双碳目标下十四五电力供需形势

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双碳目标下十四五电力供需形势摘要：“双碳”目标将推动电力系统加快清洁低碳转型，对中国“十四五”电力供需形势产生深刻影响。分析了“双碳”目标下“十四五”电力供需的主要影响因素，建立了基于部门分析等方法的电力需求预测模型，采用电力系统生产模拟分析电力供需平衡情况。研究发现“十四五”期间中国电力供需形势呈现电力需求保持较快增长、夏冬“双高峰”均面临电力保供压力、水电占比较高地区冬季枯水期存在一定电量缺口等特点。建议采取加强电力源网荷储一体化规划、加快完善需求响应政策和机制、根据需要布局适量气电与电化学储能电站等措施保障电力供需平衡。引言2020年9月，中国在联合国大会上提出了“双碳”目标：CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。2020年12月，中国在气候雄心峰会上进一步提出实现“双碳”目标的有关举措[2]。“双碳”目标的提出不仅为中国绿色低碳转型指明了前进方向，也为推进全球气候治理注入了新动能。“十四五”时期是中国由全面建成小康社会迈向基本实现社会主义现代化的关键时期[3]。随着“双碳”目标的提出，电力作为清洁、高效的二次能源，将在支撑社会经济发展，服务民生用能需求，构建清洁低碳、安全高效能源体系中发挥更加重要的作用。电力供需平衡是电力系统安全稳定运行的基础，对于保障中国能源安全意义重大[4]。近年来，国外频繁出现因电力供需紧张造成的大规模停电事故。2020年8月，美国加利福尼亚州发生轮流停电事故，起因包括极端高温带动负荷超预期增长、风电等新能源在负荷高峰时期出力下降、电网调节灵活性不足等[5]。2021年2月，美国得克萨斯州由于遭遇寒潮和暴风雪袭击，大量风电和天然气发电设施无法正常运转，电力供应不足，发生大范围长时间停电[6]。2020—2021年冬季，中国湖南、江西等地出现电力供需紧张的情况，引起社会各界对中国未来电力供需形势的广泛关注。本文考虑“双碳”目标约束，研判“十四五”期间中国电力供需形势，分析其中存在的问题并提出政策建议，为保障中国能源安全建言献策，助力实现“双碳”目标。8

1电力供需形势分析是以电力负荷预测为基础，结合地区能源资源禀赋、电源规划开工情况等基本条件，对某个地区或多个地区未来电力电量供应和负荷需求之间的平衡进行分析[7]。在中长期负荷预测方面，研究发展趋势是挖掘多时间尺度、多维数据中的信息，从而在负荷预测中考虑更多因素。文献[8]基于年度经济，月度负荷，日度气象3个时间尺度数据，提出基于神经网络的3层结构的中长期负荷预测模型。文献[9]考虑经济发展、人口与居民生活水平、气温气候等因素，建立多变量灰色负荷预测模型。文献[10-11]分别在中长期负荷预测中考虑城市化进程和农村发展模式的影响。随着人工智能、大数据技术的发展，利用机器学习和先进统计理论提升中长期负荷预测的精度也是研究热点。文献[12]基于并行算法模型提出改进模糊k均值聚类方法，通过先对负荷聚类再分类预测来提升预测精度。文献[13]采用D-S证据理论对多组预测方案的权重值进行优化，提升组合预测的准确度。为分析电力供需形势需通过生产模拟进行电力平衡、电量平衡及调峰平衡分析。生产模拟技术可分为随机生产模拟、典型日模拟和全时序生产模拟等。在新能源渗透率较低的火电系统中，随机生产模拟技术[14-15]一般即可满足系统运行情况的模拟。由于电力系统的季节特性较为明显，为了更加合理的描述系统状态，基于典型日的生产模拟技术[16]被广泛应用于电力系统运行模拟中。随着新能源渗透率逐步提升，新能源的波动特性对系统运行情况影响较大，此时新能源的时序特性不容忽略，随机生产模拟和全时序生产模拟技术[17-18]被提出。随机生产模拟是一种通过考虑机组的随机故障及电力负荷的随机性，优化发电机组的工作状态的方法。全时序生产模拟技术是模拟在给定负荷条件下各发电机组的运行状况，并计算发电系统生产费用的一种时序仿真方法。长时间尺度的全时序生产模拟时间可以是数月或数年，可以模拟不同的装机规模、电网架构等条件下电力系统生产情况，其广泛应用于电力电量平衡和发电生产计划安排。本文首先分析“十四五”电力供需的主要影响因素，研判“十四五”电力供需形势，总结主要特点。然后针对“十四五”电力供需平衡问题，提出解决的主要措施，并给出政策建议。1“十四五”电力供需的主要影响因素分析“十四五”期间，中国将以推动经济高质量发展为主题，坚持深化供给侧结构性改革，加快构建双循环新发展格局。“双碳”8

2目标将进一步推动经济发展方式转变，加快全社会节能提效进程及电气化水平提升。大力发展新能源是实现“双碳”目标的重要抓手，对各类型电源的协调发展以及电力系统灵活调节能力提出了更高的要求。1.1经济增长保持在合理区间，电力需求将持续增长“十四五”期间，从经济增长“三驾马车”看，新兴技术产业扩张、经济绿色发展、城乡融合发展将引导固定资产投资结构持续优化；城镇化和居民收入较快增长推动居民消费结构持续升级，消费市场潜力将较快释放，成为经济增长的主要动力和稳定支撑；外部环境错综复杂，外贸不确定性加大，对经济增长的贡献减弱。综合各方判断[19-20]，预计“十四五”期间中国GDP年均增速为5.5%~6.0%，随着经济的增长，电力需求也将持续增长。1.2产业转型升级，电力需求结构不断优化“双碳”目标将加快产业转型升级步伐。“十四五”期间，农业现代化发展加速；第二产业转型升级持续推进，高耗能行业发展总体处于峰值平台期，高技术和装备制造业保持较快发展；现代服务业不断壮大，第三产业对经济的支撑作用更加明显。随着产业结构优化升级，电力需求结构将持续优化，第三产业和居民生活用电比重持续上升。1.3电能替代广度深度进一步拓展，电气化水平稳步提升通过电能替代优化终端能源消费结构、减少碳排放是助力实现“双碳”目标的重要措施。“十四五”期间，工业、建筑、交通、农业农村等重点领域电能替代将进一步加快，电动汽车、港口岸电、纯电动船、公路和铁路电气化等电能替代技术不断发展。预计“十四五”期间中国电能替代电量约7000亿kW·h，存量替代呈逐步下降趋势，增量替代占据主导地位，电能占终端能源消费比重持续上升。1.4新能源装机快速增长，须统筹好常规电源发展“双碳”目标下，新能源发电将加快发展。中国明确提出到2030年风电、太阳能发电总装机将达12亿kW以上[2]，据此预计“十四五”“十五五”期间中国新能源年均新增7000万kW以上[21]。风电和太阳能发电具有随机性，考虑中国用电需求呈现夏、冬“双峰”特征，峰谷差不断扩大，从电力保障供应角度看，常规电源在未来一段时期内仍然是满足电网高峰负荷的重要电源。因此，在大力发展新能源的同时，需要统筹好其与常规电源的协调发展。8

32研究方法与模型2.1电力需求预测模型综合考虑“十四五”期间中国宏观经济、重点行业、节能节电、电能替代等影响因素，采用部门分析法预测黑色金属、有色金属、建材、化工等重点行业以及三次产业和居民生活用电量增长趋势，进而得到全社会用电量预测结果。采用最大负荷利用小时法等预测最大负荷：首先预测未来最大负荷利用小时数，用电量预测值除以最大负荷利用小时数，得到最大负荷预测初始值，再结合时间序列等方法进行修正，得到最大负荷预测值。电力需求预测思路如图1所示。图1电力需求预测思路Fig.1Thelogicofpowerdemandforeing2.2电力系统生产模拟模型本文采取文献[22]的生产模拟模型，该模型采用混合整数规划方法对电力系统运行模拟问题进行优化建模，以运行期内总费用最小为原则，总费用包含运行期内燃料成本、启停成本、固定/变动运行成本、线损及排放成本。可模拟8760h的全时序系统各类机组的运行状态及新能源消纳情况，同时能给出电力平衡、电量平衡及调峰平衡情况。电力系统生产模拟思路如图2所示。8

4图2电力系统生产模拟思路Fig.2Thelogicofpowersystemproductionsimulation3“十四五”电力供需的主要特点分析3.1电力需求保持较快增长预计“十四五”期间中国全社会用电量年均增长4.7%~5.6%，2025年中国全社会用电量达到9.4万亿~9.8万亿kW·h。预计“十四五”期间中国全社会最大负荷年均增长5.5%~6.5%，增速略高于同期全社会用电量增速，2025年中国全社会最大负荷达到15.4亿~16.0亿kW。东部地区用电比重逐步下降，中部、东北地区用电比重较为稳定，西部地区用电比重不断上升。2020年，东部、中部、西部、东北地区用电量占比分别为47.2%、18.5%、28.7%、5.6%，2025年为45.1%、19.2%、30.2%、5.5%。3.2用电负荷夏冬“双高峰”特征更加显著8

5近年来，中国夏季平均气温均高于常年水平，大范围、持续性极端高温拉动夏季最大负荷屡创新高。受电采暖政策推广、人民生活水平提升等因素影响，冬季采暖负荷呈现快速增长态势，对温度的敏感性不断增强，占冬季最大负荷比重亦不断提高。随着夏季最大负荷和冬季最大负荷增长，大部分省级电网年负荷曲线呈现夏冬“双高峰”形态。预计2025年，国家电网公司经营区冬季高峰负荷为夏季高峰负荷的94%左右。湖南、江西、吉林、黑龙江、甘肃、青海、新疆、西藏等省年最大负荷出现在冬季。3.3负荷高峰时段新能源对电力平衡贡献有限新增新能源可以贡献一部分电量，但在负荷高峰电力平衡的有效出力较低，增大电力平衡面临的风险。“十四五”期间新能源电量增量约占总电量增量的30%以上。风电及太阳能发电参与负荷高峰电力平衡能力较低，全国预计不足10%，若不考虑配置一定比例的储能设施，单纯依靠风电及太阳能难以满足电力平衡。3.4夏冬“双高峰”均面临电力保供压力随着用电负荷夏冬“双高峰”特征更加显著，夏季、冬季“双高峰”均面临电力保供压力，部分地区冬季保供压力会更加凸显。由于电力需求保持恢复性增长，在充分考虑需求侧响应、已核准在建各类电源及跨省跨区输电工程按计划投运后，预计2021年夏季湖南、江西、安徽等省份存在电力缺口，2022年川渝地区冬季枯水期也存在电力缺口，需要提前做好预案。到“十四五”中后期（2023—2025年），电力供应紧张区域呈扩大趋势，华北、华东、华中地区电力缺口主要出现在夏季，但冬季电力缺口呈上升趋势。西南因冬季枯水期本地水电出力不足，其电力缺口将超过夏季电力缺口。西北电力缺口主要出现在冬季，比夏季高。3.5水电占比较高地区冬季枯水期存在一定电量缺口考虑华中、西南等水电占比较高地区冬季为枯水期，预计“十四五”期间存在一定电量缺口。通过测算，“十四五”期间，华中的湖南、江西及西南的四川、重庆等地区冬季枯水期存在几十亿kW·h的电量缺口。4解决“十四五”电力供需平衡问题的主要措施针对“十四五”期间预计出现的电力、电量缺口，既需要采取需求响应、建设气电以及电化学储能电站等“短平快”的措施，还要加快推进煤电以及抽水蓄能电站的建设。（1）进一步挖掘需求侧响应潜力，缓解夏高、冬高电网运行压力。通过网源荷储一体化及市场化手段提高各地区需求侧响应能力[23]。预计“十四五”8

6期间大部分地区需求响应占最大负荷的比例达到5%左右，个别省份力争高于5%，中东部和西南电网分别可释放需求侧响应潜力约4600万~4800万kW和500万~570万kW。（2）在电价承受力强的省份根据需要建设适量气电。在华北的京津唐，华东的江苏、浙江、安徽等省份优先布局气电，在现有规划基础上根据需要再增加一定规模装机，并通过市场机制保障气源稳定供应[24]。（3）在抽水蓄能电站站址匮乏地区安排电化学储能与光热电站建设。重点推动电化学储能和光热从试点示范向规模化发展[25]，并逐步向华北、西北地区布局，应用于电源侧、电网侧及用户侧等环节，特别是在新能源场站配备一定规模的储能，提高分布式储能占比。（4）充分发挥煤电作为托底保障电源的作用。华中湖北、湖南、江西等省份可充分发挥蒙华（浩吉）铁路煤炭运力，在铁路沿线新增一定规模的路口电厂，不仅有利于本地保障电源的建设，同时能提升浩吉铁路利用率。成渝地区负荷增长快，枯期存在电量缺口，需加快实施西北—西南的跨区电力配置及互济能力。（5）确保已纳入规划的水电和抽水蓄能电站在“十四五”期间早日投产。因水电及抽水蓄能电站开发周期较长，应确保已经纳入“十四五”规划的水电和抽水蓄能电站能按期投产，在“十四五”电力平衡中发挥重要作用，保障系统电力供应及调峰能力。5促进“十四五”电力供需平衡的政策建议建议政府相关部门、能源电力企业形成合力，通过规划和政策解决“十四五”可能出现的电力供需紧张局面。（1）加强电力源网荷储一体化规划。电力“十四五”规划要充分考虑“双碳”目标要求，统筹推进源网荷储协调发展，既要满足电力需求，又要满足电量需求，避免成为“缺电”规划。（2）加快完善需求响应政策和机制。将需求响应纳入电力规划，坚持需求响应优先、有序用电保底的原则；推广柔性负荷调控、源网荷储协调互动技术；建立需求响应在中长期市场、现货市场等电力市场的参与机制。（3）根据需要布局适量气电与电化学储能电站。根据需要再增加一定规模的天然气发电装机，多渠道保障气源稳定供应；超前布局电化学储能电站，大力推进储能技术研发及储能成本降低。充分发挥气电、电化学储能电站建设周期短、见效快的特点，保障负荷中心地区电力供应。8

7（4）建立健全容量补偿与容量市场机制。对于存量机组，在现有电力市场中引入容量补偿机制，对煤电、气电等存量机组给予合理的经济补偿，保障存量机组合理收益；对于增量机组，探索通过招标制建设事前容量市场，引导发电投资积极性，确保“十四五”电力平衡。8