难题。因为水电、光伏、风电都有季节性，到了夏季供电量大量富余，如果这部分电力自己用不完、又不能输送到其他地区，就只能浪费掉。可是到了冬季，用电负荷大量增加，发电却相对减少了，供电量不足以支撑用电，甚至还需要从其他的省份调电。

那么，能不能把夏天的电搬到冬天去用呢？理论上是成立的，但是直到现在我们还没有一个经济可行的技术方案。因为它的电量太大，时间跨度又太长，目前科学家们正在这个方向上研发新的技术路线。

在可再生能源并网研究当中，有没有一些我们没有预见到的问题呢？有的。

在2012年玉树灾后重建阶段，我们承接了一个10兆瓦的水光储互补微电网示范工程。这个工程采用的技术都是最先进的，产品也是最成熟的，所以大家都认为这个电站建好之后会顺利运行。

但是，这个电站运行了一段时间之后，我们发现它会产生电流的谐波谐振。换句话说，在正常情况下，电站运行时应该产生标准的、平滑的正弦波，但是运行一段时间之后它的波形就变差了。变差之后，整个光伏电站退出运行，就会停电。而且这个现象反复出现，难以解释。

我们查阅了大量资料，比对了其他案例的经验，依然没有发现较好的答案。这个现象是怎么来的、怎么传播的、我们怎样去消除它，面对这些问题大家都是一头雾水。

怎么办呢？当时我们决定，还是要从现场工作开始抓起。于是我们拿着示波器等各种仪器到现场去实测。

实测之后我们发现，这个波形里面含有大量的谐波。谐波是电力电子装置特有的问题。找到了这个问题之后，如何解决就简单了。我们对整个电站的逆变器和其他的电力电子装置做了大量改造，就基本解决了这个问题。

现场的问题解决了，同时令我们深思，包含大量电力电子装置的电网与常规电网相比，它的安全和稳定性有什么不同？

常规电网的支撑电源是水电机组或火电机组，这类机组都是可以旋转的部件，能够靠惯性维持电网的稳定。可是在含光伏、风电、储能等高比例可再生能源的电网里面不是这样。因为这些能源没有惯性，是借助逆变器、变流器等电力电子装置连在网里的。这些电力电子装置可以理解为被控制的“开关”，它们也没有惯性。

那这个被控制的“开关”在开断的时候会产生脉冲波，如果我们的电网是一个坚强智慧的大电网，就不会出现问题。可是如果是类似于玉树电网的这种微型电网，就很容易发生共振。这种电网里没有大电源支持，光伏储能就是最大的电源。

电网的频率和发电的频率发生共振，产生振荡，就是电力电子化给微电网的可再生能源并网带来的一个新难题。

我们进一步分析，谐振和谐波问题它们是交流系统天然带来的，而可再生能源里面的光伏、储能、风电等都存在直流的环节。

于是我们就提出了一个新的技术方案：能不能用全直流电连接系统当中的所有电源。第一，这些光伏、风电、储能用全直流电，既简单、又高效、还能降低成本。第二，直流没有振荡的问题，所以在系统里面谐波、无功等由交流带来的稳定性问题自然也就不存在了。所以从理论上来说，直流是一个完美的方案。

可是，直流方案的核心问题是缺少直流升压变换器。在当时，全世界都没有直流变换器这个产品。于是为了解决这个问题，我们下定决心自己研发。

经过10年的研发，我们终于做出了实用化的直流升压变换器。它的单机功率1兆瓦，电压等级±30千伏，是世界上单机最大、电压等级最高的变换器。

同时我们还建立了全世界第一个光伏直流升压的示范工程，这个工程标志着我国在全世界率先掌握了全直流发电的技术。将来在海上、沙戈荒大基地等应用场景中，全直流的技术也会成为更高效率、更稳定、更可靠、更经济的全新技术解决方案。

经过这些年科研经历的磨炼，我们深刻地意识到，零碳电力的挑战不是一个人、一个团队可以完成的。所以2020年，我们在巴黎气候大会“创新使命”的机制下发起了“绿色电力未来使命倡议”，提出到2030年在全世界各个地区、各个气侯条件下都能够实现100%可再生能源发电，并且保证系统的低成本、高效益、安全性和韧性。

由中国、英国和意大利共同牵头成立了绿色电力未来使命的工作组，我担任了其中的中方首席科学家。目前有14个成员国和成员单位加入了我们这个组织，大家现在正在做五大洲的五大示范，为全世界提供零碳电力的技术解决方案。

在2021年的格拉斯哥第26届气侯变化大会上，我们还提出了绿色电力未来使命的技术路线图，明确给出应对未来零碳电力挑战有三个关键技术方向：可再生能源、电力系统的灵活性以及电力系统的集成和数字化。这个路线图还包括17个主题，100多个创新优先事项，是一个非常庞大的技术体系，也是重大的技术挑战。

以可再生能源为主的新型电力系统是实现我国“双碳”目标的必由之路，全世界都没有可以借鉴的经验。所以它一定也是一条充满挑战的创新之路，只有创新可以迎接这些挑战。

欢迎所有的朋友关注我们，加入绿色电力技术创新行动。

谢谢各位。