多时空尺度的两岸电力能源互联互补发展分析*

李 晖 刘文亮 杨晓东 石家标 严 文 唐雨晨 林章岁 梅 超 胡 雯

(1.福建省电机工程学会，福建 福州 350000;2.国网福建省电力有限公司，福建 福州 350000;3.国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建 福州 350000;4.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门 361012;5.清华海峡研究院(厦门)智慧能源研究中心，福建 厦门 361012)

0 引言

工业革命以来，人类社会对化石能源的需求与日俱增。化石能源储量有限且不可再生，同时其开采和利用过程会对生态环境造成严重的不利影响，在能源供应短缺与生态环境保护的双重压力下，能源问题已成为人类社会所面临的的紧迫问题[1]。为有效应对我国能源安全危机，国家对于未来能源结构和发展政策及时进行了调整和规划，制定了于2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标[2]。为积极响应“双碳”目标，建设适应新能源发展的新型电力系统刻不容缓。2022年1月30日，发改委、能源局发布的《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》明确指出，要完善适应可再生能源局域深度利用和广域输送的电网体系，加强省际、区域间电网互联互通，统筹能源绿色低碳转型和能源供应安全保障[3]。

2019年1月2日，习近平总书记在《告台湾同胞书》发表40周年纪念大会上的讲话中强调，两岸要应通尽通，提升经贸合作畅通、基础设施联通、能源资源互通、行业标准共通，可以率先实现金门、马祖同福建沿海地区通水、通电、通气、通桥[4]。“新四通”主张的提出，为新时期两岸经济社会的融合发展制定了新的目标，在新型电力系统发展背景下，从国家政策和机制体制层面为闽台电力联网奠定了良好的基础。

在闽台联网技术层面，兰生等[5]提出建设两回路直流海底电缆，实现福州—台北和厦门—高雄的电力互联，并分析了换流站与接地极线路的设计选择。马小康[6]从地理条件、经济成本、电网安全等多个维度研究了作为闽台联网先行试点的金门、马祖与福建电网互联的潜力。林毅等[7]对台湾电力工业概况及电力供需形势发展进行了较为详细的分析，研究表明未来5～10年台湾电力将持续面临电力供应紧缺，孤岛电网运行安全风险不断增大。姜瑞敏[8]、刘威[9]分别对区域互联电网的最优互联容量配置和最优区域电价机制进行了研究。在此基础上，史超名[10]进一步提出了含高比例可再生能源的两区域互联电网联络线功率控制策略。Sun等[11]分析了多端柔直互联对于系统电能质量和安全稳定性的提升作用，提出了基于柔性多状态开关的多区域电网互联优化运行方法。

上述文献对于闽台电网互联的必要性和技术可行性进行了较为详细的论证，但在宏观规划层面，对两岸电力资源互补特性和发展路径研究较少。本文旨在通过深入调研福建省、台湾地区能源现状、共享互补特性，以能源互联网为出发点，紧密贴合两岸发展绿色能源、可再生能源的能源产业重点，对两岸电力能源互联网及两岸可再生资源的共享开发进行展望，提出两岸电力能源互联网建设的技术及政策建议。

1 福建与台湾能源资源禀赋及电力系统概况

1.1 两岸能源资源禀赋

1.1.1 各类能源资源禀赋

(1)化石能源

福建、台湾均属于化石能源匮乏地区。福建仅有少量煤炭储量，且以低热值的无烟煤为主。两岸基本没有石油、天然气资源。目前福建、台湾两地的煤炭、石油、天然气资源基本全部依赖区外输入。

(2)水电

福建是我国水资源蕴藏量较丰富的省份之一，共有29个水系，663条河流。福建省水电资源总量约1354.2万kW，目前开发程度接近90%，已基本开发完毕，进一步开发潜力很小。台湾水电装机210万kW，开发量约为50%，可开发总量较为有限。

(3)核电

福建沿海核电厂址资源较为丰富，目前已投运核电2座，总装机容量约1100万kW，后续发展空间较大，预计远景核电装机规模可达2000万～3000万kW。台湾在运核电装机容量387万kW。

(4)风电、光伏

台湾海峡受到季风性气候影响，结合海峡地形的“狭管效应”，海上风力资源优越，大部分海域年平均风速在8.5m/s以上，其中海峡中部年平均风速超过10m/s，具备巨大的海上风电开发潜力。初步测算台湾海峡海上风电可开发资源可达2亿～3亿kW，其中海峡福建侧约1亿kW，台湾侧1亿～2亿kW。若上述资源全部开发，其发电量将超过福建、台湾全社会用电总量。

福建、台湾主要属于光伏资源三、四类地区，福建南部、台湾南部光照条件较好。由于海峡两岸土地资源稀缺，光伏发展以分布式为主。

1.1.2 能源供需形势

目前，由于本地化石能源资源匮乏，两岸能源资源严重依赖区外输入。2019年，福建、台湾能源区外输入的占比分别高达86%、98%。同时，两岸化石能源消费占比仍较高，例如2019年福建省煤炭、石油占能源消费总量的比重约为47%、23%，清洁能源占比约为25%。

随着“双碳”目标的提出，两岸均将发展海上风电、光伏等新能源作为优化能源结构的重要措施。福建风电发电占比预计将从目前的6%提升到2030年的14%。台湾规划在2025年投产2000万kW光伏及1000万kW风电，可提供全社会用电量的约20%。

1.2 两岸电力系统概况

福建电网已形成以1000kV特高压为最高电压等级的主干网架，以及煤电、水电、抽蓄、核电、风电等多元化的电源结构。福建电网目前已形成与华东的特高压联网，电力供需以自平衡及季节性盈余外送为主。

台湾电网目前形成345kV主干网架，电源结构以燃气及燃煤发电为主，核电、水电及新能源电源为辅。受历史原因和地理环境影响，台湾电网以孤岛电网方式运行，主干网架呈现南北多回路链式结构，南北部电源、负荷分布不均衡[12]。台湾地区能源、土地资源较为稀缺，电源建设滞后，并缺乏外界电网支撑，影响了电网运行可靠性，近年来发生多次大停电事故。2022年3月3日，由于兴达电厂开关厂事故造成连锁故障，引发大量机组脱网及电网南北解列，导致台湾地区大范围停电。

2 多时空尺度的福建与台湾电力能源互补特性研究

2.1 新型电力系统的多时空尺度调节需求

基于两岸能源资源禀赋，两岸新型电力系统将形成海上风电、光伏提供清洁电量，核电提供基荷支撑，水电、抽蓄、气电、煤电提供调节和供电保障的电源结构。风电、光伏具有间歇性和波动性，核电调节能力较差，因此系统将承担较大的电力平衡与调节压力。

新能源电源出力的不稳定性涵盖了分钟、小时级的波动性，日内和日间的间歇性，以及不同季节的不均衡性。这一特性导致新型电力系统对灵活调节能力的需求也将涵盖不同的时间尺度，包括短期的调频及短期电力平衡需求，中期的日调峰需求，以及以周、月、季度为单位的长期调节需求。不同时间尺度的调节需求需要通过不同类型的调节资源支撑。

从空间尺度上看，更大范围、多类型的新能源电源通过大电网互联互通，一方面可以提升新能源电源的互补性，减轻新能源大幅波动和极端出力的程度，另一方面可以实现电网调节、备用资源的相互支援，减轻地区电网灵活调节的压力。两岸在建设新型电力系统的过程中，通过电网互联互补，有助于提升新能源消纳和供电安全保障能力。两岸在能源问题上具有很强的相似性，两岸能源合作在电力资源、基础设施建设等方面均具有互补性，两岸在能源问题上具有很强的合作动力。

2.2 两岸电网互联互补的必要性分析

基于两岸电网现状及新型电力系统的发展方向，两岸电网互联的必要性主要体现在如下三个方面。

首先，电网互联是促进可再生能源消纳的重要途径。2020年，欧盟可再生能源发电量占比达到38%，欧洲互联电网实现了各国电网互为备用、电力资源灵活调配，为高比例可再生能源安全消纳提供了支撑。可以预见，随着福建、台湾可再生能源规模和占比的进一步提高，两岸电网互联将为新能源安全高效消纳提供重要的支撑。

第二，电网互联是提升供电保障能力的有效措施。2017年以来，由于电力运行误操作、支撑电源不足、缺乏跨区互联支撑、主干网架结构不够坚强等原因，台湾电网发生了多次因单一大型电源故障引发的大范围停电事故。通过两岸电网互联提供应急支援，可以有效提升电网安全可靠性。

第三，大电网互联是增强电网防灾抗灾能力的有力支撑。福建、台湾地处台风登陆区，台风等极端自然灾害对电网安全造成重大挑战。两岸电网相互支持、互为备用，将大幅增强抵御严重故障的能力，有效降低极端天气带来的大规模停电风险。

2.3 两岸电力系统互补特性研究

2.3.1 两岸电网电源结构

福建电网主力电源以煤电、水电、核电、风电为主，电源种类较为齐全(表1)。福建电网以核电为基荷电源，煤电、水电为主承担调节和尖峰负荷供电，新能源电源作为补充。由于核电、风电占比较高，电网灵活调节能力趋于紧缺。

表1 2020年福建电源结构

台湾电网以气电、煤电为主力电源，并大力发展光伏、海上风电等新能源电源(表2)。

表2 2020年台湾电源结构

可见，福建电网基荷电源充裕。台湾电网燃气、煤电等火电装机容量较大，短时调节能力、调峰能力及启停调节能力较强。通过电网互联互通，可以有效共享不同时间尺度的供电及调节资源，提升新能源消纳能力及供电保障能力。

2.3.2 两岸电网负荷特性

台湾与福建地理位置接近，经纬度差异小，气候条件较为相似，因此两地负荷特性总体较为一致。从年度特性上看，夏季均为全年负荷高峰期。从日负荷特性上看，大致表现为午、晚双峰形态。从时空上看，两地负荷无明显差距，互补性相对较小。

图1 台湾四季典型负荷曲线

图2 福建四季典型负荷曲线

2.3.3 两岸电网时间互补性算例分析

以2025年秋季某典型日为算例，计算两岸电网各类型电源出力曲线。其中，基荷电源以核电为主。调节电源以煤电、气电、抽蓄为主，新能源电源以风电、光伏为主。风电出力取逆调峰典型曲线，光伏出力取晴好天气典型曲线，其他电源根据电源特性及供电需求安排出力。

两岸未互联情况下，福建、台湾电源出力分解如下图。可见，福建电网基荷电源充分，但在新能源出力逆调峰的情况下，电网调节资源较紧张。该典型方式下，福建燃气电源需要启停调峰，火电调峰深度接近其调峰能力上限60%。台湾电网以燃气电厂为主力电源，基荷电源少，调节能力充分，燃气电厂不需要启停调峰，煤电、气电调峰深度均在50%左右。

图3 福建典型日电源出力分解

图4 台湾典型日电源出力分解

在两岸电网互联互补的情况下，考虑两岸电源平均出力，上述典型日两岸煤电、气电调峰深度在45%～55%，气电均不需要启停调峰，电网运行灵活性更强。两岸电力互补曲线如图6所示(正值表示福建向台湾送电)。可见，负荷低谷时段福建向台湾送电，高峰时段台湾向福建输电，福建电网为台湾电网提供基荷支撑，满足其保供需求；台湾电网为福建电网提供了灵活性支撑，满足其调峰需求。

图6 联网后两岸电力互补曲线

由此可见，在新能源快速发展的情况下，两岸电网具有互联互补的需求和空间。

图5 联网后两岸典型日电源出力分解

2.3.4 两岸电网空间互补性展望

台湾电网整体呈现南电北送，负荷中心位于台湾西北侧沿海。福建电网整体呈现北电南送，负荷中心位于东侧沿海，电源基地主要位于北部沿海。福建北部与台湾北部电网互联，从空间互补上主要有三方面作用：①在台湾南部大型电源或南电北送通道严重故障时，可以及时为台湾北部负荷中心提供供电支撑。②在福建北部电网遭遇极端故障时，可以由台湾电网为福建提供应急支持。③在台湾海峡海上风电等新能源大出力时，可以通过福建与华东联网向更大范围输出两岸清洁电力，实现新能源的优化利用。

图7 两岸电网空间互补格局

3 多时空尺度的两岸电力能源互联发展前景

由于闽台两岸电力系统在多时间、空间尺度具有高度互补特性，因此可通过共享海峡风电资源开发、电网互联互通等形式实现互补共享，提升各自备用容量互补，降低总体备用容量需求，提高电力系统运行的可靠性；闽台两岸电力系统在多时空尺度的共享互补下有助于相互提供供电能力和调峰能力支撑，优化机组组合，提高发电机组利用率；可以在更大范围内实现电力资源优化配置。

闽台两地的电力系统目前并未联网，且系统频率不同、系统电压不同、控制标准不同。但从国内大区电网互联、欧洲跨国电网互联的发展历程来看，只要一次能源、源荷分配存在互补特性，经过科学的发展路径后都能够克服相关差异，形成资源互济的联网系统。

3.1 “双碳”背景下两岸电力系统互联互补的需求分析

台湾海峡在理论上蕴含了丰富的离岸风电资源，由于储量巨大，要实现大范围开发需要整合足够的调峰资源支持。目前，福建侧已通过华东电网实现与全国电网互联，可以平衡大规模离岸风电并网后带来的电力和电量波动性。而台湾侧的调节资源并不足以支撑环岛风场的大规模开发。故而海峡离岸风电的饱和开发需要闽台两地电网进行互联，以解决台湾岛内电力调峰资源不足问题。

3.2 两岸电力系统互联互补的要素分析

参考国内跨区电网、欧洲电网的联网发展路径，两岸电力系统可从协同规划、统一技术标准、统一管理标准、建立统一市场等方面开展电力系统互联的基础研究。

3.2.1 统一技术、管理标准

在跨区域电网互联中，需要通过一整套的统一标准，实现两岸在电网稳定分析、电网调节控制、电网运行指标、电力市场交易，以及可再生能源建设、智能电网、高压输电等方面的标准统一，形成统一的标准共识。逐步克服和弥合两岸电网因历史原因造成的频率、电压序列等关键差异。借助金厦联网等示范工程，建立统一的两岸直流联网技术、运维、管理相关标准，并逐步拓展到电网其他领域。通过交流合作，充分借鉴双方电网发展中的优点和经验，推动电网技术进步和管理水平提升，并形成共同适用于两岸电网及联网系统的统一标准体系。

3.2.2 协同开展规划研究

开展两岸新型电力系统顶层设计规划研究，综合考虑两岸能源结构、资源禀赋及供需格局，统筹规划两岸新型电力系统主干网架结构及联网方案，形成支撑两岸新能源安全高效消纳、能源电力双向优化配置、社会经济及环境效益最优的两岸电力联网方案。

3.2.3 共建电力市场机制

从国内和世界电力发展历程看，市场化交易是促进资源公平、优化配置的有效手段。两岸电力互联后，要实现绿电资源的有效利用和电力资源的优化配置，推动电力系统的低碳化转型，建立统一的电力交易市场和碳市场是必要的前提条件。

3.3 两岸电力系统互联互补的前景

3.3.1 推动两岸新能源合作开发

借助金厦联网、福马联网，探索周边海上风电及光伏电源合作开发，打造新能源利用的互利共赢合作示范。可推广到台湾海峡中部大规模海上风电合作开发，并研究建立两岸及海上风电集群多端联网。

3.3.2 促进两岸新能源产业合作

充分发挥福建海上风电国际产业园、宁德时代电化学储能等优势产业，以及台湾光伏、电子等优势产业，促进两岸新能源、新技术产业相互合作、做大做强，为两岸经济民生带来切实利益。

3.3.3 促进两岸电力生态圈共赢

在电力系统的互联 探索中，可加强两岸技术、人才、市场、服务等多方面交流，推动两岸电力能源合作向技术产业论坛、电力装备市场、涉电业务市场、电力人才培育等领域辐射，进一步培育合作共赢的良好氛围。

4 结论

电力能源领域的清洁低碳发展为加强两岸电网互联互补提供了新的契机。在新能源大规模开发的背景下，两岸加强电力能源领域的合作，并最终实现电网互联，是提升供电可靠性、新能源利用效率及电网防抗极端灾害能力的有效途径。

两岸电网从电源结构、应急支援等方面在多时空尺度上均具有较好的互补空间。两岸电网互联互通，可以实现基荷支撑电源及调峰电源的互补互济，对提升新型电力系统运行效率具有切实帮助。

在两岸电力能源互联发展的前景方面，提出了两岸电力互联、新能源合作开发、电力能源共享合作的必要要素和前景展望。建议以金厦联网、福马联网为示范，推动两岸新能源产业合作、电力联网标准及机制合作，逐步引导两岸电力能源领域互利共赢走向深入。