江蘇省構建新型電力系統的國際經驗啟示

朱嬋霞，奚巍民，孫 強，陳 倩，周佳偉，潘杭萍

(國網(蘇州)城市能源研究院，蘇州 215000)

0 引言

中國是全球最大的發展中國家，當前正處于工業化和城鎮化快速發展的階段，經濟增長快，用能需求大，以煤炭為主的能源體系和高碳的產業結構使中國碳排放總量和碳排放強度呈現出“雙高”的特點。2020年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上發表重要講話[1]，表示：“到2030年，中國單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上。”該講話內容根據中國碳達峰、碳中和目標(下文簡稱為“‘雙碳’目標”)，進一步對可再生能源中的風電和太陽能發電提出了明確的指標要求。

2021年3月15日，國家主席習近平在主持召開的中央財經委員會第九次會議上提出[2]，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，構建以新能源電力為主體的新型電力系統。這是中國首次提出要構建以新能源電力為主體的新型電力系統。

在中國，能源燃燒的碳排放量占全社會碳排放量的88%左右，電力系統碳排放量占全社會碳排放量的4成左右[3]。隨著“雙碳”目標的提出，構建以新能源電力為主體的新型電力系統是能源系統減少碳排放量的重要路徑，新能源電力的大量接入成為新型電力系統將面臨的必然情況；同時，在供需平衡、系統調節、穩定特性、配電網運行、控制、保護和建設成本等方面都將發生顯著變化，電力系統將面臨一系列新的挑戰。

江蘇省作為中國社會經濟發展的先進地區，能源需求量大，但其能源資源卻相對缺乏；同時，江蘇電力系統的規模大，形態特征復雜，在“雙碳”目標的促進下，區外來電規模，以及本地風電、光伏發電等新能源電力的比重逐漸增加，導致其電力系統的形態更加復雜。本文介紹了江蘇電力系統概況，并分析了其特點；介紹了丹麥、德國、英國等國外電力系統的轉型經驗，通過分析國際經驗并結合江蘇省的實際情況，給江蘇省構建新型電力系統提供參考方向。

1 江蘇電力系統概況及其特點

1.1 江蘇省概況

江蘇省位于中國大陸東部沿海，東臨黃海，與上海市、浙江省、安徽省、山東省接壤；地理上跨越長江南北，氣候方面同時具有南方和北方的氣候特征。江蘇省的社會經濟發展水平高、對外開放力度大、城鎮化率持續穩步提升；江蘇省的總面積為10.72萬km2，常住人口約為8474.802萬人[4]。2020年，江蘇省的生產總值首次突破10萬億元，達到102719億元[5]，對全國經濟增長的貢獻率為10.11%，僅次于廣東省；受疫情影響，2020年江蘇省的GDP同比增速雖僅為3.7%，但仍表現出了江蘇省經濟產業發展的韌性，在全國居于領先地位；江蘇省的人均GDP約為12.12萬元，是全國的1.68倍，僅次于北京市、上海市。2020年全國及典型地區主要的社會經濟指標具體如表1所示。

表1 2020年全國及典型地區主要的社會經濟指標Table 1 Main socioeconomic indicators of China and its typical regions in 2020

主要社會經濟指標 全國 廣東省 江蘇省 山東省 浙江省 北京市 上海市 天津市

2020年，江蘇省的常住人口城鎮化率達到72%[6]，且第一產業、第二產業、第三產業的結構不斷優化提升。2016—2020年江蘇省的產業結構變化如圖1所示。

圖1 2016—2020年江蘇省的產業結構變化Fig. 1 Changes of industrial composition of Jiangsu Province from 2016 to 2020

從圖1可以看出：截至2020年底，江蘇省的第一產業、第二產業、第三產業的占比分別為4.4%、43.1%、52.5%，第三產業占該地區生產總值的比重突破50%，表明江蘇省的服務業規模進一步擴大。

1.2 江蘇電力系統概況

江蘇省電力系統是華東電力系統的重要受端系統之一。江蘇省地處華東腹部，東聯上海市、南鄰浙江省、西接安徽省。江蘇電網現有10條500 kV省際聯絡線[7]分別與上海市、浙江省、安徽省的電網相聯；有3條500 kV交流線路與山西陽城電廠相聯；有1條500 kV直流線路與三峽電廠相聯；有1條800 kV特高壓直流線路與四川錦屏電廠相聯；有2條1000 kV特高壓交流線路與安徽電網相聯；有1條800 kV特高壓直流線路與蒙東電網相聯；有2條特高壓交流線路與上海電網相聯。

目前，500 kV電網是江蘇電網的骨干網架，在區域及省際電力交換、骨干主力電源接入，以及重要城市供電、地區電網中起了重要的支撐作用。江蘇電網已形成了“北電南送、西電東送”的格局，以及“六縱六橫”的500 kV網架結構，內部已經形成典型的交直流混聯電網。

而隨著電網規模的擴大、區外來電規模的增大，以及“雙碳”目標下風電、光伏發電等新能源電力比重的增加，江蘇電力系統的形態日趨復雜。江蘇省的新能源產業發展迅速，但電力系統配套及系統調峰能力等明顯滯后，導致新能源電力外送和消納壓力不斷增加。同時，“新冠”疫情后社會經濟發展強勁恢復，用電量不斷攀升，對江蘇電力系統的智慧運營、堅強水平，設備管理的數字化、智能化程度都提出了新的要求。

1.3 江蘇電力系統的特點

截至2020年底，江蘇省新能源累計裝機容量[7]中，風電裝機容量達到1547萬kW(其中海上風電裝機容量為573萬kW)，年發電量達到229.0億kWh；太陽能發電裝機容量達到1684萬kW(其中分布式光伏發電裝機容量約為788萬kW)，年發電量達到166.8億kWh；生物質發電裝機容量為242萬kW，年發電量達到125.5億kWh。江蘇電力系統已逐漸呈現出“高比例新能源電力、高比例區外來電、高比例電力電子器件”的顯著特征。截至2020年底，江蘇省新能源累計裝機容量及年發電量情況如表2所示。

表2 截至2020年底江蘇省新能源累計裝機容量及年發電量情況Table 2 Accumulated installed capacity and annual power generation of new energy in Jiangsu Province by the end of 2020

2 國外電力系統的轉型經驗

2.1 德國電力系統

德國地處歐洲大陸的中部，是世界第四、歐洲第一大經濟體。2020年，德國的總人口為8315.6萬人，國土面積為35.7114萬km2，地區生產總值為3.806萬億美元。德國的工業發達，煤炭資源豐富，曾長期依賴煤電，電力消耗總量也位居歐盟首位。2020年，德國電力系統發電量達到5026億kWh，比2019年下降了5.9%，但這主要是因2020年春季為遏制“新冠”疫情而導致的電力需求降低。可再生能源的發電量占德國電力系統總發電量的比例創歷史新高，從2019年的42.3%上升到了2020年的47.0%[8]，其中，風力發電量占德國電力系統總發電量的比例增加了5.4%，達到25.6%。可再生能源電力首次占到德國電力系統供電的最大比例，可再生能源取代煤炭成為德國的重要能源。

德國的碳排放總量穩步下降，電力行業的貢獻突出。2019年，德國的碳排放總量為8.05億t，較1990年的12.4億t減少了約35%，碳減排成效顯著，電力行業在其中起到了至關重要的推動作用，近10年電力行業的碳減排量達到了1.14億t，貢獻率超過80%。

在可再生能源發展初期，德國電力系統中可再生能源發電形式與煤電等傳統能源發電形式之間的矛盾和利益沖突較大，德國電網運營商曾反對將可再生能源電力并入電網[9]。而現在，德國的可再生能源電力在其電力系統中已經占據了主要地位。該地位的實現，一方面得益于國家層面對于可再生能源利用的重視，推出了《能源經濟法》《電力上網法》《電力經濟法》《可再生能源法》[10]等一系列促進國家能源結構轉型、可再生能源應用發展的政策工具；另一方面，德國在電力現貨市場機制、電源調節能力、跨國輸電網絡、可再生能源調度運行等領域為實現可再生能源的最大化利用提供了技術支撐、市場調節等方面的有力保障。

德國電力系統為可再生能源電力提供了大量的接網、擴容和管理服務[11]，加強了與電力系統配套的基礎設施的建設，“棄風、棄光”現象較少[12]；同時，德國電力系統推廣屋頂分布式光伏發電系統配套儲能電池的應用，提高了用戶自用電率。推進大型儲能商業化應用，可以平衡風電和光伏發電的出力波動，穩定電網頻率，并可以提供調峰調頻、電壓支撐等輔助服務，以支撐電力系統以可再生能源電力為主體向用戶供電。

德國電力系統以380～400 kV輸電線路為電網骨干網架，以220～275 kV輸電線路作為輔助支撐，并與周邊的法國、荷蘭、丹麥等9個國家的電網相聯，提高了可再生能源的大范圍優化配置能力，為德國可再生能源機組大規模接入和可靠運行提供了重要支撐。

建設遠距離輸電通道，滿足海上風電的開發和外送。德國北部海域的風能資源豐富，通過積極推進遠距離、大容量直流輸電通道的建設，實現了北部可再生能源電力送往南部負荷中心地區的目的。

2.2 丹麥電力系統

丹麥位于歐洲大陸的北部，南鄰德國，北靠北歐。2020年，丹麥總人口為582萬人，國土面積為4.3萬km2，海岸線長達12000 km，是世界公認的風電大國。

2020年，丹麥可再生能源發電量占其全國電力系統總耗電量的比例達到了80%[13]，高于2019年的值(76%)；其中，風電和太陽能發電分別向電網輸送了16.27 TWh和1.20 TWh的電量，約占丹麥電力系統總耗電量的46%和4%。

在區域電網互聯方面[14]，丹麥與瑞典、挪威、英國和德國這些相鄰國家之間建立了輸電線路，電壓等級主要以400 kV和132/150 kV為主。借助與鄰國電力之間的良好聯系[15]，丹麥可以最大程度地利用風電，在滿足本國負荷需求的基礎上根據風電出力的大小與鄰國進行電力的輸入、輸出市場交易。

丹麥能源署[16]指出，要快速實現能源系統的“脫碳”，電力系統須發揮核心作用。自1979年起，丹麥已要求風電強制上網[17]；1999年，丹麥頒布了《電力供應法》，規定電力公司必須以固定價格購買可再生能源電力，所有可再生能源電力都有優先上網權，若不能及時入網，電網公司將給予可再生能源電力生產者或運營商者經濟補償，從而從政策上制定了可再生能源電力消納的有效機制。

同時，丹麥對風電機組技術研發、風電場場址調查、風力資源評價、風電并網等與風能利用相關的重點領域的研究進行大力資助，一方面解決了該國風電發展的相關技術問題，另一方面也將風電相關產業作為該國重要的技術儲備，為其在國際風電市場保持領先地位奠定了良好的基礎。

在丹麥，風電等可再生能源電力可以直接參與電力市場交易[18]，電力系統運營單位根據可再生能源發電的預測情況、負荷預測情況和聯絡線等情況，能做到5 min級的電力平衡評估，可通過與相鄰國家開展相關電力交易來保證丹麥電力系統的平衡。風電等可再生能源電力功率預測[19]的準確性在電力系統的平衡中至關重要，丹麥結合本地能源資源稟賦和用能需求的特點，考慮了多元化的電力系統發電利用形式，例如生物質發電、熱電聯產[20]等，進一步衍伸了電力生產和消費的時間和空間特性，增加了電力系統的靈活性。

2.3 英國電力系統

英國是由大不列顛島上的英格蘭、威爾士和蘇格蘭，愛爾蘭島東北部的北愛爾蘭，以及一系列附屬島嶼組成的島國，2020年該國總人口約為6648萬人，國土面積為24.4萬km2。2020年，英國的GDP約為2.7萬億美元。受地理條件的限制，英國和歐洲大陸的電網的連接僅能通過小容量的高壓直流線路[21]。英國的輸電網絡主要由400 kV、275 kV這2個電壓等級的輸電線路構成，配電網包括132 kV、33/11 kV和終端用戶的415 V電壓等級的輸電線路。

英國曾推出可再生能源義務制度[22-23]，要求開展可再生能源發電業務的供電商，在其供電過程中必須有一定比例的可再生能源電力，并通過可再生能源配額證書進行計量。具體操作方法是以可再生能源配額證書作為交易的中間載體，可再生能源發電企業與承擔可再生能源義務的供電商進行證書交易。通過市場運行機制的運作，供電公司購買可再生能源配額證書的費用能夠最終傳導到終端用戶，保證了可再生能源電力成本與電力市場的貫通，維持了可再生能源市場的活力。

英國還通過了新的《能源法》，針對核電、可再生能源電力等低碳電力實施了差價合約和容量市場機制，進一步構建了融合安全性、低碳、競爭性和可投資性的可持續的電力系統。

2020年12月，英國政府發布了能源白皮書《Powering our Net Zero Future》(推動零碳未來)[24]，該白皮書中的數據顯示：可再生能源電力在英國電力系統結構中的占比已達到1/3以上，核電在英國電力系統結構中的占比約為16%；英國政府已承諾，最遲在2025年、最早在2024年將燃煤發電從其電力系統結構中移除。該能源白皮書指出，在英國未來的能源結構中，風能和太陽能可能是零碳能源系統的主要組成部分，同時為了確保零碳能源系統的可靠性，需要包括核能在內的其他能源對發電具有間歇性的可再生能源進行補充，同時要大幅提升電力系統的電氣化水平，實現電力系統脫碳。

3 江蘇省新型電力系統構建的特征探討

從德國、丹麥、英國等國家的經濟發展水平、電力系統發展相關政策、技術和配套機制來看，一方面，這些國家呈現出電力需求不斷增加的趨勢，對電力系統脫碳的要求不斷提高，且這些國家各自設定了國家能源遠景目標以謀求能源清潔化發展；另一方面，這些國家從政策、技術、配套機制等不同層面對風能、太陽能等可再生能源的擴張和消納也給予了多重支持和鼓勵，從而基本構建了以可再生能源電力為主的電力系統。

江蘇省作為中國社會經濟發展水平較高的地區，工業化、新型城鎮化還在深化發展，電能占終端用能的比重日益增加，“雙碳”目標的提出，對江蘇省的生態發展水平提出了更高要求。江蘇省新型電力系統的構建方向是一個以安全、可靠供應為基本前提，以發展新能源為方向的數字化物理系統，同時也將面臨一系列管理、經濟、機制、產業方面的挑戰和發展機遇，形態上將表現為一個具有新的結構特性、時空特性和物理特性的能源互聯網系統。江蘇省新型電力系統構建的具體特征包括：將保持風電、太陽能發電的快速發展，電網的核心樞紐作用將更加顯著，電力系統的結構將更加復雜多樣，電力系統智慧化水平將持續提高，儲能將成為支撐新型電力系統的重要技術和基礎裝備。

3.1 新型電力系統將保持風電、太陽能發電的快速發展

電力是新能源，特別是可再生能源最為便捷、高效的利用方式，江蘇省可利用的新能源主要為風能和太陽能。國家能源局正在大力推進整縣(市、區)屋頂分布式光伏開發試點工作[25]，江蘇省各地也都積極上報了相關的試點方案，沿海、沿江地區的風能資源也在陸續開發中，新能源發電裝機規模將大幅增長，新能源發電量在江蘇省新型電力系統總發電量中的占比將會大幅提升。但由于新能源發電的利用小時數受其固有的間歇性、隨機性、波動性等出力特性的影響，新能源發電替代率低，其裝機容量將以數倍于電力需求的速度增長，而這會加劇對電力系統穩定性的影響，導致電力系統愈發呈現復雜、多變的不穩定態勢。

3.2 新型電力系統中電網的核心樞紐作用將更加顯著

新型電力系統作為能源轉型的中心環節，將承擔著更加迫切和繁重的清潔低碳轉型任務。

1)隨著越來越多的新能源電力接入江蘇省的各等級電網參與消納，需要建立與之匹配的輸電網、配電網，電網的電力電子化程度和復雜度將增加，電網的運行控制將更加重要。

2)隨著“雙碳”目標的持續推進，江蘇省本地區的電源主體將包含更多間歇性、波動性大的新能源電力，新能源電力并網消納的輸送通道的建設需求大幅增加，電力潮流流向也更加多樣，因此江蘇電網的運行靈活性也需要大幅增強。

3.3 新型電力系統的結構將更加復雜多樣

在江蘇省各地區，直流輸配電、熱電協同、微電網、儲能等技術已經開始逐步探索應用，傳統電力系統的“源隨荷動”模式[26]需要向新型電力系統的“源網荷儲一體化和多能互補”的能源互聯網模式轉變。這將促進新型電力系統逐漸向“多元融合、柔性互聯、開放互濟”的形態轉變，對新型電力系統的兼容性提出了更高的要求。新型電力系統的結構需要與多種基礎設施高度融合，應能更充分地發揮電網大范圍資源配置的能力，促使輸配電網網架結構更加堅強靈活，集中式和分布式新能源發電的協同性發展更好，電動汽車、清潔供暖、智能家居的應用更加廣泛。

3.4 新型電力系統智慧化水平將持續提高

江蘇省已投運了大規模源網荷友好互動系統，其能將用戶側分散的、可中斷負荷集中起來進行精準控制，通過毫秒級、秒級精準的負荷控制手段，保障電網在應急場景下的瞬時、短時平衡。數字化手段是充分發揮新型電力系統各環節靈活調節的關鍵，江蘇省構建的新型電力系統可以在此基礎上進一步配置具備強感知能力、智能決策能力和快速執行能力的智慧管控系統[27]，可以更精準地預測新能源發電出力情況，從而使負荷需求、新能源及靈活性資源能及時互動，并能精準診斷故障情況，更快響應電力系統的運行調度需求。

3.5 儲能將成為支撐新型電力系統的重要技術和基礎裝備[28]

儲能可以在電源側、電網側、用戶側靈活布置，不同類型的儲能可在不同時間尺度給新型電力系統提供調峰和新能源電力消納的有力支撐。“雙碳”目標下，煤電廠將面臨到期退役、新建力度小、電力市場競爭力不強等多種情況，江蘇省煤電廠的退出需求大，因此可發揮儲能平衡新能源電源容量、電網調峰等功能特性，有效利用煤電廠退出后的舊場址建設儲能站。特別是電儲能方式，具有精準控制、快速響應、布局靈活的特點，可以突破傳統電力系統供需在時間與空間上的限制，將不穩定的新能源電力轉化為穩定可靠的電力供應，在提高電力安全保障能力、促進新能源消納、提高電力系統運行效率等方面發揮重要作用。

4 結論

隨著“雙碳”目標的推進，構建以新能源為主體的新型電力系統將是大勢所趨。本文對丹麥、德國、英國等國外電力系統的轉型經驗進行了分析，并結合江蘇省的實際情況，分析了江蘇省新型電力系統構建的特征，以期為江蘇省構建新型電力系統提供參考方向。德國、丹麥、英國等國家的經驗表明：新能源發電成為電力系統電量供應主體的前提，一方面是需要政策上的支持和鼓勵；另一方面，也需要合理有序地擴大新能源發電裝機容量，但同時也意味著電力系統要準備好應對政策、技術和市場方面變化的足夠余量，以應對新能源發電存在的間歇性、隨機性、波動性問題，尤其應考慮到在極端氣象條件下能調動更多靈活性的電力系統容量，以保障社會經濟發展對電能的需求。

江蘇省要構建新型電力系統，需要因地制宜地推出鼓勵和支持該地區新能源發展的政策，并根據該地區新能源資源稟賦、并網消納通道建設、南北輸電通道建設、負荷需求特征有序開發新能源裝機容量，從技術上提高電網智能化水平，深度協調源、網、荷、儲，以有效降低電力系統的碳排放量，助力“雙碳”目標的實現。