先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径-RMI.pdf

2022.12 先立后破 迈向零碳电力 探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 rmi.org / 2先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(RMI)，是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库。我们与政府部门、企业、科研 机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所致力于借助经济 可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美 国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市、加州奥克兰及华盛顿特区设有办事处。 rmi.org / 3先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 作者与鸣谢 作者 陈梓浩 高硕 李婷 刘雨菁 刘子屹 姚远 周勤 其他作者 李洁* 彭丽楠* 周锋* 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 除非另有说明，所有作者均来自落基山研究所。 带*的作者来自能源基金会。 联系方式 高硕，sgao@rmi.org 版权与引用 高硕,周勤,刘雨菁,李婷等，先立后破,迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径，落基山研 究所，2022年12月， https://rmi.org.cn/insights/new_power_system_report/ 鸣谢 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 （按姓氏拼音排序） 丁振华 东方电子股份有限公司 韩雪 国务院发展研究中心资源与环境政策研究所 李宁君 中国水电工程顾问集团有限公司 王春森 华能集团市场营销部 王晓波 California Independent System Operator （CAISO） 魏昭峰 中国电力企业联合会 杨宇 国网电力科学研究院（南瑞集团） 袁家海 华北电力大学 张永平 百度智能云 本报告所述内容不代表以上专家及其所在机构观点。 RMI感谢能源基金会对“构建新型电力系统—从成功实验到加速实践”项目的支持。 rmi.org / 4先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 目录 执行摘要 7 第一章 应对全球气候变化与实现电力脱碳 10 1.1 电力脱碳是全球应对气候变化的切入点 .10 碳中和已成为全球主要经济体的重要战略目标，其核心是实现能源系统转型 .10 能源系统转型的关键是电力生产零碳化和终端用能电气化 10 1.2 构建新型电力系统，实现电力系统脱碳 .12 新型电力系统支撑高比例可再生能源的生产、输送与消纳 12 构建新型电力系统是全球各国都面临的崭新课题 12 中国的探索与实践将提供具有普遍借鉴意义的方案 .14 第二章 构建中国特色新型电力系统 – 特征与难题 .15 2.1 新型电力系统理念的诠释 17 2.2 构建新型电力系统亟需攻克的四大难题 .18 第三章 破解构建新型电力系统难题的八项建言 20 3.1 长周期性交易机制是促进可再生能源投资的重要抓手 .21 新型电力系统中，可再生电源需实现市场化发展 21 传统电力市场经济学理论与实践的局限 .22 利用拍卖或竞争机制形成长期合同，对冲短期电力市场价格波动风险，为可再生能源规模发 展提供更强的确定性 23 尽快推出并不断优化省间绿电直购模式，明晰环境外部性权属与认证，发挥用户参与碳中和 实践的意愿 25 3.2 就近开发与“西电东送”相辅相成是可持续发展的最佳模式 .27 通过市场化机制提升“西电东送”能力 27 完善激励机制以优先就近集中开发海上风电 28 以分布式市场化交易及绿色属性认证为激励，推广以光伏为代表的分布式能源就地开发 . 30 3.3 有的放矢，因地制宜的辅助服务市场设计是充分利用灵活性资源的最有效手段 .32 高比例可再生能源的开发与消纳大幅度增加了对系统灵活性能力的需求 .32 建立辅助服务市场是充分利用资源以满足系统灵活性需求的当务之急 32 rmi.org / 5先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 辅助服务市场与价格机制设计需秉持有的放矢，因地制宜的理念 .36 3.4 氢能是具有综合优势的系统灵活性技术选择 .37 实现电能的大规模存储是解决系统灵活性需求的革命性手段 .37 氢能是具有综合优势的储能技术选择，掌握具有自主知识产权的核心技术是关键 38 3.5 扩大电力平衡区域与区域市场化调度应是电网优化资源以消纳可再生能源的范式 41 电网大规模消纳可再生能源的能力取决于其对资源的调度能力与方式 41 扩大电力平衡区域边界以提升可再生能源的消纳能力 .41 打破省间壁垒的区域现货市场可实现电力资源在更大地理尺度下灵活优化配置 43 一体化的电能量与辅助服务市场才能实现可再生能源消纳系统成本的最优 .44 3.6 数智技术的广泛应用才能大幅增强电网应对供需剧烈变化的能力 46 采用数字孪生技术实现电网全天候360度掌控 .46 基于机器学习技术提升电网的实时运行能力 47 发挥大数据技术优势应对电网运行的安全风险 48 3.7 模块化的可观可控是需求侧弹性化的理想技术形态 49 实现需求侧的可观可控是电力用户、分布式能源及储能参与电力平衡的必须条件 49 大力推动微电网是实现需求侧可观可控且多能互补的理想方式 .49 发展虚拟电厂是短期内加速挖掘需求侧灵活性的有效手段 53 3.8 全方位成为市场主体是需求侧能弹性地参与电力平衡的前提 55 缺乏市场参与的机遇严重制约了需求侧参与电力平衡的能力 .55 全面放开用户侧参与电力市场准入资格 .56 建立更通畅的价格传导机制 .57 培育用户侧参与电力市场的能力 57 第四章 构建新型电力系统的探索与实践 59 4.1 可再生能源大规模消纳与输送 - 国家电网风光储输一体化试点实践 .60 4.2 数智技术助力的电网运行与调度 - 南方电网建设数字电网的尝试 62 4.3 大范围电力资源的市场化优化配置 - WEIM区域电力平衡市场 64 4.4 需求侧参与电力市场的实践 - 德国TSO需求侧响应机制设计 66 rmi.org / 6先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 第五章 结语与展望 .68 5.1 政策、市场、技术合力驱动新型电力系统构建 .70 5.2 立足国情，着眼全球，探索零碳电力发展之路 .70 设计差异化的省/区域电力系统转型路线图是构建适合中国国情的电力系统的关键举措 .70 提供具有普遍借鉴意义的零碳电力实践与方案是中国对人类应对全球气候变化的贡献 .71 参考文献 72 rmi.org / 7先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 如何应对日益加剧的气候变化是各国共同关心的全球性问题，也是人类社会必须协力合作才能解决的挑战。 在人类活动中，能源活动是温室气体排放的最主要贡献者，目前，能源转型已成为减缓全球气候变化的首要议 题。碳中和作为全球主要经济体应对气候变化的重要战略目标，其核心是实现能源系统转型。而在这一转型过 程中，电力系统的脱碳无疑十分关键，电力生产的零碳化和终端用能的电气化将是全球应对气候变化的首要切 入点。 电力系统运行的核心任务是要安全可靠、经济高效地实现电力的供需平衡。在过去一百多年内发展起来的传统 电力系统，以化石能源作为主要一次能源，为社会经济发展与生产生活提供兼具安全性与经济性的支撑。在全 社会碳中和的目标下，电力系统需要以可再生能源作为主要一次能源，实现安全、经济、绿色的电力供应。但 考虑到由电力生产、输送与消费共同构成的电力系统的复杂性，实现零碳电力绝非是以可再生能源替代化石能 源发电这么简单。 可再生能源（特别是非水可再生能源）发电技术与化石能源发电技术截然不同，前者的供应表现出高度的波动 性与不确定性，而后者则可以实现稳定供应和灵活调节。此外，可再生能源发电依靠大量的电力电子设备，这 将明显改变以同步发电机为主体的传统电力系统的元件构成与运行特性。因此，构建与“双高”特性（高比例 可再生能源、高比例电力电子设备）相适应的新型电力系统势在必行。 基于上述洞察，本报告旨在探索如何构建适合中国国情的新型电力系统，以期实现“先立后破，迈向零碳电 力”的最终目标。 构建新型电力系统的起点在于建立起对中国电力现状的充分认识。目前，电力供需现状表现为：持续增长的用 电需求，以化石能源为主的发电量结构，由于资源禀赋原因形成的“西电东送”“北电南供”的长距离送电格 局，以及亟待成熟的电力供需市场化机制。 未来，适合中国国情的新型电力系统应具备“可再生能源的高比例与均衡发展”，“大规模储能条件下灵活的电 力平衡”，“数智技术助力的电网智能化”，“以及富有弹性的电力需求侧”四个鲜明的特征。因此，构建新型电 力系统将面临如何确保可再生能源的可持续发展，如何化解煤电占比减少与系统灵活性需求日益增加的矛盾， 如何提升电网大规模消纳可再生能源的能力，以及如何赋能需求侧弹性以实现安全可靠、经济高效、绿色低碳 的电力平衡这四个棘手的难题。 破解构建新型电力系统的四大难题需要有的放矢地协调利用政策、市场、技术等多方面工具。本报告从电源 侧、电网侧、负荷侧各相关方的差异化视角和诉求入手，以问题为导向，以解决方案为目标，从全局性的视角 出发，有针对性地提出了以下八项核心建言，并结合 “十四五”“十五五”及2030年之后三个发展阶段提出了 相应的行动建议与目标（图表ES1）。 执行摘要 rmi.org / 8先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 图表 ES1 构建新型电力系统的四大难题与八项建言 资料来源：落基山研究所 如何确保 可再生能 源的可持 续发展？ 如何化解 煤电占比 减少与系 统灵活性 需求日益 增加的矛 盾？ 如何提升 电网大规 模消纳可 再生能源 的能力？ 如何赋能需 求侧弹性以 实现安全可 靠、经济高 效、绿色低 碳的电力平 衡？ 主要难题 行动 目标 推广基于拍卖或竞争机制的长期 （ 多年）电力合同 优化绿色电力直接交易，建立制 度化、标准化的省间绿电直接交 易机制 通过市场机制提升西电东送能力 对海上风电等靠近负荷侧的零碳电 源提供优惠 分布式可再生能源的绿色属性认证 完善以频率稳定为目标的省级辅 助服务市场 完善以电压稳定为目标的本地化辅 助服务价格机制 掌握氢燃机、氢燃料电池等产业链和产品的核心技术， 培育氢能社会化应用 在有条件的地方建设跨地域的区域 电力现货市场 大数据平台与基于大数据分析技术 的电网运行与维护业务应用在省级 电网的全面落地 发展虚拟电厂以在短期内加速挖 掘灵活性 逐步完善电能量和辅助服务等价 格传导机制 到2020年代末， 成为全球第一大绿电交 易市场 近海海上风电全面实现平价 全面建设区域辅 助服务市场 扩大电力平衡区边界 数字孪生技术应用 于多数省级电网 推动微电网作为低零 碳技术广泛应用 全面放开需求侧参 与市场和价格传导 靠近负荷中心的海上风电 和分布式能源成为供给侧 的重要组成部分 氢燃机等技术在电力系统 内实现规模化、商业化利用 电力系统设备和运行维护 实现非人工化和自动化 实现“主干+模块化”的新型 电网形态 现货市场与辅助服务市场由分级出清向联合出清转型 核心建言 “十四五”期间 2025 2030 “十五五”期间 “碳中和”实践期 加快培育成熟的需求侧市场主体 推广电力分布式交易 各辅助服务品种市场成熟 运行 长周期性交易机制 是促进可再生能源 投资的重要抓手 就近开发与“西电东 送”相辅相成是可持 续发展的最佳模式 有的放矢、因地制宜 的辅助服务市场设计 是充分利用灵活性资 源的最有效手段 氢能是具有综合优势的 系统灵活性技术选择 扩大电力平衡区域与 区域市场化调度应是 电网优化资源以消纳 可再生能源的范式 数智技术的广泛应用才 能大幅增强电网应对供 需剧烈变化的能力 模 块化的可观可控是需求 侧弹性化的理想技术形态 全方位成为市场主 体是需求侧能弹性 地参与电力平衡的 前提 推动规范化、 制度化的隔墙售电 rmi.org / 9先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 展望未来，电力脱碳的成功离不开政策、市场与技术三大驱动力。精准的政策扶持、完善的市场化机制、大胆 的技术创新将形成合力，支持构建符合中国国情的新型电力系统。 • 政策层面：过去、现在和将来，可再生能源的可持续发展、新型电力系统的构建都离不开国家相关政策的 引导与扶持，应在国家与省级地方政府层面继续提供精准而又有差异化的政策扶持与激励措施，特别是针 对一些潜力巨大，但短期内尚且难以实现经济效益的核心零碳电力技术的发展与应用。 • 市场层面：在今后的五至十年内，加快和深化电力市场改革对优化电力系统的安全、经济运行和确保可再 生能源的高效利用至关重要。具体行动方向包括全面建设省级电能量现货市场与辅助服务市场，拓展多年 尺度长期电能量交易，尽快试点建立区域电力市场，落实跨省输电电价机制优化和保证条件成熟的用户全 方位参与电力市场等。 • 技术层面：中国的电网已经储备了较为成熟的大规模消纳可再生能源的技术能力及解决方案。在已经广泛 应用的特高压交直流输电技术基础上，应推动柔性直流电网技术、风光储输一体化系统调度技术、多元化 储能技术、数智技术、基于模块化理念的多能互补型微电网与虚拟电厂技术等已经进行试点和示范的项 目，进入规模化发展与应用阶段。 在探索零碳电力的实践之路上，一方面要立足国情，以地方为抓手，从地方实际出发，因地制宜，设计本地化、差 异化的新型电力系统建设方案；另一方面要着眼全球，引领全球气候治理与新型电力系统建设，依托中国电力系 统“海纳百川”的多元化特征，为世界各国，特别是发展中国家，提供具有重要借鉴意义的中国方案。 希望本报告的研究成果，能够为全球各国电力脱碳的利益攸关者洞察零碳电力的政策走向、市场规律与技术趋 势，设计电力系统脱碳最佳路线图，提供有价值的思路与可借鉴的方案，从而支撑全社会乃至全球更好地完成 应对气候变化行动目标。 rmi.org / 10先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 第一章 应对全球气候变化与实现电力脱碳 1.1 电力脱碳是全球应对气候变化的切入点 碳中和已成为全球主要经济体的重要战略目标，其核心是实现能源系统转型 应对日益加剧的气候变化是各国共同关心的全球性问题，也是人类社会必须协力合作才能解决的挑战。自工业 化以来，与人类活动相关的温室气体排放已经将全球平均气温提高了超过1摄氏度。近年来，全球气候变化引 发的极端天气事件（高温热浪、暴雨洪水、干旱等）频发，强度也越发猛烈，直接影响到人们的生产生活和生 命安全。海平面上升、海水升温、冰川融化和海水酸化等变化，正深刻影响着陆地与海洋的生态系统和大气环 流。面对气候变化这一共同的挑战，自上世纪90年代开始，全球各国在政府间气候变化专门委员会（IPCC）和 联合国气候变化框架公约（UNFCCC）下开展了一系列合作，并达成了《京都议定书》《巴黎协定》等具有里 程碑意义的合作文件。 自《巴黎协定》签署以来，碳中和逐渐成为全球各主要经济体的重要目标。2015年，全球各国代表在巴黎气 候大会上通过《巴黎协定》，提出将本世纪全球气温升幅 i 限制在2℃以内，同时寻求将气温升幅进一步限制在 1.5℃以内的措施。2018年，欧盟委员会提出了“建立繁荣、现代、有竞争力且气候中和的欧盟经济体长期战 略愿景”，提出到2050年实现气候中和，成为首个提出碳中和目标的发达经济体。2020年，中国作为全球最 大的发展中经济体，提出2060年前实现碳中和，成为全球气候行动的重要支撑。包括美国（2050年）、印度 （2070年）等在内的主要发达和发展中经济体，也陆续提出各自的碳中和目标，支持全球共同的气候行动。 在人类活动中，能源活动是温室气体排放的最主要贡献者，能源转型是减缓全球气候变化的首要议题。IPCC第 六次评估报告 1 显示，自工业化以来，全球温室气体（二氧化碳、甲烷等）排放几乎都来自于化石燃料燃烧和 土地利用变化。在过去十年，约86%的二氧化碳排放来自于化石燃料燃烧。能源活动在温室气体排放中的压倒 性占比，使得摆脱化石燃料依赖成为气候变化行动的重中之重。第六次评估报告指出，降低温室气体排放需要 能源全行业实现重大转型。可喜的是，能源转型正在如火如荼的快速推进，能效技术、可再生能源电力、电动 汽车、氢能汽车、氢冶金等技术的发展与推广为能源转型提供了技术选项，全球非化石能源一次能源消费量从 2010年的65 EJ增长到2020年的94 EJ, 在一次能源中占比达到约17%。 2 但能源转型也同样存在难点。历史上，还没有任何经济体依托非化石能源实现工业化和现代化。作为全球最大 的发展中经济体，中国需要回答如何在经济、社会高质量发展的情况下实现能源转型这一极具挑战性的问题， 为实现经济增长与能源消费和温室气体排放的脱钩提供有代表性、经济性和可行性的实施方案。 能源系统转型的关键是电力生产零碳化和终端用能电气化 电力行业二氧化碳排放占全球能源活动二氧化碳排放的约40%，它在能源系统转型中占有举足轻重的地位。同 时，相比于工业（重化工业等）、交通（航运、航空、公路货运等）、建筑（大规模供暖等）等行业，电力也 是现有能源转型解决方案规模化发展较为成熟的行业。电力行业在能源转型中的角色可以用两个要点来概括， 即电力供给侧的生产零碳化和电力消费侧的终端电气化。在中国，从碳达峰到碳中和，电力生产零碳化和终端 用能电气化将分别贡献约31%和16%的二氧化碳减排量，是实现净零碳排放的两大重要策略。 3 i 指21世纪末相对前工业化时期的全球气温变化。 rmi.org / 11先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 电力行业在能源系统转型中的首要任务是电力生产的零碳化，即通过大规模发展零碳排放的可再生能源发电技 术，替代传统的高碳排放的化石能源发电技术，从而最终实现电力供应的零碳化。未来30年，全球主要经济体 的零碳电源（风电、太阳能发电、水电等）装机容量将普遍上升至80%以上，从而大幅降低电力系统的碳排放 水平（图表1.1）。 图表 1.1 2050年零碳电源装机占比情景模拟 数据来源：IEA World Energy Outlook 4 , Canada Energy Regulator 5 在电力碳排放下降的基础上，大幅改变终端能源消费模式，实现用能电气化则是能源转型另一个重要的风向 标。在工业、建筑、交通等领域，终端用能电气化都是各自领域减排的关键手段。目前，全球终端能源电气化 率仅为19.6% 6 ，主要经济体的终端能源电气化率普遍处于20%-25%的区间 7 。随着未来终端用能电气化的迅速 提高，电力系统将承接更高比例的工业、建筑、交通等领域转移的能源消费。到本世纪中叶，中国等主要经济 体的终端电气化水平将上升到50%左右（图表1.2）。结合届时的高比例零碳化电力生产水平，整个能源系统的 碳排放水平将因电力脱碳而发生根本性的变化。 图表 1.2 终端能源电气化率情景模拟 数据来源：IPCC AR6 Scenario Database 8 ，E n e r d a t a 9 中国 印度 巴西 美国 欧盟 加拿大 60%30%10%0% 中国 巴西 欧盟印度 美国 加拿大 0% 30% 40% 70% 2020 2030 2040 2050 10% 20% 50% 60% 70%40%20% 80%50% 90% 100% rmi.org / 12先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 1.2 构建新型电力系统，实现电力系统脱碳 新型电力系统支撑高比例可再生能源的生产、输送与消纳 电力系统运行的核心任务是要安全可靠、经济高效地满足电力的供需平衡。过去一百多年发展起来的传统电力 系统，以化石能源作为主要一次能源，安全、经济地支撑了社会经济发展与生产生活。在全社会碳中和的目标 下，电力系统需要以可再生能源作为主要一次能源，实现安全、经济、绿色的电力供应。但电力的生产、输送 与消费构成了一个复杂的电力系统，实现零碳电力绝非是简单的以可再生能源替代化石能源发电即可实现。 可再生能源发电技术（特别是非水可再生能源）与化石能源发电技术截然不同，前者的供应表现出高度的波动 性与不确定性，而后者则可以稳定供应和灵活调节。此外，可再生能源发电依靠大量的电力电子设备，将明显 改变以同步发电机为主体的传统电力系统的系统元件的构成与系统的运行特性。例如，高比例的采用电力电子 技术的发电设备将降低电力系统中同步发电机的占比，使得电力系统整体转动惯量减少，这将影响电力系统运 行的稳定性。因此，高比例可再生能源电源与高比例的电力电子设备的这种“双高”特性，意味着与其相适应 的电力系统理论、系统结构、运行模式与技术手段将发生革命性的改变，构建新型电力系统势在必行。 新型电力系统将以可再生能源等非化石能源作为主要一次能源，提供安全可靠、经济高效、绿色低碳的电力供 应。未来，新型电力系统将呈现模块互联、弹性互动、刚柔兼济、和谐发展的形态： • 在供给侧，集中式可再生能源、大容量储能、氢能发电等的协调互动，将提供安全、稳定的绿色电力； • 在电网侧，坚强而高效的特高压与高压电网，依托电力电子、规模化储能、数智技术等前沿技术而坚韧智 能地有效支撑绿色电力的安全与经济的输送； • 在需求侧，分布式可再生能源与储能、微电网、虚拟电厂，以及需求侧响应的应用，将构建可观、可控的 模块化绿色电力产消合一者。 构建新型电力系统是全球各国都面临的崭新课题 到目前为止，全球单位发电量碳排放强度仍处于高位的状态。设立近中期电力系统目标，推动电力行业向低碳 和零碳方向转型，是各经济体实现碳中和目标的重要一步（图表1.3）。 图表 1.3 部分经济体碳中和以及电力系统目标 经济体 碳中和目标年 近中期电力系统目标 发展中经 济体 中国 2060 到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到1,200GW以上 印度 2070 到2030年，实现500GW非化石能源装机 巴西 2050 到2031年，可再生能源装机占比约83% 发达经济体 美国 2050 到2035年，实现电力系统零排放 欧盟 2050 到2030年，可再生能源总装机达到1,236 GW 加拿大 2050 到2035年，实现电力系统零排放 数据来源：中国国务院新闻办公室 10 ，The Economic Times 11 , Ministério de Minas e Energia do Brasil 12 , The White House 13 , European Commission 14 , Government of Canada 15 rmi.org / 13先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 设立明确的零碳电力目标无疑是良好的开端，但选择什么样的路径、采取什么样的技术路线与行动方案以实现 这些目标，目前尚无清晰的答案。全球的主要经济体中，除个别水电资源特别丰富的国家如加拿大、巴西等外，多 数国家的可再生能源发电量比例均在30%或更低的水平，其中非水可再生能源发电量的占比则更低（图表1.4）。 电力的生产、输送及消费在很大程度上仍是沿袭传统电力系统的运行模式。而要实现各国所设定的高比例可再 生能源电力的目标，电力系统应如何构建，无疑对各国都是一个没有先例、需要“摸着石头过河”的探索。 图表 1.4 G20成员国2021年可再生能源发电量占发电总量的比例 可再生能源发电占比 非水可再生能源发电占比 巴西 77.5% 22.0% 加拿大 67.2% 7.8% 德国 40.5% 37.2% 意大利 39.9% 24.9% 英国 39.3% 37.7% 土耳其 35.5% 18.8% 澳大利亚 28.9% 22.9% 中国 28.7% 13.5% 阿根廷 24.2% 11.3% 墨西哥 22.2% 11.8% 法国 22.1% 11.5% 日本 20.4% 12.8% 美国 20.0% 14.2% 印度 19.4% 10.0% 俄罗斯 19.0% 0.5% 印度尼西亚 18.2% 10.2% 南非 7.3% 6.8% 韩国 7.2% 6.7% 沙特阿拉伯 0.2% 0.2% 数据来源：Our World in Data 16 以美国为例，美国在《中美关于在21世纪20年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》宣布了2035年实现零碳 电力这一非常雄心勃勃的目标，比美国政府之前宣布的2050年零碳电力目标提前了15年。但主流媒体、研究 机构、行业组织普遍质疑这一目标的可能性和可行性，相当一部分观点认为白宫公布的信息缺乏具体的落实计 划，所设立的零碳目标在现有的政策与电力系统的现状条件下难以实现。例如，在系统灵活性方面，在2035实 现零碳电力的目标下，太阳能加风电的发电量需要在短短15年间从10%提升至74%，如此高比例的间歇性可再 生能源发电势必形成对现有电网运行与调度灵活性的巨大挑战。同时，与中国类似，美国可再生能源电源与负 荷中心的地理分布同样需要大规模、长距离输送可再生能源，这亟需对现有的输电系统进行现代化升级改造， 预期将累计花费超过一万亿美元 17 。但是，如何保障有足够资金实现电网现代化，又如何在缺乏储能等系统灵 活性资源量化发展目标的情况下解决电网的灵活性要求，许多疑问都缺乏明确可行的解决方案。 rmi.org / 14先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 虽然一些国家已经实现了接近100%的可再生能源电力供应，但其经验对主要经济体电力转型的指导作用有限。 目前，包括阿尔巴尼亚、冰岛、巴拉圭、哥斯达黎加、塔吉克斯坦、挪威、乌拉圭等十余个国家和地区已经实 现可再生能源在电力中占比超过90%，甚至达到100%。但是，这些国家的电力系统中水电的占比极高，因此 难以被定义为新型电力系统：在这些国家中，水电占比最低的国家也达到了六成，阿尔巴尼亚、巴拉圭、塔吉 克斯坦、挪威等国占比甚至达到或接近100%。同时，一些得天独厚的资源条件也是这些国家实现零碳的主要 支撑：由于优越的地热资源，冰岛和哥斯达黎加的电力供应体系中地热发电占比10%-30%，与水电互为有效补 充，支撑零碳电力系统运行。这些零碳电力系统的建设与运行实践与经验固然有利于电力和能源系统转型，但 对于应对高比例可再生能源接入和新型电力系统构建的挑战，仍缺乏普遍的借鉴意义。 国际实践与争论给我们的有益提示是，如何在电力系统的转型进程中遵循电力运行和市场规律，顺应低碳技术 发展趋势，推动形成适合各国资源禀赋和社会经济发展需求、具备高比例新能源消纳能力的新型电力系统，将 是全球各国共同面临的课题。 中国的探索与实践将提供具有普遍借鉴意义的方案 全球各国的电力系统的运行都遵循同样的物理规律，担负着为社会经济发展与人民生活提供安全可靠、经济高 效、绿色低碳的电力供应这一共同的核心的任务。但是，每个电力系统因其电源的类型与组合比例、电网的结 构与互联方式、负荷的构成与特性及运行调度与控制方式和技术的差异而各有其自身的特点。 中国的国情使得中国的电力系统“海纳百川”，包含了全球许多国家电力系统具备的不同的特点。中国广阔的 地域与经济的蓬勃发展使得其不同地区的电力系统呈多元化的特征：在电源侧，从西北部的大型风电、光伏、 光热基地，到西南部的大型水电站，再到东部海域的海上风电场，以及部分农村地区的生物质发电，中国的可 再生能源发电资源品种丰富多样；在电网侧，由于电源与负荷中心的地理逆向分布，中国的电网呈现出多种形 式（交直流）的系统互联以支撑电力长距离输送的形态；在需求侧，高比例的工业负荷、快速的城镇化及分布 式能源的整片开发，使得需求侧体现出多种不同的电力消费与生产模式。 因此，中国构建新型电力系统的探索与实践，特别是在可再生能源的可持续开发、长距离输送与消纳、高比例 煤电顺利转型、大规模互联电网的智能化演进、需求侧弹性参与电力平衡等领域给出的中国方案，将对世界各 国具有非常重要的借鉴意义。 rmi.org / 15先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 第二章 构建中国特色新型电力系统 – 特征 与难题 在探讨中国特色新型电力系统理念与特征之前，需要清晰地了解与认识中国电力系统的现状。 中国电力系统具备以下四个主要的特征。一是持续增长的用电需求：预期到2030年，电力需求约达到11万亿 千瓦时，年均增长率约4%（图表2.1）。二是“富煤，贫油，少气”的能源资源禀赋和以煤电为主的发电资 源：2020年煤电发电量占全部发电量比例约为60%。三是逆向分布的电源与电力负荷：以“胡焕庸”线 ii 为界， 中国的煤电、水电、风电与太阳能发电资源主要集中在西北部地区，而负荷中心则集中在东南部沿海地区（图 表2.2-2.3），东南部地区占全国用电量的85%以上，人口占94%以上，GDP占95%以上。四是任重道远的电 力市场化改革进程：过去二十年中国的电力行业在市场化方向上进行了许多有益的尝试，积累了大量宝贵的经 验，也取得了显著的成果，但同时也还面临许多的困难和挑战，集中体现在“体系不完整、功能不完善、交易 规则不统一、跨省跨区交易存在市场壁垒等问题”。同时，与发达国家所经历的先完成电力市场化改革、后进 入电力脱碳进程不同，中国将需要同步地推进电力市场化改革与电力脱碳进程。 图表 2.1 中国电力需求增长预测 图表 2.2 中国内地电力需求地理分布 数据来源：国家统计局，落基山研究所 18 数据来源：中国电力企业联合会 19 ，落基山研究所 ii 胡焕庸线是中国经济地理重要分界线，是北起黑龙江黑河，南至云南腾冲的地理连线。 2000 1,347 2010 4,193 2020 7,521 2030 (预计） 11,000 复合年均增长率 12% 6% 4% rmi.org / 16先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 图表 2.3 中国风能、太阳能发电资源地理分布 资料来源：中国气象局风能太阳能中心 20 rmi.org / 17先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 实现“双碳”目标，电力的零碳化是必然选择。《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的 意见》提出到2060年，非化石能源在能源消费中的占比至少达到80%。考虑到电力脱碳在全社会低碳发展中的 角色，电力消费中非化石能源占比可能更高。到2060年，可再生能源，特别是非水可再生能源，将是电力系统 电源的主力军。但可再生能源发电的大规模发展将给电力系统增添一个新的“特色”，即非水可再生能源输出 的波动与不确定性给电力系统的实时调度带来额外挑战。此外，以风电与太阳能发电为代表的绿色电力供应曲 线与电力需求曲线在日内乃至季节之间的变化上往往失配，这意味着“要时没电、不要时太多”场景的出现， 将在多个时间尺度上给电力系统的核心任务，即保障安全可靠的电力与电量平衡，提出重大的难题。因此，电 力系统需从当前主要以化石能源为一次能源的电力系统，向适应大规模高比例可再生能源的新型电力系统方向 演进。 2.1 新型电力系统理念的诠释 尽管电力相关领域的专家和机构对新型电力系统理念展开了诸多讨论与实践，但在诠释理念和判断电力系统发 展态势方面，尚没有形成全行业共识。我们认为，新型电力系统至少应具备下述四个基本特征。 绿 色 电 力 将 高 比 例 、均 衡 发 展 可再生能源需要大规模开发。与大多数发达国家的电力需求增长缓慢甚至持平不同，中国在未来的几十年中必 须新增足够的发电能力以跟上电力需求增长的速度。这意味着中国需要比发达国家更大规模地开发可再生能 源，一方面满足未来的需求增长，另一方面取代大部分由煤电组成的现有发电能力。 新型电力系统不仅仅是指高比例可再生能源的开发与消纳，更重要的是保障可再生能源的均衡与可持续的发 展，而均衡发展有多个维度的体现，一是集中式发电与分布式发电的均衡发展，如平衡大型集中式光伏基地建 设与分布式光伏整县开发，二是电源资源集中地区与负荷集中地区的可再生能源均衡发展，如西部地区陆上风 电的开发与靠近沿海负荷中心的海上风电的开发，三是在不同类型的零碳能源（风电、光伏、光热、水电、核 电、生物质、海洋能等）资源之间的平衡发展，如波动性输出的风电、光伏的开发与稳定的、可调节输出的光 热、水电的开发。 灵活的电力平衡将源于大规模储能 目前，电力尚不能大规模存储，而电力需求随时随地变化，导致电力的生产必须能够灵活地随需求的变化即产 即消，以保证电力供需的实时平衡。 可再生能源大规模开发对电力系统灵活平衡电力供需的能力提出更高要求。传统上电力系统的灵活性需求来自 于依靠火电等可调节电源来实时平衡负荷的变化，而非水可再生能源则因其输出具有强烈的波动、间歇与不确 定性使其成为输出不稳定的电源。 新型电力系统需实现电能的大规模存储。这将有效地平衡负荷与可再生能源造成的双重波动性与不确定性，电 力无需为实时供需平衡而即产即消，从而大大降低了电力生产与输送的成本与风险。“储能+”技术将在供给 侧保障可再生能源提供可控、稳定输出的绿色电力，在电网侧大幅提升电力系统在多时间尺度下的灵活调节能 力，在需求侧则赋能用户的需求弹性。 rmi.org / 18先立后破 迈向零碳电力——探索适合中国国情的新型电力系统实现路径 数智技术将助力电网的智能演进 中国的可再生能源和负荷中心在地理位置上的逆向分布，意味着需要更长的输电线路，更大容量、更灵活可靠 的输电技术，以及在更大范围（跨省、区域）内调度电网资源的能力来实现可再生能源的大规模输送与消纳。 此外，分布式可再生能源的整片开发与大规模接入配电网，将使得传统的电力从电网单向流动至负荷的简单形 态，变成网荷之间电力双向流动的复杂运行模式。 数字化与人工智能技术的创新，将赋予电网刚柔兼济的特性与灵活调度能力来实现可再生能源的大规模消纳与 输送。新型电力系统的运行与调度模式将从传统上被动的监测、调整与人工应对，演变为主动的预测、预警与 自适应修复。在正常运行时能精准预测可再生能源的波动与不确定性，动态地最优配置资源并充分发挥网络的 能力，而在电网面临风险、事故及极端灾害时能先知先觉，提前预警、决策、行动，防患于未然。 需求侧将弹性地参与供需平衡 长期以来，传统电力系统的电力需求有着两大特点：其一，缺乏对用户电力消费按实时电力价格的收费结算， 造成用户不知何时“柴米”最贵；其二，用户无需事先签约即可消费电力，导致实时电力消费时用户“爱用多 少就用多少”。因此，在电力需求无弹性，或需求弹性无法反馈到供给侧的时候，如果供应稀缺，电力生产的 边际成本会疾速攀升，甚至导致供需无法平衡。 新型电力系统将赋能需求侧，使其具备弹性，主动地参与电力的供需平衡过程。而需求的弹性特性包含了两层 含义：首先，需求侧具备为响应供给与输送条件变化而自动调整负荷的能力；其次，需求侧将从单一的电力消 费模式，向既需要消费电力又同时生产电力，特别是生产可再生能源电力的产消合一（Prosumer）模式转化。 2.2 构建新型电力系统亟需攻克的四大难题 构建适合中国国情的新型电力系统无法一蹴而就，而将是一个充满挑战、历经不断探索、破解各种难题的过 程。我们认为，在众多难题中要抓住主要矛盾，亟需攻克四个主要难题。 如何确保可再生能源的可持续发展？ 尽管可再生能源生产的边际成本低，但投资成本高，需要长期稳定、可预期的的收益保障，而目前新增可再生 能源开发项目的上网电价形成机制将带来投资成本回收的不确定性，影响开发者的决策与意愿。 鉴于中国可再生能源与负荷中心在地理上逆向分布的特征，大规模长距离输送具有强波动性与不确定性的可再 生能源电力，还将导致激增的输电系统成本及对电网安全稳定运行的压力。 如何化解煤电占比减少与系统灵活性需求日益增加的矛盾？ 当可再生能源