闫 晶
上海市发展改革研究院
电力行业蕴含的碳排放占全社会排放总量的43%，是我国碳排放的主要来源。二十大报告和《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》均提出，控制化石能源消费，推动能源清洁低碳高效利用，积极发展非化石能源。优化本地电和外来电、清洁电和常规电“两个结构”，对于积极稳妥推进碳达峰碳中和，加快构建清洁低碳安全高效能源体系具有重要意义。文章基于上海城市特征和能源发展现状，通过对比分析和趋势研判，围绕上海电源“两个结构”的优化平衡，从电源建设、电网消纳、体制机制等方面提出举措建议，供有关方面参考。
1.1 上海电源结构以本地常规电源为主
1)电力结构上
截至2020年底，上海全口径电源装机总量为4352万kW。其中，本地电源与外来电装机规模分别为2672（61%）、1680（39%）万kW，可控常规电源与不可控清洁电源装机规模分别为2915（67%）、1437万kW（33%）。
2)电量结构上
2020年上海各类电源发电总量为1576亿kWh。其中，本地电、外来电发电量分别为864（55%）、712(45%)亿kWh,常规电源、清洁电源发电量分别为968（61%）、608（39%）亿kWh（见表1）。
表1 上海电源装机和发电量构成
1.2 国内外比较来看，上海外来电比重和清洁化程度较高
总体来看，上海电源“两个结构”呈现以下特点：
1）上海外来电比重较高
国内比较来看，上海外来电比重（45%）低于北京（60%），但远高于天津（14%）、重庆（29%）等直辖市，以及江苏（19%）、浙江（36.8%）等长三角区内省份（见图1）。
图1 上海外来电和可再生能源消纳比重对比
国际比较来看，上海电力装机与电量消费与美国的纽约市接近，2020年上海与纽约市电力装机规模分别为4352 万kW、4024 万kW，发电量分别为1576 亿kWh、1516 亿kWh，但上海外来电占比远高于纽约市（15%）。
2）电力清洁化程度较高，主要依靠外来清洁电
上海清洁电力占比为33%、清洁电量占比为39%，但清洁电主要依靠外来水电，外来清洁电量占到了82%，本地清洁电量仅为18%。2020年上海全口径可再生能源消纳比重为35.6%，远远高于北京（16.4%）、天津（14.5%）、重庆（20.9%）等直辖市，以及江苏（16.8%）、浙江（19.3%）等长三角区内省份,其中外来可再生能源发电占到了32%，本地可再生能源发电仅为4%。
2.1 用电安全、“双碳”目标、资源禀赋构成电源发展的边界条件
1）用电安全是决定电源发展的首要因素
随着上海市“五个中心”、临港新片区、“五个新城”建设和战略性新兴产业发展等国家战略实施，上海市能源消费总量和全社会用电量仍将刚性增长。与此同时，俄乌冲突、疫情等外部形势复杂多变对一次能源供应带来不确定性，确保供电安全始终是电源发展的第一目标。
2）“双碳”目标明确了清洁电未来发展要求
根据我国碳达峰碳中和战略总体部署，非化石能源占一次能源消费比重至2030年、2060年分别达到25%左右、80%以上。“双碳”目标下，电气化率和非化石能源发电装机规模、发电量都将进一步提高。
3）资源禀赋决定了本地清洁电和外来电开发格局
上海本地清洁电力主要包括光伏、风电和生物质发电。光伏方面，预计到2030年光伏可开发规模约700 万kW，远期理论最大开发规模可达1700 万kW。风电方面，最新批复的《上海市海上风电发展规划》为上海争取到近3000 万kW 海上风电资源，到2030年，风电装机容量将力争达到500 万kW。此外，上海积极谋划新增市外来电，推进外电入沪工程，拟从西北地区开发400 万kW风电、800 万kW 光伏，通过特高压直流工程将清洁电送入上海。
2.2 近中远期上海能源电力和“两个结构”发展展望
综合用电安全、“双碳”目标、资源禀赋三个因素，课题组对上海能源电力消费情况进行预测。至2030年，上海市GDP 总量约为6.2 万亿元，对应能源消费总量约为1.43 亿tce，全社会用电量约为2250 亿kWh。至2035年，上海市GDP 总量约为7.5 万亿元，能源消费总量约为1.48 亿tce，全社会用电量约为2500 亿kWh。至2060年，上海市GDP 总量约为15 万亿元，能源消费总量约为0.97亿tce，全社会用电量约为3300亿kWh（见表2）。
表2 近中远期上海经济发展和能源电力预测
1)电力结构来看
预测到2030年，上海全口径电源装机总量达到6619 万kWh，其中，本地电源装机总量为4519 万kWh，占比为68.3%。外来电源装机规模为2100 万kWh，占比为31.7%。到2035年，上海市全口径电源装机总量达到7819 万kWh，其中，本地电源装机规模为5319 万kW，占比为68.0%。外来电源装机规模为2500 万kW，占比为32.0%。
2)电量结构来看
预测到2030年，按照全社会用电量2250亿kWh测算，本地电源发电量为1300亿kWh，占到上海市发电总量的57.8%。外来电为950 亿kWh，占到上海市发电总量的42.2%，本地煤电利用小时数降至4111 h。到2035年，按照全社会用电量2500亿kWh测算，本地电源发电量为1350亿kWh，占到上海市发电总量的54.0%。外来电量为1150亿kWh，占比为46.0%，本地煤电利用小时数进一步降至3500 h。
总体来看，预测中长期上海电力装机和发电量均保持本地电源占主导，在确保本地电源发挥兜底保障作用的基础上，进一步增加本地和外来清洁电源开发利用，通过维持存量、优化增量，实现既安全又清洁的电力发展目标（见表3）。
表3 2030年、2035年上海电源“两个结构”预测
3.1 电源定位和结构转变对电网运行带来挑战
1）电源定位发生转变，电力系统需要升级调整
随着新能源比重不断提高，新能源将逐渐替代传统火电成为能源供应主体，未来新能源会在装机和发电量上对传统火电产生挤出效应，火电在电力系统中的定位将由电量提供者，逐步向调频、备用、容量服务提供者转变。大规模可再生能源接入使电力系统面临迫切的升级需求，电力系统正处在从“简单的可再生能源替代”转向“更为复杂的综合系统”的关键转折点，未来电力系统的灵活性将主要依靠煤电灵活性改造、抽水蓄能、电化学储能。
2）外来电持续增长对高峰期电力安全和电网运行提出更高要求
（1）高比例外来电在用电高峰期存在不确定性。例如，2022年夏季，受极端高温和疫后经济恢复影响，上海夏高峰用电突破3807万kW。与此同时，供电侧受西南水电“丰水期”变成“枯水季”，电力供给不及预期，高峰期电力供应从“紧平衡”向“硬缺口”转变的风险呈增加趋势。
（2）大比例外来电系统具有电网互联和交互影响大、系统波动及作用路径复杂、对安全可靠运行要求严格等特点，高比例外来电接入对网架结构适应性提出更高要求，外受通道容量仍需扩大，输变电设施和配套建设仍需加强。
3）发电侧清洁电高比例接入在长周期、短周期、超短周期分别面临可靠性、灵活性、稳定性挑战
（1）长周期来看，与常规电源不同，风电、光伏发电出力不确定性较强，若因天气原因导致长时间发电不足，则会加重电力系统平衡压力，给电力系统可靠供电带来较大的运行挑战。
（2）短周期来看，新能源发电的波动性要求电力系统具备更多的灵活性资源，为了保证发电与用电的实时平衡，需要由其它具备调节能力的灵活性资源承担托底保障任务。
（3）超短周期来看，新能源电力电子设备的电压频率特性与传统电源的发电机有较大差异，开关元器件的动作会给电网造成瞬时的毫秒级、秒级运行挑战，包括故障连锁脱网、电能质量、低转动惯量等问题。
3.2 上海电源“两个结构”比例建议
1）电力结构方面，应注重本地电源、常规电源机组规模和系统备用率保持较高比例
德国电源装机规模总量为2.2亿kW，系统备用率超过170%，其中，以煤机和燃机等火电机组为主体的常规电源装机容量接近一半，硬煤电厂调峰能力达到90%。建议上海火电常规机组装机比例保持在50%以上，系统备用率从目前的15%提高至20%，公用电厂燃煤机组调峰能力从60%提高至70%以上。
2）电量结构方面，应在增加清洁电发电量的同时，逐步降低火电常规机组发电小时数
构建以新能源为主体的新型电力系统，远期新能源、清洁电发电量占比超过50%是具体体现。“双碳”战略目标下，应坚持先立后破原则，逐步降低火电常规机组发电小时数，常规机组作为调峰的主力参与电力调节。同时，提高外来电灵活性资源，外来清洁电坚持以水电为主，风电、光伏、核电为辅的电源结构。
近期，综合考虑上海外来电长期占比大、清洁电在高比例基础上未来进一步提高，同时本地燃气机组出力不足、新能源难以发挥顶峰作用等因素，煤电仍将长时间承担保障电力安全的重要作用。充分发挥煤电资源丰富、价格低廉、运行特性好等优势，坚定煤电安全托底和战略备用原则，谨慎拆除煤电机组，按照“等容量、减煤量、减排量”原则推进老旧煤机灵活性改造和清洁高效替代。
中远期，随着外来电入沪和本地海上风电等新能源发电大规模接入，电源结构逐步向以新能源发电为主体转变。与此同时，随着全社会用电量持续增长，清洁电规模和比例逐步提升，煤电等常规电源有必要保持较高装机规模，并逐步降低利用小时数，定位逐步从安全托底电源向调节和战略备用电源转变。
4.1 进一步统筹电力安全保供和清洁转型
1）适度增加本地火电装机规模，确保本地常规电源保供兜底能力
切实发挥本地煤电“压舱石”作用，加快推动“三改联动”升级改造，进一步增加本地煤电机组规模，加快落实“先立后改”的煤电装机。明确本地煤电可调节机组和应急备用机组，逐步降低煤电利用小时数。增加本地气电机组规模，力争2030年前新增600万kW左右燃气机组。
2）加快本地可再生能源开发，逐步提高利用小时数
大力推进海上风电开发，研究上海海上风电发展规划及海上通道路由，提前布局陆上接入系统方案。探索海上风电出力计入电力平衡模式。
3）进一步增加外来可再生能源，提高外来清洁电力电量
在现有以水电为主的外来电基础上，积极推进外电入沪建设，将西北地区优质风光资源通过特高压直流接入上海电网，提升上海市能源保供能力和清洁化水平。
4）加快“火电+CCUS”配套设施建设，提高火电清洁化水平
结合煤电机组“三改联动”，预留碳捕集装置场地和接口，探索“煤电+CCUS”综合技术，增加煤电机组容量和发电量，确保冗余灵活性电源。
4.2 进一步提升电网外来受电能力和清洁能源消纳能力
1）提升本地火电送出能力
围绕漕泾、石洞口、外高桥等电厂新增煤电机组和上海市气电新增装机需求，加强主网、配网接入和送出设施建设。
2）完善主网架构
提升主网外来受电能力，增强外受特高压接入主网架适应性，适应本地电、外来电结构变化，确保市外清洁能源“送得进、受得下、用得上”。
3）提升电网新能源消纳能力，适应常规电、清洁电结构变化
在推动上海市争取华东区内抽水蓄能分电份额的同时，不断加大电网侧储能、虚拟电厂等调节性资源建设力度，增强储能、负荷参与电网调节能力。
4.3 进一步增强调节资源和体制机制保障能力建设
1）积极参与华东地区抽水蓄能电站建设，争取优质调节资源以应对远景大规模可再生能源接入电网产生的调峰需求，提高可再生能源消纳能力。
2）编制《煤电应急备用电源方案》，科学认定和退出应急备用机组，严格应急备用电源运行调度管理。
3）建立健全调峰调频辅助服务机制，优化完善电力辅助服务市场，拓宽煤电节能减排综合升级改造投融资渠道，使参与灵活性改造制造的调峰机组获得相应收益，以市场化手段调动火电参与调峰积极性。
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