碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)研究框架與發(fā)展形態(tài)

文云峰，甄玉萌，陸藝丹，茍 競(jìng)，韓宇奇，李 旻

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南省長(zhǎng)沙市 410082；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,四川省成都市 610041）

0 引言

近年來,為應(yīng)對(duì)當(dāng)前氣候變化和控制全球溫升在合理范圍內(nèi),許多國(guó)家相繼提出了碳中和的發(fā)展愿景［1］。中國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家,依據(jù)自身情況,力爭(zhēng)在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和［2］。水電高占比電網(wǎng)擁有大量具備慣性支撐和一定調(diào)節(jié)性能的水電機(jī)組,轉(zhuǎn)型為碳中和電力系統(tǒng)具備較好的資源稟賦優(yōu)勢(shì)。挪威、冰島已經(jīng)基本構(gòu)建為零碳電力系統(tǒng),加拿大、巴西等國(guó)已經(jīng)制定了轉(zhuǎn)型為碳中和電力系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)［3-5］。

但由于水電出力季節(jié)性差異明顯,水電高占比電網(wǎng)在碳中和轉(zhuǎn)型過程中也面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如,隨著大規(guī)模煤電機(jī)組退役和高比例新能源并網(wǎng),其在枯水期和極端天氣下的供需平衡和調(diào)節(jié)能力問題將日益嚴(yán)峻；新能源大規(guī)模接入和巨量直流送出后,其交流網(wǎng)架功能定位轉(zhuǎn)變,安全穩(wěn)定適應(yīng)性有待加強(qiáng)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)問題,需要從多個(gè)層面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

目前,國(guó)內(nèi)外在水電高占比電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型研究方面已有相關(guān)初步成果。文獻(xiàn)［6］對(duì)水電在碳中和目標(biāo)下的角色重塑問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［7］對(duì)水電在未來電力系統(tǒng)中平衡和儲(chǔ)存新能源的最新技術(shù)進(jìn)行了研究。奧地利、加拿大等水電資源豐富的國(guó)家將水電作為應(yīng)對(duì)碳中和轉(zhuǎn)型過程中大規(guī)模新能源并網(wǎng)問題的一種手段［8-10］。文獻(xiàn)［11］利用規(guī)劃與運(yùn)行模擬模型,探討了水電高占比的北美東北部地區(qū)多區(qū)域互聯(lián)及水電在碳中和轉(zhuǎn)型中的作用；文獻(xiàn)［12］針對(duì)水文氣候條件變化對(duì)南美某水電高占比地區(qū)脫碳的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［13］利用長(zhǎng)期規(guī)劃和短期調(diào)度聯(lián)合優(yōu)化模型,研究了水電多時(shí)間尺度的靈活性在水電富集地區(qū)深度脫碳中的價(jià)值。

西電東送實(shí)施后,中國(guó)西南地區(qū)已成為世界上規(guī)模最大的水電基地。截至2020 年底,四川、云南、西藏三?。▍^(qū)）的水電裝機(jī)占比分別達(dá)到78.1%、73.1%、53.8%［14］,這些?。▍^(qū)）的光伏、風(fēng)電等新能源也具備極大的可開發(fā)潛力。但有別于世界上其他水電大國(guó),中國(guó)的水電呈現(xiàn)出大規(guī)模水電站群、跨省跨區(qū)消納等特征［15］。同時(shí),國(guó)內(nèi)外電力市場(chǎng)機(jī)制也存在一定差異。目前,國(guó)外水電高占比電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型的相關(guān)研究成果并不完全適用于國(guó)內(nèi)西南地區(qū)水電資源富集省份。

本文分析了中國(guó)水電高占比電網(wǎng)在碳中和轉(zhuǎn)型過程中存在的主要問題與挑戰(zhàn),考慮電源規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃、穩(wěn)定性分析與控制、規(guī)劃方案評(píng)估與運(yùn)行模擬4 個(gè)層面,構(gòu)建了碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)研究框架體系。進(jìn)而,根據(jù)碳中和電力系統(tǒng)技術(shù)特征和所構(gòu)建研究框架,探討了水電高占比電網(wǎng)面臨的碳中和過渡期和形成期兩階段形態(tài)演化路徑。最后,以水電高占比為特征的中國(guó)四川電網(wǎng)為例,提出了碳中和目標(biāo)下四川電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)形態(tài)和主網(wǎng)架形態(tài)的演化路徑。

1 碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)轉(zhuǎn)型面臨的主要問題與挑戰(zhàn)

碳中和電力系統(tǒng)（carbon neutrality power system）是指碳排放強(qiáng)度小于或等于零的電力系統(tǒng),其構(gòu)成如圖1 所示。其發(fā)電機(jī)組由安裝碳補(bǔ)集、利用與封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）裝置的火電、水電、新能源、生物質(zhì)能、核電及儲(chǔ)能機(jī)組等構(gòu)成,在電力生產(chǎn)過程中造成的CO2凈排放量為零甚至為負(fù)［14,16］。

圖1 碳中和電力系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of carbon neutrality power system

CO2凈零排放是碳中和電力系統(tǒng)最主要的特征,凈零是從大氣中吸收等量的CO2來抵消生產(chǎn)活動(dòng)所造成的碳排放。這意味著碳中和電力系統(tǒng)在發(fā)電過程中并不一定完全沒有碳排放,而是允許有少量的CO2產(chǎn)生,但必須吸收等量CO2來平衡。因此,碳中和電力系統(tǒng)中允許有限和有針對(duì)性地使用化石能源,但需要與CCUS 技術(shù)相結(jié)合。

碳中和電力系統(tǒng)的形態(tài)并不唯一。在碳中和電力系統(tǒng)中,除占比較高的可再生能源機(jī)組外,還需要配置至少一種出力穩(wěn)定的清潔電源來確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和靈活性,如裝有CCUS 裝置的火電機(jī)組、零碳燃料機(jī)組（氫氣、沼氣）、生物質(zhì)能等。具體選用哪種清潔能源技術(shù)或技術(shù)組合需要根據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況確定［17］。

對(duì)于水電高占比電網(wǎng)來說,其在碳中和轉(zhuǎn)型過程中將陸續(xù)關(guān)停存量煤電機(jī)組,同時(shí),為滿足未來新增電力電量需求還需投建一定規(guī)模的水電、風(fēng)電/光伏等清潔電源。然而,煤電退役和新能源加速發(fā)展可能帶來電力電量平衡、安全穩(wěn)定形態(tài)變化等諸多問題,電源結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架形態(tài)的適應(yīng)能力將面臨重大挑戰(zhàn)。具體而言,主要包括以下幾個(gè)方面。

1）水電出力季節(jié)性變化和大量新能源并網(wǎng)引起的調(diào)峰缺口和供需緊平衡問題

水電出力具有典型的季節(jié)性差異特點(diǎn)。由于中國(guó)西南地區(qū)水電集中開發(fā)、投產(chǎn),遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)刎?fù)荷增長(zhǎng)規(guī)模,在豐水期水電存在大量富余。然而,水電在枯水期出力大幅下降（如徑流式電站在枯水期水電出力只有豐水期的40%左右）,常規(guī)煤電機(jī)組在冬季電力供應(yīng)方面發(fā)揮了重要的支撐作用,而大量新能源并網(wǎng)將擠占火電機(jī)組的開機(jī)空間,雖然風(fēng)電、光伏與水電在出力方面具有一定的季節(jié)互補(bǔ)性,但其在負(fù)荷高峰期出力相對(duì)較低［18-19］。因此,水電高占比電網(wǎng)在枯水期迎峰度冬期間供需緊平衡問題將十分嚴(yán)峻,極端天氣情況下甚至?xí)萑肜l限電等困境。抽水蓄能通常只能進(jìn)行日調(diào)節(jié),而常規(guī)水電通過梯級(jí)水電站群的聯(lián)合運(yùn)行,在年、月、日、時(shí)不同時(shí)間尺度下均有一定的調(diào)節(jié)作用［9］。如何充分利用常規(guī)水電和抽水蓄能在多時(shí)間尺度下的調(diào)節(jié)作用,應(yīng)對(duì)“豐余枯缺”結(jié)構(gòu)性矛盾和大規(guī)模新能源并網(wǎng)所導(dǎo)致的供需平衡問題,促進(jìn)新能源大規(guī)模消納,是水電高占比電網(wǎng)在碳中和轉(zhuǎn)型過程中面臨的一大挑戰(zhàn)。

2）高度電力電子化趨勢(shì)下水電高占比電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)演化問題

中國(guó)云南、四川等水電高占比電網(wǎng)均為多回直流密集外送的送端電網(wǎng)。在轉(zhuǎn)型過程中,隨著直流外送規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大和大量新能源接入,將引起系統(tǒng)電力電子化程度加深、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小和抗擾動(dòng)能力惡化,水電機(jī)組“水錘效應(yīng)”引起的超低頻振蕩與大量新能源并網(wǎng)引入的寬頻振蕩并存,電網(wǎng)復(fù)雜程度和脆弱性不斷增加、穩(wěn)定形態(tài)演化,可能誘發(fā)多種機(jī)理不明的穩(wěn)定問題。

直流雙極閉鎖、多回直流連續(xù)換相失敗帶來的巨量有功沖擊,遠(yuǎn)超常規(guī)N-1 分析中最大一臺(tái)機(jī)組的停運(yùn)容量,是水電高占比電網(wǎng)面臨的主要安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn),其穩(wěn)定控制策略復(fù)雜,應(yīng)對(duì)大容量有功盈余風(fēng)險(xiǎn)的穩(wěn)控切機(jī)量大,多道防線協(xié)調(diào)配置難度高。

新能源設(shè)備間以及設(shè)備與電網(wǎng)的耦合加劇,可能引發(fā)次同步振蕩等多尺度穩(wěn)定性問題。由于新能源機(jī)組耐壓、耐頻能力較差,大容量直流故障后引起較大的電壓、頻率波動(dòng),容易導(dǎo)致新能源大規(guī)模連鎖脫網(wǎng),進(jìn)一步惡化系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定,維持系統(tǒng)穩(wěn)定性所需采取的緊急切負(fù)荷量可能超出事故規(guī)程所容許的范圍。

此外,水電機(jī)組存在“水錘”效應(yīng),若調(diào)速器控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或運(yùn)行方式不合理,系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性會(huì)惡化,是引起電網(wǎng)超低頻振蕩的主要原因；大擾動(dòng)下調(diào)速器限幅飽和、大型水電站尾水流道內(nèi)水壓脈動(dòng)等因素也是相關(guān)誘因。云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步互聯(lián)、西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)期間均已出現(xiàn)超低頻振蕩事件［20］。

3）密集型直流外送和新能源快速發(fā)展下原有水電外送交流主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)滯后問題

水電高占比電網(wǎng)的網(wǎng)架建設(shè)主要服務(wù)于大規(guī)模水電向負(fù)荷中心輸送,電網(wǎng)潮流分布與省內(nèi)水電地理位置相關(guān)。投建多回特高壓大容量直流輸電通道將西南水電送至華東、華南等地區(qū)是緩解負(fù)荷中心地區(qū)清潔電力緊缺的重要舉措,也是未來滿足水電集群遠(yuǎn)距離、大容量跨區(qū)送出的關(guān)鍵選擇［21］。然而,伴隨著特高壓直流輸電規(guī)模的階躍式提升,水電高占比電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”的矛盾突出,現(xiàn)有交流輸電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)滯后,其規(guī)模和強(qiáng)度與直流外送規(guī)模匹配程度較低,嚴(yán)重制約了直流承載能力和網(wǎng)架適應(yīng)性的進(jìn)一步提升。

同時(shí),新能源快速發(fā)展下,需要通過交流網(wǎng)架匯集進(jìn)行外送,網(wǎng)架功能定位發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。由于新能源出力的強(qiáng)不確定性,電網(wǎng)運(yùn)行方式多樣化,部分線路潮流出現(xiàn)雙向變化的問題,這將有可能導(dǎo)致一些重載的水電通道出現(xiàn)過載現(xiàn)象,原有交流網(wǎng)架不能完全滿足新能源送出的需求［22］。

4）負(fù)荷中心常規(guī)電源空心化引起的無功電壓支撐問題

由于資源分布特性,水電高占比電網(wǎng)內(nèi)具備無功支撐能力的水電機(jī)組均集中于源端（多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)）,轉(zhuǎn)型過程中隨著煤電機(jī)組的退役,電網(wǎng)負(fù)荷中心將呈現(xiàn)常規(guī)電源空心化態(tài)勢(shì)。為避免無功功率遠(yuǎn)距離傳輸帶來的壓降問題,負(fù)荷中心地區(qū)的無功需求只能依靠無功就地補(bǔ)償解決。新能源場(chǎng)站的無功調(diào)節(jié)能力較弱,其在電網(wǎng)故障期間的無功電壓支撐能力與煤電等常規(guī)機(jī)組相比也相差甚遠(yuǎn)。隨著煤電機(jī)組退役和大量新能源并網(wǎng),水風(fēng)光電源送出基地的功角穩(wěn)定問題與電源空心化負(fù)荷中心的電壓穩(wěn)定問題的深度耦合將成為水電高占比電網(wǎng)面臨的新問題和新挑戰(zhàn)。

綜上所述,水電高占比電網(wǎng)在碳中和演進(jìn)過程中,電網(wǎng)運(yùn)行不確定性顯著增加,負(fù)荷中心常規(guī)電源空心化愈發(fā)突出,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和安全穩(wěn)定性面臨諸多挑戰(zhàn)。上述挑戰(zhàn)性問題是中國(guó)西南地區(qū)水電高占比電網(wǎng)面臨的共性問題,有必要在碳中和轉(zhuǎn)型背景下開展深入的系統(tǒng)性研究。

2 碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)研究框架

為應(yīng)對(duì)水電高占比電網(wǎng)在轉(zhuǎn)型過程中面臨的主要問題與挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)向碳中和電力系統(tǒng)的成功轉(zhuǎn)型,本文構(gòu)建了一種碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)轉(zhuǎn)型研究框架,如圖2 所示。

圖2 碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)轉(zhuǎn)型研究框架Fig.2 Research framework toward carbon neutrality target for transformation of power grid with high proportion of hydropower

該研究框架主要涉及電源規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃、穩(wěn)定性分析與控制、規(guī)劃方案評(píng)估與運(yùn)行模擬4 個(gè)層面。

1）電源規(guī)劃層面

加強(qiáng)可再生能源開發(fā)與多類型靈活調(diào)節(jié)資源的協(xié)調(diào)規(guī)劃是應(yīng)對(duì)水電季節(jié)性變化、持續(xù)提升新能源消納、推進(jìn)煤電機(jī)組逐步退役的關(guān)鍵。為此,需開展煤電機(jī)組退役路徑專題研究,確保退役規(guī)模和時(shí)序與新能源擴(kuò)張速度、負(fù)荷增長(zhǎng)相匹配,在保證電力充裕的前提下分階段有序退役。開展常規(guī)和可變速抽水蓄能的投資與規(guī)劃研究,制定合理的定容策略和裝機(jī)比例；可變速抽水蓄能具有快速響應(yīng)能力和較寬的功率調(diào)節(jié)范圍,有助于提升新能源消納水平,有必要開展常規(guī)水電站改造為常規(guī)/變速抽水蓄能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。與煤電相比,氣電具有更好的調(diào)節(jié)性能和較低的碳排放強(qiáng)度,通過CCUS 裝備進(jìn)行技術(shù)改造以降低碳排放的成本也較低,在天然氣資源富集地區(qū)規(guī)劃投建氣電機(jī)組并安裝CCUS 裝備將是其轉(zhuǎn)型為碳中和電力系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑之一［23］。未來,有必要統(tǒng)籌季節(jié)性供需平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、頻率和電壓支撐等多方面需求,納入燃?xì)鈾C(jī)組、新型儲(chǔ)能等多類型調(diào)節(jié)資源,研究構(gòu)建適應(yīng)超高比例可再生能源消納的靈活調(diào)節(jié)資源配置模型,提出多類型調(diào)節(jié)資源優(yōu)化組合及容量配置方案和電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。

2）網(wǎng)架規(guī)劃層面

構(gòu)建支撐大水電機(jī)群并網(wǎng)和巨量直流送出的特高壓等級(jí)骨干網(wǎng)架,加強(qiáng)交流網(wǎng)架與大容量特高壓直流輸電的協(xié)調(diào)發(fā)展,由當(dāng)前典型的“強(qiáng)直弱交”網(wǎng)架形態(tài)逐步過渡到“強(qiáng)直強(qiáng)交”形態(tài),是水電高占比電網(wǎng)規(guī)劃中面臨的十分緊迫的問題。在水電季節(jié)性、新能源隨機(jī)性和波動(dòng)性的共同作用下,系統(tǒng)運(yùn)行方式更加復(fù)雜多樣,需建立大規(guī)模水電及新能源發(fā)電的多場(chǎng)景時(shí)序模型,研究考慮水電和新能源時(shí)空分布特性的多階段網(wǎng)源協(xié)調(diào)規(guī)劃［24］。此外,需要考慮多直流外送功率聯(lián)合優(yōu)化和可再生能源出力特性差異,研究多直流送端可再生能源場(chǎng)站集群匯集方案優(yōu)化方法,合理規(guī)劃建設(shè)新的外送通道滿足大規(guī)模新能源和水電集群匯集、接入和送出需要,實(shí)現(xiàn)水風(fēng)光一體化送出,使輸電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在多種運(yùn)行方式下均能滿足運(yùn)行要求。

3）穩(wěn)定性分析與控制層面

針對(duì)水電機(jī)組“水錘效應(yīng)”引起的超低頻振蕩問題,需考慮水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化策略對(duì)水電高占比電網(wǎng)一次調(diào)頻及抑制超低頻振蕩的適應(yīng)性,根據(jù)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)需求,提出水電機(jī)組調(diào)速控制策略。針對(duì)大量新能源接入后電力電子設(shè)備多時(shí)間尺度控制引入的寬頻振蕩問題,需要研究寬頻振蕩快速檢測(cè)方法和適用于多種運(yùn)行工況和時(shí)變特性的抑制策略。針對(duì)大規(guī)模新能源接入下電力電子化趨勢(shì),需要分析其多時(shí)間尺度的控制特性對(duì)系統(tǒng)功角、電壓、頻率穩(wěn)定性影響的機(jī)理,研究提升水電高占比電網(wǎng)功角/電壓/頻率穩(wěn)定性的穩(wěn)控策略。隨著碳中和轉(zhuǎn)型進(jìn)程的推進(jìn),負(fù)荷中心常規(guī)電源空心化愈加凸顯,無功電壓支撐能力下降,需深入研究負(fù)荷中心電壓穩(wěn)定特性變化機(jī)理,構(gòu)建負(fù)荷中心無功電壓支撐措施。

4）規(guī)劃方案評(píng)估與運(yùn)行模擬層面

基于人為經(jīng)驗(yàn)的少量典型和極端運(yùn)行場(chǎng)景難以表征水電高占比電網(wǎng)在碳中和演進(jìn)過程中復(fù)雜多樣的運(yùn)行方式,需開展精細(xì)化運(yùn)行模擬,建立考慮可再生能源集群出力特性的多時(shí)間尺度精細(xì)化運(yùn)行模擬模型,進(jìn)行全年8 760 h 全景運(yùn)行模擬,為規(guī)劃方案評(píng)估決策提供支撐［25］。分析超高比例可再生能源接入下多樣化運(yùn)行場(chǎng)景的系統(tǒng)供需平衡、調(diào)峰需求、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化趨勢(shì),研究考慮新型電力系統(tǒng)安全約束的調(diào)節(jié)能力綜合評(píng)估方法。此外,需充分考慮特高壓交流故障、特/超高壓直流故障情況下交流斷面潮流轉(zhuǎn)移能力和連鎖停電風(fēng)險(xiǎn),建立水電高占比系統(tǒng)安全性量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,確定指標(biāo)取值范圍,對(duì)規(guī)劃方案的安全性進(jìn)行校驗(yàn)。

3 碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)

基于所構(gòu)建的水電高占比電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型研究框架,考慮碳中和電力系統(tǒng)技術(shù)特征,本章將水電高占比電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型路徑劃分為過渡期和形成期兩階段,對(duì)碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)進(jìn)行闡釋,包括電源結(jié)構(gòu)形態(tài)和主網(wǎng)架形態(tài)的演化路徑。電源層面主要涉及煤電機(jī)組退出路徑、新能源擴(kuò)張等問題,電網(wǎng)層面主要涉及網(wǎng)架形態(tài)和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性的演化。

3.1 碳中和過渡期

在碳中和過渡期,增長(zhǎng)的用電需求應(yīng)當(dāng)由新增的新能源來滿足,煤電機(jī)組退役應(yīng)考慮裝機(jī)容量、服役時(shí)間等因素,同時(shí)應(yīng)與新能源擴(kuò)張速度、負(fù)荷增長(zhǎng)相匹配,在保證電力充裕的前提下分階段進(jìn)行退役。部分裝機(jī)容量小、運(yùn)行年限長(zhǎng)的煤電機(jī)組可在碳中和過渡期逐步退役［26］。煤電退出帶來的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降、地區(qū)內(nèi)無功資源缺乏等問題可根據(jù)地區(qū)實(shí)際資源情況,利用生物質(zhì)能、地?zé)?、氣電等來進(jìn)行補(bǔ)償。為應(yīng)對(duì)大量新能源的出力波動(dòng)性和反調(diào)峰特性,需考慮對(duì)已建常規(guī)水電加以改造利用,加入抽水蓄能功能或規(guī)劃新的抽水蓄能電站,依靠抽水蓄能電站基本滿足日內(nèi)的電力平衡需求。在該階段末期,除少量裝機(jī)容量大、運(yùn)行年限短的煤電機(jī)組外,其余機(jī)組均為凈零排放機(jī)組,接近碳中和電力系統(tǒng),并形成以水電為主、風(fēng)光為輔、少量煤電和其他形式清潔能源并存的電源結(jié)構(gòu)形態(tài)。

此階段對(duì)于新能源場(chǎng)站,應(yīng)建設(shè)新的外送通道與水電站群進(jìn)行匯集,同時(shí)為與特高壓直流外送相協(xié)調(diào),需要建設(shè)特高壓等級(jí)的主網(wǎng)架,通過特高壓輸電通道進(jìn)行集中外送消納,特高壓交流主網(wǎng)架初步形成［27］。

3.2 碳中和形成期

在碳中和形成期,剩余煤電機(jī)組將陸續(xù)退役,新能源比例進(jìn)一步提升以滿足負(fù)荷的自然增長(zhǎng),同時(shí)也需要更多的抽水蓄能和其他形式清潔電源參與調(diào)峰,完成供需實(shí)時(shí)平衡。在此階段末期,煤電機(jī)組全部退役,系統(tǒng)內(nèi)電源主要為水風(fēng)光清潔能源,同時(shí)包含一定比例其他形式清潔電源,如安裝CCUS 裝備的氣電機(jī)組、生物質(zhì)能、地?zé)岬?系統(tǒng)整體碳排放強(qiáng)度為零,完成向碳中和電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型,電源結(jié)構(gòu)形態(tài)將由原來的水電為主、風(fēng)光為輔轉(zhuǎn)變?yōu)樗L(fēng)光并舉的格局。

此階段新能源大規(guī)模遠(yuǎn)距離外送格局進(jìn)一步加深,需加強(qiáng)超/特高壓輸電通道建設(shè),跨省輸電、特高壓交流互聯(lián)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大,最終形成“強(qiáng)直強(qiáng)交”的骨干網(wǎng)架形態(tài)。

4 碳中和目標(biāo)下四川電網(wǎng)形態(tài)演化路徑

為驗(yàn)證所提研究框架和發(fā)展形態(tài)的適用性,本章以水電高占比為特征的四川電網(wǎng)為例,考慮所述關(guān)鍵問題與挑戰(zhàn),根據(jù)所提研究框架和發(fā)展形態(tài),從規(guī)劃角度探討四川電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)及主網(wǎng)架形態(tài)演化路徑。

4.1 四川電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)形態(tài)演化路徑

中國(guó)西南地區(qū)水電資源非常豐富,同時(shí)這些省份的風(fēng)、光、地?zé)岬惹鍧嵞茉匆草^為豐富,具備綠色低碳發(fā)展的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和廣闊空間［28-29］。截至2020年底,各省清潔能源分布及開發(fā)狀況如表1 所示?？梢?水電仍具備一定的待開發(fā)空間,風(fēng)電和光伏的開發(fā)程度目前還較低,具備率先轉(zhuǎn)型為碳中和電力系統(tǒng)的可行性。

表1 中國(guó)西南地區(qū)清潔能源分布及開發(fā)狀況Table 1 Distribution and development situation of clean energy in Southwest China

四川省內(nèi)清潔能源及氣田分布情況如附錄A圖A1 所示。水電資源主要位于省內(nèi)西部的“三江”流域（金沙江、雅礱江、大渡河）,風(fēng)光資源主要位于阿壩州以及攀西等負(fù)荷較輕的川西地區(qū)。本文以四川電網(wǎng)2030 年相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探討2031—2040 年四川電網(wǎng)構(gòu)建為碳中和電力系統(tǒng)的兩階段演化路徑,其中2031—2035 年為碳中和過渡期,2036—2040 年為碳中和形成期。

1）碳中和過渡期電源結(jié)構(gòu)形態(tài)

在碳中和過渡期,優(yōu)先退出使用年限較長(zhǎng)、裝機(jī)容量較小的煤電機(jī)組。同時(shí),考慮新能源布點(diǎn)和特高壓網(wǎng)架建設(shè)時(shí)序等因素,安排所在地區(qū)靠近新增新能源電源點(diǎn)和新建特高壓變電站點(diǎn)的煤電機(jī)組優(yōu)先退役。按照上述煤電機(jī)組退役策略,預(yù)計(jì)2031—2035 年煤電機(jī)組可退役3 960 MW,占2030 年煤電裝機(jī)總?cè)萘康?0.09%；2035 年底,在運(yùn)行煤電機(jī)組均位于負(fù)荷較重的川中/川東地區(qū),川西地區(qū)所有煤電機(jī)組均關(guān)停、率先完成該地區(qū)電力系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型。

相較2030 年,2035 年省內(nèi)最大用電負(fù)荷預(yù)計(jì)增長(zhǎng)13.0 GW。為滿足增長(zhǎng)的電力需求,綜合考慮豐大和枯大兩種運(yùn)行方式下所需新能源出力情況,基于電力電量平衡分析確定合理的新能源裝機(jī)容量。豐水期,新能源出力和負(fù)荷需求具有一定的正相關(guān)性；而枯水期,新能源出力呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。為避免大面積棄風(fēng)棄光現(xiàn)象,新增新能源考慮滿足豐大方式下系統(tǒng)的電力缺額,2031—2035 年四川電網(wǎng)需新增新能源裝機(jī)容量19 GW（風(fēng)電新增裝機(jī)容量3 GW,光伏新增裝機(jī)容量16 GW）。川東地區(qū)天然氣極為豐富,為滿足枯水期調(diào)峰需求,同時(shí)為川東重負(fù)荷地區(qū)提供無功支撐,在煤電退役過程中可在川東天然氣資源豐富地區(qū)建設(shè)一定比例的氣電機(jī)組并安裝CCUS 裝置（共9.4 GW）。此外,為滿足調(diào)峰需求,在2030 年基礎(chǔ)上將已建水電站改造為抽水蓄能電站（共2 GW）。至2035 年底,四川電網(wǎng)凈零碳排放機(jī)組裝機(jī)占比將達(dá)到96%。

2）碳中和形成期電源結(jié)構(gòu)形態(tài)

煤電機(jī)組全部退役將造成電廠臨近區(qū)域電力缺額,且原有煤電送出線路被擱置。而剩余煤電廠所在區(qū)域都是天然氣資源較為豐富的地區(qū),因此可考慮依托退役電廠投建加裝CCUS 裝置的氣電機(jī)組,以減少擱淺成本。按照上述策略,2036—2040 年剩余的9.2 GW 煤電機(jī)組均被替代為安裝CCUS 裝置的氣電機(jī)組,至2040 年底,四川電網(wǎng)內(nèi)所有煤電機(jī)組全部退役。

2036—2040 年,四川省內(nèi)最大用電負(fù)荷預(yù)計(jì)增長(zhǎng)10 GW,同過渡期一樣,新增新能源主要考慮滿足豐大方式下系統(tǒng)增長(zhǎng)的用電需求,2036—2040 年需新增新能源裝機(jī)容量27 GW（風(fēng)電新增裝機(jī)容量3 GW,光伏新增裝機(jī)容量24 GW）。為滿足枯大方式下剩余有功缺額,同時(shí)為川東重負(fù)荷地區(qū)提供無功電壓支撐,在川東北地區(qū)新增總裝機(jī)容量為5.60 GW的氣電機(jī)組,同時(shí)新增改造2.64 GW 已建常規(guī)水電為抽水蓄能電站以滿足調(diào)峰需求。至2040 年底,除一定比例安裝CCUS 裝置的氣電機(jī)組外,其余均為水風(fēng)光清潔電源,四川省將率先完成電力系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型目標(biāo),由原來的以水電為主過渡到水風(fēng)光并舉的電源格局。

3）電力碳排放軌跡及供需平衡分析

計(jì)算水電高占比電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型過程中各階段的年碳排放量,邊界條件為:2030 年煤電、氣電碳排放強(qiáng)度分別設(shè)定為820 g/（kW?h）和370 g/（kW?h）,并按照每10 年降低5%考慮；2030、2035、2040 年的年利用小時(shí)數(shù)分別設(shè)定為3 300、3 100、2 700 h,得到電力碳排放軌跡如附錄A 圖A2 所示。隨著煤電機(jī)組逐步退役和氣電機(jī)組投建,四川電網(wǎng)總直接碳排放和凈碳排放均呈逐步下降趨勢(shì),至2040 年煤電機(jī)組全部退役后,網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組全部為裝有CCUS裝置的氣電機(jī)組,最終實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。

分析四川電網(wǎng)轉(zhuǎn)型過程中各階段豐大和枯大兩種運(yùn)行方式下的供需平衡,如附錄A 圖A3 所示。平衡原則為:常規(guī)電源出力方面,煤電及氣電考慮100%,常規(guī)水電豐大運(yùn)行方式平均出力90%,枯大方式按60%考慮；抽水蓄能100%；風(fēng)電、光伏豐大方式下出力分別按裝機(jī)容量的20%、30%考慮,枯大方式下分別按裝機(jī)容量的50%、10%考慮；為應(yīng)對(duì)水電出力季節(jié)性變化,7 回特高壓直流在枯水期外送功率降至豐水期一半,德寶直流在枯水期向四川電網(wǎng)反送電力,四川電網(wǎng)在枯水期直流外送規(guī)模降至23.8 GW。由附錄A 圖A3 可知,豐大運(yùn)行方式下2030—2040 年均有部分電力盈余；枯大運(yùn)行方式下2030 年尚有一定盈余,但隨著用電負(fù)荷逐步增長(zhǎng),至2035 和2040 年,即使氣電機(jī)組全部參與調(diào)峰,仍將存在較大的電力缺口,通過建設(shè)抽水蓄能機(jī)組可以降低系統(tǒng)峰谷差,解決2035、2040 年枯大運(yùn)行方式下的電力缺口問題。

4.2 四川電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形態(tài)演化路徑

在電源結(jié)構(gòu)形態(tài)研究的基礎(chǔ)上,本節(jié)進(jìn)一步探討適應(yīng)四川電網(wǎng)碳中和電力系統(tǒng)構(gòu)建的主網(wǎng)架兩階段演化路徑,分兩階段同步擴(kuò)展特高壓交流主網(wǎng)架結(jié)構(gòu),加強(qiáng)交流網(wǎng)架強(qiáng)度,滿足碳中和目標(biāo)下大規(guī)模清潔電力傳輸和安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

1）碳中和過渡期主網(wǎng)架形態(tài)

為滿足四川省大規(guī)模水電開發(fā)和西電東送的需要,按照現(xiàn)有規(guī)劃（見附錄A 圖A4）,至2030 年,四川電網(wǎng)將投建8 回大容量直流輸電線路與外省相連,送電規(guī)模最大可達(dá)到56.6 GW；四川省內(nèi)形成“U”字形特高壓交流主網(wǎng)架,并通過天府南—銅梁特高壓交流線路實(shí)現(xiàn)川渝特高壓交流聯(lián)網(wǎng)。

原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是為了滿足水電群外送,各水電外送通道潮流已經(jīng)處于相對(duì)較重的狀態(tài),不能滿足川西大量新能源外送需求,故應(yīng)合理規(guī)劃新的外送通道滿足川西大規(guī)模清潔能源匯集外送的需要。碳中和過渡期的特高壓交流主網(wǎng)架具體擴(kuò)展方案如圖3 所示。2031—2035 年期間,為支撐川西大規(guī)模水電及新能源開發(fā)送出需要,可規(guī)劃投建特高壓交流線路2 條（共4 回）,至2035 年形成“八直六交”的特高壓聯(lián)網(wǎng)格局。四川電網(wǎng)內(nèi)部形成“三橫一縱”特高壓交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu),為適應(yīng)特高壓交流主網(wǎng)架發(fā)展模式,四川電網(wǎng)500 kV 交流網(wǎng)架需適當(dāng)加強(qiáng),主要為新建攀西、綿陽特高壓變電站的配套500 kV線路。

圖3 2035 年四川電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of main grid structure of Sichuan power grid in 2035

2）碳中和形成期主網(wǎng)架形態(tài)

碳中和形成期主要加強(qiáng)川東地區(qū)特高壓網(wǎng)架,具體擴(kuò)展方案如圖4 所示。為進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)架承載能力,提升成渝雙城地區(qū)電力供應(yīng)保障能力,四川電網(wǎng)共規(guī)劃投建特高壓交流線路4 條,至2040 年形成“八直九交”的特高壓聯(lián)網(wǎng)格局,川渝電網(wǎng)形成兩個(gè)“U”字形特高壓交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu),共同構(gòu)筑川渝特高壓交流雙環(huán)網(wǎng)發(fā)展形態(tài),其中,四川省內(nèi)“U”字形特高壓交流網(wǎng)架為阿壩—成都—天府南—甘孜,四川與重慶的省際“U”字形特高壓交流網(wǎng)架為阿壩—綿陽—達(dá)州—萬州—銅梁—天府南,“強(qiáng)直強(qiáng)交”的主網(wǎng)架格局最終形成。

圖4 2040 年四川電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of main grid structure of Sichuan power grid in 2040

4.3 安全穩(wěn)定仿真分析

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》等技術(shù)規(guī)程,利用PSD-BPA 軟件對(duì)豐大、枯大運(yùn)行方式下四川電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型不同階段（2030 年、2035 年、2040 年）系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明,水電高占比的四川電網(wǎng)在碳中和轉(zhuǎn)型過程中能夠滿足安全穩(wěn)定要求,驗(yàn)證了所提形態(tài)演化路徑的可行性。

總體而言,3 個(gè)階段的規(guī)劃系統(tǒng)均能滿足N-1要求,隨著特高壓網(wǎng)架的逐步加強(qiáng),同塔雙回線路N-2 故障導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的個(gè)數(shù)逐漸減少（采用穩(wěn)控措施均可保持系統(tǒng)穩(wěn)定性）,“強(qiáng)直強(qiáng)交”網(wǎng)架形態(tài)逐步形成。但隨著新能源的增加和特高壓主網(wǎng)架的加強(qiáng),需要配置大量并聯(lián)無功設(shè)備以滿足增長(zhǎng)的無功需求,且各變電站母線短路電流呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)。由于多直流調(diào)制可提供較為充裕的可調(diào)空間,直流雙極閉鎖故障引起的高頻問題不再突出,直流閉鎖后系統(tǒng)的暫態(tài)極值頻率和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率均有所改善。該部分具體分析見附錄B。

然而,由于耐頻/耐壓性能差的大規(guī)模新能源滲入,新能源脫網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響不斷加深,四川電網(wǎng)主要運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)將由直流閉鎖故障引發(fā)的高頻問題轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模新能源脫網(wǎng)導(dǎo)致的低頻問題。如圖5 所示,部分區(qū)域發(fā)生新能源脫網(wǎng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定造成太大影響,但到碳中和形成期,全網(wǎng)新能源脫網(wǎng)后若不采取穩(wěn)控措施,系統(tǒng)最低頻率將接近低頻減載閾值。針對(duì)碳中和過渡期及形成期的新能源脫網(wǎng)事故加入多直流調(diào)制策略后,能夠有效抑制系統(tǒng)頻率下降幅度,避免低頻減載。

圖5 2030—2040 年新能源脫網(wǎng)后的系統(tǒng)最低頻率Fig.5 System frequency nadir after renewable energy inaccessible to power grid from 2030 to 2040

仿真結(jié)果（參見附錄B）表明,四川電網(wǎng)具備在遠(yuǎn)期構(gòu)建為碳中和電力系統(tǒng)的可行性,得益于資源稟賦優(yōu)勢(shì),在中國(guó)西南地區(qū)水電超高占比的清潔能源富集省份積極探索電網(wǎng)轉(zhuǎn)型路徑和碳中和路線圖,率先構(gòu)建碳中和電力系統(tǒng),將對(duì)其余省份提升電力系統(tǒng)的清潔化水平提供重要的參考和示范。

為維持水電高占比碳中和電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,未來需進(jìn)一步開展大規(guī)模儲(chǔ)能、新能源主動(dòng)支撐、柔性負(fù)荷響應(yīng)等技術(shù)的研究和應(yīng)用。此外,可加強(qiáng)水電高占比電網(wǎng)與臨近電網(wǎng)的連接,從外部電網(wǎng)獲取一定的旋轉(zhuǎn)備用和事故響應(yīng)支撐。

5 結(jié)語

在碳中和目標(biāo)與新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下,中國(guó)西南地區(qū)水電超高占比的清潔能源富集省份有望陸續(xù)退役裝機(jī)占比極低的煤電機(jī)組,率先轉(zhuǎn)型為碳中和電力系統(tǒng)。在此背景下,本文分析了水電高占比電網(wǎng)在轉(zhuǎn)型過程中存在的主要問題與挑戰(zhàn),從電源規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃、穩(wěn)定性分析與控制、規(guī)劃方案評(píng)估與運(yùn)行模擬4 個(gè)層面,建立了面向碳中和目標(biāo)的水電高占比電網(wǎng)轉(zhuǎn)型研究框架體系。進(jìn)而,基于所構(gòu)建的研究框架將其發(fā)展路徑劃分為過渡期和形成期兩階段,分析了碳中和目標(biāo)下水電高占比電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)演化路徑:水電高占比電網(wǎng)經(jīng)歷碳中和過渡期形成水電為主、風(fēng)光為輔的電源結(jié)構(gòu)形態(tài),并初步形成特高壓交流主網(wǎng)架；至碳中和形成期,電源結(jié)構(gòu)形成水風(fēng)光并舉的格局,“強(qiáng)直強(qiáng)交”骨干網(wǎng)架最終形成。最后,以四川電網(wǎng)為例,探討了2031—2040年四川電網(wǎng)逐步構(gòu)建為碳中和電力系統(tǒng)的發(fā)展模式,提出了其電源結(jié)構(gòu)和主網(wǎng)架形態(tài)的兩階段演化路徑,說明了本文所提出的研究框架和發(fā)展形態(tài)具有一定的通用性。

應(yīng)當(dāng)指出,水電高占比電網(wǎng)碳中和轉(zhuǎn)型目標(biāo)的完成除了從技術(shù)方面提出應(yīng)對(duì)方案以外,還需針對(duì)政策激勵(lì)、市場(chǎng)機(jī)制等方面進(jìn)一步開展研究。例如,研究構(gòu)建協(xié)調(diào)統(tǒng)一的規(guī)劃建設(shè)體系,統(tǒng)籌優(yōu)化特高壓外送通道與水風(fēng)光電源基地的建設(shè)時(shí)序；研究完善可再生能源運(yùn)行消納保障機(jī)制,實(shí)現(xiàn)可再生能源在全國(guó)范圍內(nèi)的優(yōu)化配置；針對(duì)水電高占比電網(wǎng)豐枯發(fā)電特性,研究構(gòu)建豐枯雙期市場(chǎng)模式,契合市場(chǎng)建設(shè)與水電、新能源消納政策；研究完善輔助服務(wù)市場(chǎng),提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,滿足系統(tǒng)碳中和轉(zhuǎn)型過程中在慣性、調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等方面的輔助服務(wù)需求；研究完善碳排放市場(chǎng),推動(dòng)電網(wǎng)低碳化進(jìn)程等。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。