“双碳”目标下南方区域能源电力消费及负荷特性预测.pdf
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1、第 17 卷 第 9 期2023 年 9 月南方电网技术SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYVol.17,No.9Sep.2023“双碳”目标下南方区域能源电力消费及负荷特性预测卓映君,周保荣,姚文峰,王嘉阳,卢斯煜(直流输电技术全家重点实验室(南方电网科学研究院),广州 510663)摘要:针对双碳目标,在全国能源消费预测已有研究基础上,提出了兼顾多层级发展目标约束的南方区域能源电力消费需求预测技术,构建了基准情景、能耗双控情景、碳排放双控情景3种南方区域能源电力消费情景;建立了基于产业分解的多时间尺度负荷特性预测模型,推演了未来南方区域的电力负荷特性。研究结果表
2、明,碳排放双控情景下,南方区域终端能源消费量在2045年前进入达峰平台期,峰值约10亿吨标准煤;终端部门用电量保持合理增长态势,在2025年后进入年均增长率为3%左右的平台期,在2050年后年均增长率进一步下降至1%;受产业结构转型影响,南方区域电力负荷不均衡特性将逐步加大。电力部门承担的减排压力逐步凸显,需要加快南方区域新型电力系统建设,促进能源低碳转型,支撑“双碳”目标实现。关键词:“双碳”目标;南方区域;能源消费;负荷预测Prediction of Energy and Electricity Consumption and Load Characteristics in the Sou
3、thern Region Under the Carbon Peak and Carbon Neutrality TargetZHUO Yingjun,ZHOU Baorong,YAO Wenfeng,WANG Jiayang,LU Siyu(State Key Laboratory of HVDC,Electric Power Research Institute,CSG,Guangzhou 510663,China)Abstract:Aiming at carbon peaking and carbon neutrality goals,based on the existing rese
4、arch on the national energy consumption forecast,a forecasting technology for energy and electricity consumption demand in the southern region that takes into account the constraints of multi-level development goals is proposed.Three energy and electricity consumption scenarios in the southern regio
5、n are constructed:the baseline scenario,dual-control of energy consumption scenario,and dual-control of carbon emission scenario.A forecasting method for multi-timescale load characteristics based on industrial decomposition is established,and the future power load characteristics of the southern re
6、gion are deduced.The result shows that under the dual-control of carbon emission scenario,the terminal energy consumption in the southern region will reach a peak plateau before 2045,with a peak of 1 billion tons of standard coal.Terminal sector electricity consumption maintains a reasonable growth
7、trend,entering a plateau with an average annual growth rate of about 3%after 2025,and further decreasing to 1%after 2050.Affected by the transformation of industrial structure,the fluctuation characteristics of load in the southern region will gradually increase.The pressure on the power sector to r
8、educe emissions has gradually become prominent,and it is necessary to speed up the construction of new power systems in the southern region for promoting the low-carbon energy transformation and supporting the achievement of the carbon peaking and carbon neutrality goals.Key words:carbon peaking and
9、 carbon neutrality target;southern region;energy consumption;load forecast文章编号:1674-0629(2023)09-0132-09 中图分类号:TM714文献标志码:ADOI:10.13648/ki.issn1674-0629.2023.09.015基金项目:国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U22B6007);广东省重点领域研发计划项目(2021B0101230004);中国南方电网有限责任公司新型电力系统创新项目(ZBKJXM20232001)。Foundation item:Supported by I
10、ntegration Project of National Natural Science Foundation of China Enterprise Innovation and Development Joint Fund(U22B6007);the Key Research and Development Program of Guangdong Province(2021B0101230004);the Innovation Project of China Southern Power Grid Co.,Ltd.(ZBKJXM20232001).第 9 期卓映君,等:“双碳”目标
11、下南方区域能源电力消费及负荷特性预测0引言为了应对世界气候变化,许多国家和地区陆续提出碳中和目标1,我国也积极宣誓“双碳”目标,并出台了一系列“双碳”政策文件,加快我国能源绿色低碳转型建设2-3。实现“双碳”目标,能源是主战场,电力是主力军,能源电力低碳转型是实现碳达峰、碳中和的关键环节5-7。中长期能源电力消费预测是指导能源政策、电网规划的重要基础,准确把握能源电力消费发展趋势,对于保障国民经济高质量发展、保障能源供应安全以及保障“双碳”目标实现具有重要意义。国内外已有不少组织机构和学者对我国能源电力转型路径开展深入研究,对我国碳达峰阶段和碳中和阶段的能源需求和电量需求有初步的研究成果8-1
12、3。南方区域作为我国新型电力系统建设的先行者,更应提前做好布局和谋划。然而,目前关于南方区域能源低碳转型的研究较少,亟需对“双碳”目标下南方区域未来能源电力消费情景进行预测。准确把握未来能源电力消费发展趋势,不仅可以指导终端部门加速能源技术升级、加快能源消费结构转型;还可以为电力部门提供负荷画像,指导电网建设和电源投资,保障电力供应安全。在“双碳”背景下,能源电力消费情景不仅需要满足经济、能源、碳排放等宏观约束性指标,同时还需考虑产业转型目标、区域发展规划以及终端部门电能替代技术潜力等多层级发展约束,因此需要采用自上而下与自下而上相结合的综合评估的方法14-16。此外,负荷画像颗粒度越精细,对
13、支撑电源规划、电网发展、市场建设等电力供需保障工作的作用越大。如何准确刻画未来负荷特性的变化是进一步深化能源电力消费预测研究的重要工作。目前已有的能源电力消费预测研究聚焦于能源和电力消费总量的预测,时间尺度通常以年为单位;已有的负荷特性预测方法聚焦于单一时间尺度的负荷特性预测,预测时间跨度通常为数年以内17-19。新型电力系统背景下负荷画像的精度要求逐步提高,需要在能源电力系统视角下兼顾宏观-中观-微观多层级发展目标,对中长期的负荷需求及多时间尺度特性进行预测,因此,亟需研究一套完备的负荷需求及特性预测方法。本文提出了可满足新型电力系统建设需求的能源电力消费及负荷特性的预测方法,并基于该方法对
14、南方区域的未来负荷情景进行描绘。首先,在全国和南方区域的能源供需现状分析基础上,结合目前已有的关于我国未来能源发展的研究成果,从经济发展、人口发展、能源发展三个维度对南方区域能源电力消费发展趋势进行展望,把握南方区域能源电力消费的客观发展规律;采用兼顾多层级发展目标约束的南方区域能源电力消费需求预测技术和情景分析方法,构建了“双碳”目标约束下南方区域的能源电力消费情景;在此基础上,采用基于产业分解的多时间尺度负荷特性预测方法,刻画了“双碳”目标约束下南方区域负荷画像。以期为碳达峰、碳中和目标下南方区域能源电力消费预测和能源电力低碳转型提供基础参考。1能源电力消费现状分析与未来发展趋势展望能源电
15、力消费预测是指在历史和现状的数据基础上,提炼客观发展规律,对未来进行预测。本文通过统计分析全国与南方区域的能源供需现状、调研已有的全国能源发展趋势预测结果,展望南方区域未来能源消费发展趋势。1.1能源电力消费现状分析1.1.1全国能源消费现状2020 年,全国国内生产总值(gross domestic product,GDP)总量为101.4万亿元,相比2010年年均增长率为6.8%。其中,第一产业占比7.7%,相比 2010年处于下降状态,年均下降率为 2.0%;第二产业占比37.8%,相比2010年处于下降状态,年均下降率为 2.0%;第三产业占比 54.5%,相比2010 年 处 于 逐
16、 年 上 升 状 态,年 均 增 长 率 为2.1%19。2020年,全国总人口为14.1亿人,相比2010年年均增长率为0.5%。其中,城镇占比为63.9%,相比 2010 年处于逐年上升状态,年均增长率为2.5%;乡村占比为36.1%,相比2010年处于逐年下降状态,年均下降率为3.2%20。全国能源消费需求逐年增长,终端部门能源消费结构不断改善,电力消费持续增长(如图 1 所示),电能替代技术存在较大发展空间。能源消费结构不断优化,2010年能源消费总量为36.1亿吨标准煤,2020年上升至49.8亿吨标准煤,化石能133南方电网技术第 17 卷源消费占比从90.6%下降至84.1%。2
17、020年全国电力消费量为 7.5 PWh,相比 2010 年年均增长率为6%21。2020年全国电能消费占终端能源消费比重达到约26.5%22。1.1.2南方区域能源消费现状2020 年,南方区域 GDP 总量为 18.1 万亿元,相比2010年年均增长率为7.9%。其中,第一产业占比8.6%,相比2010年下降0.7%;第二产业占比36.7%,相比 2010 年下降 10.6%;第三产业占比54.8%,相比2010年上升11.3%19。2020年,南方区域人口总量为2.6亿人口,相比2010年年均增长率为0.9%。2020年,南方区域人口和GDP占全国比重均为18%左右,人均GDP为 6.9
18、 万 元/年,略 低 于 全 国 平 均 水 平(7.2 万元/年)。2020年南方五省终端能源消费量为7.2亿吨标准煤,约占全国能源消费总量 14%,相比 2010年5.2亿吨标准煤年均增长3.1%。2020年南方区域非化石能源消费占比 30.2%,单位 GDP 能耗约0.40 t 标准煤/万元(当年价),均远低于全国水平(15.9%,0.49 t标准煤/万元)2020 年南方区域电力消费量为 1.3 PWh,近10a的年均增长率为6.4%,南方区域约占全国电力消费的17%,如图2所示。2020年南方区域人均用电量约 5 000 kWh/a,略低于全国平均水平(5 300 kWh/a)。20
19、20 年南方区域最大电力负荷为 220 GW,近10 a的年均增长率为7.5%,负荷小时数达到约 6 060 h。全年最大电力负荷发生在 78 月,月负荷系数峰谷差值约为0.2;日负荷特性曲线呈现双峰特性,夏季日最大电力负荷出现在正午 12时左右,冬季最大电力负荷出现在晚上20时左右,日负荷系数峰谷差值分别约为0.3和0.4。1.2未来发展趋势研判1.2.1中国能源消费发展趋势预测结果我国是全球应对气候变化事业的积极参与者与重要贡献者,其能源需求和能源转型是全球关注的焦点23。国内外机构纷纷开展相关研究,设置了不同的假设情景,对碳中和背景下中国能源需求、碳排放和能源电力转型路径进行预测24-2
20、7。本文调研了国内外11家机构的预测结果。1)人口变化目前我国人口老龄化速度加快,根据调研成果显示,我国将提前进入人口自然增长率为负值的阶段。预计人口总规模将在 2030 年前后达到峰值14.414.6 亿,2050 年下降至 13.614.0 亿,到2060年人口数量将下降至13.5亿以下。2)生产总值GDP大多数发达国家经验显示,碳达峰进程往往伴随GDP进入较低增速阶段,碳达峰前10年GDP增长率比后10年GDP增长率高2个百分点左右或以上,碳达峰后GDP增长率下降至3%以下。考虑中国仍然属于发展中国家,存在较大的客观发展需求,预计我国 GDP 增长率在 2030 年将下降至4.5%5.0
21、%,在 2050 年 下 降 至 3.0%3.5%,在2060年进一步下降至2.5%以下。2050年我国人均GDP超过发达国家碳达峰时人均GDP平均水平(3万美元/年),2060年人均GDP可以超过美国、日本等发达国家碳达峰时人均 GDP 水平(45 万美元/年)。3)能源消费总量结合国际经验来看,多数国家的能源消费达峰时间是在碳达峰同年或一段时期后出现,部分发达国家如德国、法国等国家的能源消费峰值时间晚于碳达峰530 a以上。调研结果显示,碳中和情景下图1全国电力消费情况Fig.1National electricity consumption图2南方电力消费量Fig.2Electricit
22、y consumption in the southern region134第 9 期卓映君,等:“双碳”目标下南方区域能源电力消费及负荷特性预测的能源消费无论是绝对值还是趋势都较为接近,预计我国能源消费总量达峰时间晚于碳达峰时间,将在20302045年间达峰,峰值在60亿吨标准煤左右。1.2.2南方区域发展趋势研判1)人口发展趋势参考全国人口总量达峰时间及未来变化趋势的预测结果,结合南方区域历史人口数据表现,考虑区域发展红利,南方区域人口总量达峰时间将略迟于全国人口达峰时间,预计将在2035年左右达峰,届时南方区域人口占全国人口比重将超过20%,最终稳定在21%左右。2)GDP发展趋势借鉴
23、国际经验和我国经济发展未来趋势,南方区域GDP增速随人口增速下降而放缓,预计南方区域GDP增长率略高于全国平均水平,GDP增长率在2030年将下降至5.0%5.5%,在2050年下降至3.2%3.5%,人均GDP可以超过发达国家碳达峰时人均GDP平均水平,约3.5万美元/年(以2020年为基准价,按 1 美元=6.5 元换算,下同),在2060年进一步下降至2.5%以下,人均GDP可以超过美国、日本等发达国家碳达峰时人均GDP,约5万美元/年。3)能源消费发展趋势参考全国能源消费总量预测结果,考虑南方区域发展驱动因素,预计南方区域能源消费总量将在2045年前达到峰值,南方区域能源消费总量峰值约
24、为全国能源消费总量峰值的15%左右。在“双碳”目标下,南方区域将通过加快能源结构清洁化转型进程,保障区域经济发展带来的能源消费合理增长需求。2能源电力消费及负荷特性预测方法负荷画像预测是指导能源政策、电源投资、电网规划的重要基础。对此,本文采用了兼顾多层级发展目标约束的南方区域能源消费情景预测方法和基于产业分解的多时间尺度负荷特性预测方法,在能源电力系统视角下构建南方区域电力消费情景,精细刻画南方区域负荷画像,为能源电力低碳转型研究工作提供参考。图3为能源电力消费及负荷特性预测方法的技术框架。2.1兼顾多层级发展目标约束的能源电力需求预测方法本文提出了兼顾自上而下和自下而上24-25相结合的方
25、法,兼顾多层级发展目标约束的南方区域能源电力消费情景预测技术。分析在“双碳”目标约束下和产业结构转型驱动下,各终端部门能源结构调整和电气化技术实施带来的南方区域能源消费和电量消费需求变化。兼顾多层级发展目标约束的南方区域能源电力消费情景预测技术研究思路如图4所示。具体实现步骤如下。1)预测宏观发展趋势:根据人口发展趋势和人均GDP增长研判预测南方区域GDP增长量,根据碳排放强度指标和GDP预测结果计算南方区域碳排放上限。并考虑未来将进一步加大对产业结构调整的力度,预测南方区域GDP产业结构的变化情况。2)预测分产业和终端部门能源消费:结合全国能源消费总量变化趋势和能源强度下降指标,预测南方区域
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- 双碳 目标 南方 区域 能源 电力 消费 负荷 特性 预测
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