構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)框架

闞黎明 張汝波

（1 山東電工運檢工程有限公司，山東 濟南 250022；2 山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250022）

為應(yīng)對全球氣候變化、環(huán)境污染和能源戰(zhàn)略等問題，世界各國正積極推動能源系統(tǒng)的低碳化、清潔化和可持續(xù)化轉(zhuǎn)型。落實到能源結(jié)構(gòu)上，具體體現(xiàn)為電能替代與清潔替代。然而，當前終端能源消費中的電能比例僅為20%，電能替代有巨大的發(fā)展空間。全球能源系統(tǒng)正面臨一場規(guī)模巨大的技術(shù)革命。以風(fēng)電和光伏為代表的非水可再生能源是這場能源革命中最具活力的組成部分。國際能源署預(yù)計2020 年全球風(fēng)電與光伏裝機容量較2019 年將分別增加超過65GW（增速10.4%）和107GW（增速18.3%）。風(fēng)電和光伏等新型可再生能源具有發(fā)電過程中零碳排放和零邊際成本等優(yōu)點，未來必將成為能源轉(zhuǎn)型中電能替代與清潔替代的主體。為應(yīng)對未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)面臨的諸多新挑戰(zhàn)，核心是解決可再生能源間歇性帶來的時空不確定性與并網(wǎng)方式帶來的高比例電力電子化兩大關(guān)鍵科學(xué)問題。

一、電力生產(chǎn)總量跨上新臺階，電力結(jié)構(gòu)向綠色低碳方向快速轉(zhuǎn)變

根據(jù)國家統(tǒng)計局和中國電力企業(yè)聯(lián)合會(以下簡稱中電聯(lián))統(tǒng)計，2020年末，全國發(fā)電裝機容量220058 萬千瓦，比上年末增長9.5%。其中，火電裝機容量124517萬千瓦，增長4.7%;水電裝機容量37016萬千瓦，增長3.4%;核電裝機容量4989 萬千瓦，增長2.4%;并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量28153 萬千瓦，增長34.6%;并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量25343 萬千瓦，增長24.1%?！笆濉睍r期，我國年均新增發(fā)電裝機13507萬千瓦，煤電年均新增裝機3564萬千瓦。截至2020 年底，我國煤電裝機容量10.8 億千瓦，占總裝機比重49%，占總發(fā)電量比重60.8%，年裝機容量增長趨勢放緩，發(fā)電量緩慢增長。

二、電力低碳轉(zhuǎn)型持續(xù)加快，綠色發(fā)展動能強勁

從電源投資看，非化石能源投資比重上升到九成?！笆濉逼陂g，煤電投資規(guī)模逐年下降，全國重點發(fā)電企業(yè)煤電投資額從2015 年的1061 億元，逐年下降至2020 年的382 億元，煤電投資所占比重從27%下降至2020 年的7.3%。非化石能源投資比重持續(xù)上升，從70.5%上升至90.2%；其中，2020年非化石能源發(fā)電投資同比增長77.1%，當年新增非化石能源裝機1.4 億千瓦，創(chuàng)歷史新高。從發(fā)電裝機看，煤電裝機容量比重歷史性降至50%以下。截至2020 年年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量22 億千瓦，“十三五”期間年均增長7.6%。其中，非化石能源裝機年均增速達13.1%，占比從34.8%升至44.8%；新能源裝機占比從11.3%升至24.3%，五年累計提高13 個百分點。2020 年底，全國全口徑煤電裝機容量10.8 億千瓦，完成了2020 年底煤電裝機控制在11 億千瓦以內(nèi)這一規(guī)劃目標；“十三五”期間，煤電裝機容量年均增長3.7%，占比從2015 年的59%下降至2020 年的49.1%，比重首次降至50%以下。

三、火電污染控制和碳減排成效顯著

根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計分析，與2010 年相比，2019 年全國火電(其中煤電裝機和發(fā)電量占比均為90%左右)顆粒物排放量由160 萬噸下降至18 萬噸，下降88.8%;二氧化硫排放量由926 萬噸下降至89 萬噸，下降90.4%，與2006 年的峰值相比下降約93.4%;氮氧化物排放量由950 萬噸下降至93 萬噸，下降90.2%，與2011 年的峰值相比下降約90.7%。1978 年，火電碳強度約1312 克/千瓦時，2019 年降到838 克/千瓦時。以2005 年為基準年，2006—2019 年，通過發(fā)展非化石能源，降低供電煤耗和線損率等措施，電力行業(yè)累計減少二氧化碳排放約159.4 億噸。

四、高比例可再生能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)

（一）穩(wěn)定與保護

風(fēng)電和光伏均需要直接或間接通過電力電子裝置并網(wǎng)。其電壓頻率支撐特性與水電、火電等常規(guī)機組有較大差別。因此，隨著高比例可再生能源接入電網(wǎng)的規(guī)模不斷增大，系統(tǒng)動態(tài)特性將發(fā)生深刻變化，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。同時，對系統(tǒng)保護裝置提出了新的要求。故障連鎖脫網(wǎng)與電能質(zhì)量問題在系統(tǒng)中比例甚至低比例滲透階段有可能出現(xiàn)。對于機組本身，電力電子裝備過流耐受能力比同步發(fā)電機差。當機端發(fā)生故障時，由于無法像常規(guī)機組一樣維持并網(wǎng)點電壓，風(fēng)電和光伏電源在電網(wǎng)產(chǎn)生故障時往往更加傾向于盡快脫離電網(wǎng)。由于換流器抗干擾能力弱，在可再生能源發(fā)展早期全球便已發(fā)生了大量大規(guī)模脫網(wǎng)事故。此外，在可再生能源機組的局部并網(wǎng)點，電力電子裝置功率開關(guān)元件的高頻開斷動作將產(chǎn)生高頻諧波并注入電網(wǎng)，使并網(wǎng)點產(chǎn)生電壓畸變與閃變，影響并網(wǎng)點的電能質(zhì)量。在并網(wǎng)點電壓較低、結(jié)構(gòu)薄弱且可再生能源滲透率較高的電網(wǎng)，電壓波動與閃變嚴重程度將會加劇，但通常超出并網(wǎng)標準情況較少。

（二）經(jīng)濟安全運行

在運行時間尺度上，可再生能源帶來的一系列挑戰(zhàn)源自其固有波動性與隨機性?？稍偕茉措娫闯隽ι舷尥ǔ２豢烧{(diào)度，且其變化規(guī)律往往與負荷曲線變化不匹配，甚至呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。風(fēng)電場高出力時段可能在負荷較低的深夜，而日中負荷高峰時出力較低。光伏出力在傍晚開始下降，相對晚高峰亦呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。凈負荷的波動需要靈活性資源，比如可調(diào)常規(guī)電源、儲能電站和區(qū)外來電等調(diào)整出力以保證平衡。隨著波動程度的增加，對調(diào)峰與爬坡速率等資源總量的需求進一步增大。反映在電力市場上，可再生能源并網(wǎng)將對電力市場的平穩(wěn)運行產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性影響。由于可再生能源發(fā)電邊際成本幾乎為零，加之其反調(diào)峰特性，這將導(dǎo)致市場中電力供需關(guān)系不穩(wěn)定，直接反映為頻發(fā)的極端電價，這在目前的中比例滲透地區(qū)電力市場已經(jīng)有所反映。進一步地，在高比例滲透階段，隨著可再生能源裝機容量的不斷升高，能量市場出清價格不斷走低，將擠壓火電電源等傳統(tǒng)行業(yè)的利潤空間，多方利益主體矛盾突出。如何設(shè)計合理的市場機制，調(diào)動輔助服務(wù)資源，合理分攤成本是市場組織面臨的另一大挑戰(zhàn)。

五、加快新型電力系統(tǒng)構(gòu)建進程

新型電力系統(tǒng)構(gòu)建是“十四五”時期的主要任務(wù)之一。但筆者認為，這個任務(wù)并不是要在“十四五”期間全面完成，而是貫穿實現(xiàn)把碳達峰、碳中和目標的全過程。新型電力系統(tǒng)不能夠脫離“發(fā)、輸、變、配、用、儲”各環(huán)節(jié)的技術(shù)、設(shè)備、工程實體而獨立存在，所以新能源成為主體能源必然是一個漸進的過程。隨著新能源的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源尤其是煤電必然要逐步退出，這需要一定的時間;同時，技術(shù)發(fā)展仍然處在非?；钴S的階段，在能源電力轉(zhuǎn)型中必須高度關(guān)注各項技術(shù)的發(fā)展，防止技術(shù)鎖定、投資鎖定。從宏觀角度而言，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建與中國把碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)路徑具有方向的一致性，但是，新能源的發(fā)展是推動、引導(dǎo)、實現(xiàn)把碳達峰、碳中和目標的基本動力，是“先行官”，所以，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建完成時間應(yīng)適當超前于把碳達峰、碳中和目標。

六、建設(shè)高彈性、數(shù)字化、智能化電力系統(tǒng)

打造多元融合高彈性電網(wǎng)。適應(yīng)高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備需要，促進系統(tǒng)各環(huán)節(jié)全面數(shù)字化、智能化。建立全網(wǎng)協(xié)同、數(shù)字驅(qū)動、主動防御、智能決策的新一代調(diào)控體系。加強源網(wǎng)荷儲多向互動，多能互聯(lián)，推進多種能源形式之間的優(yōu)化協(xié)調(diào)，提高電力設(shè)施利用效率，提升整體彈性。加強預(yù)測預(yù)警體系建設(shè)，保障極端事件下的電力系統(tǒng)恢復(fù)能力。持續(xù)開展煤電機組靈活性改造。煤電功能定位由主體電源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源，需大規(guī)模實施煤電機組靈活性改造，從整體上提升機組的靈活調(diào)節(jié)能力。要加強規(guī)劃引導(dǎo)，有序安排改造項目，30萬千瓦、60萬千瓦亞臨界機組，應(yīng)優(yōu)先實施靈活性改造。同時要完善輔助服務(wù)補償機制，保障煤電機組的合理收益。大力加強儲能體系建設(shè)。加快抽水蓄能建設(shè)。既要推進單機容量30 萬千瓦以上、電站容量百萬千瓦以上的抽水蓄能項目建設(shè)，又要因地制宜，建設(shè)中、小型抽水蓄能項目，對具備條件的水電站進行抽水蓄能改造。鼓勵各類電化學(xué)儲能、物理儲能的開發(fā)應(yīng)用。

七、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的建議

（一）保障電力安全

保障電力安全包括對電能在“量”和“質(zhì)”兩方面的要求。但是，從科學(xué)性和系統(tǒng)經(jīng)濟性來看，在任何時間、任何范圍、任何條件、對任何對象都百分之百地保障電力供應(yīng)，這是無法實現(xiàn)的。在低碳電力轉(zhuǎn)型過程中，由于隨機性高、波動性大的新能源發(fā)電大規(guī)模進入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)、電力負荷、熱電聯(lián)產(chǎn)的熱力供應(yīng)等都將受到不同程度的影響，一些新型風(fēng)險(如互聯(lián)網(wǎng)黑客攻擊等)對電力系統(tǒng)也會形成安全隱患，這些因素對電力安全提出了更為嚴峻的挑戰(zhàn)，因此，需要針對電力安全的新特點，制定專門的量化指標和防范要求。

（二）在保障安全的前提下啟動核電建設(shè)，在維護生態(tài)的前提下啟動大型水電建設(shè)

對于中國這樣一個以煤為主的能源大國而言，離開核電和大型水電將難以完成碳中和任務(wù)。而且，對于一個以可再生能源為主體的巨型電力系統(tǒng)而言，沒有一定的基礎(chǔ)性高能量密度的電源作為支撐，將很難運行。因此，我國不能放棄核電和水電建設(shè)，而是要在保障安全的前提下啟動核電建設(shè)，在維護生態(tài)的前提下啟動大型水電建設(shè)。

結(jié)束語

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是能源電力行業(yè)服務(wù)碳達峰、碳中和的重要責(zé)任和使命。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，對于推動構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、更好地服務(wù)碳達峰、碳中和，具有十分重要的意義