構建以新能源為主體的新型電力系統框架

摘要：構建以新能源為主體的新型電力系統是實現碳達峰碳中和的基礎，而新型電力系統是清潔低碳安全高效能源體系的重要組成部分，在新型電力系統中，要逐步實現可再生能源對化石能源的替代，而且要以化石能源效能為目標控制能源總量，以電力體制改革為動力，推動新型電力系統構建。能源轉型涉及整個經濟與社會系統的全面轉型，生產方式和生活方式必須發生重大轉變。在“十四五”規劃期間，構建新型電力系統需要保障電力安全;大力支持新能源發展;持續完善智能電網建設，更加重視智能配電網建設;明確煤電定位，嚴格限制煤電建設;在保障安全的前提下啟動核電建設，在維護生態的前提下啟動大型水電建設;推動儲能商業化發展。

關鍵詞：碳中和;碳達峰;新能源;能源轉型;電力安全;智能電網;能源消費;儲能

中圖分類號：X2;TK-9? 文獻標識碼：A? 文章分類號：1674-7089（2021）03-0035-09

作者簡介：王志軒，中國電力企業聯合會原專職副理事長，教授級高工，國家氣候變化專家委員會委員，國家能量系統標準化技術委員會副主任委員。

2021年3月15日，習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議，強調把碳達峰碳中和納入生態文明建設整體布局。會議指出，“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期，要重點做好幾項工作，其中之一是要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。不難看出，構建以新能源為主體的新型電力系統是實現碳達峰碳中和的基礎，而新型電力系統是清潔低碳安全高效能源體系的重要組成部分，在新型電力系統中，要逐步實現可再生能源對化石能源的替代，而且要以化石能源效能為目標控制能源總量，以電力體制改革為動力，推動新型電力系統構建。2021年4月22日，習近平主席出席領導人氣候峰會并發表重要講話，他提出：“中國將嚴控煤電項目，‘十四五時期嚴控煤炭消費增長，‘十五五時期逐步減少。”這為構建新型電力系統框架進一步指明了方向。

一、中國能源電力發展的基本情況

（一）能源消費在持續增長中改善結構

根據國家統計局數據，2020年中國能源消費總量為49.8億噸標準煤，比上年增長2.2%;煤炭消費量增長0.6%，煤炭消費量占能源消費總量的56.8%，比上年下降0.9%;原油消費量增長3.3%;天然氣消費量增長7.2%;電力消費量增長3.1%;天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的24.3%，上升1.0%。圖1是1978年以來中國能源消費總量與結構的變化情況。

圖1 1978—2019年中國能源消費總量與結構

根據以上數據和圖1發現：第一，中國能源消費總量在改革開放以后持續增長，尤其是21世紀以來總量增加很快。第二，能源結構以煤為主，但煤炭消費總量在2013年達到高值之后基本持平;煤炭消費所占比重逐步下降，但仍然占絕對主導地位。第三，石油消費總量持續增長，但增長速度低于天然氣。第四，非化石能源消費持續增長，能源消費增量部分主要由清潔能源填補。總體來看，中國能源消費仍然以化石能源尤其是煤炭為主，正在向清潔能源消費轉變。

（二）電力生產總量跨上新臺階，電力結構向綠色低碳方向快速轉變

根據國家統計局和中國電力企業聯合會（以下簡稱中電聯）統計，2020年末，全國發電裝機容量220058萬千瓦，比上年末增長9.5%。其中，火電裝機容量124517萬千瓦，增長4.7%;水電裝機容量37016萬千瓦，增長3.4%;核電裝機容量4989萬千瓦，增長2.4%;并網風電裝機容量28153萬千瓦，增長34.6%;并網太陽能發電裝機容量25343萬千瓦，增長24.1%。“十三五”時期，我國年均新增發電裝機13507萬千瓦，煤電年均新增裝機3564萬千瓦。截至2020年底，我國煤電裝機容量10.8億千瓦，占總裝機比重49%，占總發電量比重60.8%，年裝機容量增長趨勢放緩，發電量緩慢增長。

1985年以來，我國電煤消費原煤占煤炭消費量的比重、電力消費能源在一次能源中的比重、電能在終端能源消費中的比重如圖2所示。圖3為2006—2020年太陽能發電、風力發電量及占總發電量的比重，圖4為2000—2020年不同電源發電量及總發電量增速。

根據以上數據和圖2、3、4可提出四點結論。第一，電煤消費原煤在煤炭消費中的比重、電力消費能源在一次能源中的比重、電能在終端能源消費中的比重等三個重要正向指標都是持續增長的。第二，全國發電量快速增長，但增速在波動中逐步下降。不論裝機容量還是發電量，中國已連續多年穩居世界第一，其中發電裝機已經連續9年居世界第一位。第三，非化石能源發電量所占比重不斷增加，煤電占比不斷下降。與2010年相比，2020年我國煤電裝機容量和發電量所占比重分別下降18個百分點和15個百分點。2020年，煤電裝機占比首次下降到50%以下，但是發電量所占比重仍為60.8%;以2005年為基準，非化石能源發電量所占比重逐年提高，2020年非化石能源（含生物質發電）裝機9.8億千瓦，占45%，發電量7.6萬億千瓦，占34%，分別提升了21個百分點和16個百分點。第四，與風電相比，太陽能發電大規模投入應用的起步時間晚了5年左右，目前風力和太陽能發電量都有大幅度增長，雖然發電量占總發電量的比重約10%，但是將會逐步成為主力電力、主力電量和主力能源。

（三）火電污染控制和碳減排成效顯著

根據中電聯統計分析，與2010年相比，2019年全國火電（其中煤電裝機和發電量占比均為90%左右）顆粒物排放量由160萬噸下降至18萬噸，下降88.8%;二氧化硫排放量由926萬噸下降至89萬噸，下降90.4%，與2006年的峰值相比下降約93.4%;氮氧化物排放量由950萬噸下降至93萬噸，下降90.2%，與2011年的峰值相比下降約90.7%。1978年，火電碳強度約1312克/千瓦時，2019年降到838克/千瓦時。以2005年為基準年，2006—2019年，通過發展非化石能源，降低供電煤耗和線損率等措施，電力行業累計減少二氧化碳排放約159.4億噸。

（四）中國人均用電量和三大產業用電比重顯示，我國仍處在現代化進程之中

2020年，中國人均用電量約5400千瓦時，略高于世界平均水平。2004年以來，我國第一產業、第二產業和第三產業的用電量及工業用電與生活用電的比重如圖5所示。

從圖5可以看出，中國第一、二、三產業的用電量都在持續增長。其中，第一產業用電所占比重很低;第二產業用電所占比重基本在70%左右，近年有所下降;第三產業和城鄉居民生活用電所占比重基本相同，且近年來都有所上升。發達國家在完成工業化時，第二產業用電所占比重約60%;之后，第二產業用電所占比重下降到30%左右;同時，第二產業第三產業和居民用電“三分天下”各占其一。分析產業用電量和用電結構之后發現，近幾年，我國第二產業用電所占比重約為70%，第三產業和居民用電所占比重均約占15%。這說明我國仍然處于發展中國家水平，正在為2035年基本實現社會主義現代化的目標而努力。

（五）能源轉型涉及整個經濟與社會系統的全面轉型

以上四個方面簡要分析了中國能源電力的發展過程、當前狀態和主要特點，這是分析中國在碳達峰碳中和目標下構建新型電力系統的基礎，不了解中國能源電力的基本情況就不能做到有的放矢。總體來講，經過四十多年改革開放快速發展，中國能源結構不斷改善，環境保護成效顯著，不論發電產業還是電網，中國都已經達到世界先進水平，部分已達到世界領先水平;中國電力供需矛盾由長期的嚴重短缺進入總體供需平衡、局部地區短缺或有富余的階段，破解了資金、技術、人才制約電力工業發展的基礎性矛盾。

但是，能源轉型不是某一品種的能源在經濟上可以替代另一品種的能源時就能夠實現的，而是涉及整個經濟與社會系統的全面轉型，生產方式和生活方式必須發生重大轉變。我國仍處在社會主義初級階段，經濟社會發展還屬于爬坡時期，不平衡不充分的問題仍然存在，高碳能源特性十分顯著，國際環境存在不確定性。面對碳達峰碳中和目標，尤其是要在30年之內完成發達國家大約60年才完成的任務，必將是一場世紀大考。

二、構建新型電力系統的基本問題

（一）電力系統要素變化

第一，電力系統運行機制由“源隨荷動”轉變為“源荷互動”。新型電力系統是相對于傳統的電力系統而言的。電力系統由發電、輸電、變電、配電、用電等環節組成電能生產、傳輸、分配和消費的系統，其中，發電電源簡稱“源”，用電負荷簡稱“荷”。輸電、變電、配電是電力系統中電能輸送、變換和分配的部分，可分為輸電網和配電網。在傳統的電力系統中，電能配置是按照發電、供電、用電的次序由電網進行配置，由于電能難以儲存的特點，電能在發、輸、變、配、用各環節中幾乎同時發生。滿足國民經濟和社會發展對電力的需求，保持電力系統電量的瞬間平衡和穩定（涉及電壓、頻率、功角等參數）是電力系統規劃、設計、運行的基本任務。為此，傳統電力系統運行的邏輯是“源隨荷動”，即根據用電負荷側的變化，電源側隨時變化，而這些變化是由電網調控的。這一特性決定了電源側必須要有充足的、符合電網運行條件的各類不同電源，尤其是要有既穩定可靠又具有一定靈活性的電源，并配有少量儲能設施，以備電源不足或者電源達不到電網穩定運行要求時作為補充。在傳統電力系統中，主體電源（火電、水電等）在設計和建造時都充分考慮了“源隨荷動”的需要，水電受氣候影響有豐枯期的問題，水電與火電建設的合理布局可以解決這個問題。

第二，“源網荷”系統轉變為“源網荷儲”系統。在以新能源為主體的電力系統中，新能源的主要代表是太陽能和風能轉換的電能。太陽能及風能是大自然無償賜予的，但是具有波動性、隨機性、間歇性的特點，且不以人的意志為轉移。顯然，風電、太陽能發電無法適應“源隨荷動”的基本要求。在中國的傳統電力系統中，煤電、水電、核電的年均滿負荷利用時間分別可達5500小時、3500小時、7000小時，而煤電、核電的年利用時間還可以更高一些。受風、光資源特點的限制，風力發電年利用時間平均為2200小時，光伏發電平均為1200小時。由于風、光發電的特性，一些地方會出現用電高峰時少風少光甚至無風無光，在用電低谷時發電量較高的情況，即風、光發電具有反調峰特性。

新能源發電還有能量密度低、分布廣泛、便于分散使用的特點，有可能出現千家萬戶均可發電的狀況。但是，自發自用的特點是有時電能富余，有時電能不足，而且自發自用難以保障用戶的電能質量。因此，用戶在電能富余時可以將電賣給電網，不足時由電網供電。同時，隨著更多的電能由分布式發電接入配電網，由分布式電源和相關儲能、調控、保護設施構成的微電網和主動配電網逐漸增多。一方面，大量使用低碳能源有利于優化能源電力系統，對于維護大電網的安全性也有一定的好處。另一方面，原有電力的負荷特性發生改變，而且新能源的波動性、隨機性、不穩定性等特點加大了電網安全穩定運行的難度。“源”已經不是傳統的“源”，“荷”也不是傳統的“荷”，為了保障電力系統安全，“源”與“荷”之間必須協同互動。在“源”方面，盡可能提高預測的精度并加強調節性能;在“荷”方面，也應當提高調節能力或者需求響應能力。

與傳統的電力系統運行邏輯相比，“源”與“荷”都出現了較大不同，儲能（包括儲電、儲熱等）成為新型電力系統的重要組成部分。為了適應不同地區、不同“源”與“荷”的特點以及電網的特點，儲能將會以多種方式（化學或物理方式）在電網側、“源”與“荷”側進行配置，原有的“源、網、荷”系統將轉變為“源、網、荷、儲”系統。儲能的大量使用和分布式電源的增多，傳統單向電能配置模式將變成雙向、多向的電能配置模式。過去，電力系統原有的各個環節區分明顯，未來，相互融合的部分將不斷擴大。

第三，“云、大、物、移、智”技術是支撐新型電力系統的基礎。實際上，所謂傳統的電力系統主要指當今的電力系統，而當今的電力系統也是經過多次升級才建成的。中國的電力系統經過了初期的分散式、小容量、低電壓、小系統階段，中期的大機組、大電廠、大系統、高電壓、信息化階段，逐步發展為當今的現代電力系統。目前，我國的電力系統以特高壓電網為骨干網架，不同等級電壓協調、全國聯網，以高效、環保型機組為主體，可大范圍實現能源資源優化配置，已經高度自動化并向智能化過渡。在構建新型電力系統的過程中，為了適應以新能源為主體的目標，必須要全面采用現代科技創新成果，對電力系統進行升級。新能源之所以“新”，是因為新技術賦予可再生能源新的生命力，使其能夠經濟地轉換為電能（或商品熱能）而為人類所用。同樣，構建新型電力體系的“新”體現為用新技術改造現有的電力系統，使其適應不斷變化的新要求。新技術，就是要充分運用“云、大、物、移、智”的技術，不斷加強電網與信息網、交通網、能源網的融合，形成以智能電網為主體的能源互聯網。

需要指出的是，以新能源為主體并不是說全部能源都是新能源，而是要根據能源電力安全及經濟運行需要配置必要的其他電源，如水電、核電以及天然氣燃機發電或燃煤發電等，而且應當優先考慮無碳、低碳能源的使用。在配置煤電的同時，要根據碳減排的需要逐步采取二氧化碳捕捉、利用、封存（CCUS）技術，且盡可能減少煤電機組運行或將煤電作為備用能源。未來，應當根據低碳發展階段，平衡安全、經濟等各方面的考慮，選擇最佳的以新能源為主體的多元電源組合系統。

（二）改變傳統的電力管理運行機制

從物理形態上看，新型電力系統“發、輸、變、配、用、儲”等設備的系統變化和功能調整體現為電力流、信息流、價值流的重新分配，由此推動能源、經濟、社會的全面轉型。要達到這樣的目標，深化電力體制改革將起引領性、關鍵性甚至決定性作用。新型電力系統的構建涉及法律、規劃、政策、標準、技術、規范、人才等全方位、整體性的改變，不僅需要深化電力體制改革，還需要開展相關領域的改革，通過各方協調推進才能成功。

中國電力體制改革一直沒有停止，當前的改革已經為構建新型電力系統奠定了良好的基礎。但是，當前的改革主體思路是在2015年以前形成的，代表了當時的改革精神和實際情況，與碳達峰碳中和目標的要求還有一定的差距。所以，中央財經委員會第九次會議提出了深化電力體制改革的要求。其一，建立快速、大規模新能源進入電力系統之后保持電力系統安全穩定運行的機制;其二，重新考量電網企業（或者主體）在新能源系統中的作用;其三，在大量新業態如儲能、分布式能源系統、電動汽車與電力系統融合之后，構建新的商業模式;其四，低碳電力既能在電價中體現出價值并使其價值順暢地傳導至全社會，又能支撐可負擔得起的社會公平轉型;其五，大量的支撐性技術標準快速有效地替代銜接;其六，在新情況下開展政府監管。

綜上，新型電力系統包含了“發、輸、變、配、用、儲”各環節高度耦合的物理電力系統和與之相適應的科學化、制度化、規范化的新型管理系統。

（三）加快新型電力系統構建進程

新型電力系統構建是“十四五”時期的主要任務之一。但筆者認為，這個任務并不是要在“十四五”期間全面完成，而是貫穿實現碳達峰碳中和目標的全過程。新型電力系統不能夠脫離“發、輸、變、配、用、儲”各環節的技術、設備、工程實體而獨立存在，所以新能源成為主體能源必然是一個漸進的過程。隨著新能源的發展，傳統化石能源尤其是煤電必然要逐步退出，這需要一定的時間;同時，技術發展仍然處在非常活躍的階段，在能源電力轉型中必須高度關注各項技術的發展，防止技術鎖定、投資鎖定。從宏觀角度而言，新型電力系統的構建與中國碳達峰碳中和目標的實現路徑具有方向的一致性，但是，新能源的發展是推動、引導、實現碳達峰碳中和目標的基本動力，是“先行官”，所以，新型電力系統的構建完成時間應適當超前于碳達峰碳中和目標。

筆者認為，初步分析從目前到實現碳中和目標的40年時間，大體可分為四個階段：2020—2030年之前，碳排放總量緩慢上升到達頂峰;2030年以前—2040年，碳排放總量從波動下降進入較快下降階段;2040—2050年以前，碳排放總量線性下降;2050—2060年以前，碳排放總量加速下降。這四個階段與中國在2035年基本實現社會主義現代化和2050年建成社會主義現代化強國的進程是一致的，也與當前中國面臨的能源電力形勢、國際形勢和我國的電力系統各要素、電價水平等相適應。這個路徑體現出對未來技術創新的期待。

中國的碳中和戰略是先樹立減排里程碑，再用背水一戰的決心和壓縮型發展的理念來倒逼減排。中國與歐盟的減排路徑不同。歐盟的二氧化碳排放在達峰以后，經歷了一個長期波動的平臺期（約30年），然后緩慢下降。盡管歐盟在碳達峰以后受到《京都議定書》的法律約束，但總體來看，歐盟的碳中和過程將是一個自然減排過程。中國現在還處于二氧化碳排放上升階段，尚未實現現代化，在發展的壓力和高碳能源體系的壓力下負重爬坡，因此，實現碳達峰碳中和必定非常艱難。我國既要按時實現高質量的現代化，也要按時實現碳中和目標;既不能期望在碳達峰之前沖高碳排放量以維持較高的經濟增長，也不能單純地為減輕碳中和壓力而立即達峰、壓低峰值，從而過多地影響經濟發展。

構建新型電力系統的方向已經明確，關鍵是繪好藍圖和制定科學的施工方案。“十四五”期間，首要任務是加快以電網為核心的整體規劃，這是構建新型電力系統的總綱，只有綱舉才能目張。低碳電力轉型不僅是一個理論問題，更是一個實踐問題，“十四五”期間還要同步推動出臺以解決問題為導向的規劃和政策。近期，國家有關部門出臺了關于分布式電源發展、抽水蓄能電站發展的政策，相信對構建新型電力系統將有很好的促進作用。

三、“十四五”期間構建新型電力系統的建議

（一）保障電力安全

保障電力安全包括對電能在“量”和“質”兩方面的要求。但是，從科學性和系統經濟性來看，在任何時間、任何范圍、任何條件、對任何對象都百分之百地保障電力供應，這是無法實現的。在低碳電力轉型過程中，由于隨機性高、波動性大的新能源發電大規模進入電力系統，電網、電力負荷、熱電聯產的熱力供應等都將受到不同程度的影響，一些新型風險（如互聯網黑客攻擊等）對電力系統也會形成安全隱患，這些因素對電力安全提出了更為嚴峻的挑戰，因此，需要針對電力安全的新特點，制定專門的量化指標和防范要求。

（二）大力支持新能源發展

首先，有效解決風力發電、光伏發電的補貼拖欠問題，緩解新能源企業的困難，增強新能源投資者的信心;同時，根據新能源的發展持續完善后續政策。其次，優先處理為消納新能源而配套的電網輸送、電源優化、省際聯網等問題。再次，提高電力系統靈活性，如有序安排煤電機組的靈活性改造、燃氣電廠的建設、發電側和電網側重大儲能工程建設（如抽水蓄能電站）等。最后，強化需求響應措施。鼓勵工業園區、公共機構、大型用電用能單位等建設冷熱電聯供及儲能設施。

（三）持續完善智能電網建設，更加重視智能配電網建設

根據能源轉型的要求，不斷完善智能電網，并發揮智能電網的基礎性、關鍵性、支撐性作用。分布式發電的發展和微網的不斷擴大更加有利于就地利用和消納可再生能源，因此，“十四五”時期應將智能配電網建設放到優先加強的位置。

（四）明確煤電定位，嚴格限制煤電建設

在保障能源安全和穩定供應方面，煤電是重要的負荷中心支撐性電源，應承擔托底保供的角色，在促進新能源發展過程中要發揮靈活調節的主力電源作用，在能源資源大范圍優化配置的過程中要發揮區域能源基地的作用。在嚴格限制新建燃煤電廠的同時，盡可能提高現有燃煤電廠的效率和效益;對于確需煤電支撐的電網區域，在滿足節能、節水、環保等要求的前提下，對接近設計壽命的電廠，應開展有針對性的評估和技術改造，使其繼續發揮作用。

（五）在保障安全的前提下啟動核電建設，在維護生態的前提下啟動大型水電建設

對于中國這樣一個以煤為主的能源大國而言，離開核電和大型水電將難以完成碳中和任務。而且，對于一個以可再生能源為主體的巨型電力系統而言，沒有一定的基礎性高能量密度的電源作為支撐，將很難運行。因此，我國不能放棄核電和水電建設，而是要在保障安全的前提下啟動核電建設，在維護生態的前提下啟動大型水電建設。

（六）推動儲能商業化發展

以可再生能源為主體的能源低碳轉型，儲能是“終極”性的支撐，決定了能源轉型的方向和進程。但是，大規模的、安全性高、經濟性好的儲能技術和設備尚未達到商業規模，這是碳中和進程中的最大瓶頸。“十四五”時期，我國要有選擇地盡快推動一批有前景的儲能設備（模組）和技術實現商業化發展。

四、結 論

碳達峰碳中和的本質是以能源轉型為基礎、以電力轉型為核心、以新電氣化為引領的生產方式和生活方式的深刻變革，也是經濟社會的巨大轉型。在以新能源為主體的新型電力系統中，大范圍能源資源配置與分散式配置并重，傳統的“發→輸→變→配→用”的單一方向的電能配置方式通過儲能裝置連接在一起。在電源側，形成以可再生能源為主體的多元低碳體系;在負荷側，工業園區、社區、小型區域等用能主體的主要供能形態將是綜合能源服務;電力供需主體加大融合，源、網、荷、儲高度耦合，智能化需求響應將成為常態。構建新型電力系統是一次根本性的大變革，必須科學安排，統籌規劃，邊干邊改，久久為功。