双碳目标下新型电力系统的特征与挑战及应对之策

双碳目标下新型电力系统 的特征与挑战及应对之策

谭致远 杨潘正 邓明斌

广东电网有限责任公司广州供电局 广东 广州 510640

摘要： 2020年9月习近平主席在联合国大会明确了我国面对气候变化问题要实现的双碳目标。2021年10月印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确了实现双碳目标的原则路线及任务。实现双碳目标，电力行业是主力军。新型电力系统，新能源为主体。由于新能源具有随机性、波动性、间歇性特点，给电力系统带来挑战。加快发展，发展储能技术尤其是抽水蓄能电站，是必然选择。

关键词：碳中和；碳达峰；新型电力系统；储能

1.双碳目标的提出及实现步骤

碳达峰，就是指碳排放量达峰，即二氧化碳排放总量在某一个时期达到历史最高值，之后逐步降低。其目标为在确定的年份实现碳排放量达到峰值，形成碳排放量由上涨转向下降的拐点。

碳中和，就是二氧化碳净零排放，指的是人类活动排放的二氧化碳与人类活动产生的二氧化碳吸收量在一定时期内达到平衡。

2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会提出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，第一次明确了我国面对气候变化问题要实现的“双碳”目标。2020 年12 月12 日，习近平主席在气候雄心峰会上进一步宣布提升国家自主贡献的一系列新举措。

宣布碳达峰、碳中和目标意义重大、影响深远。从国内看，实现碳达峰、碳中和，是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求。从国际看，这一重大宣示充分展现了我国积极应对全球气候变化、推动世界可持续发展的责任担当，是推动构建人类命运共同体的必然选择。我国宣布碳中和目标后，日本、韩国等国家相继作出碳中和承诺，美国宣布重回《巴黎协定》，国际应对气候变化行动全面加速。

我国要在未来40年先后实现碳达峰、碳中和目标，面临艰巨挑战。

一是排放总量大。2019年，中国碳排放达到101.8亿吨，占全球碳排放的27.92%，是世界上年度碳排放最多的国家，人均碳排放量比世界平均水平高46%。

二是能源结构不合理。我国经济体量大、用能需求高，能源结构以煤为主，使得我国碳排放总量和强度“双高”。2019年我国煤炭消费比重达到58%。

三是制约因素多。碳减排既是气候环境问题也是发展问题，涉及能源、经济、社会、环境等多方面，需统筹考虑能源、经济、民生等诸多因素。

今年以来各地抓紧落实中央双碳政策，取得显著成效。但是也出现了运动式减排、一刀切政策，对经济发展及能源供应造成巨大压力。2021年10月24日，中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布。《意见》明确，实现碳达峰、碳中和目标，要坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”原则。特别强调了“处理好减污降碳和能源安全、产业链供应链安全、粮食安全、群众正常生活的关系，有效应对绿色低碳转型可能伴随的经济、金融、社会风险，防止过度反应，确保安全降碳。”

《意见》制定了分步骤推进的工作目标：

到2025年，单位国内生产总值能耗比2020年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%；非化石能源消费比重达到20%左右。到2030年，单位国内生产总值能耗大幅下降；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。到2060年，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现。

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2.新型电力系统是实现双碳目标的主力军

2020年，我国二氧化碳排放总量约110亿吨，我国温室气体排放中，CO2占比约 80%；CO2排放中，接近 90%来自于能源活动；对于能源相关二氧化碳排放， 从消费侧来看，主要来自于电力、工业、建筑、交通四部分，电力部门占比最高，超过 40%。

解决碳排放问题关键要减少能源碳排放，治本之策是转变能源发展方式，加快推进清洁替代和电能替代，逐步摆脱化石能源依赖，从源头上消除碳排放。清洁替代即在能源生产环节以太阳能、风能、水能等清洁能源替代化石能源发电，加快形成清洁能源为主的能源供应体系，以清洁和绿色方式满足用能需求。电能替代即在能源消费环节以电代煤、以电代油、以电代气、以电代柴，用的是清洁发电，加快形成电为中心的能源消费体系。

实现碳达峰、碳中和目标，能源行业主战场，电力行业是主力军。碳达峰、碳中和的背景，赋予了电力行业全新的责任使命与基本特征。

2021 年3 月，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上强调，要深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统是“四个革命、一个合作”能源安全新战略以来，中央对于电力行业发展再次作出的系统阐述，明确了电力系统在实现“双碳”目标中的核心地位，指明了电力系统转型升级的方向。此次会议，首次提出构建以新能源为主体的新型电力系统，意味着中央层面首次得以明确新能源在未来电力系统中占据主体地位、成为主要能源形式。

3.新型电力系统特点及面临的挑战

新型电力系统以新能源为主体。10月份印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，到2030 年中国风电、光伏发电总装机容量将达到12 亿千瓦以上。按照预测，到2030 年风电和光伏装机可能在16～18 亿千瓦左右。2021年5月15 日，南方电网公司发布的《建设新型电力系统行动方案（2021～2030 年）白皮书》提出，到2025 南方五省区新能源装机新增 1 亿千瓦以上到2030 年新能源装机再新增1 亿千瓦以上。其中，新能源装机达到2.5 亿千瓦以上，成为南方五省区第一大电源。可见，未来我国新型电力系统将以风电、光伏等新能源为主。

新型电力系统与传统电力系统相比，具备以下基本特点：

电源结构。传统电力系统以可控连续出力的煤电装机占主导，新型电力系统以强不确定性、弱可控出力的新能源发电装机占主导。

负荷特性。传统电力系统负荷刚性、纯消费型，新型电力系统负荷柔性、生产与消费兼具。

电网形态。传统电力系统是单向逐级输电为主的传统电网，新型电力系统是包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷的“能源互联网
”。

技术基础。传统电力系统是同步发电机为主导的机械电磁系统，新型电力系统是由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统。

运行特性。传统电力系统是源随荷动的实时平衡模式、大电网一体化控制模式，新型电力系统是向源网荷储协同互动的非完全实时平衡模式、 大电网与微电网协同控制模。

新型电力系统以新能源在电源结构中占据主导地位。新能源具有随机性、波动性、间歇性特点，系统调节资源需求大，且新能源大规模并网后系统呈现高度电力电子化特征。新型电力系统在持续可靠供电、电网安全稳定和系统成本等方面将面临重大挑战。

一是供电可靠性方面。新能源对电力平衡的支撑能力不足，随着新能源发电占比提升，新能源小发期间电力供应不足和大发期间消纳困难的问题将频繁交替出现，特别是在极热极寒无风、连续阴雨等特殊天气下，电力平衡保障问题突出，供电可靠性面临调整。

二是系统稳定方面。随着新能源发电等电力电子静止设备大量替代旋转同步电源，电力系统等值转动惯量将大幅降低，新能源机组在扰动下容易脱网可能引发大面积停电风险，电力电子设备比例不断升高、交互影响加强，电力系统面临新的稳定问题。

三是系统成本方面。新能源能量密度小、发电年利用小时数低，且大型新能源基地通常远离负荷中心,配套建设的送出通道利用率低、投资大，成本回收难度将增加。新能源消纳的系统成本将大幅上升。

4.大力发展储能是正确应对之策

1、储能在新型电力系统中的定位

新型电力系统以新能源在电源结构中占据主导地位。新能源具有随机性、波动性、间歇性特点，系统调节资源需求大。储能作为电网一种优质的灵活性调节资源，同时具有电源和负荷的双重属性，可以解决新能源出力快速波动问题，提供必要的系统惯量支撑，提高系统的可控性和灵活性。

在新型电力系统下，储能是提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力的关键技术手段。新型电力系统赋予了储能更为重要的战略地位，使“源—网—荷—储”成为新型电力系统中不可或缺的四类要素。

建设以新能源为主体的新型电力系统，关键是提高系统灵活调节能力，平抑新能源的短时波动，提高较长时段的系统平衡能力。储能可进行大规模容量充放电，能有效地满足新能源大规模接入和用户用能方式升级带来的系统平衡新需求，支撑新型电力系统长时间尺度电力电量供需平衡，提高电力系统的安全性。

2、储能技术形态

目前已开展研究及应用的储能技术类型众多，其技术特点及适用场景各异。按照能量的存储方式，储能技术主要分为电化学储能(如铅酸电池、锂电池等)、电磁储能(如超导电磁储能、超级电容等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、热储能(如显热储能、潜热储能)等。目前全球发展最成熟、装机规模最大的储能是抽水蓄能，电化学储能紧随其后。同时，以氢储能、储热/冷技术、电磁储能和飞轮储能等为代表的新型储能技术也在不断进步。

3、加快建设抽水蓄能电站

现阶段，抽水蓄能技术经济性优于电化学储能，容量电价落地理顺收益机制，预计“十四五”将迎来快速发展。抽水蓄能电站是具备调峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动等多种功能的灵活性资源，现阶段技术经济特性优于电化学储能。2021年5月7日，国家发改委发布《关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》（发改价格〔2021〕633 号），提出以两部制电价政策为主体，以竞争性方式形成电量电价，将容量电价纳入输 配电价回收，强化与电力市场建设发展的衔接，进一步完善抽水蓄能价格形成机制。2019 年国家发改委发布的《输配电价成本监审办法》要求抽水蓄能电站、电储能设施的成本费用不得计入输配电定价成本，导致 抽水蓄能电站难以获取合理收益，建设积极性受到严重影响。而今年新政策的出台，为抽水蓄能电站获取合 理收益提供了保障，建设有望提速。

国家能源局提出“十四五”开工 1.8 亿千瓦抽水蓄能电站建设，为当前在建规模 3 倍以上，实现难度极大， 但足见主管部门对于抽水蓄能电站重视程度。今年 8 月，国家能源局综合司印发《抽水蓄能中长期发展规划 （2021-2035 年）》（征求意见稿），提出“十四五”期间开工 1.8 亿千瓦，2025 年投产总规模 6200 万千瓦；“十五五”期间开工 8000 万千瓦，2030 年投产总规模，2 亿千瓦；“十六五”期间开工 4000 万千瓦，2035 年投产总规模 3 亿千瓦。大规模的抽水蓄能电站投运后，电力系统的消纳和调控能力大大增强。

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结语

实现双碳目标是我国实现可持续发展、高质量发展的内在要求，也是对国际社会的庄严承诺。实现双碳目标，能源行业主战场，新型电力系统应运而生。新型电力系统，新能源为主体。为了有效应对新能源的随机性、波动性、间歇性特征给电网带来的挑战，应该大力发展储能技术，加快建设抽水蓄能电站，使新型电力系统“源—网—荷—储”四类要素有机统一高效运行。

参考文献:

1. 刘振亚. 实现碳达峰碳中和的根本途径. 学习时报, 2021-03-15(A8).

[2] 张森林. 新型电力系统中新能源参与电力市场机制的思考［J］.中国电力企业管理，2021（06） ：23-27.

[3] 南方电网公司建设新型电力系统行动方案（2021-2030年）白皮书 .

[4] 关于促进储能技术与产业发展的指导意见（发改能源〔2017〕1701号）.

作 者简介：

谭致远 （1981.4-），男，汉族，广东佛山顺德区，工学学士、工程硕士，高级工程师，研究方向：用电检查，营销稽查。

杨潘正 （1973.10-），男，汉族，广东广州花都区，本科，高级技师，研究方向：电力营销，用电检查。

邓明斌（1973.11-），男，汉族，广东广州，本科，工程硕士，高级工程师，研究方向：营销稽查。

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