徐三敏，張云飛，趙添辰，侯世豪

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市 100761；2.北京信息科技大學(xué)，北京市 100192）

0 引言

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提出后，能源消費各領(lǐng)域積極采取行動，綜合采用減少碳排放、增加碳匯及負(fù)排放技術(shù)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。在能源消費清潔低碳化的進(jìn)程中，電力是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)、碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域?？紤]我國各類非化石能源資源豐富、開發(fā)利用的技術(shù)經(jīng)濟性逐漸提高，大力發(fā)展新能源是我國電力發(fā)展的必然趨勢?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)蓄勢待發(fā)，再一次說明了構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，既是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求，也是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑。本文在近期新型電力系統(tǒng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國家能源政策與形勢的最新變化，對新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、特征、2030年和2060年典型場景、電力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)路徑四個方面進(jìn)行了歸納總結(jié)和分析預(yù)測，形成對應(yīng)的綜述研究結(jié)論，以期為新型電力系統(tǒng)長期規(guī)劃的研究提供參考與借鑒。

1 新型電力系統(tǒng)內(nèi)涵

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的概念于2021年3月15日召開的中央財經(jīng)委員會第九次會議上正式提出，會議指出要“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。后續(xù)出臺的文件中，關(guān)于新型電力系統(tǒng)有兩種最新表述。一是《國家發(fā)展改革委、國家能源局關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一電力市場體系的指導(dǎo)意見》（發(fā)改體改〔2022〕118號）中指出要“推動形成適合中國國情、有更強新能源消納能力的新型電力系統(tǒng)”。二是《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》在分析全球能源體系深刻變革時，提出“構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)蓄勢待發(fā)”；在展望2035年發(fā)展目標(biāo)時，指出“可再生能源發(fā)電成為主體電源，新型電力系統(tǒng)建設(shè)取得實質(zhì)性成效”。

從開始提出時的“以新能源為主體”到“適合中國國情、有更強新能源消納能力”再到“新能源占比逐漸提高和可再生能源發(fā)電成為主體”，是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中結(jié)合實際對目標(biāo)的不斷修正和完善。總體來看，最終實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)不變，科學(xué)規(guī)劃新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建路徑是“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是新型電力系統(tǒng)中各主體發(fā)展的邊界和指南。

2 新型電力系統(tǒng)特征

關(guān)于新型電力系統(tǒng)的特征，文獻(xiàn)[1]指出新型電力系統(tǒng)是高比例可再生能源和高比例電力電子裝備的電力系統(tǒng)、多能互補的綜合能源電力系統(tǒng)、物理信息深度融合的智能電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)。文獻(xiàn)[2]指出新型電力系統(tǒng)的特征是一次能源供應(yīng)面臨高度不確定性，新能源作為主體電源、常規(guī)電源功能則逐步轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與支撐，電網(wǎng)形態(tài)向微電網(wǎng)、柔性直流電網(wǎng)等多種形態(tài)電網(wǎng)并存轉(zhuǎn)變，能源消費高度電氣化、用電需求持續(xù)增長，新型電力系統(tǒng)供需雙側(cè)均面臨較大的不確定性，電源并網(wǎng)技術(shù)由交流同步向電力電子轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[3]指出新型電力系統(tǒng)仍主要以交流同步機制運行，高比例新能源帶來充裕性挑戰(zhàn)，大規(guī)模電力電子設(shè)備帶來安全穩(wěn)定問題、利益主體龐雜使市場機制設(shè)計難度增大。文獻(xiàn)[4]歸納的新型電力系統(tǒng)具有新能源大發(fā)展、高比例新能源廣泛接入的結(jié)構(gòu)特征，源網(wǎng)荷儲互動、大電源大電網(wǎng)與分布式系統(tǒng)兼容互補的形態(tài)特征，各環(huán)節(jié)全面數(shù)字化、調(diào)控系統(tǒng)高度智能化的技術(shù)特征，以及現(xiàn)代電力市場體系全面建成、電力市場和碳市場協(xié)同發(fā)展的機制特征。

綜合目前已有的研究成果，新型電力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的突出特點就是“雙高”特征（高比例可再生能源和高比例電力電子裝備），以及由此帶來的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、技術(shù)和機制特征的一系列改變。綜合來看可以把新型電力系統(tǒng)的特征總結(jié)為安全可控、綠色低碳、經(jīng)濟高效3個方面：

（1）安全是新型電力系統(tǒng)的基本要求。隨著新能源大規(guī)模接入，系統(tǒng)慣量降低、調(diào)頻能力下降、無功支撐不足、電壓穩(wěn)定問題突出、功角穩(wěn)定特性復(fù)雜，不確定性增加。新型電力系統(tǒng)必須在理論分析、控制方法、調(diào)節(jié)手段等方面創(chuàng)新發(fā)展，應(yīng)對日益加大的各類風(fēng)險和挑戰(zhàn)，保持高度的安全性。

（2）低碳是新型電力系統(tǒng)的核心目標(biāo)。電力系統(tǒng)作為能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)，面對高比例新能源大規(guī)模接入，將承擔(dān)著更加迫切和繁重的清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)，僅依靠傳統(tǒng)的電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)手段，已經(jīng)難以滿足新能源持續(xù)大規(guī)模并網(wǎng)消納的需求。新型電力系統(tǒng)亟需激發(fā)負(fù)荷側(cè)和新型儲能技術(shù)等潛力，形成源網(wǎng)荷儲協(xié)同消納新能源的格局，適應(yīng)新能源的持續(xù)開發(fā)利用需求。

（3）經(jīng)濟是新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。未來高比例新能源與海量用戶接入電力系統(tǒng)，會為能源資源優(yōu)化配置的效率帶來重大挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)更高的資源優(yōu)化配置效率與更大的能源優(yōu)化空間，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建作為能源轉(zhuǎn)型重構(gòu)的重要手段，需要從政策和市場兩個方面進(jìn)行雙軌驅(qū)動。要同時發(fā)揮政策對新的能源體系構(gòu)建的引導(dǎo)規(guī)范作用，以及市場在資源優(yōu)化配置中起到的基礎(chǔ)調(diào)節(jié)和優(yōu)化配置作用。

3 新型電力系統(tǒng)碳達(dá)峰、碳中和典型場景預(yù)測

碳達(dá)峰、碳中和是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中的重要節(jié)點，其典型場景對新型電力系統(tǒng)發(fā)展路徑具有重要指導(dǎo)意義，是新型電力系統(tǒng)中各主體發(fā)展的重要邊界和參考。

3.1 碳達(dá)峰典型場景分析

針對2030年碳達(dá)峰場景下各類電源的裝機容量，通過歸納整理中國工程院[5]、國網(wǎng)能源院[3]、中國電科院[6]和華北電力大學(xué)[7]等單位的研究成果，將結(jié)果分類對比，如表1所示。

表1 2030年新型電力系統(tǒng)場景 預(yù)測對比 （ 單位：億kW）Table 1 Comparison of 2030 new-type power system forecast scenarios（Unit：100 million kW）

由于距離2030年碳達(dá)峰節(jié)點僅有8年時間，因此各研究機構(gòu)對該場景的預(yù)測均比較準(zhǔn)確，對各類電源的裝機容量以及全社會用電量的判斷基本趨同，即總裝機容量40億kW左右，全社會用電量近12萬億kW·h。其中以煤電為主的化石能源仍占據(jù)著重要地位，裝機容量和發(fā)電量占比都接近一半。

3.2 碳中和典型場景分析

將前文研究成果2060年碳達(dá)峰場景下各類電源的裝機容量預(yù)測值分類對比，結(jié)果如表2所示。

表2 2060年新型電力系統(tǒng)場景 預(yù)測對比 （ 單位：億kW）Table 2 Comparison of 2060 new-type Power System forecast scenarios （ Unit：100 million kW）

由表2可見，2060年碳中和場景電力系統(tǒng)總裝機將達(dá)到70億～80億kW。其中，煤電裝機容量在4億kW左右，以風(fēng)光為主的新能源裝機總?cè)萘吭?0億kW左右，占總裝機比例的65%左右，非化石能源裝機占比達(dá)到90%以上。各機構(gòu)預(yù)測差異最大的電源類型是新型儲能，最大值與最小值相差6倍以上，主要是由于新型儲能處于示范應(yīng)用向商業(yè)化運用轉(zhuǎn)型階段，技術(shù)成熟度、安全性和經(jīng)濟性尚未達(dá)到較優(yōu)水平，目前尚不能準(zhǔn)確預(yù)測40年后發(fā)展?fàn)顟B(tài)[8]。

可以發(fā)現(xiàn)國網(wǎng)能源院預(yù)測的煤電、氣電、抽水蓄能等同步機組裝機容量占比僅有22%，而太陽能發(fā)電、新型儲能等大部分依靠電力電子元件的電源裝機容量占總裝機容量的八成，但是文獻(xiàn)[3]認(rèn)為未來新型電力系統(tǒng)仍主要以交流同步機制運行，原因是2060年同步機組出力占負(fù)荷之比大于40%、50%的累計時段仍達(dá)全年時長的84%和53%，如圖1所示。未來應(yīng)用在新能源的電力電子技術(shù)能否提高技術(shù)可靠性，解決安全穩(wěn)定問題，是決定系統(tǒng)是否繼續(xù)以交流同步機制運行的關(guān)鍵問題。

圖1 2060年同步機出力大于對應(yīng)負(fù)荷占比的累積持續(xù)小時數(shù)[3]Figure 1 Cumulative duration hours of synchronous generator output exceeding the proportion of corresponding load in 2060[3]

4 電力“雙碳”實現(xiàn)路徑

構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)要充分考慮煤電的穩(wěn)妥有序退減、新能源的科學(xué)高速滲透和系統(tǒng)靈活性資源的合理高效配置[9]。以下就從這三個方面入手，從各類電源的裝機容量和發(fā)電量的角度，對目前主流的研究成果進(jìn)行歸納整理和對比分析。

4.1 煤電的穩(wěn)妥有序退減

不同研究機構(gòu)對煤電裝機容量的預(yù)測如圖2所示。

圖2 不同研究機構(gòu)對煤電裝機容量預(yù)測Figure 2 Prediction of installed capacity of coal power by different research institutions

從圖2可以看出其中3組數(shù)據(jù)對煤電發(fā)展的預(yù)測比較接近，即裝機容量首先經(jīng)歷較小漲幅，到2030年達(dá)到峰值，然后開始逐年減少，到2060年碳中和場景時，預(yù)測值都在4億kW左右。但各研究機構(gòu)預(yù)測的退減實現(xiàn)過程是不同的：國網(wǎng)能源院和中國電科院的曲線是“上凸型”，也就是煤電退減路徑是先慢后快型；中國工程院和華北電力大學(xué)的曲線是“下凹型”，也就是先快后慢型。在滿足電力電量平衡的情況下，從經(jīng)濟指標(biāo)來看，如果電力碳預(yù)算相同，如果按照先慢后快的“上凸型”路徑退減，技術(shù)經(jīng)濟評價相對較好；如果按照先快后慢的“下凹型”曲線進(jìn)行，將需要更高水平的新能源規(guī)模和脫碳技術(shù)來配合[10]。因此，制定煤電退減的具體路徑應(yīng)統(tǒng)籌考慮關(guān)鍵技術(shù)成熟度和經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)律等因素，考慮到煤電目前仍是我國的主要能源，在電力系統(tǒng)中起到壓艙石的作用，建議按照先慢后快的路徑有序退減。

不同研究機構(gòu)對煤電發(fā)電量的預(yù)測如圖3所示。

圖3 不同研究機構(gòu)對煤電發(fā)電量預(yù)測Figure 3 Prediction of coal power generation by different research institutions

從圖3可以看出不同研究機構(gòu)對煤電發(fā)電量發(fā)展趨勢的預(yù)測差異較大，總體趨勢和圖2的裝機發(fā)展趨勢一致。其中清華大學(xué)預(yù)測的發(fā)電量在2050年后開始上升，主要是由于增加了煤電生物質(zhì)發(fā)電耦合碳捕獲裝置（BECCS）改造機組。中國電科院預(yù)測煤電發(fā)電量于2030年達(dá)到峰值，2030～2040年間退減緩慢，2040年后進(jìn)入快速退減階段。其他研究機構(gòu)預(yù)測2025年煤電電量達(dá)峰，后續(xù)進(jìn)入下降階段。

4.2 新能源的科學(xué)高速滲透

不同研究機構(gòu)對以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為主的新能源裝機容量的預(yù)測如圖4所示。

圖4 不同研究機構(gòu)對新能源裝機容量預(yù)測Figure 4 Prediction of installed capacity of new energy by different research institutions

從圖4可以看出，各研究機構(gòu)對新能源（風(fēng)電、太陽能發(fā)電）未來發(fā)電裝機容量和增速過程的預(yù)測比較統(tǒng)一，即到2060年碳中和場景新能源的裝機容量在50億kW左右，其中風(fēng)電20億kW左右、太陽能發(fā)電30億kW左右。預(yù)測與我國自然資源稟賦和經(jīng)濟發(fā)展需求密切相關(guān)，風(fēng)電在近期除了西部、北部地區(qū)的集約化開發(fā)，還有東部、中部地區(qū)的分散式和海上風(fēng)電可供開發(fā)利用，而遠(yuǎn)期開發(fā)中心重回西部、北部地區(qū)，同時海上風(fēng)電向遠(yuǎn)海拓展，預(yù)計2060年風(fēng)電裝機容量為20億kW左右；太陽能發(fā)電方面，近期仍以光伏發(fā)電為主，優(yōu)先發(fā)展東部、中部地區(qū)的分布式光伏，西部、北部地區(qū)則建設(shè)集中式太陽能發(fā)電基地；中遠(yuǎn)期，包括光熱發(fā)電在內(nèi)的太陽能發(fā)電基地建設(shè)將在西北地區(qū)及其他有條件的區(qū)域持續(xù)擴大規(guī)模，預(yù)計2060年太陽能裝機容量為30億kW左右[5]。從發(fā)展趨勢看，新能源發(fā)電裝機保持高速增長趨勢。

不同研究機構(gòu)對以風(fēng)電、太陽能發(fā)電為主的新能源發(fā)電量的預(yù)測如圖5所示。

圖5 不同研究機構(gòu)對新能源發(fā)電量預(yù)測Figure 5 Prediction of power generation of new energy by different research institutions

從圖5可以看出新能源發(fā)電量與裝機容量趨勢基本一致，整體上呈高速增長的態(tài)勢。我國風(fēng)電、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈成熟，制造能力強，從“十四五”初期風(fēng)電光伏的增長趨勢來看，完全有能力以更快的速度發(fā)展新能源，但在高速發(fā)展過程中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)消納能力，深入挖掘系統(tǒng)靈活性資源，包括煤電靈活性改造、燃?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能和新型儲能配套建設(shè)、需求側(cè)響應(yīng)能力、區(qū)域間電量互濟等，避免由于新能源過速增長、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足造成的棄風(fēng)、棄光資源浪費[11]。

4.3 系統(tǒng)靈活性資源的合理高效配置

不同研究機構(gòu)對以氣電、抽水蓄能和新型儲能為主的靈活性調(diào)節(jié)資源裝機容量的預(yù)測如圖6所示。

圖6 不同研究機構(gòu)對靈活性調(diào)節(jié)資源裝機容量預(yù)測Figure 6 Prediction of installed capacity of flexible regulation resources by different research institutions

從圖6可以看出各機構(gòu)對靈活性調(diào)節(jié)資源的預(yù)測值偏差相對較大，其中最大值是國網(wǎng)能源院預(yù)測的2060年達(dá)到15.6億kW，占系統(tǒng)總裝機的19.5%；最小值是華北電力大學(xué)預(yù)測的2060年達(dá)到6.8億kW，占系統(tǒng)總裝機的9.2%。新能源占比逐步提高后所帶來的供電不穩(wěn)定性問題將越發(fā)突出，亟需大量靈活性調(diào)節(jié)資源來解決，未來靈活性調(diào)節(jié)資源將成為新型電力系統(tǒng)中的重要需求。靈活性調(diào)節(jié)資源包括火電靈活性調(diào)節(jié)、氣電、抽水蓄能和新型儲能等：其中火電靈活性調(diào)節(jié)和氣電屬于化石能源，未來開發(fā)規(guī)模有限；抽水蓄能是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟且經(jīng)濟性優(yōu)的儲能方式；以電化學(xué)儲能為代表的新型儲能也在不斷成熟和完善。因此未來新型電力系統(tǒng)中抽水蓄能和新型儲能將成為靈活性調(diào)節(jié)的主力軍[12]。

5 結(jié)語

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)自提出以來，社會各界均進(jìn)行了廣泛的研究，但國內(nèi)的專家學(xué)者對于其發(fā)展的最終形態(tài)和具體路徑目前還沒有達(dá)成一致的結(jié)論。本文對目前已有的主要研究成果進(jìn)行了總結(jié)提煉，從新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵、特征、典型場景和實施路徑等四個方面分析了不同研究成果之間的異同，研究認(rèn)為新型電力系統(tǒng)具有安全可控、綠色低碳、經(jīng)濟高效的基本特征，2060年碳中和典型場景下，系統(tǒng)總裝機容量80億kW，非化石能源裝機90%左右，全社會用電量16萬億kW·h，非化石能源發(fā)電量95%左右。新型電力系統(tǒng)實現(xiàn)路徑關(guān)鍵問題包括煤電的穩(wěn)妥有序退減、新能源的科學(xué)高速滲透和系統(tǒng)靈活性資源的合理高效配置三個方面，其中煤電退減應(yīng)按照先慢后快的趨勢進(jìn)行，新能源的高速滲透應(yīng)考慮系統(tǒng)的消納能力。