“雙碳”目標下新型電力系統發展綜述

徐三敏，張云飛，趙添辰，侯世豪

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

0 引言

碳達峰、碳中和目標提出后，能源消費各領域積極采取行動，綜合采用減少碳排放、增加碳匯及負排放技術實現“雙碳”目標。在能源消費清潔低碳化的進程中，電力是能源轉型的中心環節、碳減排的關鍵領域。考慮我國各類非化石能源資源豐富、開發利用的技術經濟性逐漸提高，大力發展新能源是我國電力發展的必然趨勢。《“十四五”現代能源體系規劃》提出構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統蓄勢待發，再一次說明了構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統，既是能源電力轉型的必然要求，也是實現碳達峰、碳中和目標的重要途徑。本文在近期新型電力系統相關研究的基礎上，結合國家能源政策與形勢的最新變化，對新型電力系統的內涵、特征、2030年和2060年典型場景、電力“雙碳”目標實現路徑四個方面進行了歸納總結和分析預測，形成對應的綜述研究結論，以期為新型電力系統長期規劃的研究提供參考與借鑒。

1 新型電力系統內涵

構建新型電力系統的概念于2021年3月15日召開的中央財經委員會第九次會議上正式提出，會議指出要“構建以新能源為主體的新型電力系統”。后續出臺的文件中，關于新型電力系統有兩種最新表述。一是《國家發展改革委、國家能源局關于加快建設全國統一電力市場體系的指導意見》（發改體改〔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”。二是《“十四五”現代能源體系規劃》在分析全球能源體系深刻變革時，提出“構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統蓄勢待發”；在展望2035年發展目標時，指出“可再生能源發電成為主體電源，新型電力系統建設取得實質性成效”。

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電成為主體”，是新型電力系統構建過程中結合實際對目標的不斷修正和完善。總體來看，最終實現碳達峰碳中和的遠景目標不變，科學規劃新型電力系統的構建路徑是“雙碳”目標實現的基礎，也是新型電力系統中各主體發展的邊界和指南。

2 新型電力系統特征

關于新型電力系統的特征，文獻[1]指出新型電力系統是高比例可再生能源和高比例電力電子裝備的電力系統、多能互補的綜合能源電力系統、物理信息深度融合的智能電力系統和能源互聯網。文獻[2]指出新型電力系統的特征是一次能源供應面臨高度不確定性，新能源作為主體電源、常規電源功能則逐步轉向調節與支撐，電網形態向微電網、柔性直流電網等多種形態電網并存轉變，能源消費高度電氣化、用電需求持續增長，新型電力系統供需雙側均面臨較大的不確定性，電源并網技術由交流同步向電力電子轉變。文獻[3]指出新型電力系統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，大規模電力電子設備帶來安全穩定問題、利益主體龐雜使市場機制設計難度增大。文獻[4]歸納的新型電力系統具有新能源大發展、高比例新能源廣泛接入的結構特征，源網荷儲互動、大電源大電網與分布式系統兼容互補的形態特征，各環節全面數字化、調控系統高度智能化的技術特征，以及現代電力市場體系全面建成、電力市場和碳市場協同發展的機制特征。

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

（1）安全是新型電力系統的基本要求。隨著新能源大規模接入，系統慣量降低、調頻能力下降、無功支撐不足、電壓穩定問題突出、功角穩定特性復雜，不確定性增加。新型電力系統必須在理論分析、控制方法、調節手段等方面創新發展，應對日益加大的各類風險和挑戰，保持高度的安全性。

（2）低碳是新型電力系統的核心目標。電力系統作為能源轉型的中心環節，面對高比例新能源大規模接入，將承擔著更加迫切和繁重的清潔低碳轉型任務，僅依靠傳統的電源側和電網側調節手段，已經難以滿足新能源持續大規模并網消納的需求。新型電力系統亟需激發負荷側和新型儲能技術等潛力，形成源網荷儲協同消納新能源的格局，適應新能源的持續開發利用需求。

（3）經濟是新型電力系統的關鍵因素。未來高比例新能源與海量用戶接入電力系統，會為能源資源優化配置的效率帶來重大挑戰。為實現更高的資源優化配置效率與更大的能源優化空間，新型電力系統的構建作為能源轉型重構的重要手段，需要從政策和市場兩個方面進行雙軌驅動。要同時發揮政策對新的能源體系構建的引導規范作用，以及市場在資源優化配置中起到的基礎調節和優化配置作用。

3 新型電力系統碳達峰、碳中和典型場景預測

碳達峰、碳中和是新型電力系統構建過程中的重要節點，其典型場景對新型電力系統發展路徑具有重要指導意義，是新型電力系統中各主體發展的重要邊界和參考。

3.1 碳達峰典型場景分析

針對2030年碳達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]、國網能源院[3]、中國電科院[6]和華北電力大學[7]等單位的研究成果，將結果分類對比，如表1所示。

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

由于距離2030年碳達峰節點僅有8年時間，因此各研究機構對該場景的預測均比較準確，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著重要地位，裝機容量和發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年碳達峰場景下各類電源的裝機容量預測值分類對比，結果如表2所示。

表2 2060年新型電力系統場景 預測對比 （ 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總裝機將達到70億～80億kW。其中，煤電裝機容量在4億kW左右，以風光為主的新能源裝機總容量在50億kW左右，占總裝機比例的65%左右，非化石能源裝機占比達到90%以上。各機構預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用向商業化運用轉型階段，技術成熟度、安全性和經濟性尚未達到較優水平，目前尚不能準確預測40年后發展狀態[8]。

可以發現國網能源院預測的煤電、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[3]認為未來新型電力系統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荷之比大于40%、50%的累計時段仍達全年時長的84%和53%，如圖1所示。未來應用在新能源的電力電子技術能否提高技術可靠性，解決安全穩定問題，是決定系統是否繼續以交流同步機制運行的關鍵問題。

圖1 2060年同步機出力大于對應負荷占比的累積持續小時數[3]Figure 1 Cumulative duration hours of synchronous generator output exceeding the proportion of corresponding load in 2060[3]

4 電力“雙碳”實現路徑

構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統要充分考慮煤電的穩妥有序退減、新能源的科學高速滲透和系統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電量的角度，對目前主流的研究成果進行歸納整理和對比分析。

4.1 煤電的穩妥有序退減

不同研究機構對煤電裝機容量的預測如圖2所示。

圖2 不同研究機構對煤電裝機容量預測Figure 2 Prediction of installed capacity of coal power by different research institutions

從圖2可以看出其中3組數據對煤電發展的預測比較接近，即裝機容量首先經歷較小漲幅，到2030年達到峰值，然后開始逐年減少，到2060年碳中和場景時，預測值都在4億kW左右。但各研究機構預測的退減實現過程是不同的：國網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，從經濟指標來看，如果電力碳預算相同，如果按照先慢后快的“上凸型”路徑退減，技術經濟評價相對較好；如果按照先快后慢的“下凹型”曲線進行，將需要更高水平的新能源規模和脫碳技術來配合[10]。因此，制定煤電退減的具體路徑應統籌考慮關鍵技術成熟度和經濟社會發展規律等因素，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。

不同研究機構對煤電發電量的預測如圖3所示。

圖3 不同研究機構對煤電發電量預測Figure 3 Prediction of coal power generation by different research institutions

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

4.2 新能源的科學高速滲透

不同研究機構對以風電、太陽能發電為主的新能源裝機容量的預測如圖4所示。

圖4 不同研究機構對新能源裝機容量預測Figure 4 Prediction of installed capacity of new energy by different research institutions

從圖4可以看出，各研究機構對新能源（風電、太陽能發電）未來發電裝機容量和增速過程的預測比較統一，即到2060年碳中和場景新能源的裝機容量在50億kW左右，其中風電20億kW左右、太陽能發電30億kW左右。預測與我國自然資源稟賦和經濟發展需求密切相關，風電在近期除了西部、北部地區的集約化開發，還有東部、中部地區的分散式和海上風電可供開發利用，而遠期開發中心重回西部、北部地區，同時海上風電向遠海拓展，預計2060年風電裝機容量為20億kW左右；太陽能發電方面，近期仍以光伏發電為主，優先發展東部、中部地區的分布式光伏，西部、北部地區則建設集中式太陽能發電基地；中遠期，包括光熱發電在內的太陽能發電基地建設將在西北地區及其他有條件的區域持續擴大規模，預計2060年太陽能裝機容量為30億kW左右[5]。從發展趨勢看，新能源發電裝機保持高速增長趨勢。

不同研究機構對以風電、太陽能發電為主的新能源發電量的預測如圖5所示。

圖5 不同研究機構對新能源發電量預測Figure 5 Prediction of power generation of new energy by different research institutions

從圖5可以看出新能源發電量與裝機容量趨勢基本一致，整體上呈高速增長的態勢。我國風電、光伏發電產業鏈成熟，制造能力強，從“十四五”初期風電光伏的增長趨勢來看，完全有能力以更快的速度發展新能源，但在高速發展過程中應充分考慮系統消納能力，深入挖掘系統靈活性資源，包括煤電靈活性改造、燃氣發電、抽水蓄能和新型儲能配套建設、需求側響應能力、區域間電量互濟等，避免由于新能源過速增長、系統調節能力不足造成的棄風、棄光資源浪費[11]。

4.3 系統靈活性資源的合理高效配置

不同研究機構對以氣電、抽水蓄能和新型儲能為主的靈活性調節資源裝機容量的預測如圖6所示。

圖6 不同研究機構對靈活性調節資源裝機容量預測Figure 6 Prediction of installed capacity of flexible regulation resources by different research institutions

從圖6可以看出各機構對靈活性調節資源的預測值偏差相對較大，其中最大值是國網能源院預測的2060年達到15.6億kW，占系統總裝機的19.5%；最小值是華北電力大學預測的2060年達到6.8億kW，占系統總裝機的9.2%。新能源占比逐步提高后所帶來的供電不穩定性問題將越發突出，亟需大量靈活性調節資源來解決，未來靈活性調節資源將成為新型電力系統中的重要需求。靈活性調節資源包括火電靈活性調節、氣電、抽水蓄能和新型儲能等：其中火電靈活性調節和氣電屬于化石能源，未來開發規模有限；抽水蓄能是目前應用最廣泛、技術最成熟且經濟性優的儲能方式；以電化學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中抽水蓄能和新型儲能將成為靈活性調節的主力軍[12]。

5 結語

構建新型電力系統自提出以來，社會各界均進行了廣泛的研究，但國內的專家學者對于其發展的最終形態和具體路徑目前還沒有達成一致的結論。本文對目前已有的主要研究成果進行了總結提煉，從新型電力系統的內涵、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，研究認為新型電力系統具有安全可控、綠色低碳、經濟高效的基本特征，2060年碳中和典型場景下，系統總裝機容量80億kW，非化石能源裝機90%左右，全社會用電量16萬億kW·h，非化石能源發電量95%左右。新型電力系統實現路徑關鍵問題包括煤電的穩妥有序退減、新能源的科學高速滲透和系統靈活性資源的合理高效配置三個方面，其中煤電退減應按照先慢后快的趨勢進行，新能源的高速滲透應考慮系統的消納能力。