江苏省构建新型电力系统的国际经验启示

朱婵霞，奚巍民，孙 强，陈 倩，周佳伟，潘杭萍

(国网(苏州)城市能源研究院，苏州 215000)

0 引言

中国是全球最大的发展中国家，当前正处于工业化和城镇化快速发展的阶段，经济增长快，用能需求大，以煤炭为主的能源体系和高碳的产业结构使中国碳排放总量和碳排放强度呈现出“双高”的特点。2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上发表重要讲话[1]，表示：“到2030年，中国单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。”该讲话内容根据中国碳达峰、碳中和目标(下文简称为“‘双碳’目标”)，进一步对可再生能源中的风电和太阳能发电提出了明确的指标要求。

2021年3月15日，国家主席习近平在主持召开的中央财经委员会第九次会议上提出[2]，要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源电力为主体的新型电力系统。这是中国首次提出要构建以新能源电力为主体的新型电力系统。

在中国，能源燃烧的碳排放量占全社会碳排放量的88%左右，电力系统碳排放量占全社会碳排放量的4成左右[3]。随着“双碳”目标的提出，构建以新能源电力为主体的新型电力系统是能源系统减少碳排放量的重要路径，新能源电力的大量接入成为新型电力系统将面临的必然情况；同时，在供需平衡、系统调节、稳定特性、配电网运行、控制、保护和建设成本等方面都将发生显著变化，电力系统将面临一系列新的挑战。

江苏省作为中国社会经济发展的先进地区，能源需求量大，但其能源资源却相对缺乏；同时，江苏电力系统的规模大，形态特征复杂，在“双碳”目标的促进下，区外来电规模，以及本地风电、光伏发电等新能源电力的比重逐渐增加，导致其电力系统的形态更加复杂。本文介绍了江苏电力系统概况，并分析了其特点；介绍了丹麦、德国、英国等国外电力系统的转型经验，通过分析国际经验并结合江苏省的实际情况，给江苏省构建新型电力系统提供参考方向。

1 江苏电力系统概况及其特点

1.1 江苏省概况

江苏省位于中国大陆东部沿海，东临黄海，与上海市、浙江省、安徽省、山东省接壤；地理上跨越长江南北，气候方面同时具有南方和北方的气候特征。江苏省的社会经济发展水平高、对外开放力度大、城镇化率持续稳步提升；江苏省的总面积为10.72万km2，常住人口约为8474.802万人[4]。2020年，江苏省的生产总值首次突破10万亿元，达到102719亿元[5]，对全国经济增长的贡献率为10.11%，仅次于广东省；受疫情影响，2020年江苏省的GDP同比增速虽仅为3.7%，但仍表现出了江苏省经济产业发展的韧性，在全国居于领先地位；江苏省的人均GDP约为12.12万元，是全国的1.68倍，仅次于北京市、上海市。2020年全国及典型地区主要的社会经济指标具体如表1所示。

表1 2020年全国及典型地区主要的社会经济指标Table 1 Main socioeconomic indicators of China and its typical regions in 2020

主要社会经济指标 全国 广东省 江苏省 山东省 浙江省 北京市 上海市 天津市

2020年，江苏省的常住人口城镇化率达到72%[6]，且第一产业、第二产业、第三产业的结构不断优化提升。2016—2020年江苏省的产业结构变化如图1所示。

图1 2016—2020年江苏省的产业结构变化Fig. 1 Changes of industrial composition of Jiangsu Province from 2016 to 2020

从图1可以看出：截至2020年底，江苏省的第一产业、第二产业、第三产业的占比分别为4.4%、43.1%、52.5%，第三产业占该地区生产总值的比重突破50%，表明江苏省的服务业规模进一步扩大。

1.2 江苏电力系统概况

江苏省电力系统是华东电力系统的重要受端系统之一。江苏省地处华东腹部，东联上海市、南邻浙江省、西接安徽省。江苏电网现有10条500 kV省际联络线[7]分别与上海市、浙江省、安徽省的电网相联；有3条500 kV交流线路与山西阳城电厂相联；有1条500 kV直流线路与三峡电厂相联；有1条800 kV特高压直流线路与四川锦屏电厂相联；有2条1000 kV特高压交流线路与安徽电网相联；有1条800 kV特高压直流线路与蒙东电网相联；有2条特高压交流线路与上海电网相联。

目前，500 kV电网是江苏电网的骨干网架，在区域及省际电力交换、骨干主力电源接入，以及重要城市供电、地区电网中起了重要的支撑作用。江苏电网已形成了“北电南送、西电东送”的格局，以及“六纵六横”的500 kV网架结构，内部已经形成典型的交直流混联电网。

而随着电网规模的扩大、区外来电规模的增大，以及“双碳”目标下风电、光伏发电等新能源电力比重的增加，江苏电力系统的形态日趋复杂。江苏省的新能源产业发展迅速，但电力系统配套及系统调峰能力等明显滞后，导致新能源电力外送和消纳压力不断增加。同时，“新冠”疫情后社会经济发展强劲恢复，用电量不断攀升，对江苏电力系统的智慧运营、坚强水平，设备管理的数字化、智能化程度都提出了新的要求。

1.3 江苏电力系统的特点

截至2020年底，江苏省新能源累计装机容量[7]中，风电装机容量达到1547万kW(其中海上风电装机容量为573万kW)，年发电量达到229.0亿kWh；太阳能发电装机容量达到1684万kW(其中分布式光伏发电装机容量约为788万kW)，年发电量达到166.8亿kWh；生物质发电装机容量为242万kW，年发电量达到125.5亿kWh。江苏电力系统已逐渐呈现出“高比例新能源电力、高比例区外来电、高比例电力电子器件”的显著特征。截至2020年底，江苏省新能源累计装机容量及年发电量情况如表2所示。

表2 截至2020年底江苏省新能源累计装机容量及年发电量情况Table 2 Accumulated installed capacity and annual power generation of new energy in Jiangsu Province by the end of 2020

2 国外电力系统的转型经验

2.1 德国电力系统

德国地处欧洲大陆的中部，是世界第四、欧洲第一大经济体。2020年，德国的总人口为8315.6万人，国土面积为35.7114万km2，地区生产总值为3.806万亿美元。德国的工业发达，煤炭资源丰富，曾长期依赖煤电，电力消耗总量也位居欧盟首位。2020年，德国电力系统发电量达到5026亿kWh，比2019年下降了5.9%，但这主要是因2020年春季为遏制“新冠”疫情而导致的电力需求降低。可再生能源的发电量占德国电力系统总发电量的比例创历史新高，从2019年的42.3%上升到了2020年的47.0%[8]，其中，风力发电量占德国电力系统总发电量的比例增加了5.4%，达到25.6%。可再生能源电力首次占到德国电力系统供电的最大比例，可再生能源取代煤炭成为德国的重要能源。

德国的碳排放总量稳步下降，电力行业的贡献突出。2019年，德国的碳排放总量为8.05亿t，较1990年的12.4亿t减少了约35%，碳减排成效显著，电力行业在其中起到了至关重要的推动作用，近10年电力行业的碳减排量达到了1.14亿t，贡献率超过80%。

在可再生能源发展初期，德国电力系统中可再生能源发电形式与煤电等传统能源发电形式之间的矛盾和利益冲突较大，德国电网运营商曾反对将可再生能源电力并入电网[9]。而现在，德国的可再生能源电力在其电力系统中已经占据了主要地位。该地位的实现，一方面得益于国家层面对于可再生能源利用的重视，推出了《能源经济法》《电力上网法》《电力经济法》《可再生能源法》[10]等一系列促进国家能源结构转型、可再生能源应用发展的政策工具；另一方面，德国在电力现货市场机制、电源调节能力、跨国输电网络、可再生能源调度运行等领域为实现可再生能源的最大化利用提供了技术支撑、市场调节等方面的有力保障。

德国电力系统为可再生能源电力提供了大量的接网、扩容和管理服务[11]，加强了与电力系统配套的基础设施的建设，“弃风、弃光”现象较少[12]；同时，德国电力系统推广屋顶分布式光伏发电系统配套储能电池的应用，提高了用户自用电率。推进大型储能商业化应用，可以平衡风电和光伏发电的出力波动，稳定电网频率，并可以提供调峰调频、电压支撑等辅助服务，以支撑电力系统以可再生能源电力为主体向用户供电。

德国电力系统以380～400 kV输电线路为电网骨干网架，以220～275 kV输电线路作为辅助支撑，并与周边的法国、荷兰、丹麦等9个国家的电网相联，提高了可再生能源的大范围优化配置能力，为德国可再生能源机组大规模接入和可靠运行提供了重要支撑。

建设远距离输电通道，满足海上风电的开发和外送。德国北部海域的风能资源丰富，通过积极推进远距离、大容量直流输电通道的建设，实现了北部可再生能源电力送往南部负荷中心地区的目的。

2.2 丹麦电力系统

丹麦位于欧洲大陆的北部，南邻德国，北靠北欧。2020年，丹麦总人口为582万人，国土面积为4.3万km2，海岸线长达12000 km，是世界公认的风电大国。

2020年，丹麦可再生能源发电量占其全国电力系统总耗电量的比例达到了80%[13]，高于2019年的值(76%)；其中，风电和太阳能发电分别向电网输送了16.27 TWh和1.20 TWh的电量，约占丹麦电力系统总耗电量的46%和4%。

在区域电网互联方面[14]，丹麦与瑞典、挪威、英国和德国这些相邻国家之间建立了输电线路，电压等级主要以400 kV和132/150 kV为主。借助与邻国电力之间的良好联系[15]，丹麦可以最大程度地利用风电，在满足本国负荷需求的基础上根据风电出力的大小与邻国进行电力的输入、输出市场交易。

丹麦能源署[16]指出，要快速实现能源系统的“脱碳”，电力系统须发挥核心作用。自1979年起，丹麦已要求风电强制上网[17]；1999年，丹麦颁布了《电力供应法》，规定电力公司必须以固定价格购买可再生能源电力，所有可再生能源电力都有优先上网权，若不能及时入网，电网公司将给予可再生能源电力生产者或运营商者经济补偿，从而从政策上制定了可再生能源电力消纳的有效机制。

同时，丹麦对风电机组技术研发、风电场场址调查、风力资源评价、风电并网等与风能利用相关的重点领域的研究进行大力资助，一方面解决了该国风电发展的相关技术问题，另一方面也将风电相关产业作为该国重要的技术储备，为其在国际风电市场保持领先地位奠定了良好的基础。

在丹麦，风电等可再生能源电力可以直接参与电力市场交易[18]，电力系统运营单位根据可再生能源发电的预测情况、负荷预测情况和联络线等情况，能做到5 min级的电力平衡评估，可通过与相邻国家开展相关电力交易来保证丹麦电力系统的平衡。风电等可再生能源电力功率预测[19]的准确性在电力系统的平衡中至关重要，丹麦结合本地能源资源禀赋和用能需求的特点，考虑了多元化的电力系统发电利用形式，例如生物质发电、热电联产[20]等，进一步衍伸了电力生产和消费的时间和空间特性，增加了电力系统的灵活性。

2.3 英国电力系统

英国是由大不列颠岛上的英格兰、威尔士和苏格兰，爱尔兰岛东北部的北爱尔兰，以及一系列附属岛屿组成的岛国，2020年该国总人口约为6648万人，国土面积为24.4万km2。2020年，英国的GDP约为2.7万亿美元。受地理条件的限制，英国和欧洲大陆的电网的连接仅能通过小容量的高压直流线路[21]。英国的输电网络主要由400 kV、275 kV这2个电压等级的输电线路构成，配电网包括132 kV、33/11 kV和终端用户的415 V电压等级的输电线路。

英国曾推出可再生能源义务制度[22-23]，要求开展可再生能源发电业务的供电商，在其供电过程中必须有一定比例的可再生能源电力，并通过可再生能源配额证书进行计量。具体操作方法是以可再生能源配额证书作为交易的中间载体，可再生能源发电企业与承担可再生能源义务的供电商进行证书交易。通过市场运行机制的运作，供电公司购买可再生能源配额证书的费用能够最终传导到终端用户，保证了可再生能源电力成本与电力市场的贯通，维持了可再生能源市场的活力。

英国还通过了新的《能源法》，针对核电、可再生能源电力等低碳电力实施了差价合约和容量市场机制，进一步构建了融合安全性、低碳、竞争性和可投资性的可持续的电力系统。

2020年12月，英国政府发布了能源白皮书《Powering our Net Zero Future》(推动零碳未来)[24]，该白皮书中的数据显示：可再生能源电力在英国电力系统结构中的占比已达到1/3以上，核电在英国电力系统结构中的占比约为16%；英国政府已承诺，最迟在2025年、最早在2024年将燃煤发电从其电力系统结构中移除。该能源白皮书指出，在英国未来的能源结构中，风能和太阳能可能是零碳能源系统的主要组成部分，同时为了确保零碳能源系统的可靠性，需要包括核能在内的其他能源对发电具有间歇性的可再生能源进行补充，同时要大幅提升电力系统的电气化水平，实现电力系统脱碳。

3 江苏省新型电力系统构建的特征探讨

从德国、丹麦、英国等国家的经济发展水平、电力系统发展相关政策、技术和配套机制来看，一方面，这些国家呈现出电力需求不断增加的趋势，对电力系统脱碳的要求不断提高，且这些国家各自设定了国家能源远景目标以谋求能源清洁化发展；另一方面，这些国家从政策、技术、配套机制等不同层面对风能、太阳能等可再生能源的扩张和消纳也给予了多重支持和鼓励，从而基本构建了以可再生能源电力为主的电力系统。

江苏省作为中国社会经济发展水平较高的地区，工业化、新型城镇化还在深化发展，电能占终端用能的比重日益增加，“双碳”目标的提出，对江苏省的生态发展水平提出了更高要求。江苏省新型电力系统的构建方向是一个以安全、可靠供应为基本前提，以发展新能源为方向的数字化物理系统，同时也将面临一系列管理、经济、机制、产业方面的挑战和发展机遇，形态上将表现为一个具有新的结构特性、时空特性和物理特性的能源互联网系统。江苏省新型电力系统构建的具体特征包括：将保持风电、太阳能发电的快速发展，电网的核心枢纽作用将更加显著，电力系统的结构将更加复杂多样，电力系统智慧化水平将持续提高，储能将成为支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。

3.1 新型电力系统将保持风电、太阳能发电的快速发展

电力是新能源，特别是可再生能源最为便捷、高效的利用方式，江苏省可利用的新能源主要为风能和太阳能。国家能源局正在大力推进整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点工作[25]，江苏省各地也都积极上报了相关的试点方案，沿海、沿江地区的风能资源也在陆续开发中，新能源发电装机规模将大幅增长，新能源发电量在江苏省新型电力系统总发电量中的占比将会大幅提升。但由于新能源发电的利用小时数受其固有的间歇性、随机性、波动性等出力特性的影响，新能源发电替代率低，其装机容量将以数倍于电力需求的速度增长，而这会加剧对电力系统稳定性的影响，导致电力系统愈发呈现复杂、多变的不稳定态势。

3.2 新型电力系统中电网的核心枢纽作用将更加显著

新型电力系统作为能源转型的中心环节，将承担着更加迫切和繁重的清洁低碳转型任务。

1)随着越来越多的新能源电力接入江苏省的各等级电网参与消纳，需要建立与之匹配的输电网、配电网，电网的电力电子化程度和复杂度将增加，电网的运行控制将更加重要。

2)随着“双碳”目标的持续推进，江苏省本地区的电源主体将包含更多间歇性、波动性大的新能源电力，新能源电力并网消纳的输送通道的建设需求大幅增加，电力潮流流向也更加多样，因此江苏电网的运行灵活性也需要大幅增强。

3.3 新型电力系统的结构将更加复杂多样

在江苏省各地区，直流输配电、热电协同、微电网、储能等技术已经开始逐步探索应用，传统电力系统的“源随荷动”模式[26]需要向新型电力系统的“源网荷储一体化和多能互补”的能源互联网模式转变。这将促进新型电力系统逐渐向“多元融合、柔性互联、开放互济”的形态转变，对新型电力系统的兼容性提出了更高的要求。新型电力系统的结构需要与多种基础设施高度融合，应能更充分地发挥电网大范围资源配置的能力，促使输配电网网架结构更加坚强灵活，集中式和分布式新能源发电的协同性发展更好，电动汽车、清洁供暖、智能家居的应用更加广泛。

3.4 新型电力系统智慧化水平将持续提高

江苏省已投运了大规模源网荷友好互动系统，其能将用户侧分散的、可中断负荷集中起来进行精准控制，通过毫秒级、秒级精准的负荷控制手段，保障电网在应急场景下的瞬时、短时平衡。数字化手段是充分发挥新型电力系统各环节灵活调节的关键，江苏省构建的新型电力系统可以在此基础上进一步配置具备强感知能力、智能决策能力和快速执行能力的智慧管控系统[27]，可以更精准地预测新能源发电出力情况，从而使负荷需求、新能源及灵活性资源能及时互动，并能精准诊断故障情况，更快响应电力系统的运行调度需求。

3.5 储能将成为支撑新型电力系统的重要技术和基础装备[28]

储能可以在电源侧、电网侧、用户侧灵活布置，不同类型的储能可在不同时间尺度给新型电力系统提供调峰和新能源电力消纳的有力支撑。“双碳”目标下，煤电厂将面临到期退役、新建力度小、电力市场竞争力不强等多种情况，江苏省煤电厂的退出需求大，因此可发挥储能平衡新能源电源容量、电网调峰等功能特性，有效利用煤电厂退出后的旧场址建设储能站。特别是电储能方式，具有精准控制、快速响应、布局灵活的特点，可以突破传统电力系统供需在时间与空间上的限制，将不稳定的新能源电力转化为稳定可靠的电力供应，在提高电力安全保障能力、促进新能源消纳、提高电力系统运行效率等方面发挥重要作用。

4 结论

随着“双碳”目标的推进，构建以新能源为主体的新型电力系统将是大势所趋。本文对丹麦、德国、英国等国外电力系统的转型经验进行了分析，并结合江苏省的实际情况，分析了江苏省新型电力系统构建的特征，以期为江苏省构建新型电力系统提供参考方向。德国、丹麦、英国等国家的经验表明：新能源发电成为电力系统电量供应主体的前提，一方面是需要政策上的支持和鼓励；另一方面，也需要合理有序地扩大新能源发电装机容量，但同时也意味着电力系统要准备好应对政策、技术和市场方面变化的足够余量，以应对新能源发电存在的间歇性、随机性、波动性问题，尤其应考虑到在极端气象条件下能调动更多灵活性的电力系统容量，以保障社会经济发展对电能的需求。

江苏省要构建新型电力系统，需要因地制宜地推出鼓励和支持该地区新能源发展的政策，并根据该地区新能源资源禀赋、并网消纳通道建设、南北输电通道建设、负荷需求特征有序开发新能源装机容量，从技术上提高电网智能化水平，深度协调源、网、荷、储，以有效降低电力系统的碳排放量，助力“双碳”目标的实现。