中國儲能網(wǎng)訊：隨著工業(yè)生產(chǎn)及交通行業(yè)的電氣化程度增高，電力能源在終端能源消費的占比日益增大，電力行業(yè)在節(jié)能減排上承擔(dān)主要責(zé)任。為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，電力系統(tǒng)需要在發(fā)電側(cè)對能源結(jié)構(gòu)進行改革，淘汰或改造已存碳排放量高的化石能源熱發(fā)電機組，加大對水能、核能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源的投資和開發(fā)。
自21世紀以來，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等無污染、可再生、環(huán)境友好的新能源吸引了各國研究人員對其開采和發(fā)電技術(shù)的研究，其中風(fēng)能、太陽能尤甚。自然界蘊含豐富的風(fēng)能和太陽能，開采潛能足以滿足未來人類對能源的需求。對新能源的開發(fā)在一定程度上降低了世界碳排放量的增長速度，但是短時間內(nèi)仍無法彌補人類對能源需求快速上漲所造成的碳排放增長。對火力發(fā)電機組的改造是另一條節(jié)能減排的渠道，通過對燃料所產(chǎn)生的二氧化碳進行回收和封存，可以實現(xiàn)發(fā)電機組整體的碳零排放。
清潔能源的大量開發(fā)以及舊煤電機組的淘汰推動傳統(tǒng)電力系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)向碳中和電力系統(tǒng)發(fā)展的同時，也面臨著一些社會、經(jīng)濟和技術(shù)難題。特別是風(fēng)能、太陽能發(fā)電屬于不可控發(fā)電，具有極強的隨機性，使得在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行中的功率平衡問題呈現(xiàn)概率化。另外，風(fēng)力、光伏發(fā)電機組通過電力電子設(shè)備并入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和控制趨向復(fù)雜化。而火力發(fā)電機組的改造則需要有大量資金投入，相關(guān)技術(shù)難題也還沒有被完全攻克。
碳中和目標(biāo)下的電力系統(tǒng)規(guī)劃運行
碳中和電力系統(tǒng)指的是在電力生產(chǎn)中，使用水能、核能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等清潔能源作為能量來源，或者使用裝有碳捕捉和封存裝置的燃氣發(fā)電機組，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的碳氧化物靜排放量為零甚至為負值，同時所產(chǎn)生的電力在質(zhì)和量上要求能夠滿足電力用戶的需求。相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)只考慮電力用戶的需求，碳中和電力系統(tǒng)在環(huán)境保護、能源可持續(xù)性上有了更高的要求。
碳中和電力系統(tǒng)與100%可再生能源電力系統(tǒng)有一些區(qū)別。在能源結(jié)構(gòu)上，碳中和電力系統(tǒng)以核能、水能、化石能源（如裝有“碳捕集、利用與封存”裝置，即CCUS裝置的火電機組）以及風(fēng)能和太陽能為主，強調(diào)的是無碳排放；100%可再生能源電力系統(tǒng)則是以水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和地?zé)崮転橹?，強調(diào)的是能量來源的可持續(xù)性。100%可再生能源電力系統(tǒng)需要對當(dāng)前電力系統(tǒng)中裝機占比最大的化石能源發(fā)電機組全部進行替換，因而實現(xiàn)起來非常困難。相對來說，碳中和電力系統(tǒng)則比較容易實現(xiàn)，許多國家制定了時間表來完成對碳中和電力系統(tǒng)的構(gòu)建。然而，碳中和電力系統(tǒng)在規(guī)劃和運行方面，也將面臨諸多難題。
碳中和電力系統(tǒng)的規(guī)劃問題
碳中和電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃內(nèi)容包括現(xiàn)有化石能源發(fā)電機組的淘汰和改造規(guī)劃、配備CCUS裝置的化石能源發(fā)電機組擴展規(guī)劃和清潔能源發(fā)電機組的擴展規(guī)劃等。通過對各種發(fā)電裝置的協(xié)調(diào)規(guī)劃，以實現(xiàn)碳中和電力系統(tǒng)碳氧化物零排放的核心目標(biāo)，同時維持系統(tǒng)慣性水平來保證系統(tǒng)有足夠的安全穩(wěn)定裕度，以及有足夠的靈活性資源為碳中和電力系統(tǒng)運行提供輔助服務(wù)，并盡可能減少總投資費用。碳中和電力系統(tǒng)含有多種清潔能源，在進行電源規(guī)劃時需要考慮到的約束也將更復(fù)雜。風(fēng)電、光伏發(fā)電出力具有極強的不確定性，在進行電源投資規(guī)劃決策時要確保系統(tǒng)的發(fā)電資源能適應(yīng)各種風(fēng)力、光伏出力場景。
碳中和電力系統(tǒng)中高比例隨機性、間歇性能源并網(wǎng)，電網(wǎng)線路中潮流大小甚至方向變化頻繁，在進行電網(wǎng)規(guī)劃時需要考慮隨機性對電網(wǎng)規(guī)劃決策方案的影響，提高電網(wǎng)魯棒性。在輸電網(wǎng)規(guī)劃方面，需要考慮不確定性的影響以及電網(wǎng)的形態(tài)和安全性。目前已有許多研究采用隨機優(yōu)化、魯棒優(yōu)化等方法處理輸電網(wǎng)規(guī)劃中的隨機性，以獲得適應(yīng)性更強、經(jīng)濟性更高的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案。在電網(wǎng)形態(tài)上，由于源荷分布的高度不平衡，遠距離輸電需求量增大。高壓直流輸電技術(shù)日益成熟，未來碳中和電力系統(tǒng)的輸電網(wǎng)將呈現(xiàn)出交直流混聯(lián)的形態(tài)，由于輸電設(shè)備的電力電子化程度高，對輸電網(wǎng)的擴展規(guī)劃需要考慮交流線路、直流線路相協(xié)調(diào)的問題。
在配電網(wǎng)規(guī)劃方面，需要考慮各種分布式能源的并網(wǎng)運行特性和出力隨機性，以及配電網(wǎng)的安全性。在碳中和電力系統(tǒng)的配電系統(tǒng)中，小規(guī)模清潔能源發(fā)電裝置、儲能及電動車以分布式能源形式接入，需求側(cè)響應(yīng)措施的實施，以及源、荷兩端的強不確定性，都會對配電網(wǎng)規(guī)劃決策產(chǎn)生影響。
碳中和電力系統(tǒng)的運行問題
高比例新能源的并入給電力系統(tǒng)引入高度不確定性的同時，也淘汰了大部分同步發(fā)電機組，后者是安全穩(wěn)定的重要控制手段。此外，新能源通過逆變器并入電網(wǎng)，系統(tǒng)的電力電子化程度高，增加了系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險。發(fā)電調(diào)度是系統(tǒng)運行最主要的任務(wù)，它承擔(dān)了系統(tǒng)供電、用電功率的實時平衡工作。碳中和電力系統(tǒng)中新能源滲透率高，且發(fā)電成本低。在保證滿足系統(tǒng)負荷及安全穩(wěn)定運行的前提下，應(yīng)盡可能多地消納新能源，有效節(jié)省系統(tǒng)的運行成本。碳中和電力系統(tǒng)中，包含有氣、水、儲能等多種靈活性資源。為應(yīng)對風(fēng)、光等新能源出力的不確定性，系統(tǒng)還需要有足夠的旋轉(zhuǎn)備用。綜合考慮各種靈活性資源的運行特性，協(xié)調(diào)安排各類靈活性資源預(yù)留的上下備用量，使發(fā)電和風(fēng)險成本降到最低。設(shè)備檢修安排是系統(tǒng)保持安全可靠運行必不可少的工作。碳中和電力系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷的設(shè)備類型均呈現(xiàn)多且雜的形勢，給電氣設(shè)備檢修時間安排增添了難度。
在碳中和電力系統(tǒng)中，大量同步發(fā)電機組被新能源發(fā)電機組所替代，系統(tǒng)往往會處于低慣性狀態(tài)，頻率調(diào)節(jié)能力不足、阻尼特性差，大大提高了頻率穩(wěn)定控制的難度。2019年8月9月英國出現(xiàn)的大停電事故就是由頻率失穩(wěn)所引發(fā)。事實上英國2019年風(fēng)能、太陽能裝機占比僅33%，而碳中和電力系統(tǒng)中風(fēng)能、太陽能裝機占比會遠高于此，因此需進一步研究新能源對于系統(tǒng)慣性、頻率、電壓的支撐作用并研發(fā)相關(guān)設(shè)備。
碳中和目標(biāo)下的電力市場體制機制
電力市場體制機制改革的目的歸根到底還是更有效地支撐電力系統(tǒng)的規(guī)劃運行。在碳中和目標(biāo)下的電力系統(tǒng)中，隨著以光伏和風(fēng)電為代表的間歇性可再生能源發(fā)電比例逐步升高、各種類型儲能的成本逐漸降低、智能電表的普及和需求側(cè)響應(yīng)的引入，世界各國的電力市場都面臨著更新?lián)Q代。歐盟在2016年12月公布的新電力市場設(shè)計方案中指出，“當(dāng)今能源市場規(guī)則是為了滿足過去以傳統(tǒng)火力發(fā)電和沒有需求側(cè)響應(yīng)的能源系統(tǒng)而設(shè)計的?！泵绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇以?014年發(fā)布的報告也明確指出，雖然美國各ISO在可再生能源大規(guī)模接入條件下對電力市場規(guī)則進行了持續(xù)的改進，但仍然難以確定各種改進措施是否能維持電力市場穩(wěn)定、高效的運作。近期美國能源部與各大電力市場ISO/RTO的爭論將電力市場結(jié)構(gòu)、價格形成機制等進一步改革問題推向公眾視野。美國能源部指出，當(dāng)前的電力市場設(shè)計方案可能難以滿足未來市場演變帶來的挑戰(zhàn)。如果具有近零邊際成本的波動性可再生能源實現(xiàn)高比例并網(wǎng)，將拉低電力批發(fā)價格，給傳統(tǒng)基荷及非基荷電廠特別是燃煤電廠和核電廠帶來虧損，迫使燃煤電廠和核電廠過早退役，威脅到電網(wǎng)的安全可靠性。因此，電力市場運營商需要識別、定義不同的電力資源，并設(shè)計適合不同屬性電力資源的定價和補償機制，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性和彈性。
深入研究體現(xiàn)多種不同價值的電能商品價格形成機制
傳統(tǒng)電力市場中電能商品的價值相對來說比較簡單，主要包括電能量價值（體現(xiàn)于現(xiàn)貨與遠期合同產(chǎn)品）、容量價值（體現(xiàn)于容量市場）和安全穩(wěn)定價值（體現(xiàn)于輔助服務(wù)）。電源和負荷實時平衡是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本條件，在碳中和電力系統(tǒng)中，由于風(fēng)、光等新能源的大量接入，在電源側(cè)引入大量的隨機性和波動性，給電網(wǎng)的調(diào)度運行帶來諸多困難，也是電能商品價值更加趨于多樣化，特別是靈活性也已成為業(yè)內(nèi)所關(guān)注的新焦點。因此，應(yīng)在衡量電能商品價值時考慮功率曲線在時間維度的形狀和不同電能商品的靈活性品質(zhì)，并設(shè)計合理的價格形成機制。
由于電能難以大量儲存，發(fā)用功率需要實時平衡，從對電力系統(tǒng)調(diào)度運行和功率平衡的影響，筆者認為電能商品品質(zhì)應(yīng)從（波動性、可控性、隨機性）3個維度進行衡量（見表）。其中波動性指功率相對于自身容量的變化幅度；可控性指將功率在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)的難易程度；隨機性與可控性有一定的關(guān)聯(lián)，隨機性大的電源或負荷一定難于控制，而隨機性小的電源或負荷可能易控（可靈活調(diào)節(jié)的資源），也可能難控（功率相對固定的資源）。對當(dāng)前各類常見供方（電廠）所生產(chǎn)和需方（負荷）所消費的電能商品品質(zhì)可以給出表中所示的排級。注意這里是對電能商品的品質(zhì)進行排級，而非給電源或負荷“貼標(biāo)簽”，僅按一般情況依照電能商品品質(zhì)高低對電源和負荷進行大致分類，而具體情況需要具體分析。例如，如果品質(zhì)一般的煤電經(jīng)過靈活性改造，可升級為高品質(zhì)的調(diào)峰電源。需要說明的是，電能商品品質(zhì)是從保證電力系統(tǒng)發(fā)用功率平衡的角度來定義的，因此對于電能商品的供方（生產(chǎn)者）和需方（消費者），商品品質(zhì)的價值內(nèi)涵是不同的。從定價原則來講，對于供方，電能商品品質(zhì)越高，定價越高；對于需方，電能商品品質(zhì)越高，定價越低（即價格越優(yōu)惠），甚至可以享受負電價。也就是說，供方所生產(chǎn)的低品質(zhì)電能商品（如風(fēng)電）可以較低價提供需方的高品質(zhì)電能商品消費（如需求側(cè)響應(yīng)），反之亦然。
建立靈活性資源及新型輔助服務(wù)交易機制
對于發(fā)電機組，靈活性的提升主要體現(xiàn)在：深度調(diào)峰（降低最小技術(shù)出力）、快速啟停、增強爬坡能力（即提高加減負荷速度）。對于熱電機組，熱電解耦也是增強靈活性的方式。
在美國加州電力市場（CAISO）和中部大陸電力市場（MISO），建立了靈活爬坡產(chǎn)品（Flexible Ramping Product）交易，取得了良好的效果。如圖所示，深藍色曲線表示預(yù)測凈負荷（FNL），即系統(tǒng)總負荷減去可再生能源發(fā)電出力。由于新能源功率預(yù)測的不確定性，取概率為95%的置信區(qū)間，最大預(yù)測凈負荷可增加至（FNL+），其中包括了向上不確定性UU；而最小預(yù)測凈負荷可減小至（FNL-），其中包括了向下不確定性DU。在第t時段采購靈活爬坡產(chǎn)品，要覆蓋從t到t+1時段的凈負荷增長/減少，則需采購的向上靈活爬坡產(chǎn)品為FRU(t)=FNL(t+1)+UU(t+1)-FNL(t)，需采購的向下靈活爬坡產(chǎn)品為FRD(t)=FNL(t+1)+DU(t+1)-FNL(t)。靈活爬坡產(chǎn)品與能量（現(xiàn)貨）及備用聯(lián)合出清，與實時備用類似，基于機會成本確定出清價。
我國在實踐中總結(jié)出來的深度調(diào)峰定價方式值得肯定。該定價方式首先在東北電力輔助服務(wù)市場建立，并且在全國推廣。作為國家電力體制改革專項試點，東北地區(qū)自2017年1月啟動以來成效顯著，深入挖掘了電網(wǎng)調(diào)峰潛力，促進了風(fēng)電、核電等清潔能源消納，顯著提高了電網(wǎng)安全運行水平和供熱可靠性。東北調(diào)峰服務(wù)市場體現(xiàn)公平、自愿的原則，并實現(xiàn)全電網(wǎng)調(diào)峰成本最低。根據(jù)火電機組調(diào)峰深度的不同，采用“階梯式”補償及分攤機制，按照非線性比例“多減多得、少減多罰”的原則加大獎罰力度，以激勵發(fā)電企業(yè)加大提供調(diào)峰服務(wù)的意愿。調(diào)峰服務(wù)分為基本（無償）調(diào)峰服務(wù)及有償調(diào)峰服務(wù)（針對靈活性供方）?；菊{(diào)峰服務(wù)指機組調(diào)峰率小于等于48%（可根據(jù)實際情況，在征得監(jiān)管機構(gòu)同意后進行調(diào)整）時所提供的輔助服務(wù)；有償調(diào)峰服務(wù)指機組調(diào)峰率大于48%或按調(diào)度要求進行啟停調(diào)峰所提供的服務(wù)。發(fā)電企業(yè)須在日前提交有償調(diào)峰服務(wù)報價，對報價設(shè)置區(qū)間限制，通過報價的高低來確定次日各電廠提供有償調(diào)峰服務(wù)的先后順序。由于火電機組參與深度調(diào)峰有必要進行穩(wěn)燃技術(shù)改造，可能需要增加發(fā)電成本，這種降低發(fā)電功率反而增加成本的情況是無法通過現(xiàn)貨價格來真實反映的。對于調(diào)峰服務(wù)費用分攤方式，東北調(diào)峰輔助服務(wù)市場首次引入“階梯式”分攤機制。作為靈活性資源市場化交易的初步嘗試，深度調(diào)峰服務(wù)市場算是成功的，但也存在一些缺陷，特別是人為指定的參數(shù)太多、補償費用過高，需要在實踐中進一步深入研究和改進。
在碳中和目標(biāo)下，社會對電能的需求不斷增長，電網(wǎng)容量不斷擴大，用電結(jié)構(gòu)亦發(fā)生變化，各大電網(wǎng)的峰谷差日趨增大，電網(wǎng)目前的調(diào)峰能力和調(diào)峰需求之間的矛盾愈發(fā)尖銳，低谷時缺乏調(diào)峰手段的問題將更為突出。隨著電力市場化改革的深入以及波動性可再生能源的增多，將使煤電機組逐步由提供電力、電量的主體性電源，向提供可靠電力、調(diào)峰調(diào)頻能力的基礎(chǔ)性電源轉(zhuǎn)變。結(jié)合電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提升工程，充分發(fā)揮火電靈活性改造在提高系統(tǒng)調(diào)峰能力和促進新能源消納方面的重要作用，從而提升機組靈活性，及時響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)控，將有利于推進碳中和電力系統(tǒng)建設(shè)。此外，國內(nèi)外現(xiàn)有輔助服務(wù)市場的交易品種不包括一次調(diào)頻（一般作為強制提供的基本輔助服務(wù)）和慣性，美國德州、澳大利亞等電力市場在積極討論將慣性納入輔助服務(wù)品種的可能性。在碳中和目標(biāo)下，有必要深入研究我國建立一次調(diào)頻和慣性輔助服務(wù)市場機制的可行性，建立相應(yīng)的市場機制并開展市場運營實踐。
建立電力市場和碳排放權(quán)交易市場的協(xié)調(diào)機制
隨著全球?qū)Α皻夂蛭C”的不斷關(guān)注，碳排放權(quán)己經(jīng)成為繼石油等大宗商品之后又一新的價值符號，對于碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)意義重大。《京都議定書》為碳交易奠定了國際法律基礎(chǔ)，它不僅以法規(guī)的形式限制了相關(guān)國家溫室氣體的排放量，更從市場角度催生出以二氧化碳排放權(quán)為主要交易對象的碳交易市場?！毒┒甲h定書》確定了三種碳交易機制，賦予碳排放權(quán)商品屬性。三種機制包括：排放貿(mào)易機制（ET）、聯(lián)合履行機制（JI）和清潔發(fā)展機制（CDM）。中國作為全球最大的發(fā)展中國家，主要開展在CDM機制下的項目開發(fā)，并成為CDM項目最多的國家之一。CDM機制對從事清潔能源項目的企業(yè)機構(gòu)來說，多了一個融資和技術(shù)改造的途徑。通過參與該機制引進外資與節(jié)能減排技術(shù)能夠促進我國環(huán)保事業(yè)發(fā)展，同時項目業(yè)主可以通過在碳交易市場出售彌補其實施碳減排所增加的成本。此外，凡中國境內(nèi)所有減少的溫室氣體排放，都可以按照《京都議定書》中的CDM機制轉(zhuǎn)變成有價商品向發(fā)達國家出售。
2011年，按照“十二五”規(guī)劃綱要關(guān)于“逐步建立碳排放交易市場”的要求，我國在北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東及深圳7個省市啟動了碳排放權(quán)交易試點工作。經(jīng)過幾年的試點，效果顯著。試點范圍企業(yè)履約率保持較高水平，形成了要素完善、特點突出、初具規(guī)模的地方碳市場。相關(guān)企業(yè)的碳排放總量和強度實現(xiàn)“雙下降”，顯示出碳市場以較低成本控制碳排放的良好效果。各試點在體系的設(shè)計和運行方面積累了豐富的經(jīng)驗，并從實踐上比較和驗證了各種不同政策設(shè)計的適用性，為建設(shè)全國統(tǒng)一的碳市場積累了經(jīng)驗。當(dāng)前，正在穩(wěn)步推進全國統(tǒng)一的碳排放權(quán)交易市場建設(shè)，碳排放權(quán)期貨交易也正在醞釀中。
北京環(huán)境交易所在2009年建立了中國第一個CDM信息服務(wù)平臺，使CDM市場的賣家更方便找到買家，發(fā)揮著價格發(fā)現(xiàn)和降低交易成本的作用；北京環(huán)境交易所還與紐約泛歐證券交易集團旗下的BlueNext交易所聯(lián)合在中國設(shè)立碳交易平臺，使中國的碳交易平臺與國際接軌。中國第一個自愿碳減排標(biāo)準(zhǔn)“熊貓標(biāo)準(zhǔn)”于2009年由北京環(huán)境交易所開發(fā)并頒布，并在同年實現(xiàn)了國內(nèi)第一單自愿減排業(yè)務(wù)——北京奧運會期間出行所產(chǎn)生的8026萬噸碳減排指標(biāo)交易。
在碳中和目標(biāo)下，應(yīng)建立電力市場和碳排放權(quán)交易市場的協(xié)調(diào)機制。參照歐盟碳交易機制EU-ETS的經(jīng)驗，全國統(tǒng)一碳排放權(quán)交易市場建立之初有可能在配額設(shè)置上比較寬松，也可能采取免費分配的方式發(fā)放配額。雖然從碳市場自身建設(shè)的角度講這樣做具有一定的合理性，但也要防范與電力市場機制產(chǎn)生相互抵消的負效應(yīng)，即由于碳價過低而影響深化電力體制改革對于節(jié)能減排的要求。因此，在確定碳市場配額及其分配方式時需要與電力體制改革相關(guān)主管部門加強溝通和協(xié)調(diào)，形成最佳政策組合。全國碳市場體系形成后，電力行業(yè)作為主要碳排放行業(yè)應(yīng)該率先發(fā)揮碳市場的調(diào)節(jié)作用，電力市場改革也應(yīng)有助于這個目標(biāo)的實現(xiàn)。從國外碳市場發(fā)展進程可以發(fā)現(xiàn)，從事碳交易的電力企業(yè)的碳成本將會通過電價向下游企業(yè)（包括最終消費者）傳導(dǎo)，但對于這種傳導(dǎo)又要有所約束，因此電價形成機制的設(shè)計應(yīng)合理考慮碳成本。在全面推進電價改革時，應(yīng)考慮與全國碳市場價格的交互影響，形成電價與碳價的良性互動并確保碳市場對碳排放的有效調(diào)節(jié)。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2020年10期，作者供職于華南理工大學(xué)電力經(jīng)濟與電力市場研究所。
