建設(shè)新型電力系統(tǒng) 促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和

孔 力 裴 瑋 饒建業(yè) 徐英新

1 中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 碳中和研究院 合肥 230026

3 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京 100120

1 碳中和目標(biāo)下我國(guó)電網(wǎng)體系總體分析

目前，我國(guó)已建成了全球規(guī)模最大的電力系統(tǒng)，2020 年全社會(huì)用電量 7.5 萬(wàn)億千瓦時(shí)，裝機(jī)容量達(dá)到 22 億千瓦[1]。未來(lái)我國(guó)電力系統(tǒng)供需規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，電網(wǎng)保障供需平衡的作用將更加突出[2]。具體體現(xiàn)在：① 用電需求持續(xù)增長(zhǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和人民生活水平提高，人均用電量水平也會(huì)隨之升高。同時(shí)，碳達(dá)峰、碳中和（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙碳”）戰(zhàn)略下，為支撐煤炭、石油、天然氣消費(fèi)達(dá)峰，我國(guó)需要在工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域?qū)嵤╇娔芴娲瑢?shí)現(xiàn)更高水平的電氣化。上述因素共同作用下，未來(lái)我國(guó)用電量將持續(xù)增長(zhǎng)（圖 1）。預(yù)計(jì) 2060 年，我國(guó)全社會(huì)用電量將達(dá)到 15 萬(wàn)億千瓦時(shí)以上，比 2020 年增長(zhǎng) 1 倍。② 發(fā)電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。預(yù)計(jì) 2060 年我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到 60 億—80 億千瓦，達(dá)到 2020 年裝機(jī)容量的 3 倍左右。

圖1 2020—2060年我國(guó)輸配電設(shè)施分階段建設(shè)需求與輸送電量Figure 1 Needs of long-distance transmission capacity from 2020 to 2060

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展非化石能源，特別是風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源。2020 年，我國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模合計(jì) 5.35 億千瓦，占總裝機(jī)容量的 24.3%；風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量合計(jì) 7 275 億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量的 9.5%[3]。遠(yuǎn)期在碳中和情景目標(biāo)下，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電將逐步成為主體電源，電網(wǎng)消納新能源的任務(wù)將更加艱巨。預(yù)計(jì) 2060 年，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)合計(jì)將達(dá)到 40 億千瓦以上，常規(guī)水電裝機(jī) 5 億千瓦，核電裝機(jī) 3 億千瓦，非碳電力裝機(jī)將占總裝機(jī)容量的 90% 左右，發(fā)電量將達(dá)到總發(fā)電量的 85% 以上。

我國(guó)能源資源分布不均，北方和西北地區(qū)煤炭、風(fēng)能、太陽(yáng)能等資源豐富，西南地區(qū)水電資源比較豐富，形成了“西電東送、北電南送”的電力資源配置基本格局，2020 年西電東送能力達(dá)到 2.7 億千瓦[4]。據(jù)測(cè)算，我國(guó) 81% 的水能資源[5,6]、86% 的風(fēng)能資源、96% 的太陽(yáng)能資源分布在西部地區(qū)和東北地區(qū)，未來(lái)全國(guó)約 2/3 的用電量分布在東部地區(qū)和中部地區(qū)①中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心. 中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)2020年. 2020.?？紤]分布式新能源發(fā)展，中短期內(nèi)中部和東部地區(qū)仍然難以實(shí)現(xiàn)電力自給自足，電源與負(fù)荷逆向分布的特征不會(huì)發(fā)生根本性變化，中短期內(nèi)電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送能源的功能將進(jìn)一步強(qiáng)化。但是長(zhǎng)期來(lái)看，東、西部發(fā)展差異將逐漸均衡，尤其新疆等西北地區(qū)作為“一帶一路”連接歐亞大陸的陸上通道，預(yù)期將會(huì)出現(xiàn)若干都市群，使得西部能源輸送需求有所減弱。

2 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的總體思路和建設(shè)原則

總體思路。深入貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的新發(fā)展理念，以“雙碳”為總體目標(biāo)，積極構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。充分發(fā)揮電網(wǎng)優(yōu)化能源資源配置的樞紐平臺(tái)作用，統(tǒng)籌推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展，提高電網(wǎng)接納新能源和多元化負(fù)荷的承載力和靈活性，穩(wěn)步推進(jìn)跨省區(qū)遠(yuǎn)距離清潔電力輸送，構(gòu)建規(guī)模合理、結(jié)構(gòu)清晰、安全可靠的交流同步電網(wǎng)，提升電網(wǎng)數(shù)字化智能化調(diào)度運(yùn)行水平，積極發(fā)展源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化、微電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)等新模式新業(yè)態(tài)，為保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型提供有力支撐。

發(fā)展原則。① 堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，整體優(yōu)化。堅(jiān)持系統(tǒng)思維，堅(jiān)持全國(guó)一盤(pán)棋，通過(guò)大范圍優(yōu)化配置資源，推動(dòng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展，提高電力系統(tǒng)整體效率和經(jīng)濟(jì)性。② 堅(jiān)持安全可靠，結(jié)構(gòu)合理。堅(jiān)守安全底線，構(gòu)建規(guī)模合理、分層分區(qū)、安全可靠的電網(wǎng)，提高電力抗災(zāi)和應(yīng)急保障能力，重點(diǎn)提高應(yīng)對(duì)高比例新能源不穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)攻擊等新型風(fēng)險(xiǎn)的能力。③ 堅(jiān)持清潔低碳，綠色優(yōu)先。堅(jiān)持生態(tài)環(huán)境保護(hù)優(yōu)先，激發(fā)負(fù)荷側(cè)和新型儲(chǔ)能技術(shù)等潛力，形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同消納新能源的格局，適應(yīng)碳中和情景下大規(guī)模、高比例新能源的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用需求。④ 堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，數(shù)字升級(jí)。大力推進(jìn)科技創(chuàng)新，促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高電網(wǎng)數(shù)字化水平，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”智能電網(wǎng)，加強(qiáng)系統(tǒng)集成優(yōu)化，改進(jìn)調(diào)度運(yùn)行方式，提高電力系統(tǒng)效率。⑤ 堅(jiān)持遠(yuǎn)近結(jié)合，先立后破。杜絕脫離實(shí)際的“運(yùn)動(dòng)式”減碳，充分認(rèn)識(shí)碳達(dá)峰、碳中和的復(fù)雜性、長(zhǎng)期性和系統(tǒng)性，循序漸進(jìn)、穩(wěn)中求進(jìn)，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上逐步升級(jí)換代。

3 未來(lái)電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和形態(tài)

3.1 未來(lái)遠(yuǎn)距離輸電規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大

隨著化石能源發(fā)電機(jī)組大量退出，發(fā)電資源與負(fù)荷中心呈逆向分布的問(wèn)題將凸顯，東部地區(qū)面臨較大的電量缺口，必須要進(jìn)行大規(guī)?？鐓^(qū)電力調(diào)配[7]。

面向碳中和情景的電網(wǎng)體系下，跨省跨區(qū)大型輸電通道進(jìn)一步增加。預(yù)計(jì) 2060 年全國(guó)跨省區(qū)輸電通道規(guī)模將達(dá)到 7 億—8 億千瓦，比 2020 年的 2.7 億千瓦增加 1 倍以上?？缡^(qū)輸電量約 3 萬(wàn)億千瓦時(shí)，基本全部為非化石能源電力。主要電力流方向?yàn)闁|北地區(qū)、西北地區(qū)、西南地區(qū)向東中部地區(qū)輸電。

3.2 大電網(wǎng)仍將是電力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式

新能源發(fā)電出力與氣象條件密切相關(guān)。我國(guó)各地區(qū)存在地理差異，通過(guò)大電網(wǎng)互聯(lián)可以促進(jìn)資源共享能力提升。同時(shí)，未來(lái)隨著新能源成為主體電源，在持續(xù)多天陰雨等不利天氣下局部電力供應(yīng)安全保障難度較大，需要通過(guò)大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的互濟(jì)，可以提高系統(tǒng)可靠性，保障供電安全。

面向碳中和情景的電網(wǎng)體系下，大電網(wǎng)仍是電力系統(tǒng)的基本形態(tài)。通過(guò)大電網(wǎng)和大市場(chǎng)，可以在全國(guó)范圍統(tǒng)籌資源配置，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域互濟(jì)，提高供電可靠性；同時(shí)，還能獲取時(shí)間差季節(jié)互補(bǔ)，風(fēng)、光、水、火能相調(diào)劑和跨區(qū)域流域補(bǔ)償調(diào)節(jié)等效益，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)發(fā)電資源充分共享、互為備用。

3.3 分布式電力系統(tǒng)將形成有效補(bǔ)充，同大電網(wǎng)結(jié)合構(gòu)成電力系統(tǒng)基本形態(tài)

風(fēng)能、太陽(yáng)能密度低，分布廣泛，適合分布式開(kāi)發(fā)利用。未來(lái)，隨著風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、靈活性負(fù)荷等大規(guī)模、分散式接入，電力市場(chǎng)主體將從單一化向多元化轉(zhuǎn)變，電力輸送將從發(fā)配用單向傳輸向源網(wǎng)荷儲(chǔ)多互動(dòng)靈活傳輸轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行方式也需要相應(yīng)做出改變[8]。

面向碳中和情景的電網(wǎng)體系下（圖 2），分布式系統(tǒng)與大電網(wǎng)兼容并舉、相互支撐，互為補(bǔ)充備用，以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。分布式系統(tǒng)貼近終端用戶(hù)，在保障中心城市重要負(fù)荷供電、支撐縣域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、服務(wù)工業(yè)園區(qū)綠色發(fā)展、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電等領(lǐng)域作用尤為突出。分布式系統(tǒng)具備靈活性與主動(dòng)性，支持多元化電源、負(fù)荷開(kāi)放接入和雙向互動(dòng)，促進(jìn)分布式新能源高效就地消納。依托先進(jìn)量測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代信息通信、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，分布式系統(tǒng)將擁有全景感知能力；基于大規(guī)模超算能力和人工智能技術(shù)，分布式系統(tǒng)可以智慧化調(diào)控運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)運(yùn)行效率、優(yōu)化配置資源的目標(biāo)。

圖2 未來(lái)電網(wǎng)體系示意圖Figure 2 Schematic diagram of future power grid

3.4 電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力大幅提高

碳中和情景下，極高比例新能源發(fā)電裝機(jī)接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行提出了巨大挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電出力波動(dòng)性大，且發(fā)電出力與用電負(fù)荷曲線匹配度較低，甚至某些時(shí)段完全相反。風(fēng)電在負(fù)荷高峰時(shí)刻發(fā)電出力處于較低水平，光伏對(duì)晚高峰時(shí)發(fā)電出力基本為零。新能源大規(guī)模發(fā)展增加了電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)調(diào)峰壓力，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)平衡需要，需要各方共同努力提高調(diào)節(jié)能力。

面向碳中和情景的電網(wǎng)體系，源網(wǎng)荷儲(chǔ)融合互動(dòng)，靈活調(diào)節(jié)。電源側(cè)，抽蓄、儲(chǔ)能等靈活調(diào)節(jié)電源提供調(diào)節(jié)服務(wù)；新能源發(fā)電通過(guò)配置儲(chǔ)能、提升功率預(yù)測(cè)水平、智慧化調(diào)度運(yùn)行等手段，成為新型“系統(tǒng)友好型”新能源電站，提升電力支撐水平，平抑新能源間歇性、波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊。電網(wǎng)側(cè)，充分考慮省間資源互濟(jì)，共享系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源，發(fā)揮大電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)效益，平抑不同區(qū)域的新能源出力波動(dòng)。負(fù)荷側(cè)，電供暖、電制氫、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施等新型靈活負(fù)荷成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制改變傳統(tǒng)“源隨荷動(dòng)”的模式，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合，靈活互動(dòng)。

3.5 形成支撐電力市場(chǎng)化運(yùn)行的服務(wù)平臺(tái)

電力市場(chǎng)可以最大限度還原電力商品屬性，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)配置資源、釋放價(jià)格信號(hào)、反映成本特性、增強(qiáng)需求彈性、引導(dǎo)電力投資、調(diào)動(dòng)系統(tǒng)靈活性資源、促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)有效互動(dòng)、引導(dǎo)多元主體參與系統(tǒng)運(yùn)行決策的多重功能[9]。面向碳中和情景的電網(wǎng)體系下，我國(guó)將擁有以中長(zhǎng)期市場(chǎng)為主體、現(xiàn)貨市場(chǎng)為補(bǔ)充，涵蓋電能量、輔助服務(wù)、發(fā)電權(quán)、輸電權(quán)和容量補(bǔ)償?shù)榷嘟灰灼贩N高標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)體系。

4 新型電力系統(tǒng)分階段實(shí)施策略

4.1 控碳階段（2021—2030年）

此階段為青海、寧夏、新疆等西部地區(qū)可再生能源快速建設(shè)和增長(zhǎng)時(shí)期，遠(yuǎn)距離特高壓直流技術(shù)已經(jīng)基本成熟，而儲(chǔ)能技術(shù)尚未成熟，電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力仍然不足，因此可再生能源的輸送和消納依然重點(diǎn)依賴(lài)于跨地區(qū)的遠(yuǎn)距離輸電建設(shè)。此階段主要以平衡東、西部資源不平衡，同時(shí)積極建設(shè)分布式微網(wǎng)在用戶(hù)側(cè)整合為目標(biāo)，并為電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力建設(shè)奠定基礎(chǔ)。建議：重點(diǎn)建設(shè)哈密—重慶、隴東—山東、金上—湖北、蒙西—河北、寧夏—湖南、四川—湖南等跨區(qū)輸電通道，預(yù)計(jì)全國(guó)跨省區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道規(guī)模達(dá)到 4 億千瓦，比 2020 年增長(zhǎng) 1.3 億千瓦。預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)新能源跨省區(qū)輸送新能源規(guī)模達(dá)到 1.5 億千瓦，輸電電量超過(guò) 3 000 億千瓦時(shí)。

隨著港口、鐵路、公路、油田等各行業(yè)分布式可再生能源建設(shè)逐步進(jìn)入高峰，原有較為落后的配電網(wǎng)迫切需要提升感知、控制和智能化水平。此外，交-直流微網(wǎng)需要大規(guī)模發(fā)展，以能夠接受和消納分布式可再生能源。

4.2 減碳階段（2031—2040年）

我國(guó)將逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化，并向社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，預(yù)期用電負(fù)荷相比目前狀態(tài)將增加 1.5 倍，而且負(fù)荷仍將集中在中部和東部地區(qū)。而在此階段，一方面，受東部地區(qū)可再生能源建設(shè)容量制約，新增大部分負(fù)荷依然需要遠(yuǎn)距離跨省區(qū)輸送，預(yù)期輸電通道建設(shè)壓力仍然較大。另一方面，河西走廊通道受制于地理?xiàng)l件，輸電建設(shè)在此階段將趨向飽和，難以再向中部和東部地區(qū)新建輸電走廊?？傮w預(yù)計(jì)跨省區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道規(guī)模將需要達(dá)到 6 億—7 億千瓦，需要新建跨省區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道 2 億—3 億千瓦。

隨著全國(guó)各地可再生能源發(fā)電數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)在 2020—2040 年中積累逐漸完善，可預(yù)期可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)精度將大幅提升。一方面，隨著分布式用戶(hù)側(cè)市場(chǎng)機(jī)制逐漸改變和完善，源網(wǎng)荷儲(chǔ)將深度融合，靈活互動(dòng)，尤其是電供暖、電制氫、數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施等新型靈活負(fù)荷在此階段將成為電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要組成部分。因此，在同樣的輸電容量下，新能源輸電電量將得到大幅提升，預(yù)計(jì)新能源跨省區(qū)輸送電量超過(guò) 1.5 萬(wàn)億千瓦時(shí)。另一方面，分布式可再生能源將逐漸與城鄉(xiāng)居民、工業(yè)生產(chǎn)融為一體，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)交流為主，直流為輔的格局，同時(shí)配用電智能化建設(shè)也將進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.3 低碳階段（2041—2050年）

預(yù)期儲(chǔ)能等技術(shù)將逐漸有所突破，各類(lèi)型電池成本也將大幅下降，鋰電池、液流電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本可以降到 0.1—0.2 元/千瓦時(shí)，建設(shè)規(guī)模也將大幅增長(zhǎng)。這使得新能源能夠平穩(wěn)跨區(qū)輸送，現(xiàn)有輸電通道利用率將會(huì)得到進(jìn)一步大幅提升。

在此階段，由于儲(chǔ)能技術(shù)日趨成熟，成本大幅下降，新建輸電通道壓力逐步降低。預(yù)期在此階段的 10 年中，跨省區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道規(guī)模將維持在 6 億—7 億千瓦，新增跨省區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道規(guī)模將在 5 000 萬(wàn)千瓦以下，跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道利用率在技術(shù)進(jìn)步下將接近極限，從而預(yù)期新能源輸電電量超過(guò) 3 萬(wàn)億千瓦時(shí)。

4.4 碳中和階段（2051—2060年）

在此階段，社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)已基本建成，東、西部發(fā)展差異將逐漸均衡。尤其新疆等西北地區(qū)作為“一帶一路”中連接歐亞大陸的陸上通道，預(yù)期將逐漸從物流中轉(zhuǎn)發(fā)展出若干都市群，使得西北地區(qū)向中部和東部輸電需求和動(dòng)力進(jìn)一步減弱，甚至西北部分地區(qū)將逐漸自我平衡。這將會(huì)導(dǎo)致中部和東部地區(qū)增長(zhǎng)的綠色電力需求將逐步轉(zhuǎn)向由東北區(qū)域供給，甚至可以發(fā)展出若干由蒙古國(guó)、俄羅斯向我國(guó)中東部地區(qū)的輸電通道。預(yù)期此階段新增輸電通道規(guī)模 1 億—2 億千瓦，其中主要以跨國(guó)通道為主，最終跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸電通道規(guī)模將達(dá)到 7 億—8 億千瓦，新能源輸電電量達(dá)到 4 萬(wàn)億千瓦時(shí)。