新能源行业兼议新型电力系统的灵活性挑战：为什么一边缺电、一边弃风弃光？-光大证券.pdf

敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2022 年 9 月 7 日 电力设备新能源 为什么一边缺电、一边弃风弃光？ ——兼议新型电力系统的灵活性挑战 电力设备新能源 事件：今年 8 月份以来，全国多地遭遇了 60 年一遇的高温天气，长江流域也出 现了 60 年来最严重的旱情。在此背景下，四川省出现严重电力短缺，单日最大 电力缺口超 1700 万千瓦、电量缺口超 3.7 亿千瓦时。 为缓解缺电问题：（ 1）增加受电：实施 30 余次德宝直流反转增送四川，增送电 量 5.5 亿千瓦时；额外调拨西北、华中、华北电量 8000 万千瓦时，跨省区支援 四川电量达 1.32 亿千瓦时；调集国网系统 13 省市公司 50 台应急发电车支援四 川。（2）减少外送：协调减少川电外送、增加水电留川，减少送西北电量 2200 万千瓦时；（3）削减负荷：加快新型电力负荷管理系统建设，形成约 620 万千 瓦响应资源库、占最大用电负荷的 10.5%；四川省 8 月 15 日至 20 日工业企业 放高温假六天（生产全停，保安负荷除外）；四川省 21 日至 25 日采取分区、分 时段“轮停轮供”。 为什么会缺电？造成供电紧张的三个主要因素：（1）煤电等托底保障装机建设 积极性不足；（2）新能源受波动性、随机性影响造成的可靠替代能力不足；（3） 配套电源建设滞后、送受端网架薄弱等因素造成的输送通道能力建设不足。 是什么影响了新能源消纳？影响消纳能力主要的三个因素：（1）负荷大小；（2） 电源结构；（3）区域联络情况。系统中某一时刻理论可以接受的新能源出力由系 统的向下调节能力决定，即系统最大负荷与常规机组最小出力之差；而系统的向 上调节能力指常规机组的调峰范围，表明系统平衡新能源出力波动大小的能力。 为何灵活性是系统转型核心？（1）表征电力系统能够可靠且经济有效地应对全 时间尺度的供需平衡变化和不确定性的能力，以确保电力系统瞬时稳定性、并支 持长期供电安全。（2）系统调节能力不足会降低电力系统的稳定性，或产生大量 的弃电。（3）电力系统灵活运行能力既来自电力供给侧，还可以通过电网基础设 施，需求侧响应和电力存储来提供系统运行调节能力。 投资建议：电力需求与国民经济的发展呈现显著的正相关性。（1）火电作为保障 性电源，起到电力供应“压舱石”的关键作用，为缓解结构性缺电问题，火电投 资及盈利能力将得到修复，建议关注东方电气。（2）受新能源波动性、随机性影 响，为保障系统安全稳定运行，灵活性调节能力要求提高，火电厂灵活性改造、 抽水蓄能、储能、虚拟电厂需求增加，建议关注东方电气、宁德时代、阳光电源、 恒实科技、国能日新。（3）区域联络能力直接影响电力供需平衡与系统可靠性水 平，特高压建设有望提速，建议关注思源电气、国电南瑞、许继电气、特变电工。 （4）电力行业受政策驱动，作为稳增长的重要选择，在适度超前基础设施建设 政策刺激下，有望提前实现超额收益。 风险分析：政策变化风险、电力市场建设不及预期、电力投资建设不及预期。 买入（维持） 作者 分析师：殷中枢 执业证书编号：S0930518040004 010-58452063 yinzs@ebscn.com 分析师：王威 执业证书编号：S0930517030001 021-52523818 wangwei2016@ebscn.com 联系人：刘满君 010-56513153 liumanjun@ebscn.com 联系人：和霖 021-52523853 helin@ebscn.com 行业与沪深 300 指数对比图 - 3 4 % - 2 1 % - 9 % 4% 16% 0 8 /2 1 1 1 /2 1 0 3 /2 2 0 6 /2 2 电力设备新能源 沪深 300 资料来源：Wind 相关研报 深化电力市场改革，破解能源不可能三角——新 型电力系统深度研究二 新能源大基地加速特高压建设——新型电力系 统深度研究一 要点 敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告 电力设备新能源 投资聚焦 截至 2021 年底，我国发电装机容量 23.8 亿千瓦，系统最大负荷 11.9 亿千瓦， 为什么发电装机远远大于负荷水平，还是会出现缺电？ 2021 年，需求侧工业生产快速恢复、夏季持续高温天气带动负荷快速增长，供 给侧能耗双控、煤炭价格上涨、来水偏枯等多重因素叠加，“拉闸限电”现象波 及黑龙江、吉林、辽宁、广东、江苏等 10 余个省份。 2022 年 8 月，受高温导致用电负荷激增、干旱导致水电资源锐减、本地电源支 撑不足等因素影响，四川省出现严重电力短缺。 新能源出力波动大使电力供应紧张和弃风弃光问题同时存在，新能源低出力时 段，电力系统需要高可靠出力电源实现电力平衡；新能源高出力时段则给系统消 纳、安全带来巨大挑战。 我们的创新之处 （1）对比国内外主要国家电源结构特点，深入分析我国不同电源发电特性、各 区域负荷需求水平与区域联络情况，论述了缺电的原因与供需形势； （2）结合新能源出力波动性、随机性、不确定性的特点，从负荷水平、电源结 构、送出通道能力几方面论述了新能源供给消纳体系建设关键点； （3）从电力安全稳定运行的本质需求出发，分析了灵活性资源的需求。 投资观点 电力需求与国民经济的发展呈现显著的正相关性，我国将建设以大型风光电基地 为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输 变电线路为载体的新能源供给消纳体系，电力供应的安全可靠与新能源消纳利用 将成为新型电力系统建设的关键。 （1）火电作为保障性电源，起到电力供应“压舱石”的关键作用，为缓解结构 性缺电问题，火电投资及盈利能力将得到修复，建议关注东方电气。 （2）受新能源波动性、随机性影响，为保障系统安全稳定运行，灵活性调节能 力要求提高，火电厂灵活性改造、抽水蓄能、储能、虚拟电厂需求增加，建议关 注东方电气、宁德时代、阳光电源、恒实科技、国能日新。 （3）区域联络能力直接影响电力供需平衡与系统可靠性水平，特高压建设有望 提速，建议关注思源电气、国电南瑞、许继电气、特变电工。 （4）电力行业受政策驱动，作为稳增长的重要选择，在适度超前基础设施建设 政策刺激下，有望提前实现超额收益。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告 电力设备新能源 目 录 1、 能源清洁化是全球发展方向 5 1.1、 全球主要国家可再生能源发电量占比 . 5 1.2、 我国清洁化发展及其平衡难题 6 2、 我国电力供给与消费特点 . 8 2.1、 电力供需平衡及其不确定性 . 8 2.2、 结构性缺电与全力电力供应保障承压 . 10 3、 新能源供给消纳能力分析 12 3.1、 向上、向下调峰能力直接影响新能源消纳 . 12 3.2、 灵活性是高比例新能源电力系统的核心 . 13 4、 投资建议 . 16 5、 风险分析 . 17 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告 电力设备新能源 图目录 图1：2021年全球主要国家发电量结构 5 图2：2020年法国发电量结构 5 图3：2021年德国发电量结构 5 图4：2021年英国发电量结构 6 图5：2021年日本发电量结构 6 图6：2021年中国各地发电量构成及可再生能源占比 6 图7：2021年中国各地发电量构成及省间电量流动 7 图8：碳中和情景下各区域电力流动示意图 . 7 图9：中国逐年发电量构成及发电量增速（2009-2021） 8 图10：中国逐月发电量与全社会用电量大小（2016.5-2022.7） . 8 图11：中国逐年各产业用电量及增速（2009-2021） 9 图12：中国逐年各区域最大负荷（2010-2021） . 9 图13：3%尖峰负荷、5%尖峰负荷示意图 9 图14：电力投资与电力弹性系数 10 图15：煤电装机与系统最大负荷增量. 10 图16：未来三年供需形势 . 11 图17：2021年各地区发电量构成 . 11 图18：中国逐年装机构成及调峰能力（2012-2021） . 12 图19：2019-2021年全国弃光率逐年变化情况 . 12 图20：2019-2021年全国弃风率逐年变化情况 . 13 图21：系统灵活性运行资源 . 13 图22：电力系统频率调节阶段示意图. 14 图23：换流器高占比电力系统有效惯量组成 14 图24：美国PJM地区24小时负荷及风光出力变化（2022年8月31日） 15 图25：美国PJM地区24小时净负荷随风光比力变化（基于2022年8月31日实际数据） . 15 表目录 表1：灵活性提升手段比较 . 14 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告 电力设备新能源 1、 能源清洁化是全球发展方向 1.1、 全球主要国家可再生能源发电量占比 根据 BP 世界能源统计年鉴，2021 年全球可再生能源发电量占比 27.9%，其中 非水可再生能源发电（含风电、光伏、生物质）占比为 12.8%。中国、美国、 印度发电量分别为 8.5、4.4、1.7 万亿千瓦时，分别占全世界总发电量的 30.0%、 15.5%、6.0%，合计占 51.5%。可再生能源发电量占比方面，中国可再生能源 发电量占比 28.7%，智利与加拿大排名靠前，分别为 77.5%和 67.2%，其中水 电分别占其总发电量的 55.4%和 59.4%；非水可再生能源发电量占总发电量比 例方面，中国为 13.5%，英国与德国排名靠前，分别为 37.7%和 37.2%。 图 1：2021 年全球主要国家发电量结构 2 8 . 7 % 2 0 . 0 % 1 9 . 4 % 1 9 . 0 % 2 0 . 4 % 7 7 . 5 % 6 7 . 2 % 7 . 2 % 4 0 . 5 % 3 9 . 3 % 3 9 . 9 % 4 6 . 1 % 2 8 . 9 % 3 3 . 1 % 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 0 1 0 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 5 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 7 0 , 0 0 0 8 0 , 0 0 0 9 0 , 0 0 0 石油 天然气 煤 核电 水电 非水可再生 其他 非水可再生占比 可再生能源占比 资料来源：BP，《 BP Statistical Review of World Energy》，光大证券研究所整理 ；单位：亿千瓦时 图 2：2020 年法国发电量结构 图 3：2021 年德国发电量结构 0 . 9 9 % 6 . 6 1 % 0 . 9 5 % 7 . 6 4 % 2 . 5 5 % 1 2 . 5 3 % 6 6 . 4 6 % 1 . 2 2 % 1 . 0 5 % 石油 天然气 煤 风电 光伏 水电 核电 生物质 其他 0 . 8 2 % 1 5 . 2 3 % 2 7 . 8 2 % 2 0 . 1 4 % 8 . 3 8 % 3 . 2 7 % 1 1 . 8 0 % 8 . 7 1 % 3 . 8 4 % 石油 天然气 煤 风电 光伏 水电 核电 生物质 其他 资料来源：IEA 官网，光大证券研究所整理 资料来源：BP，《 BP Statistical Review of World Energy》，光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告 电力设备新能源 图 4：2021 年英国发电量结构 图 5：2021 年日本发电量结构 0 . 5 0 % 4 0 . 0 7 % 2 . 1 0 % 2 0 . 8 0 % 4 . 0 0 % 1 . 6 2 % 1 4 . 8 0 % 1 2 . 9 1 % 3 . 2 0 % 石油 天然气 煤 风电 光伏 水电 核电 生物质 其他 3 . 0 7 % 3 1 . 9 8 % 2 9 . 6 0 % 0 . 8 1 % 8 . 4 6 % 7 . 6 1 % 6 . 0 0 % 3 . 5 1 % 8 . 9 6 % 石油 天然气 煤 风电 光伏 水电 核电 生物质 其他 资料来源：BP，《 BP Statistical Review of World Energy》，光大证券研究所整理 资料来源：BP，《 BP Statistical Review of World Energy》，光大证券研究所整理 1.2、 我国清洁化发展及其平衡难题 中国各地区能源结构与清洁化水平差异较大。2021 年，（ 1）发电量前五的地区： 广东、内蒙古、山东、江苏、新疆，发电量大小分别为 6115.2、5952.6、5808、 5782.4 和 4578.1 亿千瓦时；（2）用电量前五的地区：广东、山东、江苏、浙 江、河北，用电量大小分别为 7867、7383、7101、5514、4294 亿千瓦时；（ 3） 可再生能源发电量占比前三西藏、云南、四川，分别为 95.9%、86.8%和 84.7%， 其中水电分别为 85.5%、79.1%和 81.6%；（4）风光发电量占比前三青海、甘 肃、宁夏，分别为 29.4%、22.7%和 19.4%。 图 6：2021 年中国各地发电量构成及可再生能源占比 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 广东 山东 江苏 浙江 河北 内蒙古 河南 新疆 四川 福建 安徽 山西 辽宁 湖北 广西 湖南 云南 陕西 江西 上海 贵州 甘肃 重庆 北京 宁夏 黑龙江 天津 青海 吉林 海南 西藏 火电 水电 风电 光伏 核电 可再生能源占比 风光占比 （加拿大发电量） （英国发电量） （德国发电量） 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦时 我国的能源资源分布与能源负荷重心呈逆向分布关系。目前我国 80%以上的能 源资源分布在西部和北部地区，70%以上的能源消费集中在东中部地区。2021 年 1-11 月各地区外送电量与输入电量情况： （1）外送电量排名：内蒙古、云南、四川、山西、新疆为主要电力输出地区， 外送电量占总发电的比例分别为 41.6%、49.7%、33.5%、34.4%、25.2%；（ 2） 外送比例排名：宁夏、云南、甘肃外送比例最高，分别为 52.2%、49.7%、46.2%。 （3）输入电量排名：广东、河北、浙江、江苏、山东为主要电力输入地区，输 入电量占总用电量的比例分别为 25.1%、42.6%、26.3%、20.1%、16.4%；（ 4） 输入比例排名：北京、上海、天津输入比例最高，分别为 62.0%、49.0%、44.1%。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告 电力设备新能源 图 7：2021 年中国各地发电量构成及省间电量流动 - 30% - 20% - 10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% ( 3 , 0 0 0 ) ( 1 , 0 0 0 ) 1 , 0 0 0 3 , 0 0 0 5 , 0 0 0 7 , 0 0 0 9 , 0 0 0 广东 山东 江苏 浙江 河北 内蒙古 河南 新疆 四川 福建 安徽 山西 辽宁 湖北 广西 湖南 云南 陕西 江西 上海 贵州 甘肃 重庆 北京 宁夏 黑龙江 天津 青海 吉林 海南 西藏 输出电量（截至 11 月） 输入电量（截至 11 月） 发电量（截至 11 月） 输 出 电 量 占 比 （ 右 ） 输 入 电 量 占 比 （ 右 ） 用 电 量 增 长 （ 右 ） 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦时 新能源出力波动大使电力供应紧张和弃风弃光问题同时存在。随着“三北”地区 风电光伏大基地建设及陆上九大清洁能源基地建设加速，跨区跨省的电力流动规 模将进一步提高。新能源出力受天气因素影响，具有波动性和不确定性，因此某 一时刻系统中所有新能源机组出力与系统总用电负荷之比，也存在较大波动。新 能源低出力时段，电力系统需要高可靠出力电源实现电力平衡；新能源高出力时 段则给系统消纳、安全带来巨大挑战。 图 8：碳中和情景下各区域电力流动示意图 资料来源：Nature,《Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China》，光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告 电力设备新能源 2、 我国电力供给与消费特点 2.1、 电力供需平衡及其不确定性 火电现在是、未来三年仍将是主体电源。据 Wind 数据统计，2021 年全社会发 电量 8.4 万亿千瓦时，火电发电量占全社会发电量的 67.4%。从发电量占比上看， 水电是第二电源，2021 年占全社会发电量的 16.0%。但水电发电有明显的季节 特性，丰水期发电量大、枯水期发电量小，2021 年 3 月至 12 月，水电的月度 发电量最大为 1422.2 亿千瓦时，最小为 669.6 亿千瓦时，最大发电量是最小发 电量的 2 倍。风力发电具有一定的季节性差异，冬春发电量较夏秋发电量大；光 伏发电月度变化较小。 图 9：中国逐年发电量构成及发电量增速（2009-2021） 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 0 1 0 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 5 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 7 0 , 0 0 0 8 0 , 0 0 0 9 0 , 0 0 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 火电 水电 核电 风电 太阳能发电 发 电 量 增 速 （ 右 ） 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦时 图 10：中国逐月发电量与全社会用电量大小（2016.5-2022.7） 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 0 1 6 /5 2 0 1 6 /8 2 0 1 6 /1 1 2 0 1 7 /2 2 0 1 7 /5 2 0 1 7 /8 2 0 1 7 /1 1 2 0 1 8 /2 2 0 1 8 /5 2 0 1 8 /8 2 0 1 8 /1 1 2 0 1 9 /2 2 0 1 9 /5 2 0 1 9 /8 2 0 1 9 /1 1 2 0 2 0 /2 2 0 2 0 /5 2 0 2 0 /8 2 0 2 0 /1 1 2 0 2 1 /2 2 0 2 1 /5 2 0 2 1 /8 2 0 2 1 /1 1 2 0 2 2 /2 2 0 2 2 /5 用电量（右） 水电 风电 光伏 核电 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦时 第二产业用电是全社会用电量主体。2021 年全社会用电量 8.3 万亿千瓦时，第 一产业、第二产业、第三产业、城乡居民生活用电量分别为 0.1、5.6、1.4、1.2 万亿千瓦时，各占全社会用电量 1.2%、67.5%（其中工业占全社会用电量为 66.3%）、17.1%和 14.1%。 负荷大小有明显的区域差异和时间差异。2021 年全网最大负荷 11.9 亿千瓦，华 东、华北、南方区域用电负荷较大，最高负荷分别为 3.4 亿千瓦、2.5 亿千瓦和 2.2 亿千瓦；东北、西北区域用电负荷较小，最高负荷分别为 0.7 亿千瓦和 1.1 亿千瓦。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告 电力设备新能源 图 11：中国逐年各产业用电量及增速（2009-2021） - 40% - 30% - 20% - 10% 0% 10% 20% 30% 0 1 0 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 5 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 7 0 , 0 0 0 8 0 , 0 0 0 9 0 , 0 0 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 第一产业 第二产业 第三产业 城 乡 居 民 生 活 用 电 量 全社会用电量增 速 居民用电量增速 第 三 产 业 用 电 量 增 速 第二产业用电量 增速 第一产业用电量 增速 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦时 图 12：中国逐年各区域最大负荷（2010-2021） 0 5 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 1 5 , 0 0 0 2 0 , 0 0 0 2 5 , 0 0 0 3 0 , 0 0 0 3 5 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 华北 东北 华东 华中 南方 西北 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：万千瓦 随着我国经济社会从高速增长向高质量增长转型，用电结构持续优化调整，三产 及居民生活用电比重不断上升，负荷尖峰化特征愈发明显。据中国能源报《源荷 协调才能控制电力尖峰负荷》统计，2016-2019 年南方五省 3%尖峰负荷持续时 间一般不超过 30 小时，单次持续时间最长为 2-6 小时，全年出现频次 6-25 次； 5%尖峰负荷持续时间一般不超过 100 小时，单次持续时间最长为 3-6 小时，全 年出现频次 10-40 次。受夏季降温负荷和冬季采暖负荷影响，年负荷曲线呈现出 夏冬双高峰特性。 图 13：3%尖峰负荷、5%尖峰负荷示意图 资料来源：电力规划设计总院，《未来三年电力供需形势分析》 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告 电力设备新能源 2.2、 结构性缺电与全力电力供应保障承压 “十三五”较“十二五”电源投资减小。“十三五”电源投资总额 18132.89 亿 元，较“十二五”减少5%，仅为同期电网投资总额的 70%。受煤价、能耗双控 等因素影响，煤电建设积极性不足，2021 年全国新增投产煤电装机 2800 万千 瓦，是 15 年以来的最低水平，“十一五”、“十二五”、“十三五”年均装机 增量分别为 6400 万千瓦、4900 万千瓦和 3600 万千瓦。 图 14：电力投资与电力弹性系数 0 1 , 0 0 0 2 , 0 0 0 3 , 0 0 0 4 , 0 0 0 5 , 0 0 0 6 , 0 0 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 投资金额 电力弹性系数 /投 资 系 数 电源投资（右） 电网投资（右） 电 力 消 费 弹 性 系 数 （ 左 ） 电力生产弹性系 数（ 左） 电源投资 /电 网 投 资 （ 左 ） 平均电力生产、平均电力消费弹性系 数为 1 . 0 6 ， 略高于 G D P 增速 电网投资 / 电源投资具有周期 性，电网投资高于电源投资 资料来源：Wind，国家统计局，光大证券研究所绘制；单位：亿元（右） 多重因素叠加造成局部地区电力供需偏紧。（1）2021 年，需求侧工业生产快速 恢复、夏季持续高温天气带动负荷快速增长，供给侧能耗双控、煤炭价格上涨、 来水偏枯等多重因素叠加，“拉闸限电”现象波及黑龙江、吉林、辽宁、广东、 江苏等 10 余个省份。（2）2022 年 8 月，受高温导致用电负荷激增、干旱导致 水电资源锐减、本地电源支撑不足等因素影响，四川省出现严重电力短缺。 图 15：煤电装机与系统最大负荷增量 5428 4559 4090 4524 5402 3812 3855 3056 3236 4027 2803 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 最大负荷增量 煤电装机增量 十二五年均煤电 4 9 0 0 万 千瓦 十三五年均煤电 3 6 0 0 万 千瓦 资料来源：Wind，电力规划设计总院，《未来三年电力供需形势分析》，光大证券研究所整理；单位：万千瓦（左） 全国电力供应保障压力仍然较大。据电力规划设计总院预测，未来三年全社会用 电量将保持 5%中速增长，但电力供应存在较大不确定性，主要原因：（1）煤 电等托底保障装机建设积极性不足；（2）新能源受波动性、随机性影响造成的 可靠替代能力不足；（3）受配套电源建设滞后、送受端网架薄弱等因素影响造 成的输送通道能力建设不足。按照装机平衡考虑，结合当前电源、电网工程投产 进度，预计 2022 年安徽、湖南、江西、重庆、贵州等 5 个地区负荷高峰时段电 力供需紧张；2023 年、2024 年电力供需紧张地区将分别增加至 6 个和 7 个。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -11- 证券研究报告 电力设备新能源 图 16：未来三年供需形势 资料来源：电力规划设计总院，《未来三年电力供需形势分析》 图 17：2021 年各地区发电量构成 资料来源：Wind，光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -12- 证券研究报告 电力设备新能源 3、 新能源供给消纳能力分析 3.1、 向上、向下调峰能力直接影响新能源消纳 我国将建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支 撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。影响消 纳能力主要的三个因素：（1）负荷大小；（2）电源结构；（3）区域联络情况。 系统中某一时刻理论可以接受的新能源大小由系统的向下调节能力决定，即系统 最大负荷与常规机组最小出力之差；而系统的向上调节能力指常规机组的调峰范 围，表明系统平衡新能源出力波动大小的能力。 图 18：中国逐年装机构成及调峰能力（2012-2021） 0 5 0 , 0 0 0 1 0 0 , 0 0 0 1 5 0 , 0 0 0 2 0 0 , 0 0 0 2 5 0 , 0 0 0 0 5 0 , 0 0 0 1 0 0 , 0 0 0 1 5 0 , 0 0 0 2 0 0 , 0 0 0 2 5 0 , 0 0 0 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 火电 核电 水电 风电 光伏 全部 向上调节边界 最大负荷 最小出力 向上调节能力由机组调峰 范围决 定 向下调节能力由系统负荷 与机组 最小出 力之差 决定 向上调节表示常规机组由 最小出 力向上 调整， 即调峰 范围 向下调节表示常规机组由 当前出 力向下 调整， 即消纳 能力 资料来源：Wind，光大证券研究所整理；单位：亿千瓦 新能源消纳量不断提高，2021 年，全国风电、光伏累计发电量同比增长 35.0%， 消纳比重提高 2.0 个百分点。2020 年，风电、光伏发电量 7276 亿千瓦时，占 全部发电量的 9.5%；2021 年风电、光伏发电量 9785 亿千瓦时，占全社会用电 量的比重首次突破 10%，达到 11.7%。 图 19：2019-2021 年全国弃光率逐年变化情况 1 . 8 % 0 . 9 % 0 . 9 % 3 . 5 % 0 . 4 % 1 . 1 % 0 . 4 % 2 . 0 % 1 . 5 % 1 3 . 8 % 2 . 5 % 1 . 7 % 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 河北 山西 山东 蒙西 辽宁 吉林 黑龙江 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 2019 2020 2021 2021 年青海地区弃光率增加 资料来源：全国新能源消纳监测预警中心，光大证券研究所整理 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -13- 证券研究报告 电力设备新能源 图 20：2019-2021 年全国弃风率逐年变化情况 4 . 6 % 2 . 5 % 1 . 5 % 8 . 9 % 2 . 0 % 2 . 9 % 1 . 9 % 2 . 3 % 4 . 1 % 1 0 . 7 % 2 . 4 % 7 . 3 % 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16% 河北 山西 山东 蒙西 辽宁 吉林 黑龙江 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆 2019 2020 2021 2021 年青海、蒙西、东北地区 弃风率 增加 资料来源：全国新能源消纳监测预警中心，光大证券研究所整理 2021 年蒙西、青海两个地区外送电量均超其总发电量的 30%，分析新能源利用 率降低原因，主要有：（1）地区社会用电量增长小，新能源集中并网规模较大， 本地消纳空间有限；（2）冬季供热机组“以热定电”运行，火电调节能力有限， 新能源消纳受到制约；（3）受支撑电源建设进度滞后，特高压输送新能源能力 受限，制约新能源消纳。 以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地项目将在 2022 年陆续并网 投产，新能源项目较为集中，西部和北部部分地区消纳压力增大。 3.2、 灵活性是高比例新能源电力系统的核心 系统灵活性在不同时间尺度下需求各异，长时间以满足电量平衡、短时间以满足 电力平衡为主要特点。维持电力稳定供应需要在所有时间尺度内（从瞬时到数年） 平衡供应和需求，因此需要考虑不同时间尺度内的系统灵活性。短期灵活性与系 统的稳定性有关，包括电压和频率管理等，主要考虑供需不平衡导致的频率偏差； 长期灵活性与容量和资源的可用性有关，主要考虑非波动性可再生能源组合，以 满足波动性可再生能源偏离预期发电比例时的系统电量平衡需求。 图 21：系统灵活性运行资源 频率调整 季节性套利运行备用 负荷平衡 若干秒 若干分钟 若干小时 若干天 若干月 持续时间 分 布 式/ 终 端 用 户 集 中 式/ 跨 区 输 送 电 网 公 司/ 发 电 厂 第 三 方/ 电 网 公 司/ 发 电 厂 抽水蓄能 联络线路 氢燃料 灵活发电 电池 储能 需求响应 数字电网 虚拟电厂 智能充电 储能 改进电网 灵活发电 需求侧灵活性 定 位 资料来源：IEA，《中国电力系统转型》 当系统产生不平衡功率后，需经惯量支撑、一次调频以及二次调频等过程建立新 的平衡状态。第一种功率波动的产生频率较高、幅值较小且难以预见，主要由小 型机组或负荷的投切造成，其调节尺度对应于一次调频；第二种功率波动的产生 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -14- 证券研究报告 电力设备新能源 频率有所降低且幅值较大，主要由大型机组或设备的启停造成，对应于二次调频； 第三种负荷变动则是反应了长时间尺度下负荷跟随时间变化的整体趋势，需要对 各电厂的功率进行调度调整，即三次调频。 图 22：电力系统频率调节阶段示意图 图 23：换流器高占比电力系统有效惯量组成 资料来源：张崇，《可再生能源高占比系统中考虑频率响应需求的储能配置研究》 资料来源：张武其等，《电力系统惯量评估研究框架与展望》 系统调节能力不足会降低电力系统的稳定性，或产生大量的弃电。电力系统灵活 运行能力既来自电力供给侧，还可以通过电网基础设施，需求侧响应和电力存储 来提供系统运行调节能力。在具有较高波动性可再生能源占比的电力系统中，发 电侧以外的其他系统组成提供的系统灵活性极为关键。 表 1：灵活性提升手段比较 提升手段 优势 不足 火电灵活性改造  单位调节容量投资小，调峰能力提升 显著  配合检修同步进行，周期短见效快  改造的技术方案成熟，提升空间大  配套政策与机制依赖性较高  响应调节速度慢，冷启动需5 小时 抽水蓄能电站  启动速度快  不仅提升灵活性，还能作为事故备用 和黑启动电源  抽发损失 25%，使用成本高  地理条件受限 电化学储能站  全自动化控制，响应快速  控制精度高，可全容量调节  缺乏转动惯量，不利于控制电网频率  前期投资高，性价比较低  目前尚不具备大规模建设条件 需求侧响应  潜力大  前景好  价格信号传导机制形成需要较长时 间  提升效果存在不确定性  需求侧资源可控性相对较差  响应效果难以精确计量，有争议 资料来源：张晶等，《火电机组灵活性改造的激励机制研究》，袁家海教授课题组，《中国电力系统灵活性的多元提升路径研 究》，光大证券研究所 根据国家发改委、能源局《全国煤电机组改造升级的通知》，“十四五”期间完 成 2 亿千瓦存量煤电机组灵活性改造，实现煤电机组灵活制造规模 1.5 亿千瓦。 国家能源局在给全国政协 1910 号提案的答复函中明确表示，力争到 2030 年燃 煤发电机组实现 20%-100%调峰。根据潘尔生等《火电灵活性改造的现状、关 键问题与发展前景》，不同机组特征、改造目标、燃料特性等条件都将带来改造 投资的巨大差别，通常投资按 30~90 元/千瓦计算，“十四五”期间存量灵活改 造投资 60~180 亿元，若以同等成本估算，灵活性制造投资 45~135 亿元。 仅供内部参考，请勿外传 敬请参阅最后一页特别声明 -15- 证券研究报告 电力设备新能源 储能作为灵活的电力电量平衡技术，在高比例可再生能源电力系统中将发挥越来 越大的作用。新能源出力超出系统需求的部分，若没有发电侧可向下调节能力协 调、需求侧用电向上调节或电网侧削峰填谷平抑，便只能选择弃风、弃光。随着 风光发电量占比不断提高，系统净负荷（系统负荷减去风光出力）呈“鸭型”曲 线，即新能源出力较高时，系统净负荷较小，随着新能源比例不断提高，会出现 净负荷为负的情况，表现为储能充电需求增加；而早晚时刻新能源出力较小，系 统净负荷较大，表现为储能放电需求。 图 24：美国 PJM 地区 24 小时负荷及风光出力变化（2022年 8 月 31 日） 0 2 0 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 8 0 , 0 0 0 1 0 0 , 0 0 0 1 2 0 , 0 0 0 1 4 0 , 0 0 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 时序负荷（右） 光伏出力 风电出力 新能源出力 资料来源：PJM 官网，光大证券研究所整理；单位：MW 图 25：美国 PJM 地区 24 小时净负荷随风光比力变化（基于 2022 年8 月 31 日实际数据） ( 6 0 , 0 0 0 ) ( 4 0 , 0 0 0 ) ( 2 0 , 0 0 0 ) 0 2 0 , 0 0 0 4 0 , 0 0 0 6 0 , 0 0 0 8 0 , 0 0 0 1 0 0 , 0 0 0 1 2 0 , 0 0 0 1 4 0 , 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 净负荷 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 最小出力 充电 放电 净负荷小于最小出力时充电，反之则放电 10% 现状 20% 30% 40%