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    “雙碳”目標(biāo)下南方區(qū)域能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

    2023-10-31 16:39:18卓映君周保榮姚文峰王嘉陽(yáng)盧斯煜
    南方電網(wǎng)技術(shù) 2023年9期
    關(guān)鍵詞:達(dá)峰雙碳情景

    卓映君,周保榮,姚文峰,王嘉陽(yáng),盧斯煜

    (直流輸電技術(shù)全家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院),廣州 510663)

    0 引言

    為了應(yīng)對(duì)世界氣候變化,許多國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)提出碳中和目標(biāo)[1],我國(guó)也積極宣誓“雙碳”目標(biāo),并出臺(tái)了一系列“雙碳”政策文件,加快我國(guó)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型建設(shè)[2-3]。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),能源是主戰(zhàn)場(chǎng),電力是主力軍,能源電力低碳轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-7]。中長(zhǎng)期能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是指導(dǎo)能源政策、電網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ),準(zhǔn)確把握能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì), 對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障能源供應(yīng)安全以及保障“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

    國(guó)內(nèi)外已有不少組織機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)我國(guó)能源電力轉(zhuǎn)型路徑開(kāi)展深入研究,對(duì)我國(guó)碳達(dá)峰階段和碳中和階段的能源需求和電量需求有初步的研究成果[8-13]。南方區(qū)域作為我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的先行者,更應(yīng)提前做好布局和謀劃。然而,目前關(guān)于南方區(qū)域能源低碳轉(zhuǎn)型的研究較少,亟需對(duì)“雙碳”目標(biāo)下南方區(qū)域未來(lái)能源電力消費(fèi)情景進(jìn)行預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確把握未來(lái)能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì),不僅可以指導(dǎo)終端部門(mén)加速能源技術(shù)升級(jí)、加快能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型;還可以為電力部門(mén)提供負(fù)荷畫(huà)像,指導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)和電源投資,保障電力供應(yīng)安全。

    在“雙碳”背景下,能源電力消費(fèi)情景不僅需要滿足經(jīng)濟(jì)、能源、碳排放等宏觀約束性指標(biāo),同時(shí)還需考慮產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型目標(biāo)、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃以及終端部門(mén)電能替代技術(shù)潛力等多層級(jí)發(fā)展約束,因此需要采用自上而下與自下而上相結(jié)合的綜合評(píng)估的方法[14-16]。此外,負(fù)荷畫(huà)像顆粒度越精細(xì),對(duì)支撐電源規(guī)劃、電網(wǎng)發(fā)展、市場(chǎng)建設(shè)等電力供需保障工作的作用越大。如何準(zhǔn)確刻畫(huà)未來(lái)負(fù)荷特性的變化是進(jìn)一步深化能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究的重要工作。

    目前已有的能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究聚焦于能源和電力消費(fèi)總量的預(yù)測(cè),時(shí)間尺度通常以年為單位;已有的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法聚焦于單一時(shí)間尺度的負(fù)荷特性預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)時(shí)間跨度通常為數(shù)年以內(nèi)[17-19]。新型電力系統(tǒng)背景下負(fù)荷畫(huà)像的精度要求逐步提高,需要在能源電力系統(tǒng)視角下兼顧宏觀-中觀-微觀多層級(jí)發(fā)展目標(biāo),對(duì)中長(zhǎng)期的負(fù)荷需求及多時(shí)間尺度特性進(jìn)行預(yù)測(cè),因此,亟需研究一套完備的負(fù)荷需求及特性預(yù)測(cè)方法。

    本文提出了可滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求的能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性的預(yù)測(cè)方法,并基于該方法對(duì)南方區(qū)域的未來(lái)負(fù)荷情景進(jìn)行描繪。首先,在全國(guó)和南方區(qū)域的能源供需現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上,結(jié)合目前已有的關(guān)于我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的研究成果,從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口發(fā)展、能源發(fā)展三個(gè)維度對(duì)南方區(qū)域能源電力消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,把握南方區(qū)域能源電力消費(fèi)的客觀發(fā)展規(guī)律;采用兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)需求預(yù)測(cè)技術(shù)和情景分析方法,構(gòu)建了“雙碳”目標(biāo)約束下南方區(qū)域的能源電力消費(fèi)情景;在此基礎(chǔ)上,采用基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法,刻畫(huà)了“雙碳”目標(biāo)約束下南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像。以期為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下南方區(qū)域能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)和能源電力低碳轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)參考。

    1 能源電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望

    能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)是指在歷史和現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,提煉客觀發(fā)展規(guī)律,對(duì)未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析全國(guó)與南方區(qū)域的能源供需現(xiàn)狀、調(diào)研已有的全國(guó)能源發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果,展望南方區(qū)域未來(lái)能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)。

    1.1 能源電力消費(fèi)現(xiàn)狀分析

    1.1.1 全國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀

    2020 年,全國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product, GDP)總量為101.4 萬(wàn)億元,相比2010 年年均增長(zhǎng)率為6.8%。其中,第一產(chǎn)業(yè)占比7.7%,相比2010 年處于下降狀態(tài),年均下降率為2.0%;第二產(chǎn)業(yè)占比37.8%,相比2010 年處于下降狀態(tài),年均下降率為2.0%;第三產(chǎn)業(yè)占比54.5%,相比2010 年處于逐年上升狀態(tài),年均增長(zhǎng)率為2.1%[19]。

    2020 年,全國(guó)總?cè)丝跒?4.1 億人,相比2010年年均增長(zhǎng)率為0.5%。其中,城鎮(zhèn)占比為63.9%,相比2010 年處于逐年上升狀態(tài),年均增長(zhǎng)率為2.5%;鄉(xiāng)村占比為36.1%,相比2010 年處于逐年下降狀態(tài),年均下降率為3.2%[20]。

    全國(guó)能源消費(fèi)需求逐年增長(zhǎng),終端部門(mén)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷改善,電力消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)(如圖1 所示),電能替代技術(shù)存在較大發(fā)展空間。能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,2010 年能源消費(fèi)總量為36.1 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,2020 年上升至49.8 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,化石能源消費(fèi)占比從90.6%下降至84.1%。2020年全國(guó)電力消費(fèi)量為7.5 PWh,相比2010 年年均增長(zhǎng)率為6%[21]。2020 年全國(guó)電能消費(fèi)占終端能源消費(fèi)比重達(dá)到約26.5%[22]。

    圖1 全國(guó)電力消費(fèi)情況Fig.1 National electricity consumption

    1.1.2 南方區(qū)域能源消費(fèi)現(xiàn)狀

    2020 年,南方區(qū)域GDP 總量為18.1 萬(wàn)億元,相比2010 年年均增長(zhǎng)率為7.9%。其中,第一產(chǎn)業(yè)占比8.6%,相比2010年下降0.7%;第二產(chǎn)業(yè)占比36.7%,相比2010 年下降10.6%;第三產(chǎn)業(yè)占比54.8%,相比2010年上升11.3%[19]。

    2020 年,南方區(qū)域人口總量為2.6 億人口,相比2010 年年均增長(zhǎng)率為0.9%。2020 年,南方區(qū)域人口和GDP 占全國(guó)比重均為18%左右,人均GDP為6.9 萬(wàn)元/年,略低于全國(guó)平均水平(7.2 萬(wàn)元/年)。

    2020 年南方五省終端能源消費(fèi)量為7.2 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,約占全國(guó)能源消費(fèi)總量14%,相比2010 年5.2 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤年均增長(zhǎng)3.1%。 2020 年南方區(qū)域非化石能源消費(fèi)占比30.2%,單位GDP 能耗約0.40 t 標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元(當(dāng)年價(jià)),均遠(yuǎn)低于全國(guó)水平(15.9%,0.49 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元)

    2020 年南方區(qū)域電力消費(fèi)量為1.3 PWh,近10a的年均增長(zhǎng)率為6.4%,南方區(qū)域約占全國(guó)電力消費(fèi)的17%,如圖2 所示。2020 年南方區(qū)域人均用電量約5 000 kWh/a,略低于全國(guó)平均水平(5 300 kWh/a)。2020 年南方區(qū)域最大電力負(fù)荷為220 GW,近10 a的年均增長(zhǎng)率為7.5%,負(fù)荷小時(shí)數(shù)達(dá)到約6 060 h。全年最大電力負(fù)荷發(fā)生在7—8 月,月負(fù)荷系數(shù)峰谷差值約為0.2;日負(fù)荷特性曲線呈現(xiàn)雙峰特性,夏季日最大電力負(fù)荷出現(xiàn)在正午12時(shí)左右,冬季最大電力負(fù)荷出現(xiàn)在晚上20 時(shí)左右,日負(fù)荷系數(shù)峰谷差值分別約為0.3和0.4。

    圖2 南方電力消費(fèi)量Fig.2 Electricity consumption in the southern region

    1.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)研判

    1.2.1 中國(guó)能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果

    我國(guó)是全球應(yīng)對(duì)氣候變化事業(yè)的積極參與者與重要貢獻(xiàn)者,其能源需求和能源轉(zhuǎn)型是全球關(guān)注的焦點(diǎn)[23]。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展相關(guān)研究,設(shè)置了不同的假設(shè)情景,對(duì)碳中和背景下中國(guó)能源需求、碳排放和能源電力轉(zhuǎn)型路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)[24-27]。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外11家機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

    1) 人口變化

    目前我國(guó)人口老齡化速度加快,根據(jù)調(diào)研成果顯示,我國(guó)將提前進(jìn)入人口自然增長(zhǎng)率為負(fù)值的階段。預(yù)計(jì)人口總規(guī)模將在2030 年前后達(dá)到峰值14.4~14.6 億,2050 年下降至13.6~14.0 億,到2060年人口數(shù)量將下降至13.5億以下。

    2) 生產(chǎn)總值GDP

    大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)顯示,碳達(dá)峰進(jìn)程往往伴隨GDP 進(jìn)入較低增速階段,碳達(dá)峰前10 年GDP 增長(zhǎng)率比后10 年GDP 增長(zhǎng)率高2 個(gè)百分點(diǎn)左右或以上,碳達(dá)峰后GDP 增長(zhǎng)率下降至3%以下。考慮中國(guó)仍然屬于發(fā)展中國(guó)家,存在較大的客觀發(fā)展需求,預(yù)計(jì)我國(guó)GDP 增長(zhǎng)率在2030 年將下降至4.5%~5.0%,在2050 年下降至3.0%~3.5%,在2060 年進(jìn)一步下降至2.5%以下。2050 年我國(guó)人均GDP 超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 平均水平(3萬(wàn)美元/年),2060年人均GDP可以超過(guò)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 水平(4~5 萬(wàn)美元/年)。

    3) 能源消費(fèi)總量

    結(jié)合國(guó)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,多數(shù)國(guó)家的能源消費(fèi)達(dá)峰時(shí)間是在碳達(dá)峰同年或一段時(shí)期后出現(xiàn),部分發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的能源消費(fèi)峰值時(shí)間晚于碳達(dá)峰5~30 a以上。調(diào)研結(jié)果顯示,碳中和情景下的能源消費(fèi)無(wú)論是絕對(duì)值還是趨勢(shì)都較為接近,預(yù)計(jì)我國(guó)能源消費(fèi)總量達(dá)峰時(shí)間晚于碳達(dá)峰時(shí)間,將在2030—2045年間達(dá)峰,峰值在60億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右。

    1.2.2 南方區(qū)域發(fā)展趨勢(shì)研判

    1) 人口發(fā)展趨勢(shì)

    參考全國(guó)人口總量達(dá)峰時(shí)間及未來(lái)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果,結(jié)合南方區(qū)域歷史人口數(shù)據(jù)表現(xiàn),考慮區(qū)域發(fā)展紅利,南方區(qū)域人口總量達(dá)峰時(shí)間將略遲于全國(guó)人口達(dá)峰時(shí)間,預(yù)計(jì)將在2035 年左右達(dá)峰,屆時(shí)南方區(qū)域人口占全國(guó)人口比重將超過(guò)20%,最終穩(wěn)定在21%左右。

    2) GDP發(fā)展趨勢(shì)

    借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展未來(lái)趨勢(shì),南方區(qū)域GDP 增速隨人口增速下降而放緩,預(yù)計(jì)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)率略高于全國(guó)平均水平,GDP 增長(zhǎng)率在2030 年將下降至5.0%~5.5%,在2050 年下降至3.2%~3.5%,人均GDP 可以超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP 平均水平,約3.5 萬(wàn)美元/年(以2020年為基準(zhǔn)價(jià),按1 美元=6.5 元換算,下同),在2060 年進(jìn)一步下降至2.5%以下,人均GDP 可以超過(guò)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家碳達(dá)峰時(shí)人均GDP,約5萬(wàn)美元/年。

    3) 能源消費(fèi)發(fā)展趨勢(shì)

    參考全國(guó)能源消費(fèi)總量預(yù)測(cè)結(jié)果,考慮南方區(qū)域發(fā)展驅(qū)動(dòng)因素,預(yù)計(jì)南方區(qū)域能源消費(fèi)總量將在2045年前達(dá)到峰值,南方區(qū)域能源消費(fèi)總量峰值約為全國(guó)能源消費(fèi)總量峰值的15%左右。在“雙碳”目標(biāo)下,南方區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)加快能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程,保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源消費(fèi)合理增長(zhǎng)需求。

    2 能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法

    負(fù)荷畫(huà)像預(yù)測(cè)是指導(dǎo)能源政策、電源投資、電網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。對(duì)此,本文采用了兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源消費(fèi)情景預(yù)測(cè)方法和基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法,在能源電力系統(tǒng)視角下構(gòu)建南方區(qū)域電力消費(fèi)情景,精細(xì)刻畫(huà)南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像,為能源電力低碳轉(zhuǎn)型研究工作提供參考。圖3 為能源電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法的技術(shù)框架。

    圖3 電力消費(fèi)及負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法Fig.3 Prediction method of electricity consumption and demand characsteristics in the southern region

    2.1 兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的能源電力需求預(yù)測(cè)方法

    本文提出了兼顧自上而下和自下而上[24-25]相結(jié)合的方法,兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)。分析在“雙碳”目標(biāo)約束下和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下,各終端部門(mén)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電氣化技術(shù)實(shí)施帶來(lái)的南方區(qū)域能源消費(fèi)和電量消費(fèi)需求變化。

    兼顧多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)研究思路如圖4 所示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

    圖4 南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)技術(shù)Fig. 4 Prediction technology of energy and electricity consumption scenarios in the southern region

    1) 預(yù)測(cè)宏觀發(fā)展趨勢(shì):根據(jù)人口發(fā)展趨勢(shì)和人均GDP 增長(zhǎng)研判預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)量,根據(jù)碳排放強(qiáng)度指標(biāo)和GDP 預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算南方區(qū)域碳排放上限。并考慮未來(lái)將進(jìn)一步加大對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度,預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化情況。

    2) 預(yù)測(cè)分產(chǎn)業(yè)和終端部門(mén)能源消費(fèi):結(jié)合全國(guó)能源消費(fèi)總量變化趨勢(shì)和能源強(qiáng)度下降指標(biāo),預(yù)測(cè)南方區(qū)域分產(chǎn)業(yè)部門(mén)能源消費(fèi)強(qiáng)度下降情況,結(jié)合南方區(qū)域分產(chǎn)業(yè)GDP 預(yù)測(cè)結(jié)果可求得分產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu);依據(jù)產(chǎn)業(yè)與終端部門(mén)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可進(jìn)一步得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)總量。

    3) 預(yù)測(cè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu):在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,結(jié)合終端部門(mén)各種能源技術(shù)發(fā)展?jié)摿碗娔芴娲鷿撃?,在碳排放約束下測(cè)算終端各部門(mén)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),通過(guò)反復(fù)迭代最終形成一套可滿足多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束的南方區(qū)域終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

    多層級(jí)發(fā)展目標(biāo)約束公式表達(dá)如下。

    1) 宏觀發(fā)展目標(biāo)約束

    根據(jù)人口發(fā)展趨勢(shì)和人均GDP 增長(zhǎng)研判預(yù)測(cè)南方區(qū)域GDP 增長(zhǎng)量。由碳排放強(qiáng)度下降目標(biāo)約束預(yù)計(jì)南方區(qū)域未來(lái)碳排放強(qiáng)度變化,結(jié)合GDP預(yù)測(cè)結(jié)果確定南方區(qū)域未來(lái)碳排放總量約束。

    式中:G為社會(huì)生產(chǎn)總值;GP為人均GDP 預(yù)測(cè)值;P為預(yù)測(cè)的人口數(shù)量;B為碳排放總量的最大約束值,由碳排放強(qiáng)度目標(biāo)ECO2和GDP 預(yù)測(cè)值共同決定。

    2) 中觀發(fā)展目標(biāo)約束

    考慮未來(lái)將進(jìn)一步加大對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度,分產(chǎn)業(yè)部門(mén)的能源強(qiáng)度和分產(chǎn)業(yè)的GDP 將發(fā)生變化,進(jìn)一步可得到分產(chǎn)業(yè)的能源消費(fèi)量需求預(yù)測(cè)情況:

    式中:Gj為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)總值;αj為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)的GDP 在總GDP 中的占比,j= 1 ~3 分別對(duì)應(yīng)第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè);Ej為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)應(yīng)的能源強(qiáng)度,需要滿足能源強(qiáng)度下降目標(biāo)要求;Ai,j為第j個(gè)產(chǎn)業(yè)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)消費(fèi)量。

    根據(jù)三級(jí)產(chǎn)業(yè)與終端部門(mén)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)一步可得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)總量,終端部門(mén)能源消費(fèi)平衡約束為:

    式中xi,k為第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)消費(fèi)量,i= 1 ~5 分別對(duì)應(yīng)煤、石油、天然氣、熱力和電力,k= 1 ~4 分別對(duì)應(yīng)農(nóng)業(yè)部門(mén)、工業(yè)部門(mén)、建筑部門(mén)和交通部門(mén)。其中電力消費(fèi)需求考慮了直接電力消費(fèi)部分和非直接電力消費(fèi)部分,非直接電力消費(fèi)考慮了電制氫電量需求和供熱電量需求。

    3) 微觀發(fā)展目標(biāo)約束

    根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)比例和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)各種能源技術(shù)未來(lái)滲透率比例關(guān)系,進(jìn)一步可得到終端部門(mén)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),需要滿足各部門(mén)能源品種消費(fèi)總量平衡約束和碳排放目標(biāo)約束:

    式中:為參考的第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種消費(fèi)量;βi,k為第k個(gè)部門(mén)的第i種能源消費(fèi)品種的未來(lái)增長(zhǎng)率,需要滿足各部門(mén)的能源技術(shù)發(fā)展?jié)摿碗娔芴娲鷿摿Φ募s束;γi為第i個(gè)能源的碳排因子;CO2為所有終端部門(mén)的碳排放之和。

    2.2 基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法

    負(fù)荷特性預(yù)測(cè)是負(fù)荷預(yù)測(cè)的核心內(nèi)容之一,是電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行管理工作的重要基礎(chǔ)。本文根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、綜合性以及數(shù)據(jù)的可得性,提出了基于產(chǎn)業(yè)分解的多時(shí)間尺度的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)方法,包括年最大負(fù)荷特性、月負(fù)荷系數(shù)和日負(fù)荷系數(shù)的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)。為深化能源電力消費(fèi)預(yù)測(cè)研究、刻畫(huà)未來(lái)負(fù)荷特性變化提供一種思路,在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)對(duì)各模型的輸入指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

    結(jié)合目前掌握的數(shù)據(jù)顆粒度和豐富度,對(duì)于年、月負(fù)荷特性的預(yù)測(cè),主要考慮了“雙碳”背景下產(chǎn)業(yè)發(fā)展和電能替代引起的電量需求變化影響,若掌握分產(chǎn)業(yè)/行業(yè)的負(fù)荷特性歷史數(shù)據(jù),可將其作為解釋變量構(gòu)造更為精細(xì)的年/月負(fù)荷特性預(yù)測(cè)模型;對(duì)于日負(fù)荷特性的預(yù)測(cè),主要考慮了產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)和典型日負(fù)荷特性曲線的影響,若掌握各細(xì)分行業(yè)的典型日負(fù)荷特性曲線,可基于細(xì)分行業(yè)的日負(fù)荷特性預(yù)測(cè)未來(lái)典型日負(fù)荷特性。

    1) 年最大負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

    建立以年最大負(fù)荷為被解釋變量,以GDP、用電量需求、三產(chǎn)用電量結(jié)構(gòu)三類指標(biāo)作為解釋變量的多元線性回歸方程,經(jīng)歷史10 a 數(shù)據(jù)檢驗(yàn),回歸方程精度可達(dá)到99%以上。表達(dá)式如式(13)所示。

    式中:Yy為年最大負(fù)荷值;xGDP為GDP 值;xe為用電量需求;xe,2,xe,3分別為二產(chǎn)、三產(chǎn)的電量需求;αy,1~αy,4為各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù);βy為殘差項(xiàng)。

    2) 月負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

    建立以月負(fù)荷特性系數(shù)為被解釋量,以三產(chǎn)用電量結(jié)構(gòu)、月份特征、區(qū)內(nèi)各省份月溫度特性三類指標(biāo)作為被解釋變量的多元線性回歸方程。經(jīng)歷史5 a 數(shù)據(jù)檢驗(yàn),回歸方程精度可達(dá)到95%以上。表達(dá)式如式(14)所示。

    式中:Ym為月負(fù)荷特性系數(shù);xm為月份序號(hào);xe,1~xe,3分別為一產(chǎn)~三產(chǎn)的電量需求;xpro為區(qū)域s內(nèi)省份pro的月最高溫度,式中考慮了屬于區(qū)域s內(nèi)的所有省份的溫度影響;αm,1~αm,4,αm,pro為各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù);βm為殘差項(xiàng)。

    3) 日負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

    基于目前掌握的各產(chǎn)業(yè)典型日負(fù)荷特性曲線,結(jié)合未來(lái)各產(chǎn)業(yè)用電量,將各產(chǎn)業(yè)的日負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加可得到未來(lái)的典型日負(fù)荷特性曲線。

    式中:Yd,t為第t時(shí)段的日負(fù)荷特性系數(shù);為第t時(shí)段的日負(fù)荷數(shù)值;~分別為第t時(shí)段的一產(chǎn)—三產(chǎn)日負(fù)荷特性系數(shù);xe,1~xe,3分別為一產(chǎn)—三產(chǎn)的電量需求。

    3 南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景預(yù)測(cè)結(jié)果

    兼顧宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源供需安全和碳減排目標(biāo),本文對(duì)南方區(qū)域能源電力消費(fèi)需求和負(fù)荷畫(huà)像進(jìn)行預(yù)測(cè)情景研究,基于能源消費(fèi)達(dá)峰時(shí)間和達(dá)峰總量,設(shè)置了基準(zhǔn)情景、能耗雙控情景和碳排放雙控情景 3 種情景,構(gòu)建南方區(qū)域能源電力消費(fèi)情景,刻畫(huà)南方區(qū)域負(fù)荷畫(huà)像。

    3.1 情景設(shè)置

    基準(zhǔn)情景是在“雙碳”目標(biāo)制定前的政策約束下按照傳統(tǒng)發(fā)展模式、歷史發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)的情景。該情景未受到能耗雙控和碳排放雙控政策的約束,是一個(gè)基準(zhǔn)參照情景,用來(lái)對(duì)比“雙碳”目標(biāo)政策對(duì)能源電力消費(fèi)需求的影響。

    能耗雙控情景是指在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上,面向“雙碳”目標(biāo),各行業(yè)深度去煤、減油替代,進(jìn)一步發(fā)展天然氣,加大終端電氣化,在滿足能源消費(fèi)總量和能源消費(fèi)強(qiáng)度“雙控”政策約束下的能源電力需求預(yù)測(cè)情景。

    碳排放雙控情景是指在基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上,工業(yè)部門(mén)、交通部門(mén)、建筑部門(mén)、農(nóng)業(yè)部門(mén)各部門(mén)大力發(fā)展電代煤、電代油等技術(shù),并通過(guò)加快電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、降低電力部門(mén)碳排放因子,保障在“雙碳”目標(biāo)約束下能源電力消費(fèi)合理增長(zhǎng)的需求。

    3.2 南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量

    根據(jù)工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)部門(mén)終端能源消費(fèi)預(yù)測(cè)分析,3 個(gè)情景下南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量在碳達(dá)峰階段保持增長(zhǎng)趨勢(shì),在2035 年后能源消費(fèi)需求增長(zhǎng)率減緩,邁入達(dá)峰平臺(tái)期,如圖5 所示。在基準(zhǔn)情景下,南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量將在2050 年前后達(dá)峰,峰值約為11.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。碳排放雙控和能耗雙控情景下,南方區(qū)域終端能源消費(fèi)需求分別約為10.0億噸標(biāo)準(zhǔn)煤和8.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。能耗雙控情景下,南方區(qū)域終端能源消費(fèi)總量于2040 年前后邁入達(dá)峰平臺(tái)期,碳排放雙控情景延遲約5 a 進(jìn)入平臺(tái)期。盡管碳排放雙控情景下能源消費(fèi)總量峰值增大、達(dá)峰時(shí)間延后,但其非化石能源發(fā)展迅速、終端部門(mén)深度電氣化,通過(guò)電力系統(tǒng)深度脫碳,充分發(fā)揮終端高度電氣化的碳減排效益,保障南方區(qū)域在滿足“雙碳”目標(biāo)下經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的能源消費(fèi)需求,實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和能源消費(fèi)增長(zhǎng)的協(xié)同。圖6 為不同情景下南方區(qū)域終端電氣化率的預(yù)測(cè)結(jié)果。

    圖5 不同情景下南方區(qū)域終端能源消費(fèi)需求Fig.5 Terminal energy consumption demand in the southern region under different scenarios

    圖6 不同情景下南方區(qū)域終端電氣化率Fig.6 Terminal electrification rate in the southern region under different scenarios

    3.3 南方區(qū)域電量消費(fèi)需求

    在電量消費(fèi)方面,受經(jīng)濟(jì)運(yùn)行總體增長(zhǎng)、電能替代等因素推動(dòng),南方區(qū)域終端部門(mén)電量消費(fèi)保持持續(xù)合理增長(zhǎng)趨勢(shì)。3 種情景下南方區(qū)域用電量需求在“十四五”期間年平均增長(zhǎng)率均超過(guò)5%,“十五五”期間年平均增長(zhǎng)率為3%~4%,2030年—2050年期間年均增長(zhǎng)率由2.5%逐步下降至1.5%,在2050年后年均增長(zhǎng)率將進(jìn)一步下降至1.5%以下,如圖7 所示。2030 年南方區(qū)域用電量需求約為1.9~2.3 PWh,人均用電量為6~8 MWh/a,達(dá)到日本、德國(guó)當(dāng)前人均用電量水平。2060 年達(dá)到約3.1~4.1 PWh,人均用電量為11~15 MWh/a,達(dá)到美國(guó)、加拿大當(dāng)前人均用電量水平。

    圖7 不同情景下南方區(qū)域電量需求Fig.7 Electricity consumption in the southern region under different scenarios

    3.4 南方區(qū)域負(fù)荷特性預(yù)測(cè)結(jié)果

    在負(fù)荷特性方面,受區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和終端電能替代影響,南方區(qū)域年最大負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng),但年增長(zhǎng)率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),如圖8 所示。3 種情景下南方區(qū)域年最大負(fù)荷在2030 年前年平均增長(zhǎng)率均超過(guò)3%,2030—2050 年期間年平均增長(zhǎng)率維持在2%~2.5%且逐步下降,2050 年后年平均增長(zhǎng)率將進(jìn)一步下降至1.5%左右。2030 年南方區(qū)域年最大負(fù)荷需求約為300~360 GW,2060 年達(dá)到約500~660 GW。

    圖8 南方區(qū)域年最大負(fù)荷Fig.8 Maximum load in the southern region

    3 種情景下2025—2060 年月負(fù)荷特性曲線和日負(fù)荷特性曲線形態(tài)幾乎一致,負(fù)荷不均衡特性有所提升。南方區(qū)域月負(fù)荷系數(shù)曲線呈現(xiàn)為雙谷形態(tài),日負(fù)荷特性曲線呈現(xiàn)三峰形態(tài),依次如圖9 和圖10所示。以碳排放雙控情景為例,最大月負(fù)荷系數(shù)出現(xiàn)在7—8月,最小月負(fù)荷系數(shù)谷值出現(xiàn)在2—3月,次小月負(fù)荷系數(shù)谷值出現(xiàn)在11 月左右,月負(fù)荷系數(shù)峰谷差值由0.20(2020 年)逐步提高至0.25(2060年)。以夏季日負(fù)荷特性為例,最小日負(fù)荷系數(shù)出現(xiàn)在清晨6 時(shí)左右,日負(fù)荷系數(shù)的3 個(gè)峰值分別出現(xiàn)在正午12 時(shí)、傍晚18 時(shí)和夜晚21 時(shí)左右,日負(fù)荷系數(shù)峰谷差值由0.13(2020 年)逐步提高至0.16(2060年)。

    圖9 南方區(qū)域月負(fù)荷特性Fig.9 Monthly load characteristics in the southern region

    圖10 南方區(qū)域夏季日負(fù)荷特性Fig.10 Daily load characteristics of the southern region in summer

    4 結(jié)語(yǔ)

    在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下,“新電氣化”將是能源中長(zhǎng)期發(fā)展的主要方向和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色轉(zhuǎn)型的有效途徑。南方區(qū)域終端能源消費(fèi)量在2045 年前將達(dá)到峰值約10 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。為保障南方區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源消費(fèi)合理增長(zhǎng)需求,南方區(qū)域需要持續(xù)提升工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)四大終端部門(mén)的電氣化水平,減少煤炭、石油等一次能源的消費(fèi)比重,并通過(guò)加快電力部門(mén)低碳轉(zhuǎn)型提高能源利用效率、加速能源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。

    電力部門(mén)作為能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)、碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域,承擔(dān)的減排責(zé)任逐步凸顯,需要加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。南方區(qū)域終端電氣化率在2045年后將達(dá)到60%以上,終端部門(mén)用電量保持合理增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),且受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型影響,南方區(qū)域電力負(fù)荷不均衡特性將逐步加大。為支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn),南方區(qū)域需加快推進(jìn)非化石電源發(fā)展,加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)配合,提高系統(tǒng)對(duì)非化石能源的接納能力,加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng),進(jìn)而推動(dòng)能源電力低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。

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