多時空尺度的兩岸電力能源互聯互補發展分析*

李 暉 劉文亮 楊曉東 石家標 嚴 文 唐雨晨 林章歲 梅 超 胡 雯

(1.福建省電機工程學會，福建 福州 350000;2.國網福建省電力有限公司，福建 福州 350000;3.國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福建 福州 350000;4.國網福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361012;5.清華海峽研究院(廈門)智慧能源研究中心，福建 廈門 361012)

0 引言

工業革命以來，人類社會對化石能源的需求與日俱增。化石能源儲量有限且不可再生，同時其開采和利用過程會對生態環境造成嚴重的不利影響，在能源供應短缺與生態環境保護的雙重壓力下，能源問題已成為人類社會所面臨的的緊迫問題[1]。為有效應對我國能源安全危機，國家對于未來能源結構和發展政策及時進行了調整和規劃，制定了于2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標[2]。為積極響應“雙碳”目標，建設適應新能源發展的新型電力系統刻不容緩。2022年1月30日，發改委、能源局發布的《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》明確指出，要完善適應可再生能源局域深度利用和廣域輸送的電網體系，加強省際、區域間電網互聯互通，統籌能源綠色低碳轉型和能源供應安全保障[3]。

2019年1月2日，習近平總書記在《告臺灣同胞書》發表40周年紀念大會上的講話中強調，兩岸要應通盡通，提升經貿合作暢通、基礎設施聯通、能源資源互通、行業標準共通，可以率先實現金門、馬祖同福建沿海地區通水、通電、通氣、通橋[4]。“新四通”主張的提出，為新時期兩岸經濟社會的融合發展制定了新的目標，在新型電力系統發展背景下，從國家政策和機制體制層面為閩臺電力聯網奠定了良好的基礎。

在閩臺聯網技術層面，蘭生等[5]提出建設兩回路直流海底電纜，實現福州—臺北和廈門—高雄的電力互聯，并分析了換流站與接地極線路的設計選擇。馬小康[6]從地理條件、經濟成本、電網安全等多個維度研究了作為閩臺聯網先行試點的金門、馬祖與福建電網互聯的潛力。林毅等[7]對臺灣電力工業概況及電力供需形勢發展進行了較為詳細的分析，研究表明未來5～10年臺灣電力將持續面臨電力供應緊缺，孤島電網運行安全風險不斷增大。姜瑞敏[8]、劉威[9]分別對區域互聯電網的最優互聯容量配置和最優區域電價機制進行了研究。在此基礎上，史超名[10]進一步提出了含高比例可再生能源的兩區域互聯電網聯絡線功率控制策略。Sun等[11]分析了多端柔直互聯對于系統電能質量和安全穩定性的提升作用，提出了基于柔性多狀態開關的多區域電網互聯優化運行方法。

上述文獻對于閩臺電網互聯的必要性和技術可行性進行了較為詳細的論證，但在宏觀規劃層面，對兩岸電力資源互補特性和發展路徑研究較少。本文旨在通過深入調研福建省、臺灣地區能源現狀、共享互補特性，以能源互聯網為出發點，緊密貼合兩岸發展綠色能源、可再生能源的能源產業重點，對兩岸電力能源互聯網及兩岸可再生資源的共享開發進行展望，提出兩岸電力能源互聯網建設的技術及政策建議。

1 福建與臺灣能源資源稟賦及電力系統概況

1.1 兩岸能源資源稟賦

1.1.1 各類能源資源稟賦

(1)化石能源

福建、臺灣均屬于化石能源匱乏地區。福建僅有少量煤炭儲量，且以低熱值的無煙煤為主。兩岸基本沒有石油、天然氣資源。目前福建、臺灣兩地的煤炭、石油、天然氣資源基本全部依賴區外輸入。

(2)水電

福建是我國水資源蘊藏量較豐富的省份之一，共有29個水系，663條河流。福建省水電資源總量約1354.2萬kW，目前開發程度接近90%，已基本開發完畢，進一步開發潛力很小。臺灣水電裝機210萬kW，開發量約為50%，可開發總量較為有限。

(3)核電

福建沿海核電廠址資源較為豐富，目前已投運核電2座，總裝機容量約1100萬kW，后續發展空間較大，預計遠景核電裝機規模可達2000萬～3000萬kW。臺灣在運核電裝機容量387萬kW。

(4)風電、光伏

臺灣海峽受到季風性氣候影響，結合海峽地形的“狹管效應”，海上風力資源優越，大部分海域年平均風速在8.5m/s以上，其中海峽中部年平均風速超過10m/s，具備巨大的海上風電開發潛力。初步測算臺灣海峽海上風電可開發資源可達2億～3億kW，其中海峽福建側約1億kW，臺灣側1億～2億kW。若上述資源全部開發，其發電量將超過福建、臺灣全社會用電總量。

福建、臺灣主要屬于光伏資源三、四類地區，福建南部、臺灣南部光照條件較好。由于海峽兩岸土地資源稀缺，光伏發展以分布式為主。

1.1.2 能源供需形勢

目前，由于本地化石能源資源匱乏，兩岸能源資源嚴重依賴區外輸入。2019年，福建、臺灣能源區外輸入的占比分別高達86%、98%。同時，兩岸化石能源消費占比仍較高，例如2019年福建省煤炭、石油占能源消費總量的比重約為47%、23%，清潔能源占比約為25%。

隨著“雙碳”目標的提出，兩岸均將發展海上風電、光伏等新能源作為優化能源結構的重要措施。福建風電發電占比預計將從目前的6%提升到2030年的14%。臺灣規劃在2025年投產2000萬kW光伏及1000萬kW風電，可提供全社會用電量的約20%。

1.2 兩岸電力系統概況

福建電網已形成以1000kV特高壓為最高電壓等級的主干網架，以及煤電、水電、抽蓄、核電、風電等多元化的電源結構。福建電網目前已形成與華東的特高壓聯網，電力供需以自平衡及季節性盈余外送為主。

臺灣電網目前形成345kV主干網架，電源結構以燃氣及燃煤發電為主，核電、水電及新能源電源為輔。受歷史原因和地理環境影響，臺灣電網以孤島電網方式運行，主干網架呈現南北多回路鏈式結構，南北部電源、負荷分布不均衡[12]。臺灣地區能源、土地資源較為稀缺，電源建設滯后，并缺乏外界電網支撐，影響了電網運行可靠性，近年來發生多次大停電事故。2022年3月3日，由于興達電廠開關廠事故造成連鎖故障，引發大量機組脫網及電網南北解列，導致臺灣地區大范圍停電。

2 多時空尺度的福建與臺灣電力能源互補特性研究

2.1 新型電力系統的多時空尺度調節需求

基于兩岸能源資源稟賦，兩岸新型電力系統將形成海上風電、光伏提供清潔電量，核電提供基荷支撐，水電、抽蓄、氣電、煤電提供調節和供電保障的電源結構。風電、光伏具有間歇性和波動性，核電調節能力較差，因此系統將承擔較大的電力平衡與調節壓力。

新能源電源出力的不穩定性涵蓋了分鐘、小時級的波動性，日內和日間的間歇性，以及不同季節的不均衡性。這一特性導致新型電力系統對靈活調節能力的需求也將涵蓋不同的時間尺度，包括短期的調頻及短期電力平衡需求，中期的日調峰需求，以及以周、月、季度為單位的長期調節需求。不同時間尺度的調節需求需要通過不同類型的調節資源支撐。

從空間尺度上看，更大范圍、多類型的新能源電源通過大電網互聯互通，一方面可以提升新能源電源的互補性，減輕新能源大幅波動和極端出力的程度，另一方面可以實現電網調節、備用資源的相互支援，減輕地區電網靈活調節的壓力。兩岸在建設新型電力系統的過程中，通過電網互聯互補，有助于提升新能源消納和供電安全保障能力。兩岸在能源問題上具有很強的相似性，兩岸能源合作在電力資源、基礎設施建設等方面均具有互補性，兩岸在能源問題上具有很強的合作動力。

2.2 兩岸電網互聯互補的必要性分析

基于兩岸電網現狀及新型電力系統的發展方向，兩岸電網互聯的必要性主要體現在如下三個方面。

首先，電網互聯是促進可再生能源消納的重要途徑。2020年，歐盟可再生能源發電量占比達到38%，歐洲互聯電網實現了各國電網互為備用、電力資源靈活調配，為高比例可再生能源安全消納提供了支撐。可以預見，隨著福建、臺灣可再生能源規模和占比的進一步提高，兩岸電網互聯將為新能源安全高效消納提供重要的支撐。

第二，電網互聯是提升供電保障能力的有效措施。2017年以來，由于電力運行誤操作、支撐電源不足、缺乏跨區互聯支撐、主干網架結構不夠堅強等原因，臺灣電網發生了多次因單一大型電源故障引發的大范圍停電事故。通過兩岸電網互聯提供應急支援，可以有效提升電網安全可靠性。

第三，大電網互聯是增強電網防災抗災能力的有力支撐。福建、臺灣地處臺風登陸區，臺風等極端自然災害對電網安全造成重大挑戰。兩岸電網相互支持、互為備用，將大幅增強抵御嚴重故障的能力，有效降低極端天氣帶來的大規模停電風險。

2.3 兩岸電力系統互補特性研究

2.3.1 兩岸電網電源結構

福建電網主力電源以煤電、水電、核電、風電為主，電源種類較為齊全(表1)。福建電網以核電為基荷電源，煤電、水電為主承擔調節和尖峰負荷供電，新能源電源作為補充。由于核電、風電占比較高，電網靈活調節能力趨于緊缺。

表1 2020年福建電源結構

臺灣電網以氣電、煤電為主力電源，并大力發展光伏、海上風電等新能源電源(表2)。

表2 2020年臺灣電源結構

可見，福建電網基荷電源充裕。臺灣電網燃氣、煤電等火電裝機容量較大，短時調節能力、調峰能力及啟停調節能力較強。通過電網互聯互通，可以有效共享不同時間尺度的供電及調節資源，提升新能源消納能力及供電保障能力。

2.3.2 兩岸電網負荷特性

臺灣與福建地理位置接近，經緯度差異小，氣候條件較為相似，因此兩地負荷特性總體較為一致。從年度特性上看，夏季均為全年負荷高峰期。從日負荷特性上看，大致表現為午、晚雙峰形態。從時空上看，兩地負荷無明顯差距，互補性相對較小。

圖1 臺灣四季典型負荷曲線

圖2 福建四季典型負荷曲線

2.3.3 兩岸電網時間互補性算例分析

以2025年秋季某典型日為算例，計算兩岸電網各類型電源出力曲線。其中，基荷電源以核電為主。調節電源以煤電、氣電、抽蓄為主，新能源電源以風電、光伏為主。風電出力取逆調峰典型曲線，光伏出力取晴好天氣典型曲線，其他電源根據電源特性及供電需求安排出力。

兩岸未互聯情況下，福建、臺灣電源出力分解如下圖。可見，福建電網基荷電源充分，但在新能源出力逆調峰的情況下，電網調節資源較緊張。該典型方式下，福建燃氣電源需要啟停調峰，火電調峰深度接近其調峰能力上限60%。臺灣電網以燃氣電廠為主力電源，基荷電源少，調節能力充分，燃氣電廠不需要啟停調峰，煤電、氣電調峰深度均在50%左右。

圖3 福建典型日電源出力分解

圖4 臺灣典型日電源出力分解

在兩岸電網互聯互補的情況下，考慮兩岸電源平均出力，上述典型日兩岸煤電、氣電調峰深度在45%～55%，氣電均不需要啟停調峰，電網運行靈活性更強。兩岸電力互補曲線如圖6所示(正值表示福建向臺灣送電)。可見，負荷低谷時段福建向臺灣送電，高峰時段臺灣向福建輸電，福建電網為臺灣電網提供基荷支撐，滿足其保供需求；臺灣電網為福建電網提供了靈活性支撐，滿足其調峰需求。

圖6 聯網后兩岸電力互補曲線

由此可見，在新能源快速發展的情況下，兩岸電網具有互聯互補的需求和空間。

圖5 聯網后兩岸典型日電源出力分解

2.3.4 兩岸電網空間互補性展望

臺灣電網整體呈現南電北送，負荷中心位于臺灣西北側沿海。福建電網整體呈現北電南送，負荷中心位于東側沿海，電源基地主要位于北部沿海。福建北部與臺灣北部電網互聯，從空間互補上主要有三方面作用：①在臺灣南部大型電源或南電北送通道嚴重故障時，可以及時為臺灣北部負荷中心提供供電支撐。②在福建北部電網遭遇極端故障時，可以由臺灣電網為福建提供應急支持。③在臺灣海峽海上風電等新能源大出力時，可以通過福建與華東聯網向更大范圍輸出兩岸清潔電力，實現新能源的優化利用。

圖7 兩岸電網空間互補格局

3 多時空尺度的兩岸電力能源互聯發展前景

由于閩臺兩岸電力系統在多時間、空間尺度具有高度互補特性，因此可通過共享海峽風電資源開發、電網互聯互通等形式實現互補共享，提升各自備用容量互補，降低總體備用容量需求，提高電力系統運行的可靠性；閩臺兩岸電力系統在多時空尺度的共享互補下有助于相互提供供電能力和調峰能力支撐，優化機組組合，提高發電機組利用率；可以在更大范圍內實現電力資源優化配置。

閩臺兩地的電力系統目前并未聯網，且系統頻率不同、系統電壓不同、控制標準不同。但從國內大區電網互聯、歐洲跨國電網互聯的發展歷程來看，只要一次能源、源荷分配存在互補特性，經過科學的發展路徑后都能夠克服相關差異，形成資源互濟的聯網系統。

3.1 “雙碳”背景下兩岸電力系統互聯互補的需求分析

臺灣海峽在理論上蘊含了豐富的離岸風電資源，由于儲量巨大，要實現大范圍開發需要整合足夠的調峰資源支持。目前，福建側已通過華東電網實現與全國電網互聯，可以平衡大規模離岸風電并網后帶來的電力和電量波動性。而臺灣側的調節資源并不足以支撐環島風場的大規模開發。故而海峽離岸風電的飽和開發需要閩臺兩地電網進行互聯，以解決臺灣島內電力調峰資源不足問題。

3.2 兩岸電力系統互聯互補的要素分析

參考國內跨區電網、歐洲電網的聯網發展路徑，兩岸電力系統可從協同規劃、統一技術標準、統一管理標準、建立統一市場等方面開展電力系統互聯的基礎研究。

3.2.1 統一技術、管理標準

在跨區域電網互聯中，需要通過一整套的統一標準，實現兩岸在電網穩定分析、電網調節控制、電網運行指標、電力市場交易，以及可再生能源建設、智能電網、高壓輸電等方面的標準統一，形成統一的標準共識。逐步克服和彌合兩岸電網因歷史原因造成的頻率、電壓序列等關鍵差異。借助金廈聯網等示范工程，建立統一的兩岸直流聯網技術、運維、管理相關標準，并逐步拓展到電網其他領域。通過交流合作，充分借鑒雙方電網發展中的優點和經驗，推動電網技術進步和管理水平提升，并形成共同適用于兩岸電網及聯網系統的統一標準體系。

3.2.2 協同開展規劃研究

開展兩岸新型電力系統頂層設計規劃研究，綜合考慮兩岸能源結構、資源稟賦及供需格局，統籌規劃兩岸新型電力系統主干網架結構及聯網方案，形成支撐兩岸新能源安全高效消納、能源電力雙向優化配置、社會經濟及環境效益最優的兩岸電力聯網方案。

3.2.3 共建電力市場機制

從國內和世界電力發展歷程看，市場化交易是促進資源公平、優化配置的有效手段。兩岸電力互聯后，要實現綠電資源的有效利用和電力資源的優化配置，推動電力系統的低碳化轉型，建立統一的電力交易市場和碳市場是必要的前提條件。

3.3 兩岸電力系統互聯互補的前景

3.3.1 推動兩岸新能源合作開發

借助金廈聯網、福馬聯網，探索周邊海上風電及光伏電源合作開發，打造新能源利用的互利共贏合作示范。可推廣到臺灣海峽中部大規模海上風電合作開發，并研究建立兩岸及海上風電集群多端聯網。

3.3.2 促進兩岸新能源產業合作

充分發揮福建海上風電國際產業園、寧德時代電化學儲能等優勢產業，以及臺灣光伏、電子等優勢產業，促進兩岸新能源、新技術產業相互合作、做大做強，為兩岸經濟民生帶來切實利益。

3.3.3 促進兩岸電力生態圈共贏

在電力系統的互聯 探索中，可加強兩岸技術、人才、市場、服務等多方面交流，推動兩岸電力能源合作向技術產業論壇、電力裝備市場、涉電業務市場、電力人才培育等領域輻射，進一步培育合作共贏的良好氛圍。

4 結論

電力能源領域的清潔低碳發展為加強兩岸電網互聯互補提供了新的契機。在新能源大規模開發的背景下，兩岸加強電力能源領域的合作，并最終實現電網互聯，是提升供電可靠性、新能源利用效率及電網防抗極端災害能力的有效途徑。

兩岸電網從電源結構、應急支援等方面在多時空尺度上均具有較好的互補空間。兩岸電網互聯互通，可以實現基荷支撐電源及調峰電源的互補互濟，對提升新型電力系統運行效率具有切實幫助。

在兩岸電力能源互聯發展的前景方面，提出了兩岸電力互聯、新能源合作開發、電力能源共享合作的必要要素和前景展望。建議以金廈聯網、福馬聯網為示范，推動兩岸新能源產業合作、電力聯網標準及機制合作，逐步引導兩岸電力能源領域互利共贏走向深入。