朱嬋霞,奚巍民,孫 強,陳 倩,周佳偉,潘杭萍
(國網(wǎng)(蘇州)城市能源研究院,蘇州 215000)
中國是全球最大的發(fā)展中國家,當前正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段,經(jīng)濟增長快,用能需求大,以煤炭為主的能源體系和高碳的產(chǎn)業(yè)結構使中國碳排放總量和碳排放強度呈現(xiàn)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(fā)表重要講話[1],表示:“到2030年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)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(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。”該講話內(nèi)容根據(jù)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(fā)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(jīng)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(tǒng)。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(tǒng)。
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(tǒng)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(tǒng)是能源系統(tǒng)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(tǒng)將面臨的必然情況;同時,在供需平衡、系統(tǒng)調節(jié)、穩(wěn)定特性、配電網(wǎng)運行、控制、保護和建設成本等方面都將發(fā)生顯著變化,電力系統(tǒng)將面臨一系列新的挑戰(zhàn)。
江蘇省作為中國社會經(jīng)濟發(fā)展的先進地區(qū),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(tǒng)的規(guī)模大,形態(tài)特征復雜,在“雙碳”目標的促進下,區(qū)外來電規(guī)模,以及本地風電、光伏發(fā)電等新能源電力的比重逐漸增加,導致其電力系統(tǒng)的形態(tài)更加復雜。本文介紹了江蘇電力系統(tǒng)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(tǒng)的轉型經(jīng)驗,通過分析國際經(jīng)驗并結合江蘇省的實際情況,給江蘇省構建新型電力系統(tǒng)提供參考方向。
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(jīng)濟發(fā)展水平高、對外開放力度大、城鎮(zhèn)化率持續(xù)穩(wěn)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(chǎn)總值首次突破10萬億元,達到102719億元[5],對全國經(jīng)濟增長的貢獻率為10.11%,僅次于廣東??;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(xiàn)出了江蘇省經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)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(qū)主要的社會經(jīng)濟指標具體如表1所示。
表1 2020年全國及典型地區(qū)主要的社會經(jīng)濟指標Table 1 Main socioeconomic indicators of China and its typical regions in 2020
主要社會經(jīng)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(zhèn)化率達到72%[6],且第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的結構不斷優(yōu)化提升。2016—2020年江蘇省的產(chǎn)業(yè)結構變化如圖1所示。
圖1 2016—2020年江蘇省的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的占比分別為4.4%、43.1%、52.5%,第三產(chǎn)業(yè)占該地區(qū)生產(chǎn)總值的比重突破50%,表明江蘇省的服務業(yè)規(guī)模進一步擴大。
江蘇省電力系統(tǒng)是華東電力系統(tǒng)的重要受端系統(tǒng)之一。江蘇省地處華東腹部,東聯(lián)上海市、南鄰浙江省、西接安徽省。江蘇電網(wǎng)現(xiàn)有10條500 kV省際聯(lián)絡線[7]分別與上海市、浙江省、安徽省的電網(wǎng)相聯(lián);有3條500 kV交流線路與山西陽城電廠相聯(lián);有1條500 kV直流線路與三峽電廠相聯(lián);有1條800 kV特高壓直流線路與四川錦屏電廠相聯(lián);有2條1000 kV特高壓交流線路與安徽電網(wǎng)相聯(lián);有1條800 kV特高壓直流線路與蒙東電網(wǎng)相聯(lián);有2條特高壓交流線路與上海電網(wǎng)相聯(lián)。
目前,500 kV電網(wǎng)是江蘇電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架,在區(qū)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(qū)電網(wǎng)中起了重要的支撐作用。江蘇電網(wǎng)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(wǎng)架結構,內(nèi)部已經(jīng)形成典型的交直流混聯(lián)電網(wǎng)。
而隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大、區(qū)外來電規(guī)模的增大,以及“雙碳”目標下風電、光伏發(fā)電等新能源電力比重的增加,江蘇電力系統(tǒng)的形態(tài)日趨復雜。江蘇省的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但電力系統(tǒng)配套及系統(tǒng)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(jīng)濟發(fā)展強勁恢復,用電量不斷攀升,對江蘇電力系統(tǒng)的智慧運營、堅強水平,設備管理的數(shù)字化、智能化程度都提出了新的要求。
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(fā)電量達到229.0億kWh;太陽能發(fā)電裝機容量達到1684萬kW(其中分布式光伏發(fā)電裝機容量約為788萬kW),年發(fā)電量達到166.8億kWh;生物質發(fā)電裝機容量為242萬kW,年發(fā)電量達到125.5億kWh。江蘇電力系統(tǒng)已逐漸呈現(xiàn)出“高比例新能源電力、高比例區(qū)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(fā)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(fā)電量情況Table 2 Accumulated installed capacity and annual power generation of new energy in Jiangsu Province by the end of 2020
德國地處歐洲大陸的中部,是世界第四、歐洲第一大經(jīng)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(qū)生產(chǎn)總值為3.806萬億美元。德國的工業(yè)發(fā)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(tǒng)發(fā)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(fā)電量占德國電力系統(tǒng)總發(fā)電量的比例創(chuàng)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(fā)電量占德國電力系統(tǒng)總發(fā)電量的比例增加了5.4%,達到25.6%??稍偕茉措娏κ状握嫉降聡娏ο到y(tǒng)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(wěn)步下降,電力行業(yè)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(yè)在其中起到了至關重要的推動作用,近10年電力行業(yè)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(fā)展初期,德國電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電形式與煤電等傳統(tǒng)能源發(fā)電形式之間的矛盾和利益沖突較大,德國電網(wǎng)運營商曾反對將可再生能源電力并入電網(wǎng)[9]。而現(xiàn)在,德國的可再生能源電力在其電力系統(tǒng)中已經(jīng)占據(jù)了主要地位。該地位的實現(xiàn),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(jīng)濟法》《電力上網(wǎng)法》《電力經(jīng)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(fā)展的政策工具;另一方面,德國在電力現(xiàn)貨市場機制、電源調節(jié)能力、跨國輸電網(wǎng)絡、可再生能源調度運行等領域為實現(xiàn)可再生能源的最大化利用提供了技術支撐、市場調節(jié)等方面的有力保障。
德國電力系統(tǒng)為可再生能源電力提供了大量的接網(wǎng)、擴容和管理服務[11],加強了與電力系統(tǒng)配套的基礎設施的建設,“棄風、棄光”現(xiàn)象較少[12];同時,德國電力系統(tǒng)推廣屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)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(yè)化應用,可以平衡風電和光伏發(fā)電的出力波動,穩(wěn)定電網(wǎng)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(tǒng)以可再生能源電力為主體向用戶供電。
德國電力系統(tǒng)以380~400 kV輸電線路為電網(wǎng)骨干網(wǎng)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(wǎng)相聯(lián),提高了可再生能源的大范圍優(yōu)化配置能力,為德國可再生能源機組大規(guī)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(fā)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(xiàn)了北部可再生能源電力送往南部負荷中心地區(qū)的目的。
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(fā)電量占其全國電力系統(tǒng)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(fā)電分別向電網(wǎng)輸送了16.27 TWh和1.20 TWh的電量,約占丹麥電力系統(tǒng)總耗電量的46%和4%。
在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)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(lián)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(jù)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(xiàn)能源系統(tǒng)的“脫碳”,電力系統(tǒng)須發(fā)揮核心作用。自1979年起,丹麥已要求風電強制上網(wǎng)[17];1999年,丹麥頒布了《電力供應法》,規(guī)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(yōu)先上網(wǎng)權,若不能及時入網(wǎng),電網(wǎng)公司將給予可再生能源電力生產(chǎn)者或運營商者經(jīng)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(fā)、風電場場址調查、風力資源評價、風電并網(wǎng)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(fā)展的相關技術問題,另一方面也將風電相關產(chǎn)業(yè)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(tǒng)運營單位根據(jù)可再生能源發(fā)電的預測情況、負荷預測情況和聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)發(fā)電利用形式,例如生物質發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)[20]等,進一步衍伸了電力生產(chǎn)和消費的時間和空間特性,增加了電力系統(tǒng)的靈活性。
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(wǎng)的連接僅能通過小容量的高壓直流線路[21]。英國的輸電網(wǎng)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(wǎng)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(fā)電業(yè)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(fā)電企業(yè)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(xù)的電力系統(tǒng)。
2020年12月,英國政府發(fā)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(shù)據(jù)顯示:可再生能源電力在英國電力系統(tǒng)結構中的占比已達到1/3以上,核電在英國電力系統(tǒng)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(fā)電從其電力系統(tǒng)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(tǒng)的主要組成部分,同時為了確保零碳能源系統(tǒng)的可靠性,需要包括核能在內(nèi)的其他能源對發(fā)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(tǒng)的電氣化水平,實現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳。
從德國、丹麥、英國等國家的經(jīng)濟發(fā)展水平、電力系統(tǒng)發(fā)展相關政策、技術和配套機制來看,一方面,這些國家呈現(xiàn)出電力需求不斷增加的趨勢,對電力系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)。
江蘇省作為中國社會經(jīng)濟發(fā)展水平較高的地區(qū),工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化還在深化發(fā)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(tài)發(fā)展水平提出了更高要求。江蘇省新型電力系統(tǒng)的構建方向是一個以安全、可靠供應為基本前提,以發(fā)展新能源為方向的數(shù)字化物理系統(tǒng),同時也將面臨一系列管理、經(jīng)濟、機制、產(chǎn)業(yè)方面的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇,形態(tài)上將表現(xiàn)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。江蘇省新型電力系統(tǒng)構建的具體特征包括:將保持風電、太陽能發(fā)電的快速發(fā)展,電網(wǎng)的核心樞紐作用將更加顯著,電力系統(tǒng)的結構將更加復雜多樣,電力系統(tǒng)智慧化水平將持續(xù)提高,儲能將成為支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術和基礎裝備。
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(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)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(qū)的風能資源也在陸續(xù)開發(fā)中,新能源發(fā)電裝機規(guī)模將大幅增長,新能源發(fā)電量在江蘇省新型電力系統(tǒng)總發(fā)電量中的占比將會大幅提升。但由于新能源發(fā)電的利用小時數(shù)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(fā)電替代率低,其裝機容量將以數(shù)倍于電力需求的速度增長,而這會加劇對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,導致電力系統(tǒng)愈發(fā)呈現(xiàn)復雜、多變的不穩(wěn)定態(tài)勢。
新型電力系統(tǒng)作為能源轉型的中心環(huán)節(jié),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(wǎng)參與消納,需要建立與之匹配的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng),電網(wǎng)的電力電子化程度和復雜度將增加,電網(wǎng)的運行控制將更加重要。
2)隨著“雙碳”目標的持續(xù)推進,江蘇省本地區(qū)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(wǎng)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(wǎng)的運行靈活性也需要大幅增強。
在江蘇省各地區(qū),直流輸配電、熱電協(xié)同、微電網(wǎng)、儲能等技術已經(jīng)開始逐步探索應用,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“源隨荷動”模式[26]需要向新型電力系統(tǒng)的“源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補”的能源互聯(lián)網(wǎng)模式轉變。這將促進新型電力系統(tǒng)逐漸向“多元融合、柔性互聯(lián)、開放互濟”的形態(tài)轉變,對新型電力系統(tǒng)的兼容性提出了更高的要求。新型電力系統(tǒng)的結構需要與多種基礎設施高度融合,應能更充分地發(fā)揮電網(wǎng)大范圍資源配置的能力,促使輸配電網(wǎng)網(wǎng)架結構更加堅強靈活,集中式和分布式新能源發(fā)電的協(xié)同性發(fā)展更好,電動汽車、清潔供暖、智能家居的應用更加廣泛。
江蘇省已投運了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng),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(wǎng)在應急場景下的瞬時、短時平衡。數(shù)字化手段是充分發(fā)揮新型電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)靈活調節(jié)的關鍵,江蘇省構建的新型電力系統(tǒng)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(zhí)行能力的智慧管控系統(tǒng)[27],可以更精準地預測新能源發(fā)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(tǒng)的運行調度需求。
儲能可以在電源側、電網(wǎng)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(tǒng)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(fā)揮儲能平衡新能源電源容量、電網(wǎng)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(tǒng)電力系統(tǒng)供需在時間與空間上的限制,將不穩(wěn)定的新能源電力轉化為穩(wěn)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(tǒng)運行效率等方面發(fā)揮重要作用。
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(tǒng)將是大勢所趨。本文對丹麥、德國、英國等國外電力系統(tǒng)的轉型經(jīng)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(tǒng)構建的特征,以期為江蘇省構建新型電力系統(tǒng)提供參考方向。德國、丹麥、英國等國家的經(jīng)驗表明:新能源發(fā)電成為電力系統(tǒng)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(fā)電裝機容量,但同時也意味著電力系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)容量,以保障社會經(jīng)濟發(fā)展對電能的需求。
江蘇省要構建新型電力系統(tǒng),需要因地制宜地推出鼓勵和支持該地區(qū)新能源發(fā)展的政策,并根據(jù)該地區(qū)新能源資源稟賦、并網(wǎng)消納通道建設、南北輸電通道建設、負荷需求特征有序開發(fā)新能源裝機容量,從技術上提高電網(wǎng)智能化水平,深度協(xié)調源、網(wǎng)、荷、儲,以有效降低電力系統(tǒng)的碳排放量,助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。