新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)以及有關(guān)機(jī)制思考

●郭劍波

“雙碳”目標(biāo)的背景及我國能源結(jié)構(gòu)分析

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會講話中宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國的承諾鼓舞了世界，此后，有關(guān)“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略部署步伐加快，今年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議提出，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳生活方式，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

“雙碳”目標(biāo)提出后，社會各界積極采取行動，制定行動方案，綜合采用減少碳排放、增加碳匯及負(fù)排放技術(shù)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑。在能源生產(chǎn)側(cè)，推動清潔能源替代化石能源（目前主要以電能形式利用）；在能源消費(fèi)側(cè)，推動電能替代以降低社會整體碳排放，因此，電力行業(yè)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場。

按照多方預(yù)測，2060年我國一次能源消費(fèi)總量約為46億噸標(biāo)煤，其中非化石能源占比將達(dá)到80%以上，風(fēng)、光將成為主要能源，且主要轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行利用；終端能源消費(fèi)方面，交通、建筑、工業(yè)等行業(yè)紛紛將電氣化作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，2060年時(shí)電力占終端能源消費(fèi)比例將達(dá)到79%～92%。

據(jù)國網(wǎng)能源院預(yù)測，2060年我國全社會用電量約為15萬億千瓦時(shí)，電源總裝機(jī)將達(dá)到80億千瓦。其中，新能源（風(fēng)光，不含生物質(zhì)，下同）裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到50億千瓦，占比超過60%，電量占比超過55%，逐漸成為電量供應(yīng)主體；水電、核電、火電等同步發(fā)電機(jī)組裝機(jī)占比約為23%，電量占比低于40%，仍有較大比重。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行清潔替代、電能替代兩個(gè)轉(zhuǎn)型，并構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力將變?yōu)榛A(chǔ)能源，電網(wǎng)將成為能源供應(yīng)、消費(fèi)以及傳輸轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源資源的不確定性、設(shè)備低抗擾弱支撐性帶來安全挑戰(zhàn)；在一段時(shí)間內(nèi)，為解決安全問題需要加大投資、增加運(yùn)行成本，帶來經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。為破解環(huán)境—安全—經(jīng)濟(jì)三角矛盾，需要在運(yùn)行調(diào)控機(jī)制、電價(jià)市場機(jī)制、政策法規(guī)機(jī)制等方面進(jìn)行創(chuàng)新。

新型電力系統(tǒng)面臨充裕性挑戰(zhàn)

新能源利用小時(shí)數(shù)低。截至2020年底，我國新能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到5.43億千瓦，發(fā)電量7270億千瓦時(shí)，利用小時(shí)數(shù)1340小時(shí)，每1億千瓦新能源裝機(jī)的發(fā)電量僅占當(dāng)年電量的1.8%。新能源利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，新能源要獲得高電量占比，其裝機(jī)容量需大于負(fù)荷。預(yù)計(jì)2060年，我國電源裝機(jī)將超過70億千瓦，遠(yuǎn)大于當(dāng)年26～28億千瓦的最大負(fù)荷。電力電量時(shí)空分布的極度不均衡必將催生商業(yè)模式、以及物質(zhì)鏈、信息鏈和價(jià)值鏈重塑。

新能源保證出力低。我國新能源最小日平均出力處于較低水平，各省、各區(qū)域、國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)的新能源1天最小日平均出力水平分別為3.6%、8.0%和10.7%；3天最小日平均出力水平分別為5.9%、9.1%、11.6%。新能源最小保證出力水平低，供電保障難度大，需要與大電網(wǎng)、兜底電源和其他類型靈活調(diào)節(jié)資源等配合實(shí)現(xiàn)供電保障，需要額外的成本和投資。

新能源出力分布大。新能源出力波動持續(xù)時(shí)間長、分布大。2018年新疆風(fēng)電大波動最長持續(xù)時(shí)間超過2天，風(fēng)電低于裝機(jī)容量20%的低出力最長持續(xù)時(shí)間超過8天。據(jù)預(yù)測，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷之比為5%～61%，2060年新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷之比為11%～187%(需要考慮儲能技術(shù)和棄風(fēng)棄光)。新能源低出力時(shí)段，電力系統(tǒng)需要常規(guī)電源等非新能源機(jī)組實(shí)現(xiàn)功率平衡；新能源長時(shí)間高出力則給系統(tǒng)消納、安全和儲能技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。

新能源日內(nèi)功率波動大。2019年，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)新能源日最大功率波動達(dá)1.07億千瓦，占其裝機(jī)的31%。據(jù)預(yù)測，2060年全國范圍內(nèi)新能源日內(nèi)最大功率波動將超過16億干瓦，超過當(dāng)年常規(guī)電源(火電、水電、核電)總裝機(jī)容量，約占日峰荷的60%～75%；新能源15分鐘最大功率波動可達(dá)峰荷的10%左右，1小時(shí)可達(dá)25%左右。常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力難以應(yīng)對新能源功率波動，需要大規(guī)模儲能技術(shù)加以應(yīng)對。

新能源出力存在季節(jié)性偏差。風(fēng)、光資源的間歇性、不確定性大，影響新能源可信容量的確定，增大系統(tǒng)規(guī)劃難度。風(fēng)電發(fā)電量主要集中在春冬兩季（約占60%），光伏發(fā)電量主要集中在夏秋兩季（約占60%）；大小風(fēng)年的風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)相差超過20%，光伏利用小時(shí)數(shù)相差約10%。

新能源日前功率預(yù)測絕對誤差大。我國地形復(fù)雜，氣候類型多樣，隨機(jī)波動性強(qiáng)，高精度功率預(yù)測更難；風(fēng)電省級出力15分鐘波動變化率大于3%的比例超過10%，較歐美國家高7個(gè)百分點(diǎn)以上；新能源日前功率預(yù)測相對誤差已由2011年的約14%降至2019年的10%以下，但絕對誤差由約677萬干瓦增長到約4147萬干瓦。預(yù)計(jì)2060年新能源預(yù)測絕對誤差將達(dá)2億干瓦以上，占日峰荷的10%左右，大大增加發(fā)電計(jì)劃制定的難度或儲能容量的需求(需求側(cè)管理用于電力裝機(jī)平衡要適度)。

新型電力系統(tǒng)仍將主要以交流同步機(jī)制運(yùn)行

以新能源最大消納為目標(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)模擬測算，2030年同步機(jī)組出力占總負(fù)荷之比大于50%、80%的累計(jì)時(shí)段將分別達(dá)到全年時(shí)長的100%和約61%；2060年同步機(jī)組出力占總負(fù)荷之比大于40%、50%的累計(jì)時(shí)段仍達(dá)全年時(shí)長的84%和53%。新型電力系統(tǒng)仍主要以交流同步機(jī)制運(yùn)行。安全穩(wěn)定問題會更加突出、市場機(jī)制設(shè)計(jì)難度增大。

新型電力系統(tǒng)面臨的安全性挑戰(zhàn)

系統(tǒng)慣量降低，調(diào)頻能力下降，頻率越限風(fēng)險(xiǎn)增加。新能源大規(guī)模接入，擠占常規(guī)機(jī)組開機(jī)空間，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低、調(diào)頻能力下降，導(dǎo)致頻率變化加快、波動幅度增大、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增大，越限風(fēng)險(xiǎn)增加。

新能源參與一次調(diào)頻可改善頻率響應(yīng)特性。新能源參與一次調(diào)頻可降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差和暫態(tài)最大頻率偏差，但因未改善系統(tǒng)慣量，頻率變化率未能改善，低慣量系統(tǒng)越限風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。通過采用虛擬慣量控制等可使新能源提供一定慣量支撐，但由于一次能源輸入的可控性差，可能導(dǎo)致頻率二次跌落等次生事故。

無功支撐不足，電壓穩(wěn)定問題突出。新能源機(jī)組動態(tài)無功支撐能力較常規(guī)電源弱，且新能源發(fā)電逐級升壓接入電網(wǎng)，與主網(wǎng)的電氣距離是常規(guī)機(jī)組的2～3倍。隨著新能源占比快速提高，系統(tǒng)動態(tài)無功儲備及支撐能力急劇下降，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題突出。

新能源高占比地區(qū)暫態(tài)過電壓嚴(yán)重。新能源大規(guī)模接入導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量下降，電壓支撐能力降低，使暫態(tài)過電壓問題突出，可能超過設(shè)備耐受水平，造成新能源大規(guī)模脫網(wǎng)或設(shè)備損壞。

功角穩(wěn)定特性復(fù)雜，不確定性增加。新能源的控制方式、故障穿越策略、接入位置等都會影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定，耦合關(guān)系復(fù)雜，且可能引入新的穩(wěn)定內(nèi)涵；慣量下降導(dǎo)致穩(wěn)定問題時(shí)間尺度縮短，暫態(tài)過程加快。新能源大規(guī)模接入使功角穩(wěn)定特性復(fù)雜、不確定性增加，“預(yù)案”式安全調(diào)控策略配置困難，失配風(fēng)險(xiǎn)增大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定。

寬頻振蕩現(xiàn)象相繼出現(xiàn)?；陔娏﹄娮友b置的新能源發(fā)電設(shè)備具有快速響應(yīng)特性，在傳統(tǒng)同步電網(wǎng)以工頻為基礎(chǔ)的穩(wěn)定問題之外(功角穩(wěn)定、低頻振蕩等問題)，出現(xiàn)了中頻帶、高頻帶的電力電子裝置涉網(wǎng)穩(wěn)定性問題。近年來，我國河北和新疆等風(fēng)電匯集地區(qū)相繼出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。寬頻振蕩問題嚴(yán)重危害設(shè)備安全和電網(wǎng)運(yùn)行安全。

新型電力系統(tǒng)面臨的機(jī)制挑戰(zhàn)

新能源發(fā)電邊際成本低、輔助服務(wù)需求高。新能源與常規(guī)機(jī)組的成本構(gòu)成、設(shè)備特性及支撐作用差異大。新能源場站運(yùn)行時(shí)無需燃料，運(yùn)行成本只包括人員成本、維護(hù)成本和材料費(fèi)等，相比火電，運(yùn)行成本很低，導(dǎo)致新能源邊際成本極低，新能源大發(fā)時(shí)段，在電力市場交易中甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)電價(jià)。新能源清潔綠色、低邊際成本、高輔助服務(wù)需求對市場機(jī)制設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

利益主體龐雜交織。隨著新能源裝機(jī)比例的提高，參與市場的利益主體快速增長(可達(dá)數(shù)十億計(jì))、平均體量快速下降(骨干企業(yè)主導(dǎo)地位降低)。產(chǎn)銷者(prosumer)、虛擬電廠、電動車以及源—網(wǎng)—荷—儲互動技術(shù)等使得利益主體同時(shí)具有“供方/需方”屬性特征。各主體間的利益平衡發(fā)生變化且交織耦合，對市場交易和管理機(jī)制、政策引導(dǎo)機(jī)制的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

多目標(biāo)協(xié)同難度大。在能源轉(zhuǎn)型過程中，環(huán)境—安全—經(jīng)濟(jì)協(xié)同難度大。目標(biāo)的多樣性、基礎(chǔ)能源穩(wěn)定性需求與新能源不確定性的矛盾，以及利益主體龐雜和多屬性特征，增大了制度設(shè)計(jì)對目標(biāo)可控性的難度(行政力向市場力轉(zhuǎn)換)，體制機(jī)制設(shè)計(jì)難度大。

基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐體系仍需完善。電力系統(tǒng)構(gòu)建條件隨新能源出力時(shí)空分布變化，輔助服務(wù)需求多樣性、難量化；多種能源參與市場交易和競爭的建模、算法和出清技術(shù)尚不成熟；市場模式設(shè)計(jì)與新型電力系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營之間的交互影響缺乏有效評價(jià)機(jī)制。當(dāng)前技術(shù)尚無法為市場模式設(shè)計(jì)和運(yùn)營機(jī)制設(shè)計(jì)提供全面支持，給機(jī)制體制的長遠(yuǎn)規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

“雙碳”目標(biāo)下的政策市場機(jī)制思考

完善電價(jià)市場機(jī)制

新能源發(fā)電的不確定性、低邊際成本特性，使得新能源高占比場景中，電力電量總量充盈與時(shí)空不平衡矛盾突出。需要加快構(gòu)建促進(jìn)新能源消納的電價(jià)市場機(jī)制，在機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮新能源與常規(guī)電源以及用戶的配合機(jī)制，協(xié)調(diào)市場內(nèi)多利益主體，實(shí)現(xiàn)價(jià)值提升和價(jià)值創(chuàng)造。

加快輔助服務(wù)市場建設(shè)

高比例新能源的并網(wǎng)，增加了電力系統(tǒng)對備用、調(diào)頻、無功等輔助服務(wù)的需求，需要建設(shè)容量市場鼓勵(lì)常規(guī)電源承擔(dān)輔助服務(wù)，提高靈活調(diào)節(jié)電源的財(cái)務(wù)生存能力，對負(fù)荷側(cè)響應(yīng)提供補(bǔ)償，引導(dǎo)可中斷、可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。此外，在市場設(shè)計(jì)中需要研究考慮新能源接入的輔助服務(wù)需求計(jì)算方法，合理界定新能源應(yīng)該承擔(dān)的輔助服務(wù)義務(wù)，并在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段加以考慮。

新能源利用成本傳導(dǎo)機(jī)制

面對新能源裝機(jī)和電量占比將持續(xù)快速提升的發(fā)展趨勢，需要超前研究并著力構(gòu)建新能源利用成本傳導(dǎo)機(jī)制，明確界定新能源參與電力市場的權(quán)利與義務(wù)，合理評估高比例新能源系統(tǒng)成本水平，以市場化手段推動輔助服務(wù)費(fèi)用由電源側(cè)向用戶側(cè)轉(zhuǎn)變，使得終端用電價(jià)格充分體現(xiàn)新能源消納成本，還原電力的商品屬性，引導(dǎo)新能源有序發(fā)展和優(yōu)化布局。

建設(shè)碳市場、綠證市場

碳排放權(quán)交易市場是指以溫室氣體排放配額或溫室氣體減排信用為標(biāo)的物進(jìn)行交易的市場，是一種全新的環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策工具。其最大的創(chuàng)新之處在于通過“市場化”的方式解決環(huán)境問題，通過發(fā)揮市場在資源配置中的作用，在交易過程中形成合理碳價(jià)并向企業(yè)傳導(dǎo)，促使其淘汰落后產(chǎn)能或加大研發(fā)投資。

界定和協(xié)調(diào)電力的安全屬性與商品屬性

“雙碳”目標(biāo)下，電力在能源結(jié)構(gòu)中的占比和作用日益突出，作為能源安全的重要保障，電力的安全屬性進(jìn)一步凸顯。為保障安全，需要使電力系統(tǒng)具備足夠覆蓋全部負(fù)荷的可靠出力，但其實(shí)現(xiàn)代價(jià)和成本是巨大的，亟需發(fā)揮政策法規(guī)的引導(dǎo)作用，對電力的安全屬性進(jìn)行界定。一方面需利用電力的商品屬性，通過市場化手段釋放綜合能源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靈活調(diào)節(jié)潛力；另一方面設(shè)計(jì)布局“生命線工程”，建設(shè)足夠多的可靠電源保障安全底線，實(shí)現(xiàn)對保障性負(fù)荷的供給安全。

結(jié)語

碳達(dá)峰、碳中和是全人類應(yīng)對氣候變化的共同目標(biāo)，也是國家戰(zhàn)略；對實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展、滿足人民對美好生活的向往，保障能源安全、支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。因此，需要從全社會的視角審視電力安全問題，需要通過創(chuàng)新解決電力安全問題，需要多種能源與多行業(yè)協(xié)同保障能源安全，以技術(shù)與非技術(shù)手段解決能源安全問題；體制機(jī)制設(shè)計(jì)要關(guān)注電力作為基礎(chǔ)能源的作用、電力商品和安全雙重屬性，以及合理配置常規(guī)電源保供應(yīng)和安全、成本傳導(dǎo)機(jī)制抑制不合理消費(fèi)；市場機(jī)制設(shè)計(jì)要關(guān)注輔助服務(wù)定量評估與交易。

從發(fā)展階段來看，近期是能源轉(zhuǎn)型期，任務(wù)是市場、法規(guī)、技術(shù)的研發(fā)；中期是新型電力系統(tǒng)形成期，完善政策法規(guī)和市場電價(jià)機(jī)制，解決新型電力系統(tǒng)構(gòu)建和安全運(yùn)行問題；遠(yuǎn)期是新一代能源系統(tǒng)形成期，解決能源近零排放和能源電力安全問題，全面建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

碳達(dá)峰、碳中和是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要統(tǒng)籌各地區(qū)、各行業(yè)，兼顧經(jīng)濟(jì)—安全—環(huán)境多目標(biāo)，改革創(chuàng)新政策法規(guī)、市場電價(jià)和技術(shù)，喚起全社會的節(jié)能和減碳意識，調(diào)動各方面的積極性，降低能源強(qiáng)度，平穩(wěn)有序地實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。