電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式和障礙

自2020年9月以來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和成為能源圈內(nèi)的熱門(mén)話題，風(fēng)光等新能源被寄予厚望。在能源規(guī)劃中，風(fēng)光等新能源得到大力支持和發(fā)展，要在30·60目標(biāo)中承擔(dān)主力電源作用；而煤炭生產(chǎn)要受到限制，燃煤機(jī)組裝機(jī)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(fēng)光等新能源在冰凍覆雪中無(wú)法出力、省間輸電通道難當(dāng)大任，各級(jí)政府被迫首選協(xié)調(diào)各種資源促進(jìn)煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸，保證煤電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，配合有序用電方案，才能確保民生用電不受影響。暫時(shí)的困難，并不能阻礙碳達(dá)峰、碳中和成為中國(guó)人對(duì)美好生活的向往，更不會(huì)動(dòng)搖電力行業(yè)走向“脫碳”的決心。在30·60目標(biāo)下，高比例風(fēng)光發(fā)電模式將成為必然的電源選擇，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，“風(fēng)光+大電網(wǎng)”也將是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然技術(shù)方案。但我們還是要清醒地認(rèn)識(shí)到，風(fēng)光發(fā)電的大比例發(fā)展將對(duì)電網(wǎng)必須的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和備用產(chǎn)生致命影響，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，大量調(diào)節(jié)備用機(jī)組損失的機(jī)會(huì)成本和沉沒(méi)成本也會(huì)使電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用上升。在2019年倫敦大停電事故的警示之下，我國(guó)電力行業(yè)如何健康穩(wěn)定發(fā)展，謀求“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”能源不可能三角的最優(yōu)妥協(xié)點(diǎn)，需要廣大專(zhuān)業(yè)人士認(rèn)真思考和討論。

大電網(wǎng)消納方式的現(xiàn)實(shí)障礙和解決方案

2019年8月9日，英國(guó)倫敦發(fā)生了2003年以來(lái)最嚴(yán)重的停電事故。雖然導(dǎo)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(fēng)光發(fā)電的電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足，異常擾動(dòng)導(dǎo)致頻率異常波動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組群對(duì)頻率波動(dòng)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(yīng)。此次停電事故，給我們敲響了警鐘，需要我們認(rèn)真思考電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電消納的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)約束，以及可行的解決方案。

高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)影響備用問(wèn)題及解決方案

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)備用的要求。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求系統(tǒng)必須滿足電力平衡，任意時(shí)刻必須滿足三個(gè)條件：總發(fā)電能力必須大于負(fù)荷且有一定冗余，總發(fā)電功率必須等于總負(fù)荷功率+損耗功率，局部輸送能力必須大于局部?jī)粜枨蟛⒂幸欢ㄈ哂?。這就要求系統(tǒng)內(nèi)必須有足夠的備用容量以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的故障、發(fā)電減出力和負(fù)荷波動(dòng)。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，系統(tǒng)備用容量為最大負(fù)荷的2%～5%，事故備用容量為最大負(fù)荷的10%，不小于系統(tǒng)一臺(tái)最大機(jī)組或饋入最大容量直流的單級(jí)容量。

高比例風(fēng)光發(fā)電對(duì)系統(tǒng)備用的影響。由于風(fēng)光新能源出力的隨機(jī)性、波動(dòng)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(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源裝機(jī)較多的地區(qū)，需結(jié)合風(fēng)光發(fā)電出力特性和參與平衡的比例，額外設(shè)置一定的負(fù)荷備用容量。根據(jù)30·60目標(biāo)的推算，未來(lái)風(fēng)光新能源裝機(jī)規(guī)模要達(dá)到40%～70%，如此高比例的風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)，將迫使系統(tǒng)預(yù)留備用的比例大大增加。光伏能源隨著太陽(yáng)光照強(qiáng)度波動(dòng)，風(fēng)電隨著自然來(lái)風(fēng)變化，如果兩者在同一時(shí)期疊加，會(huì)造成風(fēng)光發(fā)電出力大幅波動(dòng)，甚至在極端情況下會(huì)造成風(fēng)光發(fā)電出力從最大負(fù)荷突減至零，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運(yùn)行安全，使得系統(tǒng)備用容量需求大大增加。歐盟28國(guó)傳統(tǒng)電源的容量一直保持與最大負(fù)荷相當(dāng)，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(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)的解決方案。為了減小風(fēng)光新能源出力的不確定性對(duì)大電網(wǎng)備用容量需求的影響，適應(yīng)未來(lái)“30·60目標(biāo)”的高比例風(fēng)光發(fā)電要求，需要在以下四個(gè)方面加大技術(shù)投入：一是提高風(fēng)光出力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)光預(yù)測(cè)24小時(shí)準(zhǔn)確率為70%，而美國(guó)風(fēng)光預(yù)測(cè)24小時(shí)準(zhǔn)確率已達(dá)90%以上。提高風(fēng)光出力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性可以有效較少系統(tǒng)對(duì)備用負(fù)荷的影響。二是提高風(fēng)光新能源安全穩(wěn)定性。風(fēng)電光伏在發(fā)電過(guò)程中大量使用整流、逆變器等電子設(shè)備，其對(duì)于系統(tǒng)波動(dòng)的抗干擾能力較常規(guī)機(jī)組嚴(yán)重不足，特別是需要提高其低電壓穿越能力，風(fēng)光發(fā)電安全性的提高可以有效減少系統(tǒng)對(duì)備用負(fù)荷的需求。三是保持可調(diào)節(jié)電源足夠容量并進(jìn)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(jī)組的調(diào)峰能力實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(jī)組的頂峰壓谷能力，特別是提高機(jī)組負(fù)荷調(diào)整速率，提高電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電能力和有效備用負(fù)荷，需要強(qiáng)調(diào)的是必須保持具備該特性的機(jī)組足夠的容量。四是是加快智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展，將利用通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及決策支持系統(tǒng)技術(shù)，有效預(yù)測(cè)風(fēng)光發(fā)電發(fā)電能力和備用預(yù)留，確定資源配置最佳地理范圍，提升電力設(shè)備利用效率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的目標(biāo)。

高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性障礙

風(fēng)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(fēng)光發(fā)電的投資成本逐漸下降，人們對(duì)風(fēng)光發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性誤解也在逐漸加深，認(rèn)為風(fēng)光發(fā)電作為邊際成本為零的能源，投入比例越高將對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性越好。然而，在我國(guó)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(fēng)光發(fā)電必須要在線匹配足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)組和可調(diào)節(jié)能源機(jī)組，這樣就會(huì)造成風(fēng)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(duì)量大于風(fēng)光發(fā)電成本下降的絕對(duì)量。

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

調(diào)頻和備用輔助服務(wù)費(fèi)用。隨著高比例風(fēng)光發(fā)電投入電網(wǎng)，為了維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須有足量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)組預(yù)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(jī)組預(yù)留調(diào)頻容量和備用容量產(chǎn)生的機(jī)會(huì)成本在電力系統(tǒng)中也將成為電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用。按照電力系統(tǒng)“誰(shuí)受益、誰(shuí)承擔(dān)”的原則，因調(diào)頻和備用輔助服務(wù)產(chǎn)生的費(fèi)用最終也將由用戶承擔(dān)，這筆費(fèi)用也將使得高比例風(fēng)光發(fā)電電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性大幅下降。

穩(wěn)定電源的容量補(bǔ)償費(fèi)用。高比例風(fēng)光發(fā)電投入電網(wǎng)后，電網(wǎng)大部分電量將由風(fēng)光發(fā)電機(jī)組頂替生產(chǎn)，按照邊際成本報(bào)價(jià)回收變動(dòng)成本的理論，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)大部分承擔(dān)備用的可調(diào)機(jī)組的固定成本將無(wú)法回收。為了保證電力設(shè)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(dāng)比例的機(jī)組不再以生產(chǎn)電量為主，僅作為風(fēng)光發(fā)電的配套設(shè)施，這部分容量補(bǔ)償費(fèi)用也應(yīng)記為風(fēng)光發(fā)電的生產(chǎn)成本。目前大部分省份都在準(zhǔn)備設(shè)計(jì)容量補(bǔ)償機(jī)制和容量市場(chǎng)，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(bǔ)償費(fèi)用也將增加電力運(yùn)行費(fèi)用。

近期受政策利好影響，大量的風(fēng)光發(fā)電投資蜂擁而至，不但造成風(fēng)光發(fā)電固定投資成本不降反升，還可能造成在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件不變情況下消納成本快速增長(zhǎng)。未來(lái)，大電網(wǎng)消納成本需要加上可調(diào)機(jī)組的啟停費(fèi)用、調(diào)頻備用輔助服務(wù)費(fèi)用和容量補(bǔ)償費(fèi)用，消納成本將必然隨著風(fēng)光發(fā)電比例的升高而大幅上升，這就會(huì)存在一個(gè)風(fēng)光發(fā)電最佳比例，在此比例之后將會(huì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性急劇下降，超越用戶電價(jià)的承受能力，影響近期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需要著手的工作

“30·60目標(biāo)”剛剛提出，電力行業(yè)的發(fā)展實(shí)施方式和技術(shù)障礙都是根據(jù)目前技術(shù)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(chǎng)體制建設(shè)和電源電網(wǎng)技術(shù)水平的提高，卻必須從現(xiàn)在開(kāi)始著手，才能不阻礙碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

加快電力現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制為核心的現(xiàn)代電力市場(chǎng)體系建設(shè)。國(guó)際上，實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電運(yùn)行的國(guó)家，無(wú)一不是已經(jīng)建立了以電力現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制為核心的現(xiàn)代電力市場(chǎng)體系，可見(jiàn)市場(chǎng)化有利于推動(dòng)風(fēng)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(gè)環(huán)節(jié)，都是一個(gè)市場(chǎng)交換過(guò)程。電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要理清各個(gè)環(huán)節(jié)之間的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，利用市場(chǎng)這個(gè)配置資源的有效手段調(diào)節(jié)各方的權(quán)利責(zé)任，讓市場(chǎng)來(lái)選擇電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式，在優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)中篩選出性?xún)r(jià)比最高的消納方式和消納手段。高比例風(fēng)光發(fā)電+大電網(wǎng)的實(shí)施方式下，風(fēng)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(chǎng)來(lái)厘清這復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，需要市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)最真實(shí)的風(fēng)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(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)如火如荼，8個(gè)現(xiàn)貨試點(diǎn)穩(wěn)步推進(jìn)，其他電力市場(chǎng)建設(shè)緊跟其后，風(fēng)光發(fā)電平等參與市場(chǎng)也將撥云見(jiàn)日。為了“30·60目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)，電力現(xiàn)貨市場(chǎng)必須穩(wěn)步加快建設(shè)，以市場(chǎng)手段實(shí)現(xiàn)電力資源的配置，助力實(shí)現(xiàn)碳中和。

風(fēng)光發(fā)電要增強(qiáng)成為“負(fù)責(zé)任主力電源”的使命感?！?0·60目標(biāo)”將激勵(lì)著廣大風(fēng)光發(fā)電行業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)，提高電力行業(yè)綠色環(huán)保程度。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)光行業(yè)要以自身是主力電源的姿態(tài)承擔(dān)電力系統(tǒng)的各項(xiàng)責(zé)任，不再將國(guó)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(chǎng)，在公平的平臺(tái)上引領(lǐng)電行業(yè)發(fā)展。不但能夠承擔(dān)自身需要為電力系統(tǒng)承擔(dān)的責(zé)任，還要能夠分擔(dān)其他“配角”的責(zé)任，如同之前煤電機(jī)組長(zhǎng)期無(wú)償為風(fēng)光發(fā)電提供幫助一樣。為實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的友好性、經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)光發(fā)電必須做好負(fù)荷控制和預(yù)測(cè)，提高自身安全穩(wěn)定性，降低設(shè)備投資成本，成為真正有利于經(jīng)濟(jì)、有利于社會(huì)的環(huán)保型、友好型的電源。

火電機(jī)組要轉(zhuǎn)換定位尋求新的發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)火電機(jī)組作為穩(wěn)定的可調(diào)節(jié)機(jī)組，為中國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展、中國(guó)社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。未來(lái)電力行業(yè)將朝著綠色可持續(xù)發(fā)展的方向進(jìn)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(guó)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(lái)“30·60目標(biāo)”下，實(shí)現(xiàn)碳中和的高比例風(fēng)光發(fā)電需要火電機(jī)組提供必須的旋轉(zhuǎn)慣量和備用支撐。雖然火電機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)超預(yù)期大幅下降成為必然趨勢(shì)，但火電機(jī)組的備用裝機(jī)容量還是需要長(zhǎng)久保持。所以未來(lái)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(guān)?；痣姍C(jī)組，將其作為備用電源，時(shí)刻作為電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐。面對(duì)未來(lái)，火電機(jī)組要適應(yīng)形勢(shì)需要，必須加強(qiáng)自身建設(shè)，做好設(shè)備管理維護(hù)，做到緊急時(shí)刻靠得住、關(guān)鍵時(shí)刻頂?shù)蒙系姆€(wěn)定可調(diào)機(jī)組，以期在調(diào)頻備用市場(chǎng)中、容量補(bǔ)償市場(chǎng)中贏得先機(jī)。

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作為我國(guó)向世界作出的鄭重承諾，將在未來(lái)指導(dǎo)我國(guó)能源行業(yè)的發(fā)展方向。目前，我國(guó)正在在努力構(gòu)建國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局，“30·60目標(biāo)”將加快推進(jìn)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)電力行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，以電力工業(yè)升級(jí)改造加速?lài)?guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)循環(huán)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。廣大能源行業(yè)從業(yè)者要堅(jiān)定不移地支持“30·60目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)，努力轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)，以能源革命的自我革新碰撞出“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！蹦茉床豢赡苋堑淖顑?yōu)妥協(xié)點(diǎn)，真正做到有利于人民、有利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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