電力行業(yè)碳中和的實施方式和障礙

自2020年9月以來，碳達峰、碳中和成為能源圈內(nèi)的熱門話題，風光等新能源被寄予厚望。在能源規(guī)劃中，風光等新能源得到大力支持和發(fā)展，要在30·60目標中承擔主力電源作用；而煤炭生產(chǎn)要受到限制，燃煤機組裝機規(guī)模甚至要裁剪。近期寒潮之下，湖南、江西等地的“拉閘限電”又讓業(yè)內(nèi)外感到困惑：風光等新能源在冰凍覆雪中無法出力、省間輸電通道難當大任，各級政府被迫首選協(xié)調(diào)各種資源促進煤炭生產(chǎn)和運輸，保證煤電機組滿負荷運行，配合有序用電方案，才能確保民生用電不受影響。暫時的困難，并不能阻礙碳達峰、碳中和成為中國人對美好生活的向往，更不會動搖電力行業(yè)走向“脫碳”的決心。在30·60目標下，高比例風光發(fā)電模式將成為必然的電源選擇，在可預見的時間內(nèi)，“風光+大電網(wǎng)”也將是電力行業(yè)實現(xiàn)碳中和的必然技術方案。但我們還是要清醒地認識到，風光發(fā)電的大比例發(fā)展將對電網(wǎng)必須的轉動慣量和備用產(chǎn)生致命影響，嚴重威脅電網(wǎng)的平穩(wěn)運行，大量調(diào)節(jié)備用機組損失的機會成本和沉沒成本也會使電網(wǎng)的運行費用上升。在2019年倫敦大停電事故的警示之下，我國電力行業(yè)如何健康穩(wěn)定發(fā)展，謀求“安全、經(jīng)濟、環(huán)?！蹦茉床豢赡苋堑淖顑?yōu)妥協(xié)點，需要廣大專業(yè)人士認真思考和討論。

大電網(wǎng)消納方式的現(xiàn)實障礙和解決方案

2019年8月9日，英國倫敦發(fā)生了2003年以來最嚴重的停電事故。雖然導致這次事故的原因有很多，但其中最重要的原因是高比例風光發(fā)電的電網(wǎng)轉動慣量不足，異常擾動導致頻率異常波動，風電機組群對頻率波動抗干擾能力不足而脫網(wǎng)，系統(tǒng)備用不足造成的聯(lián)鎖反應。此次停電事故，給我們敲響了警鐘，需要我們認真思考電網(wǎng)實現(xiàn)高比例風光發(fā)電消納的技術和經(jīng)濟約束，以及可行的解決方案。

高比例風光發(fā)電接入系統(tǒng)影響備用問題及解決方案

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行對備用的要求。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，要求系統(tǒng)必須滿足電力平衡，任意時刻必須滿足三個條件：總發(fā)電能力必須大于負荷且有一定冗余，總發(fā)電功率必須等于總負荷功率+損耗功率，局部輸送能力必須大于局部凈需求并有一定冗余。這就要求系統(tǒng)內(nèi)必須有足夠的備用容量以應對系統(tǒng)內(nèi)的故障、發(fā)電減出力和負荷波動。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術導則》規(guī)定，系統(tǒng)備用容量為最大負荷的2%～5%，事故備用容量為最大負荷的10%，不小于系統(tǒng)一臺最大機組或饋入最大容量直流的單級容量。

高比例風光發(fā)電對系統(tǒng)備用的影響。由于風光新能源出力的隨機性、波動性和間歇性，造成系統(tǒng)內(nèi)總的發(fā)電能力不可控。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術導則》規(guī)定，風電、太陽能等新能源裝機較多的地區(qū)，需結合風光發(fā)電出力特性和參與平衡的比例，額外設置一定的負荷備用容量。根據(jù)30·60目標的推算，未來風光新能源裝機規(guī)模要達到40%～70%，如此高比例的風光發(fā)電接入系統(tǒng)，將迫使系統(tǒng)預留備用的比例大大增加。光伏能源隨著太陽光照強度波動，風電隨著自然來風變化，如果兩者在同一時期疊加，會造成風光發(fā)電出力大幅波動，甚至在極端情況下會造成風光發(fā)電出力從最大負荷突減至零，嚴重威脅系統(tǒng)運行安全，使得系統(tǒng)備用容量需求大大增加。歐盟28國傳統(tǒng)電源的容量一直保持與最大負荷相當，作為其他發(fā)電的備用容量，為了滿足電網(wǎng)的安全，系統(tǒng)備用容量大大增加。

高比例風光發(fā)電接入系統(tǒng)的解決方案。為了減小風光新能源出力的不確定性對大電網(wǎng)備用容量需求的影響，適應未來“30·60目標”的高比例風光發(fā)電要求，需要在以下四個方面加大技術投入：一是提高風光出力預測的準確性。目前國內(nèi)風光預測24小時準確率為70%，而美國風光預測24小時準確率已達90%以上。提高風光出力預測的準確性可以有效較少系統(tǒng)對備用負荷的影響。二是提高風光新能源安全穩(wěn)定性。風電光伏在發(fā)電過程中大量使用整流、逆變器等電子設備，其對于系統(tǒng)波動的抗干擾能力較常規(guī)機組嚴重不足，特別是需要提高其低電壓穿越能力，風光發(fā)電安全性的提高可以有效減少系統(tǒng)對備用負荷的需求。三是保持可調(diào)節(jié)電源足夠容量并進行靈活性改造。利用大電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部可調(diào)節(jié)性機組的調(diào)峰能力實現(xiàn)風光發(fā)電消納，需要加大可調(diào)節(jié)電源的靈活性改造，提高可調(diào)節(jié)性機組的頂峰壓谷能力，特別是提高機組負荷調(diào)整速率，提高電網(wǎng)消納風光發(fā)電能力和有效備用負荷，需要強調(diào)的是必須保持具備該特性的機組足夠的容量。四是是加快智能電網(wǎng)技術的發(fā)展。未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，將利用通訊網(wǎng)絡技術、傳感和測量技術、先進的控制方法以及決策支持系統(tǒng)技術，有效預測風光發(fā)電發(fā)電能力和備用預留，確定資源配置最佳地理范圍，提升電力設備利用效率，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好的目標。

高比例風光發(fā)電接入系統(tǒng)的經(jīng)濟性障礙

風光發(fā)電作為環(huán)保的能源方式理念已經(jīng)深入人心。隨著風光發(fā)電的投資成本逐漸下降，人們對風光發(fā)電的經(jīng)濟性誤解也在逐漸加深，認為風光發(fā)電作為邊際成本為零的能源，投入比例越高將對電網(wǎng)的經(jīng)濟性越好。然而，在我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的紅線要求前提下，投入高比例風光發(fā)電必須要在線匹配足夠的轉動慣量機組和可調(diào)節(jié)能源機組，這樣就會造成風光發(fā)電的消納成本大幅上升，并且很可能消納成本的上漲絕對量大于風光發(fā)電成本下降的絕對量。

調(diào)節(jié)電源的啟停費用。由于風光發(fā)電機組出力的波動性，電網(wǎng)為了保證電力平衡，必須配備足夠的可調(diào)機組進行調(diào)節(jié)。在高比例風光發(fā)電的電網(wǎng)中，風光發(fā)電出力的大量疊加，造成可調(diào)機組調(diào)峰范圍大大增加，甚至需要機組啟停以滿足系統(tǒng)需要。隨著風光發(fā)電滲透率逐漸升高，火電機組等可調(diào)能源利用小時數(shù)逐漸下降，煤電和燃氣機組的啟停次數(shù)卻在大幅升高。機組啟停調(diào)峰作為重大操作，其啟停成本將造成電網(wǎng)運行費用大幅增加，最終也將在用戶側用電費用上體現(xiàn)，使得高比例風光發(fā)電電網(wǎng)的經(jīng)濟性大幅下降。

調(diào)頻和備用輔助服務費用。隨著高比例風光發(fā)電投入電網(wǎng)，為了維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，必須有足量的轉動慣量機組預留調(diào)峰容量和備用容量，維持電網(wǎng)異常情況下頻率穩(wěn)定和電力平衡。而可調(diào)機組預留調(diào)頻容量和備用容量產(chǎn)生的機會成本在電力系統(tǒng)中也將成為電網(wǎng)運行費用。按照電力系統(tǒng)“誰受益、誰承擔”的原則，因調(diào)頻和備用輔助服務產(chǎn)生的費用最終也將由用戶承擔，這筆費用也將使得高比例風光發(fā)電電網(wǎng)的經(jīng)濟性大幅下降。

穩(wěn)定電源的容量補償費用。高比例風光發(fā)電投入電網(wǎng)后，電網(wǎng)大部分電量將由風光發(fā)電機組頂替生產(chǎn)，按照邊際成本報價回收變動成本的理論，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)大部分承擔備用的可調(diào)機組的固定成本將無法回收。為了保證電力設備投資的穩(wěn)定性，必須保障電力企業(yè)的合理收益，這就需要保障發(fā)電企業(yè)合理收回固定投資成本，即相當比例的機組不再以生產(chǎn)電量為主，僅作為風光發(fā)電的配套設施，這部分容量補償費用也應記為風光發(fā)電的生產(chǎn)成本。目前大部分省份都在準備設計容量補償機制和容量市場，以保證本地區(qū)穩(wěn)定的電力投資。而這部分電力投資造成的容量補償費用也將增加電力運行費用。

近期受政策利好影響，大量的風光發(fā)電投資蜂擁而至，不但造成風光發(fā)電固定投資成本不降反升，還可能造成在技術經(jīng)濟條件不變情況下消納成本快速增長。未來，大電網(wǎng)消納成本需要加上可調(diào)機組的啟停費用、調(diào)頻備用輔助服務費用和容量補償費用，消納成本將必然隨著風光發(fā)電比例的升高而大幅上升，這就會存在一個風光發(fā)電最佳比例，在此比例之后將會電網(wǎng)運行經(jīng)濟性急劇下降，超越用戶電價的承受能力，影響近期的社會經(jīng)濟發(fā)展。

實現(xiàn)碳中和目標需要著手的工作

“30·60目標”剛剛提出，電力行業(yè)的發(fā)展實施方式和技術障礙都是根據(jù)目前技術水平所提出，上述分析判斷都很初步，存在一定的局限性。但是，市場體制建設和電源電網(wǎng)技術水平的提高，卻必須從現(xiàn)在開始著手，才能不阻礙碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。

加快電力現(xiàn)貨市場機制為核心的現(xiàn)代電力市場體系建設。國際上，實現(xiàn)高比例風光發(fā)電運行的國家，無一不是已經(jīng)建立了以電力現(xiàn)貨市場機制為核心的現(xiàn)代電力市場體系，可見市場化有利于推動風光等新能源發(fā)展消納。電力系統(tǒng)中電能的發(fā)-輸-配-售-用的各個環(huán)節(jié)，都是一個市場交換過程。電力系統(tǒng)的正常運行需要理清各個環(huán)節(jié)之間的經(jīng)濟關系，利用市場這個配置資源的有效手段調(diào)節(jié)各方的權利責任，讓市場來選擇電力行業(yè)碳中和的實施方式，在優(yōu)勝劣汰的競爭中篩選出性價比最高的消納方式和消納手段。高比例風光發(fā)電+大電網(wǎng)的實施方式下，風光發(fā)電消納需要可調(diào)節(jié)能源的大力配合，就更需要電力現(xiàn)貨市場來厘清這復雜的經(jīng)濟關系，需要市場發(fā)現(xiàn)最真實的風光發(fā)電消納成本，才能讓用戶信服地接受用電成本合理上升。目前我國電力現(xiàn)貨市場建設如火如荼，8個現(xiàn)貨試點穩(wěn)步推進，其他電力市場建設緊跟其后，風光發(fā)電平等參與市場也將撥云見日。為了“30·60目標”的實現(xiàn)，電力現(xiàn)貨市場必須穩(wěn)步加快建設，以市場手段實現(xiàn)電力資源的配置，助力實現(xiàn)碳中和。

風光發(fā)電要增強成為“負責任主力電源”的使命感。“30·60目標”將激勵著廣大風光發(fā)電行業(yè)擴大生產(chǎn)，提高電力行業(yè)綠色環(huán)保程度。未來一段時間內(nèi)，風光行業(yè)要以自身是主力電源的姿態(tài)承擔電力系統(tǒng)的各項責任，不再將國家政策“照顧”作為發(fā)展的前提條件，不斷降低成本，積極參與電力市場，在公平的平臺上引領電行業(yè)發(fā)展。不但能夠承擔自身需要為電力系統(tǒng)承擔的責任，還要能夠分擔其他“配角”的責任，如同之前煤電機組長期無償為風光發(fā)電提供幫助一樣。為實現(xiàn)高比例風光發(fā)電對未來系統(tǒng)的友好性、經(jīng)濟性，風光發(fā)電必須做好負荷控制和預測，提高自身安全穩(wěn)定性，降低設備投資成本，成為真正有利于經(jīng)濟、有利于社會的環(huán)保型、友好型的電源。

火電機組要轉換定位尋求新的發(fā)展機遇。傳統(tǒng)火電機組作為穩(wěn)定的可調(diào)節(jié)機組，為中國電力行業(yè)的發(fā)展、中國社會現(xiàn)代化發(fā)展作出了巨大貢獻。未來電力行業(yè)將朝著綠色可持續(xù)發(fā)展的方向進步，但也不是不需要傳統(tǒng)能源支持，倫敦大停電事故和今年冬季國內(nèi)多地有序用電也再一次證明傳統(tǒng)煤電的必須性。在未來“30·60目標”下，實現(xiàn)碳中和的高比例風光發(fā)電需要火電機組提供必須的旋轉慣量和備用支撐。雖然火電機組的利用小時數(shù)超預期大幅下降成為必然趨勢，但火電機組的備用裝機容量還是需要長久保持。所以未來電網(wǎng)系統(tǒng)不是減少火電容量，而是要減少火電發(fā)電量。建議暫緩關?；痣姍C組，將其作為備用電源，時刻作為電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐。面對未來，火電機組要適應形勢需要，必須加強自身建設，做好設備管理維護，做到緊急時刻靠得住、關鍵時刻頂?shù)蒙系姆€(wěn)定可調(diào)機組，以期在調(diào)頻備用市場中、容量補償市場中贏得先機。

碳達峰、碳中和目標作為我國向世界作出的鄭重承諾，將在未來指導我國能源行業(yè)的發(fā)展方向。目前，我國正在在努力構建國內(nèi)國際雙循環(huán)的新經(jīng)濟發(fā)展格局，“30·60目標”將加快推進我國能源產(chǎn)業(yè)轉型升級，促進電力行業(yè)供給側結構性改革，以電力工業(yè)升級改造加速國內(nèi)經(jīng)濟循環(huán)，促進國民經(jīng)濟健康發(fā)展。廣大能源行業(yè)從業(yè)者要堅定不移地支持“30·60目標”的實現(xiàn)，努力轉變生產(chǎn)方式促進能源轉型升級，以能源革命的自我革新碰撞出“安全、經(jīng)濟、環(huán)?！蹦茉床豢赡苋堑淖顑?yōu)妥協(xié)點，真正做到有利于人民、有利于碳中和目標的實現(xiàn)。

國電中星是一家專業(yè)的電力測試設備生產(chǎn)廠家，密切關注電力行業(yè)相關發(fā)展動態(tài)，了解更多請訪問國電中星官網(wǎng)：m.fsshigao.com。