夏 溢

上海市節(jié)能減排中心

0 引言

中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出力爭(zhēng)2030年前碳排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。雙碳目標(biāo)成為能源發(fā)展中與安全保供同等重要的硬邊界。需求側(cè)，化石能源消費(fèi)將大量轉(zhuǎn)為電能消費(fèi)。供給側(cè)，中央已提出“十四五”要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)已成為雙碳目標(biāo)下的重要承壓領(lǐng)域，而大型城市由于人口、發(fā)展水平等因素，電能消費(fèi)巨大。研究表明，國(guó)內(nèi)大型城市的碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展已呈現(xiàn)脫鉤趨勢(shì)，較中國(guó)其他地區(qū)更早具備碳達(dá)峰條件[1]，上海更是在全國(guó)率先承諾2025年提前碳達(dá)峰?？梢灶A(yù)見，都市型電力系統(tǒng)將更早迎來(lái)雙碳目標(biāo)的考驗(yàn)。

1 都市型城市電力系統(tǒng)特點(diǎn)

北京、上海、廣州等國(guó)內(nèi)大型城市電力系統(tǒng)各有特色，但整體存在以下5個(gè)共同點(diǎn)。

1.1 均為受端電網(wǎng)，大量電力依靠外部支撐

北京、上海及廣州電網(wǎng)均為典型的受端電網(wǎng)。2019年北京約60%電量依靠山西、內(nèi)蒙古、東北等外來(lái)輸入[2]，上海全部用電量中皖電、西南水電等外來(lái)電量約占47%[3]，廣州外來(lái)電占比達(dá)到65%[4]。廣州電網(wǎng)作為廣東電網(wǎng)的部分，需通過(guò)廣東電網(wǎng)接收外省電力，因此廣州市外來(lái)電主要包括西部水電分電和廣東其他地區(qū)電力。

表1 2019年北、上、廣市內(nèi)外電量構(gòu)成 單位：億kWh

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1.2 電力消費(fèi)中三產(chǎn)和生活用電超一半，電力峰谷特性明顯

大型城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多接近發(fā)達(dá)國(guó)家，分行業(yè)用電量中三產(chǎn)和生活用電占比較高。2019年電力消費(fèi)中三產(chǎn)及生活用電占比北京達(dá)到約71%、上海約51%、廣州約54%，而三產(chǎn)和生活用電計(jì)劃性較弱，需求與時(shí)間、天氣等相關(guān)性較強(qiáng)，導(dǎo)致電力峰谷差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。以上海為例，“十三五”期間其電網(wǎng)日最大峰谷差已超1 300萬(wàn)kW，達(dá)到最高用電負(fù)荷的40%。

表2 2019年北、上、廣各產(chǎn)業(yè)用電量占比

1.3 火電仍是本地主力電源，其中氣電已成為市內(nèi)重要電源

2019年，北京市內(nèi)發(fā)電量中約96%由火電貢獻(xiàn)?！笆濉逼陂g隨著四大燃?xì)鉄犭娭行牡慕ㄔO(shè)，北京市內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組已超700萬(wàn)kW，且北京市內(nèi)已無(wú)煤電機(jī)組。上海市內(nèi)發(fā)電量約97%由火電（含生物質(zhì)發(fā)電）貢獻(xiàn)，隨著崇明燃機(jī)、奉賢燃機(jī)等機(jī)組的投運(yùn)，市內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組也已超過(guò)750萬(wàn)kW。廣州市內(nèi)總發(fā)電量約89%由火電貢獻(xiàn)，隨著近年黃埔電廠、華電增城等天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目投運(yùn)，燃?xì)獍l(fā)電量占比已達(dá)到廣州本地發(fā)電量的15%。

圖1 2019年廣州（下）及上海市（上）本地發(fā)電量構(gòu)成

1.4 故障危害性大，電力系統(tǒng)安全性要求極高

大型城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)與電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行密不可分。2013年上海某500 kV電纜線路發(fā)生單相故障，造成市中心靜安、普陀、黃浦等區(qū)域停電，地鐵2號(hào)線停運(yùn)。其后上海電網(wǎng)從網(wǎng)架層面進(jìn)行優(yōu)化整改，推廣110 kV雙側(cè)電源鏈?zhǔn)浇泳€，配合自愈裝置使用，大幅提升電網(wǎng)供電可靠性。在能源、電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中，上海提出中心城區(qū)及重點(diǎn)區(qū)域用電可靠率99.993%、全市供電可靠率99.977%的目標(biāo)，北京提出全市供電可靠率99.995%、戶均年停電時(shí)間下降至27 min內(nèi)的目標(biāo)，可見城市對(duì)電力系統(tǒng)安全要求之高。

1.5 需求基數(shù)均較大，后續(xù)仍存在較大需求增長(zhǎng)預(yù)期

2019年,北、上、廣全社會(huì)用電量均已達(dá)到千億級(jí)別，“十三五”前四年其年均增長(zhǎng)率分別約為5.2%、2.8%和6.5%。后續(xù)10～15年，國(guó)內(nèi)大型城市電量預(yù)計(jì)還將維持硬性增長(zhǎng)。一方面，城市發(fā)展對(duì)電力消費(fèi)的促進(jìn)，包括大型城市對(duì)人口的持續(xù)吸引、5G和數(shù)據(jù)中心等新基建的帶動(dòng)以及京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)等區(qū)域一體化戰(zhàn)略引領(lǐng)。另一方面，由于碳排放在工業(yè)和建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、居民生活等終端領(lǐng)域的控制要求，電能替代必將大力推廣。目前，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車、港口岸電、電取暖等已漸成趨勢(shì)，但整體電氣化水平在典型國(guó)家中仍處于中等偏下，25%的居民電氣化水平較日本等國(guó)家低28個(gè)百分點(diǎn)[5]，后續(xù)的電能替代仍有較大發(fā)展空間。城市發(fā)展疊加“再電氣化”浪潮，相關(guān)大型城市“十四五”或?qū)⒊霈F(xiàn)超越“十三五”的電力增長(zhǎng)小高峰。

2 碳排放硬約束對(duì)大型城市電力系統(tǒng)的發(fā)展要求

依據(jù)最新發(fā)布的《省級(jí)二氧化碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案編制指南》，達(dá)峰口徑下對(duì)特定?。ㄊ校┒裕珻O2排放總量按以下公式計(jì)算：

Ai表示不同種類化石能源（包括煤炭、石油、天然氣）的消費(fèi)量（標(biāo)準(zhǔn)量），EFi表示相應(yīng)種類化石能源的CO2排放因子。Ae表示本?。ㄊ校┚硟?nèi)煤電、氣電、非化石能源電力調(diào)入量，EFe表示國(guó)家推薦的電力CO2排放因子。

直接排放主要由本省（市）境內(nèi)化石能源使用造成，包括：能源生產(chǎn)與加工轉(zhuǎn)換、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)及其他、居民生活領(lǐng)域煤、油、氣等化石能源使用產(chǎn)生排放；間接排放為電力調(diào)入所蘊(yùn)含、本省（市）境外化石能源使用產(chǎn)生排放。對(duì)電力系統(tǒng)而言，碳排放控制一方面需控制本地發(fā)電直接排放，另一方面需控制外來(lái)電蘊(yùn)含的間接排放。因此，雙碳目標(biāo)推進(jìn)將對(duì)北、上、廣等大型城市電力系統(tǒng)提出以下發(fā)展要求。

2.1 電源側(cè)，大力發(fā)展本地風(fēng)電、光伏等可再生能源

大型城市的可再生能源開發(fā)需因地制宜、多元?jiǎng)?chuàng)新推進(jìn)。由于用地成本、環(huán)境約束等因素，陸上風(fēng)電開發(fā)預(yù)計(jì)以分散式風(fēng)電為主，場(chǎng)址多為郊區(qū)、園區(qū)、港口等。目前，大型城市的光伏發(fā)電建設(shè)主要以分布式光伏為主，存在少量電站式項(xiàng)目，后續(xù)推廣可充分利用公共建筑、住宅建筑屋頂資源建設(shè)分布式光伏，并試點(diǎn)推進(jìn)漁光互補(bǔ)、農(nóng)光互補(bǔ)、市政設(shè)施+光伏、交通場(chǎng)站+光伏等創(chuàng)新開發(fā)模式。對(duì)于深圳、上海等沿海大型城市，還可大力推進(jìn)海上風(fēng)電，特別是深遠(yuǎn)海風(fēng)電。

2.2 電源側(cè)，大幅增加外來(lái)電中非化石能源電量

目前，各大型城市外來(lái)電中非化石能源占比差距較大，例如近年上海該比例可達(dá)75%，而同年北京僅約10%，造成其間接碳排放量差距也較大。對(duì)類似北京的城市而言，外來(lái)電是電力系統(tǒng)碳排放的主要源頭，外來(lái)電調(diào)整的主要方向是考慮外來(lái)電清潔替代、減少間接碳排放，而對(duì)類似上海的城市而言，外來(lái)電結(jié)構(gòu)已相對(duì)清潔，外來(lái)電調(diào)整主要是爭(zhēng)取外來(lái)清潔能源增量、保持清潔比例下的增長(zhǎng)。

2.3 電源側(cè)，本地火電的逐步調(diào)整

本地火電與本地發(fā)電直接排放密切相關(guān)，可采用的控制措施如下。

2.3.1 煤電機(jī)組效率提升，降低發(fā)電煤耗，使得即使煤電發(fā)電量保持不變，相應(yīng)的碳排放量也有所下降

以上海某老舊燃煤電廠為例，該電廠現(xiàn)狀為4臺(tái)32.5萬(wàn)kW煤機(jī)已近達(dá)壽，近年平均供電煤耗約341 g/kWh，現(xiàn)役機(jī)組直接碳排放量為446萬(wàn)t CO2/年。如采用2臺(tái)65萬(wàn)kW等容量高效煤機(jī)替代，額定工況下的供電標(biāo)煤耗按259 g/kWh考慮（參考同等級(jí)最先進(jìn)超超臨界、二次再熱燃煤機(jī)組參數(shù)），年發(fā)電量保持不變前提下，考慮燃料消耗量的下降和氧化率的小幅提升，測(cè)算得機(jī)組直接碳排放量可下降至363萬(wàn)t CO2/年，下降率約18.6%。

2.3.2 優(yōu)化火力發(fā)電結(jié)構(gòu)，用燃?xì)鈾C(jī)組替代煤電機(jī)組，或在裝機(jī)不變的情況下用燃機(jī)電量替代煤機(jī)電量

在公式（3）中，國(guó)家推薦的CO2排放因子中煤電為8.53 tCO2/萬(wàn)kWh，氣電為4.05 tCO2/萬(wàn)kWh，氣電排放因子約為煤電的47.5%，即參考全國(guó)平均水平，如用燃機(jī)電量替代煤機(jī)電量帶來(lái)的碳排放下降可超50%。

2.3.3 由更清潔的零碳電源如可再生能源發(fā)電替代火電

該措施可將相關(guān)碳排放直接壓減至零，但火電裝機(jī)或電量替代存在一定約束：一是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組多承擔(dān)冬季民生供熱或工業(yè)企業(yè)供熱的保障壓力，不能僅從電量平衡角度替代；二是可再生能源目前無(wú)法發(fā)揮與火電同水準(zhǔn)的安全托底作用。2021年初，美國(guó)得克薩斯州停電事件發(fā)生前，得州風(fēng)、光發(fā)電量占比約35%，突發(fā)寒潮低溫使風(fēng)力發(fā)電能力損失約60%甚至一度完全癱瘓，持續(xù)雨雪下光伏發(fā)電量峰值下降68%，從而觸發(fā)了電力供應(yīng)緊急狀態(tài)[6]。2021年初，上海極為罕見地出現(xiàn)超越夏高峰的電力冬高峰需求，疊加西南水電枯水期影響，電力平衡極其緊張，但在本地火電有力支撐下最終安全度峰?？梢妼?duì)可靠性要求極高的都市型電力系統(tǒng)，用新能源裝機(jī)替代火電裝機(jī)需相對(duì)謹(jǐn)慎，有必要保留一定規(guī)?；痣娧b機(jī)作為戰(zhàn)略備用。

2.4 電網(wǎng)側(cè)，保障本地可再生能源的并網(wǎng)消納

大型城市中的可再生能源項(xiàng)目包括大量分布式電源，其在用戶側(cè)消納將造成電網(wǎng)側(cè)日負(fù)荷特性的變化。如，大規(guī)模分布式光伏接入城市電網(wǎng)后，將削減午間用電高峰，加劇晚高峰的需求拉升速率，形成中間扁平、尾部陡峭的鴨形曲線，電網(wǎng)調(diào)峰壓力大增，其它電源的運(yùn)行方式需隨之改變。海上風(fēng)電多作為電站并網(wǎng)，其并網(wǎng)方案面臨復(fù)雜的自然環(huán)境和電氣條件限制，需在無(wú)功補(bǔ)償、諧波控制、功率平滑以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面全方位校核，從而在高壓交流、直流并網(wǎng)方式中進(jìn)行比選[7]。目前，交流并網(wǎng)技術(shù)較成熟，國(guó)內(nèi)大批項(xiàng)目已有應(yīng)用，輸電距離基本在20 km以內(nèi)，而具備較大發(fā)展?jié)摿Φ纳钸h(yuǎn)海海上風(fēng)電，離岸距離多在50 km以上，相關(guān)高壓柔直直流、分頻輸電等并網(wǎng)技術(shù)還在探索中。

2.5 電網(wǎng)側(cè)，爭(zhēng)取大規(guī)模外來(lái)電的安全輸入

從送出端看，未來(lái)10年，全國(guó)還有大量清潔能源基地待建，如金沙江上游風(fēng)光水基地、雅礱江風(fēng)光水基地等。大型城市可結(jié)合現(xiàn)有輸電通道、位置距離等因素考慮爭(zhēng)取方向，同時(shí)基地側(cè)需合理進(jìn)行電源組合優(yōu)化，以保證電力送出相對(duì)平穩(wěn)。從接收端看，外來(lái)電大規(guī)模增加需配套增加特高壓輸電通道及電站，除對(duì)本地的規(guī)劃用地和居民協(xié)調(diào)提出要求，還需協(xié)調(diào)獲取通道沿線其他省市的配合，且特高壓輸電多為單路徑、大容量傳輸，為降低外部故障對(duì)本地電網(wǎng)的沖擊，城市電網(wǎng)的負(fù)荷備用水平需相應(yīng)提高。

3 大型城市電力系統(tǒng)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

3.1 碳中和目標(biāo)下爭(zhēng)取大規(guī)模外來(lái)電增量需及早規(guī)劃

依據(jù)清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院的相關(guān)結(jié)論[8]，在1.5℃溫控目標(biāo)下，即在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放，預(yù)計(jì)2050年全國(guó)火電（包括煤電、氣電，下同）發(fā)電量約占總發(fā)電量的8.9%。預(yù)計(jì)中長(zhǎng)期大型城市內(nèi)的火電發(fā)電量也將控制在該比例以內(nèi)。參考國(guó)際能源署（IEA）、國(guó)際可再生能源署（IRENA）等機(jī)構(gòu)發(fā)布的中長(zhǎng)期全球能源展望，各機(jī)構(gòu)判斷的2020-2050年全球用電需求年均增速在2%左右。例如，以上海2019年全社會(huì)用電量為基礎(chǔ)，按此增長(zhǎng)率初步測(cè)算，預(yù)計(jì)2050年城市用電需求將達(dá)到約2 910億kWh，其中本地火電電量將由2019年的755億kWh大幅下降至260億kWh，減少約495億kWh，疊加電量增長(zhǎng)影響，市內(nèi)外清潔能源需提供超1 830億kWh增量。受限于本地資源稟賦，預(yù)計(jì)其中將有超1 000億kWh增量由外來(lái)電提供。

可見在碳中和目標(biāo)下，大型城市清潔外來(lái)電將大幅提升，需及早爭(zhēng)取相關(guān)資源與通道。如果受限于電力通道和傳輸技術(shù)，無(wú)法支撐大規(guī)模新增外來(lái)電，可考慮發(fā)展氫能，將外部清潔電力轉(zhuǎn)化為氫氣運(yùn)輸至本地，通過(guò)本地燃?xì)錂C(jī)組支撐電力平衡，或用氫氣在終端直接取代電能，也可以考慮在城市推廣建筑光伏等新型可再生能源，進(jìn)一步提升本地可再生能源供應(yīng)。

3.2 全新城市電網(wǎng)系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)安全措施

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，源、網(wǎng)、荷邊界清晰，電源出力可控性強(qiáng)，配電網(wǎng)潮流方向相對(duì)固定，電力平衡具備確定性和冗余度，后續(xù)城市電網(wǎng)安全運(yùn)行將面臨多方面安全挑戰(zhàn)。

3.2.1 電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)

火電等常規(guī)電源比例大幅降低后，電源側(cè)出力的預(yù)見性和可控性大幅降低，電力電量平衡將成為概率性匹配。鴨形曲線出現(xiàn)也將極大增加調(diào)峰需求，儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)、煤電靈活性改造等不同調(diào)峰能力的挖掘也需通過(guò)市場(chǎng)引導(dǎo)。電力市場(chǎng)規(guī)則設(shè)定和完善將極富挑戰(zhàn)，需在充分發(fā)揮市場(chǎng)定價(jià)作用的同時(shí)考慮安全托底責(zé)任的分解。

3.2.2 電網(wǎng)潮流分布改變

城市用戶側(cè)分布式電源、充換電設(shè)施規(guī)模化建設(shè)后，電源與負(fù)荷的邊界將模糊化，電網(wǎng)潮流形態(tài)隨之改變。例如春、秋季低負(fù)荷日，城市臺(tái)區(qū)內(nèi)分布式光伏出力或超過(guò)用戶負(fù)荷需求，造成區(qū)域電網(wǎng)潮流倒送、過(guò)電壓等問(wèn)題。如要解決該問(wèn)題，或需對(duì)相關(guān)地區(qū)的分布式發(fā)電規(guī)模加以合理限制，或需改變配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并更新電網(wǎng)保護(hù)配置。從充分挖掘城市清潔能源資源角度看，后者顯然更為合理，但需推動(dòng)城市配電網(wǎng)的大量更新改造。

3.2.3 電力系統(tǒng)慣量變低

大量間歇性、波動(dòng)性電源接入以及相關(guān)電力電子設(shè)備應(yīng)用，將大幅降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如不采取其它措施，當(dāng)發(fā)生故障等擾動(dòng)后將無(wú)法及時(shí)恢復(fù)甚至產(chǎn)生故障擴(kuò)大，對(duì)電力安全要求極高的大型城市而言將成為極大挑戰(zhàn)。2019年英國(guó)大停電，正是由于系統(tǒng)慣量水平較低情況下，大型海上風(fēng)電場(chǎng)與天然氣發(fā)電廠故障離網(wǎng)造成的擴(kuò)大性系統(tǒng)故障，帶來(lái)了國(guó)際城市倫敦的交通停運(yùn)、醫(yī)療服務(wù)中止等惡劣影響。

3.3 城市火電機(jī)組的轉(zhuǎn)型路線圖亟須明確

目前，大家在雙碳目標(biāo)下更多地是關(guān)注煤電機(jī)組轉(zhuǎn)型。我國(guó)煤電裝機(jī)及電量占比大，對(duì)排放影響也較大。但大型城市不再新增煤電規(guī)模已成共識(shí)，后續(xù)有序壓減電量、階段性停而不關(guān)、自然淘汰，即可在安全與降碳目標(biāo)下取得平衡。

更具挑戰(zhàn)的是燃?xì)鈾C(jī)組的后續(xù)發(fā)展規(guī)劃。天然氣是能源由高碳向無(wú)碳過(guò)渡的低碳能源品種。國(guó)內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組由于氣價(jià)、設(shè)備和運(yùn)維等因素，經(jīng)濟(jì)性較差，多在價(jià)格承受能力較好的大型城市使用。但我國(guó)天然氣供應(yīng)對(duì)外依存度較高，從戰(zhàn)略安全角度，燃?xì)鈾C(jī)組并不適合取代煤電機(jī)組現(xiàn)有地位，而利用其快速啟停特性，可為高比例、波動(dòng)性的可再生能源提供靈活調(diào)節(jié)。

在碳達(dá)峰過(guò)程中，適量采取燃?xì)鈾C(jī)組取代煤電機(jī)組，可降低火電的CO2排放，并保障可再生能源的安全消納，可作為保障達(dá)峰的措施之一。但在碳中和過(guò)程中，燃?xì)鈾C(jī)組由于使用化石能源，在CCUS裝置經(jīng)濟(jì)性提升不確定的情況下，發(fā)電量將受限于本地碳匯能力。因此，亟須對(duì)城市天然氣發(fā)電機(jī)組的合理發(fā)展規(guī)模和建設(shè)節(jié)奏進(jìn)行規(guī)劃，在促進(jìn)碳達(dá)峰的同時(shí)又不對(duì)碳中和造成負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)論

在雙碳目標(biāo)下，都市型電力系統(tǒng)的發(fā)展需要做到“兩增兩保一調(diào)”，分別是大幅增加本地可再生能源并保障并網(wǎng)消納、大幅增加市外清潔能源并保障安全輸入、合理有序調(diào)整本地火電等。在此過(guò)程中將面臨種種挑戰(zhàn)，包括落實(shí)大規(guī)模外來(lái)電增量和特高壓通道，通過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)手段確保低慣量電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，推動(dòng)城市電網(wǎng)改造以適應(yīng)高比例分布式電源接入，不斷完善電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)落實(shí)安全托底責(zé)任，加快明確城市火電機(jī)組特別是燃?xì)鈾C(jī)組的轉(zhuǎn)型路線圖等。