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

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 2022.12 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。 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* 带*的作者来自能源基金会。 作除非者另姓有名说按明姓，氏所首有字作母者顺均序来排自列落。基山研究所。 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CaliforniaIndependentSystemOperator（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。 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 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 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 执行摘要 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）。 图表ES1构建新型电力系统的四大难题与八项建言 “十四五”期间 2025 “十五五”期间2030“碳中和”实践期 主要难题核心建言 推广基于（多拍年卖）或电竞力争合机同制的长期 易机制 如可何再确生保能源续的发可展持？ 长是投周促资期进的性可重交再要易生抓机能手制源 就送续”近相开辅发相与成“西是电可东持发展的最佳模式 煤如何化解比统减少灵与活系性 的有辅的助放服矢务、因市地场制设宜计是充源分的利最用有灵效活手性段资 增需求加日的矛益 氢系能统是灵具活有性综技合术优选势择的 盾？电如何提升规再模消生纳能可源的能力？ 扩区电域大市电场力化平调衡度区应域是与可网再优生化能资源源的以范消式纳 数能大智幅技增术强的电广网泛应对用供才需剧烈变化的能力 如求实何侧现赋弹安能性全需以可 模侧弹块性化化的的可理观想可技控术是形需态求 靠效碳、、的经绿电济色力高低平衡？ 全体地方参位与成电为力市平场衡主性的前提 优度化、绿标色准电化力的直省接间交绿易电，建直立接制交 通过市场机制提升西电东送能力对海上风电等源靠提近供负优荷惠侧的零碳电 分布式可再生能源的绿色属性认证完善以频率助稳服定务为市目场标的省级辅完善以电压助稳服定务为价目格标机的制本地化辅 成为到全2球02第0年一代大末绿，电交 易市场 近海海上风电全面实现平价制度推化动的规隔范墙化售、电 推广电力分布式交易 全面助建服设务区市域场辅 靠和近分布负荷能中心的海上风给电侧 的重要组成部分 各辅助服务运品行种市场成熟 掌握氢燃机、氢燃培料育电氢池能等社产会业化链应和用产品的核心技术， 内氢实燃现机规等模技化术、在商电业力化系利统用 在有条件的电地力方现建货设市跨场地域的区域 扩大电力平衡区边界 现货市场与辅助服务市场由分级出清向联合出清转型 大的数电据网平运电行网与的维全护面业落务地据应分用析在技省术级发展虚拟电厂掘以灵在活短性期内加速挖 逐步完善电格能传量导和机辅制助服务等价加快培育成熟的需求侧市场主体 数于字多孪数生省技级术电应网用推动碳微技电术网广作泛为应低用零 全与面市放场开和需价求格侧传参导 电实力现系非统人设工备化和和运自行动维化护实现“主干电+网模形块态化”的新型 资料来源：落基山研究所 行动目标 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