電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式和障礙

陳鵬新

摘要：碳中和、碳達(dá)峰自2020年9月以來成為了能源行業(yè)的熱點(diǎn)話題。在能源規(guī)劃工作中，風(fēng)、光等新能源得到了大力支持，而煤炭生產(chǎn)卻受到了限制。各級(jí)政府為了保障煤電機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行，以此來配合有序的用電方案，被迫通過協(xié)調(diào)資源來促進(jìn)煤炭的生產(chǎn)和運(yùn)輸，進(jìn)而確保民生的用電需求。鑒于此，本文就電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式和障礙展開探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。

關(guān)鍵詞：電力行業(yè);碳中和;實(shí)施方式

1.電力行業(yè)成為碳中和重點(diǎn)行業(yè)的原因

（1）電力是最大的碳排放行業(yè)。電力行業(yè)不僅能夠供給能源，同時(shí)還消耗能源。發(fā)電企業(yè)的廠用電和電網(wǎng)企業(yè)的網(wǎng)損合計(jì)在全社會(huì)用電量中的占比超過了10%，電力行業(yè)在生產(chǎn)過程中不僅能夠產(chǎn)生碳排放，同時(shí)資深的電力消耗也會(huì)伴隨碳排放產(chǎn)生。由此可見，電力行業(yè)的減碳降排將是影響碳中和的關(guān)鍵因素。

（2）電力資產(chǎn)具有集中性特點(diǎn)，易于整體考慮政策。國有企業(yè)具有高度的社會(huì)責(zé)任感，在國家政策的落實(shí)上從來不打折扣。由于電力企業(yè)的資產(chǎn)具有集中化特點(diǎn)，因此，很容易從技術(shù)上以及政策上實(shí)現(xiàn)集中處理，和其他產(chǎn)業(yè)相比具有天然優(yōu)勢(shì)[1]。

（3）電力行業(yè)具備良好的資金條件和技術(shù)條件。電力企業(yè)的資金積累雄厚，從而為實(shí)現(xiàn)碳中和奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，電力行業(yè)是社會(huì)的基礎(chǔ)行業(yè)，關(guān)系到千家萬戶。如今，電力行業(yè)逐步發(fā)展電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，市場(chǎng)所決定的電力價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)，從而推動(dòng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。由此可見，電力行業(yè)將首先落實(shí)碳中和工作，通過實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)來改變?nèi)嗣裆盍?xí)慣和社會(huì)生產(chǎn)習(xí)慣，逐漸和其他行業(yè)結(jié)合起來，在碳中和方面實(shí)現(xiàn)全社會(huì)和諧共振。

2.電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式

2.1高比例風(fēng)光新能源是現(xiàn)階段電力生產(chǎn)側(cè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然選擇

和其他店員種類相比，盡管風(fēng)光新能源發(fā)電具有天氣因素影響大，季節(jié)性能源分布不均的特點(diǎn)，而且面臨著發(fā)電隨機(jī)性大、出力波動(dòng)性大的問題，但是，由于風(fēng)光等新能源具有地域分布廣、資源豐富、運(yùn)行成本小、場(chǎng)址選擇受限以及核電較低等優(yōu)勢(shì)，從國際層面而言，高峰光電量占比的系統(tǒng)具有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且是技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下實(shí)現(xiàn)碳中和的首選店員。由此可見，在電網(wǎng)規(guī)劃中國家也將風(fēng)光發(fā)電的發(fā)展作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，預(yù)計(jì)于2030年，太陽能與風(fēng)電發(fā)電總裝機(jī)容量將會(huì)超過12億千瓦[2]。

2.2大電網(wǎng)為主消納是現(xiàn)階段高比例風(fēng)光消納的唯一選擇

為了能夠盡可能解決風(fēng)光新能源波動(dòng)對(duì)用戶用電平穩(wěn)性產(chǎn)生的影響，就需要使用儲(chǔ)能技術(shù)能有效消除風(fēng)光新能源的波動(dòng)性。如今，常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要有電化學(xué)儲(chǔ)能、物理機(jī)械儲(chǔ)能以及氫儲(chǔ)能，其中，物理機(jī)械儲(chǔ)能主要是以壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能為代表。各項(xiàng)技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在具體選擇的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況予以選用。總之，在可以預(yù)見的時(shí)間內(nèi)，從經(jīng)濟(jì)性層面而言仍然沒有一種儲(chǔ)能技術(shù)作為風(fēng)光發(fā)電消納的主要方法，換言之，傳統(tǒng)的電力不具備大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)條件，使用大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電技術(shù)，也就是借助電網(wǎng)的電能輸送能力，將風(fēng)光發(fā)電發(fā)出的具有隨機(jī)性以及波動(dòng)性的電能及時(shí)傳送到電力需求側(cè)，借助電力系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性機(jī)組的調(diào)節(jié)能力來實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納。和儲(chǔ)能技術(shù)相比，大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，然而，該項(xiàng)技術(shù)存在著安全事故，連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，并且大電網(wǎng)消納很容易出現(xiàn)難以劃分經(jīng)濟(jì)責(zé)任的現(xiàn)象。由于儲(chǔ)能技術(shù)突破的周期通常為20～30年，所以，要想實(shí)現(xiàn)30·60目標(biāo)不能將希望寄予儲(chǔ)能技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納，仍然需要借助大電網(wǎng)的電能調(diào)配技術(shù)。

3. 大電網(wǎng)消納方式的現(xiàn)實(shí)障礙和解決方案

3.1高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)影響轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的問題及解決方案

為了保障電網(wǎng)處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，就需要具備足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。電網(wǎng)頻率作為保障交流電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，必須將其控制在恒定范圍內(nèi)。電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也就是系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，基于自身轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)現(xiàn)的一次調(diào)頻功能，進(jìn)而保持電網(wǎng)頻率在穩(wěn)定狀態(tài)。如今，在世界范圍內(nèi)無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電網(wǎng)或者低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電網(wǎng)完全沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電網(wǎng)，如果在短期內(nèi)出現(xiàn)電力不平衡問題，就會(huì)使電網(wǎng)頻率大幅度波動(dòng)，從而嚴(yán)重影響到系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，從而引發(fā)連鎖事故。所以，為了保障交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性，就需要系統(tǒng)配置足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然而，高比例風(fēng)光發(fā)電可以影響系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

高比例風(fēng)光發(fā)電機(jī)組會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)慣量下降，為了能夠避免大電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)慣量下降太多，以免威脅到系統(tǒng)的安全，面對(duì)高比例風(fēng)光發(fā)電聯(lián)想系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)慣量問題，就需要采取如下措施：（1）使用一定比例的火電機(jī)組。為了能夠達(dá)到碳中和目標(biāo)，電量的產(chǎn)生無需大量的火電機(jī)組，但是，為了保障足夠的運(yùn)動(dòng)慣量，就需要使一定比例的火電機(jī)組在線。也就是需要借助大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電，確保交流電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，在電網(wǎng)運(yùn)行的過程中必須具備一定比例的同步發(fā)電機(jī)。由于核電機(jī)組調(diào)節(jié)空間不足，再加上水電機(jī)組具有季節(jié)性特點(diǎn)，所以，系統(tǒng)中必須使用和風(fēng)光發(fā)電機(jī)組容量比例河里的燃?xì)鈾C(jī)組和煤電機(jī)組，只有這樣才能夠確保足夠的調(diào)節(jié)能力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，最終提到提高風(fēng)光發(fā)電消納成本的作用。（2）使用虛擬同步機(jī)調(diào)解風(fēng)光發(fā)電。為了能夠全面保障風(fēng)光發(fā)電的可控性，就需要將虛擬同步技術(shù)用在風(fēng)光發(fā)電中，以此來模擬運(yùn)動(dòng)慣量的一次調(diào)節(jié)，盡可能減少對(duì)系統(tǒng)的不平衡產(chǎn)生的影響，從而達(dá)到提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的作用。在風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)逆變器內(nèi)的控制器中，虛擬同步機(jī)是一種模擬同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)制，并且在系統(tǒng)中供應(yīng)短缺時(shí)增加風(fēng)光發(fā)電出力，在系統(tǒng)供應(yīng)過剩時(shí)，減少風(fēng)光發(fā)電出力，使用自動(dòng)控制方法維持平衡的裝置，能夠提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3.2高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)影響備用問題及解決方案

基于30·60 目標(biāo)的推算，未來風(fēng)光新能源裝機(jī)規(guī)模將會(huì)達(dá)到40%～70%，這樣高比例的風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)，將會(huì)增加系統(tǒng)預(yù)留備用比例。隨著太陽光照強(qiáng)度的波動(dòng)，風(fēng)光在自然風(fēng)的變化下，如果在同一時(shí)期實(shí)現(xiàn)二者的疊加，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)光發(fā)電出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，甚至?xí)跇O端的情況下導(dǎo)致風(fēng)光發(fā)電的處理從最大負(fù)荷突然下降到零，從而嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的運(yùn)行安全，大大增加系統(tǒng)的備用容量需求。為了能夠減小新風(fēng)能源的處理不確定性對(duì)大電網(wǎng)備用容量需求的影響，就需要做好如下方面的工作：（1）強(qiáng)化風(fēng)光處理預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，這樣一來就能夠減少系統(tǒng)對(duì)備用負(fù)荷的影響。（2）提高風(fēng)光新能源的安全穩(wěn)定性。在發(fā)電過程中，風(fēng)電光伏大量使用逆變器以及整流器等電子設(shè)備，其和常規(guī)機(jī)組相比，嚴(yán)重缺乏對(duì)系統(tǒng)波動(dòng)的抗干擾能力，尤其是應(yīng)該提升其低壓穿越能力，通過提高風(fēng)光發(fā)電安全性來減少系統(tǒng)對(duì)備用負(fù)荷的需求。（3）使可調(diào)節(jié)電源保持足夠的容量，并且對(duì)其進(jìn)行靈活改造。使用大電網(wǎng)系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)性機(jī)組調(diào)峰能力，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)光消納，因此，需要將對(duì)可調(diào)節(jié)電源靈活性的改造作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，提高可調(diào)節(jié)性機(jī)組的頂峰壓谷能力，尤其是需要提高機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整速率，以此來達(dá)到提高電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的作用。

結(jié)語

總而言之，為了能夠?qū)崿F(xiàn) “30·60 目標(biāo)”，我國正在加快推進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，這樣一來才能夠促進(jìn)電力行業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，加速國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，廣大能源行業(yè)從業(yè)人員為了促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)，必須積極轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，通過進(jìn)行能源的自我革新來實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

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