_双碳_目标下未来电网形态发展模式及演变路径初探
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2024-09-10
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新型电力系统
New Type Power Systems
Vol. 2 No. 3
Aug. 2024
第 2 卷 第 3 期
2024 年 8 月
“双碳”目标下未来电网形态发展模式及
演变路径初探
范 征 1，韩丛达 1，周 静 1，吴亚楠 1，杨 杰 2，林俊杰 1
（1. 先进输电技术全国重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京 102209；
2. 北京怀柔实验室，北京 101400）
Exploring the Development Model and Evolution Path of Future Power Grid Forms Under
the Dual Carbon Target
FAN Zheng1, HAN Congda1, ZHOU Jing1, WU Yanan1, YANG Jie2, LIN Junjie1
(1. National Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology (China Electric Power Research Institute),
Beijing 102209, China；
2. Beijing Huairou Laboratory, Beijing 101400, China)
ABSTRACT: Building a new type of power system is a key path to achieving the strategic goals of "carbon peak and carbon
neutrality" and ensuring energy security transition. Summarize and analyze the development trend of China’s future electricity
pattern. Furthermore, in response to the current and potential problems that China’s power grid form may face in the future,
based on the technical characteristics of AC and DC systems, explore how to construct new type of power grid forms that are
suitable for energy transition needs. Combining the AC/DC coupling mode with the development of the power grids and the
study of offshore power grid morphology of Europe, from the perspective of conceptual design for the development of power
grid morphology, explore corresponding development models and evolutionary paths for two scenarios in China’s western
power grid and offshore power grid, and propose the possible overall development path and thinking suggestions for China’s
future power grid form, providing basic reference for the construction of new power systems under the dual carbon target.
KEY WORDS: dual carbon target; new type power system; grid form; development model; evolution path
摘要：构建新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”战略目标、确保能源安全转型的关键路径。总结和分析了我国未
来电力格局发展态势，进而针对我国电网形态当前和未来可能面临的问题，基于交流系统和直流系统自身技术特点，
探讨如何构建适应于能源转型需求的新型电网形态。结合交直流耦合模式以及欧洲的电网发展和海上电网形态研究，
从电网形态发展概念设计的角度，针对我国西部电网和海上电网两种情景分析了对应的发展模式及演变路径，提出了
我国未来电网形态总体发展路径与思考建议，为“双碳”目标下新型电力系统的构建提供基础参考。
关键词：“双碳”目标；新型电力系统；电网形态；发展模式；演变路径
0 引言
能源电力低碳转型是实现碳达峰、碳中和的
关键[1]，作为世界最大能源消费国，我国能源结构
整体偏煤，碳中和窗口期偏短，从碳达峰到实现
碳中和仅有 30 年时间，加之碳排放强度降幅高，
任务艰巨[2]。在能源消费清洁低碳化的进程中，电
DOI: 10.20121/j.2097-2784.ntps.240009 文章编号：2097-2784(2024)03-0272-10 中图分类号：TM 71 文献标识码：A
基金资助项目：中国工程院战略研究与咨询项目“我国能源安全
战略研究”(2022-JB-05)。
Project supported by Strategic Research and Consulting Project of the
Chinese Academy of Engineering "Research on China’s Energy Security
Strategy" (2022-JB-05).
范 征，韩丛达，周 静，等：“双碳”目标下未来电网形态发展模式及演变路径初探第 3 期
力占据着能源体系的主导地位[3]，新能源增加能源
系统的不确定性，能源系统受气候的影响日趋显
著，波动性大的新能源对电力系统提出更高的要
求。构建新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”
战略目标、确保能源安全转型的关键路径。新型
电力系统以安全高效为基本前提，以清洁低碳为
核心目标，以柔性灵活为重要支撑，以智慧融合
为基础保障[4]。
“双碳”目标下，电力系统正面临大规模可再
生能源接入和极端天气等带来的电力供应和电网
运行的新挑战。近年来国外大停电事故[5-7]表明现
有电力系统对高比例新能源的承载能力是有极限
的，事故前系统风光发电比例较高，系统惯量水
平较低，过于激进的新能源渗透率将给现有系统
安全稳定运行带来威胁，对传统电力系统进行技
术升级的同时，还需把握转型的节奏，重新审视
煤电、核电、天然气等各类型发电资源的定位和
基础支撑作用以及电网形态的发展模式。
电网作为电力系统资源优化配置的平台，在
支撑“双碳”目标实现和保障能源安全转型上将
发挥愈发重要的作用。在新能源时空互补方面，
新能源资源呈现广域时空互补特性，通过远距离
能源基地间的广域互联与能量互济，可大幅降低
新能源出力间歇性、随机性带来的安全风险；在
灵活资源共享互济方面，随着新能源渗透率的提
升，灵活调节能力对电力系统平衡安全全局至关重
要，多类型灵活性资源地区间分布不均衡，电网互
联互济可实现灵活资源跨区共享，并减少装机容量
和备用容量；在惯量优化布局方面，新能源并网在
降低系统惯量的同时也改变了系统惯量的空间分布
特性，从而影响系统稳定运行，不同形态的电网发
展模式将影响系统的惯量需求；在跨能源品种能量
互济方面，在未来调节需求的种类和总量不断增加
的情况下，需要解决更大范围和更长周期的电力电
量平衡问题，未来多种能源形式的网络组成互联互
通的综合能源网提供了新的解决方案，以电为中心
的综合能源网需要新形态电网的支撑。
未来电网形态及演变路径是“双碳”目标下
新型电力系统构建的重要研究方向。目前国内外
已有对未来电网形态相关研究成果，欧盟设立了
项目“推进海上网状高压直流输电网”（progress
on meshed HVDC offshore transmission networks，
PROMOTioN）
[8]，旨在在欧洲现代化电网框架下，
推进网状离岸高压直流电网技术研究和发展，释
放欧洲海上资源的全部潜力，以满足至 2050 年海
上输电网的发展需求。美国能源系统集成小组
（energy systems integration group）研究实现国家能
源系统转型目标的途径，提出“Macrogrid”高压
直流主干网计划，构建输电大通道，覆盖清洁能
源资源区域和主要电力需求区域[9]。我国学者根据
2030 年后西部能源的开发规模，提出了基于柔性
直流输电技术的西部送端直流输电网组网模式，
包括团块状、网格状和双环网 3种[10]；并提出了碳
中和背景下可能用于西部大规模新能源开发的电
氢综合能源网构想[11]。文献[12-13]从电网形态方
面分析了未来交直流联合运行的 3种模式，包括柔
性分区、直流成网、交直流分网。以上研究结合
能源转型和发展场景对电网形态发展模式做了有
意义的研究和探索。
本文在文献[12]提出的交直流联合运行模式基
础上，首先总结和分析我国未来电力格局发展态
势，进而针对我国电网形态当前和未来可能面临
的问题，探讨如何构建适应于能源转型需求的新
型电网形态。结合交直流耦合模式以及欧洲的电
网发展和海上电网形态研究，从电网形态发展概
念设计的角度，针对我国西部电网和海上电网两
种情景分析对应的发展模式及演变路径，提出我
国未来电网形态总体发展路径与思考建议，为
“双碳”目标下新型电力系统的构建提供基础
参考。
1 我国未来电力格局
以关键节点年负荷数据、风光时序出力、资
源开发潜力和源网储技术经济参数为主要边界条
件，分别从电力需求、电源结构、电力流格局和
储能特性 4个方面进行我国未来电力格局总结和
分析。
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新 型 电 力 系 统 第 2 卷
1.1 电力需求
我国未来电力需求的发展趋势分为两个方面，
一是中东部地区可能仍是负荷中心，长期维持在
60% 左右[14]，而西部地区将是未来新增电量的最
大贡献方；二是产业转移、“东数西算”、“一带一
路”等因素发展可能使东、西部发展差异逐渐均
衡，西部地区向中部和东部地区的输电需求和动
力减弱[15]。未来电力需求主要包括两个关键指标：
一个是电量需求总量，预计到 2060 年，终端用能
电气化率将由 2021 年的 27% 提高到 70% 以上[16]，
届时我国全社会总用电量将达到约 15.7 万亿千瓦
时[16]至17 万亿千瓦时[14]，其中包含了制氢电量；另
一个是最大负荷，2060 年最大负荷是 2022 年的
2.2 倍左右[1]，给电力平衡将带来巨大挑战。另外，
到2060 年，温度敏感负荷与最大负荷的占比将达
到52% 左右[16]，极端天气影响加剧；随着负荷聚
合商快速发展，可调节负荷容量可达约 3.5 亿千
瓦，约占最大负荷的 15%[17]。
1.2 电源结构
2060 年我国总装机将达约 70~80 亿千瓦，其
中风光发电装机约 46~54 亿千瓦，煤气发电装机约
8~11 亿千瓦，常规水电约 5.4 亿千瓦，核电约 2~
4亿千瓦[1]。新能源逐步成为主体电源，可从发电
容量充裕性、系统灵活性两个方面进行未来电源
结构分析。
发电容量充裕性可由常规电源装机与最大负
荷比值加以衡量，2022 年我国比值约为 1.4，与德
国和英国相比，现阶段的常规电源托底作用明显，
未来风光装机占比仍有较大发展空间。在系统灵
活性上，2022 年我国风光发电量占比为 14%[4]，灵
活煤电、气电、抽水蓄能、新型储能、需求侧响
应等灵活资源约 5亿千瓦。预计 2060 年我国风光
装机占比超过 60%、发电量将达到 55% 以上[16] ，
电力系统电量平衡可得到保证，但电力平衡存在
很大风险[18]，需要充分挖掘多类型灵活电源、储
能、电网侧、负荷侧的灵活性调节能力。
1.3 电力流格局
从 全 国 来 看 ， 2022 年我国跨区电力流约
1.9 亿千瓦[19]，未来跨区输电通道容量将持续增
长，预计 2060 年达到约 6亿千瓦[17]，主要电力流
方向为东北、西北、西南向中东部，大容量远距
离输电需求仍将长期存在，新增电力流 2030 年以
西南水电及“三北”新能源电力流为主，2040 年
后水电外送规模趋于平稳。不过随着中东部能源
自给能力的提升、大型清洁能源基地的开发完成
以及中东部 需求的饱和 ，西电东送 增量规模在
2030—2045 年将出现拐点，此时西电东送电力流
趋稳[4，17，20]。
对于局部区域，东部地区海上风电与分布式
光伏发展将对区域电力流格局产生较大影响。以
华东地区为 例，华东地 区海上风电 资源上限约
12 亿千瓦[21]，最大发电量约 4.2 万亿千瓦时；光伏
发电量约 0.3 万亿千瓦时，2060 年华东电力需求约
3.1 万亿千瓦时[17]，理论上华东地区可以实现电量
自给自足，不过海上风电与负荷特性存在季节性、
日内不匹配现象，需引入长时储能或发挥电网互
联的间接储能作用，同时也依赖于海上风电发、
输电技术的较大突破，才能实现海风资源的有效
和充分利用。
在跨省电力流方面，未来将呈逐渐增大趋势，
省间潮流多为双向，柔性调节需求增大，并从余
缺调剂走向互为备用；2022 年我国四川高温限电
事件表明，高比例可再生能源的电力系统中，局
部电网出现时段性的供应短缺时，需要增强电网
间的功率交换能力。
1.4 储能特性
新能源 发电受 天 气影响 较 大，需 要长时 储
能与短时储 能的组合应 用满足未来 系统的电力
电量平衡。未来抽水蓄能装机容量将持续增长 ，
2030 年和 2060 年分别约为 1.2 亿千瓦和 4.5 亿千
瓦[17]，并在2030 年前是满足日内平衡需求的主体储
能技术；新型储能也将增速加快，容量在2030 年和
2060 年分别达到约 1.0 亿千瓦和约 2~9 亿 千
瓦[17，22-23]，随着大规模储能技术的突破，可作为日
以上平衡手段；另外，电解水制氢到 2030 年和
2060 年分别可实现约 0.1 万亿千瓦时和 2.4 万亿千
瓦时以上的电量转移[17]，可作为跨季平衡模式。
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新型电力系统NewTypePowerSystemsVol.2No.3Aug.2024第2卷第3期2024年8月“双碳”目标下未来电网形态发展模式及演变路径初探范征1，韩丛达1，周静1，吴亚楠1，杨杰2，林俊杰1（1.先进输电技术全国重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京102209；2.北京怀柔实验室，北京101400）ExploringtheDevelopmentModelandEvolutionPathofFuturePowerGridFormsUndertheDualCarbonTargetFANZheng1,HANCongda1,ZHOUJing1,WUYanan1,YANGJ...
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