中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全球氣候變化背景下，極端高溫干旱、極熱無(wú)風(fēng)、極寒少光、極端低溫雨雪冰凍等多種復(fù)合型氣象災(zāi)害，將給新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)更多挑戰(zhàn)，電力規(guī)劃也將由傳統(tǒng)的“剛性保障”轉(zhuǎn)向“風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化”，以提升電力系統(tǒng)氣候適應(yīng)性。
在全球氣候變化背景下，各類(lèi)極端天氣氣候事件頻發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，電力系統(tǒng)面臨的氣候風(fēng)險(xiǎn)可分為三類(lèi)。第一類(lèi)是氣候變化的全球性、系統(tǒng)性和緩發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)，包括溫度上升、降水模式變化、大氣環(huán)流變化、冰川融化、海平面上升等，這些都可能對(duì)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。中國(guó)氣象局的數(shù)據(jù)表明，2024年中國(guó)地表平均氣溫較常年值（1995～2014年）首次高出1.0攝氏度，為有氣象記錄以來(lái)的最暖年份。第二類(lèi)是各類(lèi)突發(fā)性、極端性并呈局地性特征的極端天氣氣候事件，例如極端高溫、干旱、暴雨洪澇、臺(tái)風(fēng)、雨雪冰凍、沙塵、大風(fēng)等。中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，我國(guó)極端高溫和極端強(qiáng)降水事件呈增多趨勢(shì)，2030年后“十年一遇”高溫事件的發(fā)生概率將提升5.6倍，西南、華南地區(qū)極端高溫風(fēng)險(xiǎn)將激增，氣候風(fēng)險(xiǎn)總體呈升高趨勢(shì)。第三類(lèi)是新氣候風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)氣象意義上并不構(gòu)成災(zāi)害的無(wú)風(fēng)小風(fēng)、無(wú)光微光等成為新型氣象災(zāi)害；而復(fù)合型氣象災(zāi)害，如極端高溫干旱、極熱無(wú)風(fēng)、極寒少光、極端低溫雨雪冰凍等多種氣象災(zāi)害疊加，將對(duì)新型電力系統(tǒng)的源荷雙側(cè)乃至源網(wǎng)荷儲(chǔ)全系統(tǒng)同時(shí)造成災(zāi)害。這三類(lèi)氣候風(fēng)險(xiǎn)復(fù)合交織，對(duì)電力系統(tǒng)的影響更趨復(fù)雜化。
高概率極端天氣下，新型電力系統(tǒng)面臨新挑戰(zhàn)
“十五五”時(shí)期，既是落實(shí)能耗雙控轉(zhuǎn)向碳排放雙控制度、實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵期。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，具有一系列新趨勢(shì)與新特征，包括電源結(jié)構(gòu)向高比例可再生能源轉(zhuǎn)變，電力系統(tǒng)高度電力電子化，跨省跨區(qū)輸電比例持續(xù)上升，夏季、冬季用電高峰日益突出等。同時(shí)，高概率極端天氣也給新型電力系統(tǒng)帶來(lái)了諸多新挑戰(zhàn)。
從電源側(cè)來(lái)看，隨著風(fēng)電、光伏等新能源（風(fēng)、光、生物質(zhì)等）占比持續(xù)上升，新能源發(fā)電與氣候之間的耦合性日益增強(qiáng)。2024年，我國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到14.5億千瓦，首次超過(guò)火電裝機(jī)容量；清潔能源發(fā)電量達(dá)3.7萬(wàn)億千瓦時(shí)，占比超過(guò)1/3。根據(jù)我們預(yù)測(cè)，“十五五”期間，風(fēng)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到26.7億千瓦；到2030、2050年，全國(guó)電力總裝機(jī)容量將達(dá)到51億、98億千瓦，清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到35億、85億千瓦，清潔能源發(fā)電裝機(jī)占比將達(dá)到68%、87%；清潔能源發(fā)電量占比將達(dá)到52%、84%。
氣候變化對(duì)電源側(cè)的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是氣候變化直接影響可再生能源的資源量，導(dǎo)致可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源總體呈減少趨勢(shì)，冬夏季長(zhǎng)時(shí)間靜穩(wěn)天氣和陰雨天氣導(dǎo)致的無(wú)風(fēng)無(wú)光、小風(fēng)寡照等極端事件則呈上升趨勢(shì)。此外，氣候變化還會(huì)改變水資源的時(shí)空分布，導(dǎo)致“旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。例如，2022年8月，受歷史罕見(jiàn)的“三重拉尼娜”影響，我國(guó)西南地區(qū)遭遇大范圍長(zhǎng)時(shí)間極端高溫干旱天氣，長(zhǎng)江流域降雨量較常年同期偏少46%，導(dǎo)致四川水電來(lái)水偏枯達(dá)五成。未來(lái)，長(zhǎng)江流域極端降水與干旱并存，強(qiáng)降水日數(shù)增加，但小雨日數(shù)減少，加劇干旱風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)江流域夏季干旱日數(shù)預(yù)計(jì)延長(zhǎng)30%，西南地區(qū)“旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象頻發(fā)，水電豐枯矛盾突出。二是氣候變化會(huì)間接影響傳統(tǒng)電源發(fā)電效率和冷卻用水，導(dǎo)致電網(wǎng)物理風(fēng)險(xiǎn)增加。例如，高溫會(huì)降低火電廠發(fā)電效率，水資源短缺影響火電廠冷卻用水，強(qiáng)降水和洪水則可能毀壞火電廠。
從負(fù)荷側(cè)來(lái)看，2024年我國(guó)全社會(huì)用電量達(dá)9.85萬(wàn)億千瓦時(shí)。預(yù)計(jì)“十五五”期間，電力需求增速仍將高于經(jīng)濟(jì)增速，電力負(fù)荷增長(zhǎng)顯著高于用電量增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源制氫、電制燃料原材料等新型用電領(lǐng)域成為用電需求增長(zhǎng)的新動(dòng)能。預(yù)計(jì)到2030、2050年，全社會(huì)用電量將分別達(dá)到13.2萬(wàn)億千瓦時(shí)和19.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，終端用能的電氣化率則提升至35%和66%。
近年來(lái)，氣候變化與極端氣溫已經(jīng)成為推高用電負(fù)荷和用電量的重要因素。夏季和冬季用電高峰期，制冷、采暖負(fù)荷“尖峰化”趨勢(shì)日益凸顯，隨著夏季最高溫屢破極值，我國(guó)全年最大用電負(fù)荷也不斷刷新紀(jì)錄。其中，我國(guó)夏季空調(diào)負(fù)荷峰值占總負(fù)荷比重已經(jīng)超過(guò)三成，受極端氣溫影響的溫敏負(fù)荷已成為影響電力供需平衡的重要因素。受極端高溫影響，2022年夏季川渝地區(qū)制冷負(fù)荷占比超過(guò)50%。研究表明，迎峰度夏期間最高氣溫每升高1攝氏度，最高負(fù)荷增加5000萬(wàn)千瓦。
從電網(wǎng)側(cè)來(lái)看，未來(lái)送端在我國(guó)西北、西南、東北及華北北部等大型清潔能源基地，推動(dòng)水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展與跨區(qū)域協(xié)同開(kāi)發(fā)；在東中部地區(qū)負(fù)荷中心和受端，未來(lái)約70%的負(fù)荷依靠區(qū)域內(nèi)清潔電力滿足，30%的負(fù)荷依托特高壓由西部、北部送入。到2050年建成以特高壓為骨干網(wǎng)架的東部、西部?jī)蓚€(gè)同步電網(wǎng)，將形成“西電東送、北電南供、多能互補(bǔ)、跨國(guó)互聯(lián)”的總體格局。
氣候變化對(duì)電網(wǎng)側(cè)的影響，一是各類(lèi)輸配電和新能源發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施易受極端天氣引發(fā)的物理影響，如野火、冰雪、大風(fēng)、沙塵會(huì)破壞輸電線、桿塔、變電站等，高溫會(huì)導(dǎo)致輸電效率下降。以寒潮為例，2008年我國(guó)南方發(fā)生雨雪冰凍災(zāi)害，導(dǎo)致多地輸電網(wǎng)架和塔桿倒塌。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)20世紀(jì)50年代至今已發(fā)生1000多起6千伏及以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)覆冰災(zāi)害。二是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡也易受氣候條件以及極端天氣的沖擊，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)、頻率不穩(wěn)定、局部失負(fù)荷乃至大面積停電事故。如2021年河南特大暴雨導(dǎo)致近30%供電設(shè)施受損，370多萬(wàn)戶停電。
靈活性資源是應(yīng)對(duì)氣候變化與極端天氣的重要手段。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以在極端天氣下提供可靠的電力保障，還可以提高可再生能源利用率、平抑負(fù)荷波動(dòng)、增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性和韌性等，是構(gòu)建安全、可靠、可持續(xù)電力系統(tǒng)的重要支撐。預(yù)計(jì)到2030、2050年，抽水蓄能與電化學(xué)儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能容量將分別達(dá)到2.8億、7.3億千瓦。需求側(cè)靈活性資源方面，車(chē)網(wǎng)互動(dòng)（V2G）、電制氫、虛擬電廠等將通過(guò)提供需求響應(yīng)、調(diào)峰、調(diào)頻等靈活調(diào)節(jié)能力，在極端天氣或有序用電場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。未來(lái)需積極發(fā)揮需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷的響應(yīng)作用，統(tǒng)籌優(yōu)化虛擬電廠等靈活性資源。預(yù)計(jì)到2030、2050年，虛擬電廠容量將分別達(dá)到2.9億、17億千瓦，為系統(tǒng)提供重要的調(diào)節(jié)能力。
電力系統(tǒng)的安全邊界與發(fā)展路徑亟待重塑
氣候變化引發(fā)的極端天氣頻發(fā)，正深刻重塑電力系統(tǒng)的安全邊界與發(fā)展路徑。為構(gòu)建面向未來(lái)的氣候適應(yīng)型電力系統(tǒng)，亟須在理念方法、功率預(yù)測(cè)、電網(wǎng)規(guī)劃、靈活性資源、模型工具、電力氣象融合等重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性變革。
一是創(chuàng)新電力系統(tǒng)規(guī)劃理念，提升電力系統(tǒng)的氣候適應(yīng)性。隨著新能源比例不斷提高和氣候系統(tǒng)不確定性增強(qiáng)，電力系統(tǒng)規(guī)劃的目標(biāo)正從“滿足最大負(fù)荷”轉(zhuǎn)向“控制缺電風(fēng)險(xiǎn)”，規(guī)劃理念也由傳統(tǒng)的“剛性保障”轉(zhuǎn)向“風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化”。相應(yīng)地，規(guī)劃方法亟須由確定性分析轉(zhuǎn)向以概率為基礎(chǔ)的不確定性方法，更加科學(xué)地評(píng)估資源充裕性與系統(tǒng)韌性，提升整體效率與經(jīng)濟(jì)性。我們首次提出“氣候適應(yīng)型電力系統(tǒng)”的概念、內(nèi)涵和理論體系。氣候適應(yīng)型電力系統(tǒng)具有資源充裕、安全穩(wěn)定、智能感知、靈活韌性等關(guān)鍵特征，涵蓋以新能源為主體的多元化電源系統(tǒng)、數(shù)智化互聯(lián)互通的電網(wǎng)傳輸系統(tǒng)、靈活多樣開(kāi)放互動(dòng)的負(fù)荷系統(tǒng)、精準(zhǔn)完備的氣候感知系統(tǒng)、電力氣象技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系以及市場(chǎng)與應(yīng)急相結(jié)合的體制機(jī)制。通過(guò)構(gòu)建“事前預(yù)防、事中應(yīng)對(duì)、事后恢復(fù)”的全鏈條應(yīng)對(duì)體系，提升對(duì)氣候變化和極端天氣的響應(yīng)能力。
二是電源規(guī)劃需融合氣候預(yù)測(cè)與新能源功率預(yù)測(cè)，將氣候變化與極端場(chǎng)景納入電源中長(zhǎng)期規(guī)劃。氣候變化導(dǎo)致風(fēng)光出力波動(dòng)性增強(qiáng)，為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，需提升新能源全時(shí)空尺度功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。我們與國(guó)家氣候中心聯(lián)合提出了“氣象要素預(yù)報(bào)-風(fēng)光場(chǎng)站識(shí)別-新能源發(fā)電能力預(yù)測(cè)”的預(yù)測(cè)框架，首次對(duì)全國(guó)風(fēng)光發(fā)電年景進(jìn)行預(yù)測(cè)，為能源政策制定者開(kāi)展能源系統(tǒng)規(guī)劃與年度能源平衡分析、電力企業(yè)制定生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃與風(fēng)險(xiǎn)管理策略提供月-季-年度長(zhǎng)時(shí)間尺度的決策支撐。
三是電網(wǎng)規(guī)劃需強(qiáng)化跨區(qū)互濟(jì)與多能互補(bǔ)能力。根據(jù)我國(guó)可再生能源資源與負(fù)荷中心逆向分布、可再生能源資源分布異質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)充分發(fā)揮大電網(wǎng)的“空間平滑”效應(yīng)，增強(qiáng)對(duì)極端天氣條件下風(fēng)光出力波動(dòng)的應(yīng)對(duì)能力。研究表明，通過(guò)特高壓通道實(shí)現(xiàn)西南水電與西北風(fēng)光互補(bǔ)互濟(jì)，可在枯水期增加系統(tǒng)風(fēng)光出力，削減約40%的季節(jié)性電力缺口。未來(lái)需重點(diǎn)推進(jìn)西部“沙戈荒”大型基地外送通道建設(shè)，配套開(kāi)發(fā)西南地區(qū)水電與風(fēng)光的跨季調(diào)節(jié)能力，發(fā)揮新能源開(kāi)發(fā)、新型抽水蓄能與跨流域調(diào)水協(xié)同作用，構(gòu)建“水風(fēng)光打捆”的穩(wěn)定電源組合。
四是靈活性資源規(guī)劃需重視需求側(cè)響應(yīng)與儲(chǔ)能等柔性資源的發(fā)展。隨著新能源占比不斷提高，新能源發(fā)電呈“山巒曲線”特性，日內(nèi)負(fù)荷峰谷差擴(kuò)大，傳統(tǒng)的“源隨荷動(dòng)”規(guī)劃理念應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂呻S源動(dòng)、源荷互動(dòng)、柔性協(xié)同”的戰(zhàn)略思路，提升電力系統(tǒng)對(duì)新能源大規(guī)模接入的適應(yīng)能力，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。需要在東中部主要負(fù)荷中心加快虛擬電廠等靈活性資源發(fā)展，聚合空調(diào)負(fù)荷、車(chē)網(wǎng)互動(dòng)、儲(chǔ)能、氫能等多元柔性資源，推動(dòng)負(fù)荷側(cè)主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。
五是需構(gòu)建面向極端天氣的電力系統(tǒng)影響評(píng)估與電力規(guī)劃耦合模型，開(kāi)展極端天氣標(biāo)準(zhǔn)制定、影響評(píng)估、氣候風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等研究，為氣候適應(yīng)型電力系統(tǒng)規(guī)劃提供支撐。當(dāng)前在美歐等國(guó)，學(xué)者已在探索應(yīng)用人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，推動(dòng)電力規(guī)劃與天氣氣候模型耦合。我們搭建了全球氣候預(yù)測(cè)與電力規(guī)劃耦合模型，量化研究氣候變化對(duì)全球電力系統(tǒng)的影響。例如，基于第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）氣候情景和區(qū)域降尺度方法，構(gòu)建高精度時(shí)空氣象數(shù)據(jù)集，提出電力極端天氣標(biāo)準(zhǔn)并識(shí)別多類(lèi)典型極端天氣場(chǎng)景。電源影響評(píng)估方面，研究表明在不同排放情景下，極端高溫、極端低溫天氣將導(dǎo)致我國(guó)“沙戈荒”地區(qū)的風(fēng)電、光伏發(fā)電出力效率分別下降15%～23%和13%～18%。電力系統(tǒng)影響評(píng)估方面，研究表明，在高排放情景（SSP585）下，極端天氣場(chǎng)景造成的失負(fù)荷量占全部場(chǎng)景的35%。電力系統(tǒng)規(guī)劃研究方面，未來(lái)華北、華東和華中區(qū)域，以及西南地區(qū)的平均氣溫將升高4～5攝氏度，為保障電力供應(yīng)的充裕，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需增加12%，全系統(tǒng)成本約增加2個(gè)百分點(diǎn)。
六是加強(qiáng)電力與氣象的跨部門(mén)合作，全面提升電力氣象基礎(chǔ)設(shè)施與能力建設(shè)水平。我國(guó)氣象部門(mén)已出臺(tái)《能源氣象服務(wù)行動(dòng)計(jì)劃》，2024年，國(guó)家電網(wǎng)公司與中國(guó)氣象局簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，積極推動(dòng)氣象與電力領(lǐng)域深度融合。建議電力行業(yè)與氣象部門(mén)在可再生能源出力預(yù)測(cè)、負(fù)荷變化分析、電力基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)等方面加強(qiáng)協(xié)同，提高極端天氣電力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。加快構(gòu)建覆蓋源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貫通短時(shí)臨近至月、季、年多時(shí)間尺度，空間無(wú)縫隙的一體化電力氣象服務(wù)業(yè)務(wù)體系，提升全鏈條、全場(chǎng)景的氣象支撐能力。
（作者均供職于全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司。）
