电力装备产业助力碳达峰碳中和途径与措施研究阶段成果

／中国电器工业协会副秘书长 王琨／

一、“双碳”研究背景

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”

2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上发表重要讲话，宣布我国到2030年：单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

2021年4月22日，习近平总书记在领导人气候峰会上强调，中国正在制定碳达峰行动计划，广泛深入开展碳达峰行动，支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达峰。中国将严控煤电项目，“十四五”时期严控煤炭消费增长、“十五五”时期逐步减少。

在十九届五中全会、中央经济工作会议、中央财经委九次会议上对落实“双碳”目标，均分别作了相关的部署。习近平总书记主持中央政治局第二十九次集体学习时强调：“实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革，绝不是轻轻松松就能实现的。各级党委和政府要拿出抓铁有痕、踏石留印的劲头，明确时间表、路线图、施工图，推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上。”

在工信部、能源局等政府部门的指导下，中电协组织行业开展碳达峰碳中和相关研究。

二、“双碳”研究框架（见下图）

三、“双碳”研究工作进展

2021年5月12日召开“双碳”研究工作启动会；组建了11个工作组，截止到目前共召开了17次讨论会；涉及电工行业全产业链，参与单位180余家，共计 400余人；形成1份总报告、6份分领域研究报告以及4份专题报告（初稿），3份国际市场分析报告，共计57万字。

四、发展形势

（一）国内市场

1）党中央的高度重视是实现双碳目标的先决条件。新型举国体能源利用方式转型，其难点不在能源生产端，而是在能源消费端。因此，可再生能源消纳装备、再电气化设备将成为电力装备的重点发展方向。制的制度优势是实现双碳目标的根本支撑。

2）电力将成为未来能源供给的主要方式。电力装备的应用领域更加多样，服务模式更加灵活，市场空间更加广阔。

3）新的商业模式和应用场景将催生新技术、新装备广泛应用，新一代信息技术将深入融合到电力装备制造业。

4）实现碳达峰着力点在于构建以新能源为主体的新型电力系统，其难点不在发电端，而在输配电和用电端。实现碳中和关键在于

（二）国际市场

1）我国将从世界最大的能源进口国转变为电力装备+服务的出口国。对于可再生能源装备和消纳装备行业是重大利好。

2）各国对于实现双碳的途径方式不同，市场开拓应更加具有针对性。从产品需求看，既有与国内市场相同之处（光伏、柔性直流、分布式配网等），又存在一定的差异（海上风电、特高压直流等）。

3）东盟及部分“一带一路”沿线国家对传统能源装备仍具有一定的市场需求，是煤电、超高压输电成套装备等传统优势领域产品出口和产能转移的重点目标。

4）碳税或将成为新的贸易壁垒。企业应加快产品全生命周期碳足迹、碳汇交易方面的储备和布局。

5）目前全球已经有54个国家实现了碳达峰，下一步重点在于碳中和。但由于国际其他各国经济发展中装备业和重工业比重与我国相比较低，再电气化设备出口应重点关注建筑、交通领域。

五、“双碳”研究阶段成果

（一）现有基础

当前我国电力装备行业整体处于世界先进水平，特别发电和输配电造领域走在了世界前列，形成了门类齐全、产业链齐备，极具市场竞争力的产业体系，产业规模、建设水平、技术输出、装备水平均处于世界领先。

从产业规模看，我国电力装备制造业产值已连续多年超过5万亿元，约占机械行业的四分之一，发电设备、输变电设备、配用电设备等领域产品产量和产能规模位居世界第一。

1）发电设备：连续13年超过1亿千瓦。能源结构不断优化，可再生能源装机占比从2016年不足16%，到2020年底42.4%。

2）输变电设备：变压器和110千伏及以上高压开关设备年产量连续12年超过10亿千伏安和120万台。近些年输变电设备逐步在向高参数、大容量、长距离和柔性智能等方向发展。在特高压领域，中国具有绝对的话语权。

3）配电设备：我国高压开关板和低压开关板年产量连续9年超过118万面和4500万面。我国配电成套能力位居世界先进水平，但低压电气领域还处在由大变强的转变过程中。配电设备所用低压电气设备如断路器、接触器、继电器等65%以上是温州乐清制造，该地区是我国土生土长的、世界规模最大的低压电器产业集群。

4）用电设备：我国是最大的用电设备制造国，交流电动机、电焊机和电动工具年产量连续10年超过2亿千瓦、370万台、2.5亿台。我国用电设备特别是在电动机领域，已经处于世界先进水平。该领域是充分竞争领域，龙头企业基本为民营企业。

（二）电力装备能否助力我国实现双碳目标的基本判断

1）从产能规模、技术发展水平、产品门类以及企业创新能力等维度看，当前我国电力装备已初步具备构建以新能源为主体的新型电力系统的基础，但各环节仍有需补强的技术和装备，缺乏对能源清洁、高效利用技术的系统性、体系性研究。

2）适应新型电力系统建设的绿色低碳电力装备标准、检测、认证体系亟待补充。

3）低碳零碳共性关键技术研发体系和公共服务平台有待建立。

（三）电力装备助力我国实现双碳目标的发展方向

（1）发电设备

1）煤电：我国具有煤炭资源丰富、煤电技术先进的突出特点。在安全有序的原则下，推动灵活运行、多能耦和、碳捕捉封存和利用（CCUS）等技术应用，是煤电未来的发展方向。

2）水电：从供能到调能的转变成为水电发展的主体。大力发展存量水电机组宽负荷改造和抽水蓄能项目建设，是水电设备发展方向。

3）核电：承担相应的基础负荷作用。开发更加安全高效的核能技术，是建设新型电力系统的一项重要任务。

4）气电：快速启停特性使气电成为坚强电网的重要支撑。大力发展燃机技术，特别是面向未来的氢气燃机技术，成为构建新型电力系统的重要任务之一。

5）风电、太阳能及储能：我国已成为全球最大的风电装备、光伏发电装备制造基地，将有力地支撑以新能源为主的新型电力系统建设。化学储能快速发展，累计装机已达3560万千瓦，可基本满足2030年新能源装机达12亿千瓦的最低要求。

（2）输变电设备

需满足构建新型电力系统的需求，提高对可再生能源消纳能力。

加强高端及新型装备的研发能力、速度及力度，解决少数原材料、组部件的性能及质量对主机的制约。

上游产业（材料、组件、工装等）应加强绿色、环保、高可靠性等方面研究。

（3）配用电设备

应满足双碳目标下不同应用场景下用户用电需求，积极响应大电网的电力调度及电力市场交易，保障配用电系统安全稳定运行，实现分布式新能源利用效率最大化。

需进一步研究建设“超级配电系统”及新型配电网络拓扑，解决一系列技术、装备、模式等关键问题，关注点包括：新型配用电系统规划设计、系统稳定运行控制策略、故障切换、电能质量管理、虚拟电厂等新商业模式等。

（4）电气节能设备（电机）

电机耗电占全社会用电量60%以上，电机节能与高效应用是实现双碳目标，从需求侧降碳最直接、最有效、最经济的手段。

目前我国在用电机能效较低，具有较大的减排节能空间。据预测，如高效电机占比达到80%以上，专用电机匹配量达到60%以上，加之内燃机、气动、液动等装备的电气化改造，预计每年可减少二氧化碳排放2.55亿吨；节省用电量7500亿千瓦时，约占全社会用电量的10%。

（5）能源综合利用领域

综合能源系统涉及要素众多，目前缺乏能效指标体系及评价模型，无法满足未来综合能源能效评估需求。通过仿真模拟及数值计算架构综合能源系统模型已成为未来发展的必然选择。

从能源供给端看在资源配置和运营管理方面具有较大优化空间。传统能源系统供给侧（电、热、冷、气等）各自规划和运营且与需求侧脱节；区域能源发展缺乏顶层设计和统筹规划；终端用能单位的能源规划，与工艺流程及其改进结合不紧密。

钢铁、建材、化工、有色金属冶炼、交通运输、建筑取暖是能源综合利用的重点发展方向。

（四）电力装备需要补强的技术及装备

（1）发电设备

1）煤电：630℃等级超超临界机组示范应用，650℃、700℃关键技术及应用研究；多能耦合技术研究，重点研究风光储与煤电互补技术，提升煤电调峰调频能力的技术；CCUS技术在煤电中的示范与应用。

2）水电：超高水头冲击式机组及宽负荷机组技术开发和应用；变速抽蓄机组技术研发和应用。

3）核电：三代压水堆技术的优化；四代堆的研发和应用；核电标准体系建设。

4）气电：燃烧室、透平叶片等热端部件研制；中型、重型燃机的自主化和系列化；开氢气掺烧和纯氢燃气轮机研制。

5）风电、太阳能及储能：攻克高精度功率预测技术、智能感知技术、新能源发电及储能入网优化控制技术和能量管理与控制技术；建立新能源发电及储能系统精细化智能运维管理和新能源及储能可靠性运行状态评价体系；开展新能源及储能基础材料研究、可靠性设计、设计及仿真软件研发。开展零部件供应短板，如叶片材料、主轴承、IGBT、芯片等国产化替代研究，以及高能量密度、长寿命的储能电池本体研究；研究风电叶片、光伏组件及动力电池大规模梯次利用回收技术；提高新能源发电及储能技术在新型电力系统中应用场景的多样性、适应性，包括不同应用场景下的规模化应用，“新能源+”等跨领域的融合；提高电网柔性运营灵活度、完善电力市场化调度机制、完善电力双边或多边交易模式；研究新型储能技术配合“源网荷储”及“多能互补”新型商业模式。

（2）输变电设备

1）海上风力发电场送出技术及装备，包括海上风电柔直送出系统、远海风电交流送出系统、海上浮式平台、海上风电分频输电系统等。

2）水电、核电送出技术及装备，包括用于水电和核电中的大容量发电机断路器、抽水蓄能电站用开关（发电机启动回路开关、相序转换开关、电气制动开关等）、高可靠性核电用开关和变压器等。

3）集中式新能源发电送出技术及装备，包括光伏逆变升压一体机技术及设备、基于风电光伏成套柔性直流避雷器、直流支撑电容器等。

4）含高比例可再生能源的特高压输电技术和设备，包括特高压可控并联电抗器技术及设备包括磁控式电抗器、TCT式可控电抗器等。

5）绿色低碳环保技术和设备，包括六氟化硫替代气体技术、高电压大电流真空开断技术；环保型高压开关设备、天然酯绝缘油变压器、环保型气体绝缘变压器等。

6）中压直流配网设备，包括中压直流断路器、电力电子变压器、柔性合环装置、储能变流器装置等。

7）电力电子技术及装备，包括大规模可再生能源发电并网技术、大电网异步互联技术、大容量中远距离海上风电输送技术、分布式新能源消纳技术、交流配电网进行直流改造及智能电网应用技术、城市电网增容改造技术等；晶闸管换流阀、柔直换流阀（电压源型换流器VSC）、直流断路器、耗能装置、直流场GIS、大功率级联储能装置、电力电子变压器、柔性合环装置、储能变流器装置等。

8）试验技术，包括中压直流配电开关试验技术、快速开断技术的混合式/机械式直流断路器机械特性测试技术、高压真空断路器全电压关合试验技术、低频输电系统短路开断测试技术、15kV及以下小水电、抽水蓄能用真空发电机断路器的试验技术、250kA大容量发电机出口用环保型快速断路器开发试验技术以及六氟化硫替代气体产品开断性能测试、密封检测、替代气体混气成分检测技术等。

9）基础材料、元器件，包括替代六氟化硫的新型环保气体、具有防火环保低碳等特性天然酯（植物）绝缘油、低损耗非晶合金材料、可以重复使用的热塑性材料绝缘子、降低开关产品运行能耗需要开发低损耗的导体材料、电力电容器行业新型高介电常数的薄膜材料等；大容量变压器有载分接开关、碳化硅、氮化镓等新型电力电子器件、大梯度大容量避雷器阀片等。

10）继电保护技术。开展多场景高渗透率电力电子电网的故障特性研究；提出新型电网故障形态下的输配电网继电保护优化方案；探索与电源特性弱相关的时频域继电保护新技术。加强控保协调，提升控制设备对电力系统安全稳定运行的支撑能力；研究构网型的电力电子设备控制目标及控制方法，推进构网型电力电子设备的控保策略制定及装备研制；研究高比例新能源、高比例电力电子控制与继电保护的协调策略，通过多维度协调配合实现电网故障快速隔离与恢复。

（3）配用电设备

1）新型配用电系统拓扑形态研究，包括新型配电系统、微电网及典型应用场景的系统拓扑形态，以及通信系统，包括高覆盖高可靠的配用电系统专网构架、有线/无线通信协议等。

2）分布式电源协同管理技术，包括高接入比例的分布式电源集群发电/用电功率预测技术，建立集群间调控优化与协调调度模型。研究集群电能质量的快速自主调节和集群功率平抑技术。

3）新型的控制与保护技术，研究以电力电子为基础的高效变流技术，以能源路由器为核心接入设备，实现具有交直流混合、随机波动、双向功率等特征的传统能源与新能源的“即插即用”快速接入。重点关注微电网可靠性及孤岛运行能力，对设备健康状态、储能支撑能力、功率平衡能力、孤岛概率、交直流运行模式等因素分别建立机理模型，并形成微电网运行过程中的各类状态及可靠性准确评估预测能力。

4）需求响应、虚拟电厂、碳交易等新模式，构建与用户端智能终端的双向交互能力，集成动态电价及激励机制、多类用户负荷控制优化调度模式、碳排放实时评价交易等能力，在用户端售电、虚拟发电厂管理、电动汽车有序充电等典型场景中完成应用，提升新型配用电系统的综合能源利用效率。

（4）电气节能设备（电机）

1）高效电机，包括变频调速高效永磁电机、同步磁阻电机、高压永磁电机、低速直驱电机、高速直驱电机、外转子直驱电机、伺服驱动电机等；完善以电机系统节能为核心的电机与传动装置、负载设备、运行工况、控制装置紧密结合的系统节能产品体系；高能效电机的高性价比设计与低成本制造技术，专用电机开发与细分制造技术；适合高效化、轻量化与批量化制造的电机制造工艺与装备。

2）变频电机系统高效匹配设计。建立完善以电机系统节能/节碳为核心目标，电机与传动装置、负载设备、运行工况、控制装置等协同匹配的高能效变频电机系统型谱；建立电机典型负载系统的能效标准。

3）新能源领域产品技术开发。开展新能源等领域电动替代气动或液压传动的技术、风电等高效取向钢电机开发与关键共性技术、多维磁场拓扑结构电机与新型能量回馈理论研究。开发面向新能源电力系统的高效发电及辅助装备，适应分布式发电等新型电力系统的电机可靠性设计与应用技术，进一步提升新型电力系统、新型电动系统的能效等级。

4）低碳技术开发与绿色制造，包括电机高效设计理论与关键技术研究，电机高密度轻量化设计技术研究，电机全生命周期低碳评价理论与低碳设计技术研究；提高高磁感低损耗冷轧硅钢片使用比例、采用消失模铸造技术的机座、端盖等铸件；水性绝缘漆和防锈漆；低挥发无溶剂浸渍漆；轻稀土永磁材料；超薄绝缘耐电晕电磁线，高导热柔软复合绝缘与灌封树脂等高效绿色物料的应用水平与应用比例；在电机制造企业推广应用自动化和智能化设备；能源计量监控、优化利用设备；环保治理设备；免加工、少加工工艺。

5）碳足迹测算认证与监测。开展电气装备产品碳足迹计算、监测、评价与认证方面的研究工作，重点包括企业碳排放测算和产品生命周期评价与碳足迹核算两方面内容；建立电气装备产品全生命周期的碳足迹监测核算体系与平台；建立重点行业的高效电机及电气装备产品碳核算与认证制度，提升行业及下游行业进行产业升级与节能降碳改造积极性。

6）低碳公共服务平台建设。建设电气装备行业双碳公共服务平台，为行业“双碳”工作的深入开展，提供必要的技术、检测、认证、合作等服务，同时为促进上下游产业链的协同发展与创新应用，提供有效平台环境。

（5）能源综合利用

1）能源综合利用“双碳”贡献度评估与验证技术。开展计及碳排放的综合能源系统评价指标体系、考虑碳排放的综合能源系统动态综合评价方法等技术研究。

2）多种能源形态统一规划和协同优化技术。建立在能耗预测分析上，将各类能源形式、功能设备及管网作为一个整体进行规划，对综合能源系统的技术组合和装机容量进行优化配置。

3）综合能源系统一体化运维技术。利用“云大物移智链边”等信息通讯技术，构建多类型可调控资源协调控制系统，开展能源数据的智能感知、客户需求的智能分析、能源设施和用能设备的智能控制，实现负荷侧能源资源智慧管理和源网荷储多元协同调控新模式，提升综合能源系统一体化运维管理水平。关注基础的软件和硬件、模型建立、优化算法、通信协议。

4）安全高效储能系统。除机械类储能、电气类储能、电化学类储能之外，要关注安全高效蓄热、蓄冷、储氢等技术装备的发展。

5）多种能源形态相互高效转换设备。以电为核心，研制其他能源形态转化成电能、交流电与直流电相互转换、电能转化成其他能源形态（P2X）、其他能源形态之间相互转换的高效转换设备。

（五）政策建议

（1）强化顶层设计，引导行业资源优化配置、转型升级

为适应能源结构调整，促进新能源更大规模并网，加速新能源及储能产业等融合发展，建议加强顶层设计，由相关部委牵头，联合其他机构，设立“电力装备碳达峰碳中和关键技术研究与示范”重点专项，统筹推进科技创新支撑引领碳达峰碳中和工作，提出我国电力装备行业助力碳达峰碳中和发展路径，引导行业技术创新升级。

（2）鼓励自主创新，加大科研创新支持力度

鼓励企业通过自主创新，对于成功研制国际领先或填补国内空白装备的企业，进行表彰；进一步完善知识产权保护政策，保障创新企业的切实权益；利用国家重点实验室、国家研发创新平台等公共科技服务资源，支持节能降碳技术研究与关键装备研制，降低新技术应用推广成本。

（3）开展试点示范，建立碳中和指标体系

鼓励有条件的地区或重点行业开展碳达峰碳中和试点示范建设，实施能源零碳化、交通电气化、居民生活电气化。通过试点示范，检验现行产业政策完善性，测试民生支出和财政补贴压力，建立碳中和指标体系，验证技术及装备的经济可行性。发布能源绿码及碳交易、重工业脱碳、港口岸电、农村电气化、城市智慧用电、综合能源利用等方面碳达峰碳中和行动计划。

（4）设立国家级电力装备碳达峰碳中和公共服务平台

针对电力装备低碳降碳前沿技术研究缺位，标准、检测、认证体系不完善的问题，建议设立国家级公共服务平台，牵头组织绿色低碳技术评估、共性技术研究，开展碳达峰碳中和相关标准制修订，提供检测、认证服务，引导行业规范化发展，强化全生命周期的检验检测能力，为构建以新能源为主体的新型电力系统奠定基础。

（5）完善投融资机制，设立低碳转型相关基金

完善与双碳工作相关的投融资体制机制，增加资金来源和对产业的财政投入，引领企业在关键产品技术研发、关键共性基础技术研究，制造体系绿色升级等方面的发展，建议增加出口信贷额度，助力电力装备走出去，助推双碳目标实现。

（6）支持建立自主可控的电力装备产业集群

随着分布式新能源发电，新型配用电系统中对微电网、数字化配用电等技术应用的不断深入，我国电力装备产业集群中仍存在一系列亟需补强的短板。如一次侧的新一代电力电子器件、高性能材料、传感器等；又如二次侧的处理器芯片、应用软件等。建议对我国电力装备产业集群进行培育扶持，协调解决首台套挂网、集招入围等市场准入问题，形成有力的牵引效应。

（7）协调多方利益，建立费用分担和利益共享机制

为消纳高比例可再生能源，电网需增加大量调频调峰调相设备，将极大增加电网建设系统成本。相较于直接燃用化石能源，工业、建筑、交通等领域再电气化将增加企业的运营成本，一定程度上影响企业实施再电气化的热情和动力。为确保“双碳”目标达成，保护各方合理的利益，建议国家相关部门出台相应的财税、金融支持政策，通过用户端碳排放评价、用户端碳排放交易、用户端碳排放配额及定价体系等机制推动并实施用户端碳交易，做好各交易品种之间的衔接，推动建立电力用户参与辅助服务的费用分担和利益共享机制。

（8）扩大全国碳排放交易体系覆盖面

提高全国碳排放交易体系的有效性和覆盖面，将更多实体纳入全国碳排放交易体系。节能量（用能权）的交易机制和交易范围及手段与碳排放权交易高度重合，他们之间的衔接亟待解决。

（9）发挥行业第三方机构的引导

充分发挥行业协会等第三方机构的作用，授权其在政府部门指导下组织、协调、指导所属产业各领域制定行动方案，监督行动进程、落实行动计划。