构建以新能源为主体的新型电力系统框架

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阅江学刊 Yuejiang Academic Journal ISSN 1674-7089,CN 32-1802/C 《阅江学刊》网络首发论文题目：构建以新能源为主体的新型电力系统框架作者：王志轩 DOI： 10.13878/j.cnki.yjxk.20210610.001 网络首发日期： 2021-06-11 引用格式：王志轩．构建以新能源为主体的新型电力系统框架[J/OL]．阅江学刊. https://doi.org/10.13878/j.cnki.yjxk.20210610.001 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。第３期２０２１年５月阅江学刊ＹｕｅｊｉａｎｇＡｃａｄｅｍｉｃＪｏｕｒｎａｌＮｏ．３Ｍａｙ２０２１ ·气象与人类社会：全球气候变化与中国行动方案· 构建以新能源为主体的新型电力系统框架王志轩摘要：构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰碳中和的基础，而新型电力系统是清洁低碳安全高效能源体系的重要组成部分，在新型电力系统中，要逐步实现可再生能源对化石能源的替代，而且要以化石能源效能为目标控制能源总量，以电力体制改革为动力，推动新型电力系统构建。能源转型涉及整个经济与社会系统的全面转型，生产方式和生活方式必须发生重大转变。在“十四五”规划期间，构建新型电力系统需要保障电力安全；大力支持新能源发展；持续完善智能电网建设，更加重视智能配电网建设；明确煤电定位，严格限制煤电建设；在保障安全的前提下启动核电建设，在维护生态的前提下启动大型水电建设；推动储能商业化发展。关键词：碳中和；碳达峰；新能源；能源转型；电力安全；智能电网；能源消费；储能中图分类号：Ｘ２；ＴＫ－９文献标识码：Ａ文章分类号：１６７４⁃７０８９（２０２１）０３⁃００００⁃００作者简介：王志轩，中国电力企业联合会原专职副理事长，教授级高工，国家气候变化专家委员会委员，国家能量系统标准化技术委员会副主任委员。２０２１年３月１５日习近平总书记主持召开中央财，经委员会第九次会议强调把碳达峰碳中和纳入生态文，明建设整体布局。会议指出，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要重点做好几项工作，其中之一是要构建清洁低碳安全高效的能源体系控制化石能源总量着力，，提高利用效能实施可再生能源替代行动深化电力体，，制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。全面把握中央财经委员会第九次会议精神不难看出构建以，，新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰碳中和的基础而新型电力系统是清洁低碳安全高效能源体系的，重要组成部分在新型电力系统中要逐步实现可再生，，能源对化石能源的替代而且要以化石能源效能为目标，控制能源总量，以电力体制改革为动力，推动新型电力系统构建。２０２１年４月２２日，习近平主席出席领导人气候峰会并发表重要讲话他提出：“中国将严控煤电项目 ‘十四五’ ，，３６ DOI：10.13878/j.cnki.yjxk.20210610.001 网络首发时间：2021-06-11 13:51:45 网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1802.C.20210610.1319.002.html 王志轩：构建以新能源为主体的新型电力系统框架时期严控煤炭消费增长，‘十五五’时期逐步减少。”这为构建新型电力系统框架进一步指明了方向。一、中国能源电力发展的基本情况（一）能源消费在持续增长中改善结构根据国家统计局数据，２０２０年中国能源消费总量为４９．８亿吨标准煤，比上年增长２．２％；煤炭消费量增长０．６％，煤炭消费量占能源消费总量的５６．８％，比上年下降０．９％；原油消费量增长３．３％；天然气消费量增长７．２％；电力消费量增长３．１％；天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的２４．３％，上升１．０％。图１是１９７８年以来中国能源消费总量与结构的变化情况。图１１９７８—２０１７年中国能源消费总量与结构根据以上数据和图１发现：第一，中国能源消费总量在改革开放以后持续增长，尤其是２１世纪以来总量增加很快。第二，能源结构以煤为主，但煤炭消费总量在２０１３年达到高值之后基本持平；煤炭消费所占比重逐步下降，但仍然占绝对主导地位。第三，石油消费总量持续增长，但增长速度低于天然气。第四，非化石能源消费持续增长，能源消费增量部分主要由清洁能源填补。总体来看，中国能源消费仍然以化石能源尤其是煤炭为主，正在向清洁能源消费转变。（二）电力生产总量跨上新台阶，电力结构向绿色低碳方向快速转变根据国家统计局和中国电力企业联合会（以下简称中电联）统计，２０２０年末，全国发电装机容量２２００５８万千瓦，比上年末增长９．５％。其中，火电装机容量１２４５１７万千瓦，增长４．７％；水电装机容量３７０１６万千瓦，增长３．４％；核电装机容量４９８９万千瓦，增长２．４％；并网风电装机容量２８１５３万千瓦，增长３４．６％；并网太阳能发电装机容量２５３４３万千瓦，增长２４．１％。 “十三五”时期，我国年均新增装机１３５０７万千瓦，煤电年均新增装机３５６４万千瓦。截至２０２０年底，我国煤电装机容量１０．８亿千瓦，占总装机比重４９％，占总发电量比重６０．８％，年装机容量增长趋势放缓，发电量缓慢增长。１９８５年以来，我国电煤消费原煤占煤炭消费比重、电力消费能源在一次能源中的比重、电能在终端能源消费中的比重如图２所示。图３为２００６—２０２０年太阳能发电、风力发电量及占总发电量的比重，图４为２０００—２０２０年不同电源发电量及总发电量的增速。３７阅江学刊：２０２１年第３期图２１９８５—２０１８年我国电煤占煤炭消费的比重、电力消费能源占一次能源的比重和电能在终端能源消费的比重图３２００６—２０２０年我国太阳能发电、风力发电量和比重根据以上数据和图２、３、４可提出四点结论。第一，电煤消费原煤在煤炭消费中的比重、电力消费能源在一次能源中的比重、电能在终端能源消费中的比重等三个重要正向指标都是持续增长的。第二，全国发电量快速增长，但增速在波动中逐步下降。不论装机容量还是发电量中国已连续多年稳居世界第一其中发电装机已经连续９年居世界第一，，位。第三，非化石能源发电所占比重不断增加，煤电占比不断下降。与２０１０年相比，２０２０年我国煤电装机容量和发电量所占比重分别下降１８个百分点和１５个百分点。２０２０年，煤电装机占比首次下降到５０％以下，但是发电量所占比重仍为６０．８％；以２００５年为基准，非化石能源发电量所占比重逐年提高，２０２０年非化石能源（含生物质发电）装机９．８亿千３８王志轩：构建以新能源为主体的新型电力系统框架图４２０００—２０２０年不同电源发电量及总发电量增速瓦，占４５％，发电量７．６万亿千瓦，占比为３４％，分别提升了２１个百分点和１６个百分点。第四，与风电相比，太阳能发电大规模投入应用的起步时间晚了５年左右，目前风力和太阳能发电量都有大幅度增长，虽然发电量占总发电量的比重约为１０％，但是将会逐步成为主力电力、主力电量和主力能源。（三）火电污染控制和碳减排成效显著根据中电联统计分析，与２０１０年相比，２０１９年全国火电（其中煤电装机和发电量占比均为９０％左右）颗粒物排放量由１６０万吨下降至１８万吨，下降８８．８％；二氧化硫排放量由９２６万吨下降至８９万吨，下降９０．４％，与２００６年的峰值相比下降约９３．４％；氮氧化物排放量由９５０万吨下降至９３万吨，下降９０．２％，与２０１１年的峰值相比下降约９０．７％。１９７８年，火电碳强度约为１３１２克／千瓦时，２０１９年降到８３８克／千瓦时。以２００５年为基准年，２００６—２０１９年，通过发展非化石能源，降低供电煤耗和线损率等措施，电力行业累计减少二氧化碳排放约１５９．４亿吨。（四）中国人均用电量和三大产业用电比重显示，我国仍处在现代化进程之中２０２０年，中国人均用电量约５４００千瓦时，略高于世界平均水平。２００４年以来，我国第一产业、第二产业和第三产业的用电量及工业用电与生活用电的比重如图５所示。近期发达国家与中国的产业用电比重如图６所示。从图５可以看出，中国第一、二、三产业的用电量都在持续增长。其中，第一产业用电所占比重很低；第二产业用电所占比重基本在７０％左右，近年有所下降；第三产业和城乡居民生活用电所占比重基本相同，且近年来都有所上升。从图６可以看出，发达国家在完成工业化时，第二产业用电所占比重约为６０％，完成工业化后，第二产业用电所占比重下降到３０％左右，同时，第三产业和居民用电“三分天下” 各占其一。分析产业用电量和用电结构之后发现，我国仍然处于发展中国家水平，正在为２０３５年基本实现社会主义现代化的目标而努力。３９阅江学刊：２０２１年第３期图５２００４—２０１８年中国三大产业的用电量与比重图６发达国家与中国各产业用电比重（五）能源转型涉及整个经济与社会系统的全面转型以上四个方面简要分析了中国能源电力的发展过程、当前状态和主要特点，这是分析中国在碳达峰碳中和目标下构建新型电力系统的基础不了解中国能源电力的基本情况，就不能做到有的放矢。总体来讲，经过四十多年改革开放快速发展，中国能源结构不断改善环境保护成效显著不论发电产业还是电网中国都已经达到世界先进水平部分已达，，，，到世界领先水平；中国电力供需矛盾由长期的严重短缺进入总体供需平衡，局部地区短缺或有富余的阶段，破解了资金、技术、人才制约电力工业发展的基础性矛盾。但是，能源转型不是某一品种的能源在经济上可以替代另一品种的能源时就能够实现的而是涉及整个经济与社会系统的全面转型生产方式和生活方式必须发生重大转，，变。我国仍处在社会主义初级阶段，经济社会发展还属于爬坡时期，不平衡不充分的问题仍然存在，高碳能源特性十分显著，国际环境存在不确定性。面对碳达峰碳中和目标，尤其是要在３０年之内完成发达国家大约６０年才完成的任务，必将是一场世纪大考。二、构建新型电力系统的基本问题（一）电力系统要素变化第一，电力系统运行机制由“源随荷动”转变为“源荷互动”。新型电力系统是相对于４０王志轩：构建以新能源为主体的新型电力系统框架传统的电力系统而言的。电力系统由发电、输电、变电、配电、用电等环节组成电能生产、传输、分配和消费的系统，其中，发电电源简称“源”，用电负荷简称“荷”。输电、变电、配电是电力系统中电能输送、变换和分配的部分，可分为输电网和配电网。在传统的电力系统中，电能配置是按照发电、供电、用电的次序由电网进行配置，由于电能难以储存的特点，电能在发、输、变、配、用各环节中几乎同时发生。满足国民经济和社会发展对电力的需求，保持电力系统电量的瞬间平衡和稳定（涉及电压、频率、功角等参数）是电力系统规划、设计、运行的基本任务。为此，传统电力系统运行的逻辑是“源随荷动”，即根据用电负荷侧的变化，电源侧随时变化，而这些变化是由电网调控的。这一特性决定了电源侧必须要有充足的、符合电网运行条件的各类不同电源，尤其是要有既稳定可靠又具有一定灵活性的电源并配有少量储能设施以备电源不足或者电源达不到电网稳定运行要求时作，，为补充。在传统电力系统中，主体电源（火电、水电等）在设计和建造时都充分考虑了“源随荷动”的需要水电受气候影响有丰枯期的问题水电与火电建设的合理布局可以解决，，这个问题。第二，“源网荷”系统转变为“源网荷储”系统。在以新能源为主体的电力系统中，新能源的主要代表是太阳能发电和风电。太阳能及风能是大自然无偿赐予的，但是具有波动性、随机性、间歇性的特点，且不以人的意志为转移。显然，风电、太阳能发电无法适应 “源随荷动”的基本要求。在中国的传统电力系统中，煤电、水电、核电的年均满负荷利用时间分别可达５５００小时、３５００小时、７０００小时左右，而煤电、核电的年利用时间还可以更高一些。受风、光资源特点的限制，风力发电年利用时间平均为２２００小时，光伏发电平均为１２００小时。由于风、光发电的特性，一些地方会出现用电高峰时少风少光甚至无风无光，在用电低谷时发电量较高的情况，即风、光发电具有反调峰特性。新能源发电还有能量密度低、分布广泛、便于分散使用的特点，有可能出现千家万户均可发电的状态。但是，自发自用的特点是有时电能富余，有时电能不足，而且自发自用难以保障用户的电能质量。因此，用户在电能富余时可以将电卖给电网，不足时由电网供电。同时，随着更多的电能由分布式发电接入配电网，由分布式电源和相关储能、调控、保护设施构成的微电网和主动配电网逐渐增多。一方面，大量使用低碳能源有利于优化能源电力系统，对于维护大电网的安全性也有一定的好处。另一方面，原有电力的负荷特性发生改变，而且新能源的波动性、随机性、不稳定性等特点加大了电网安全稳定运行的难度。 “源”已经不是传统的“源”，“荷”也不是传统的“荷”，为了保障电力系统安全，“源” 与“荷”之间必须协同互动。在“源” 方面，尽可能提高预测的精度并加强调节性能；在 “荷”方面，也应当提高调节能力或者需求响应能力。与传统的电力系统运行逻辑相比，“源”与“荷”都出现了较大不同，储能（包括储电、储热等）成为新型电力系统的重要组成部分。为了适应不同地区、不同“源”与“荷”的特点以及电网的特点，储能将会以多种方式（化学或物理方式）在电网侧、“源”与“荷”侧进行配置，原有的“源、网、荷”系统将转变为“源、网、荷、储” 系统。储能的大量使用和分布式电源的增多，传统单向电能配置模式将变成双向、多向的电能配置模式。过去，电力系统原有的各个环节区分明显，未来，相互融合的部分将不断增大。第三，“云、大、物、移、智” 技术是支撑新型电力系统的基础。实际上，所谓传统的电力系统主要指当今的电力系统，而当今的电力系统也是经过多次升级才建成的。中国的４１阅江学刊：２０２１年第３期电力系统经过了初期的分散式、小容量、低电压、小系统阶段，中期的大机组、大电厂、大系统、高电压、信息化阶段，逐步发展为当今的现代电力系统。目前，我国的电力系统以特高压电网为骨干网架，不同等级电压协调、全国联网，以高效、环保型机组为主体，可大范围实现能源资源优化配置，已经高度自动化并向智能化过渡。在构建新型电力系统的过程中为了适应以新能源为主体的目标必须要全面采用现代科技创新成果对电力系统进，，，行升级。新能源之所以“新”，是因为新技术赋予可再生能源新的生命力，使其能够经济地转换为电能（或商品热能）而为人类所用。同样，构建新型电力体系的“新”体现为用新技术改造现有的电力系统，使其适应不断变化的新要求。新技术，就是要充分运用“云、大、物、移、智”的技术，不断加强电网与信息网、交通网、能源网的融合，形成以智能电网为主体的能源互联网。需要指出的是以新能源为主体并不是说全部能源都是新能源而是要根据能源电力，，安全及经济运行需要配置必要的其他电源，如水电、核电以及燃烧天然气或煤发电等，而且应当优先考虑无碳、低碳能源的使用。在配置煤电的同时，要根据碳减排的需要逐步采取二氧化碳捕集、利用、封（ＣＣＵＳ）技术，且尽可能减少煤电机组运行或将煤电作为备用能源。未来，应当根据低碳发展阶段，平衡安全、经济等各方面的考虑，选择最佳的以新能源为主体的多元电源组合系统。（二）改变传统的电力管理运行机制从物理形态上看，新型电力系统“发、输、变、配、用、储”等设备的系统变化和功能调整体现为电力流、信息流、价值流的重新分配，由此推动能源、经济、社会的全面转型。要达到这样的目标，深化电力体制改革将起引领性、关键性甚至决定性作用。新型电力系统的构建涉及法律、规划、政策、标准、技术、规范、人才等全方位、整体性的改变，不仅需要深化电力体制改革，还需要开展相关领域的改革，通过各方协调推进才能成功。中国电力体制改革一直没有停止当前的改革已经为构建新型电力系统奠定了良好，的基础。但是，当前的改革主体思路是在２０１５年以前形成的，代表了当时的改革精神和实际情况，与碳达峰碳中和目标的要求还有一定的差距。所以，中央财经委员会第九次会议提出了深化电力体制改革的要求。其一，建立快速、大规模新能源进入电力系统之后保持电力系统安全稳定运行的机制；其二，重新定位电网企业（或者主体）在新能源系统中的作用；其三，在大量新业态如储能、分布式能源系统、电动汽车与电力系统融合之后，构建新