文 | 冷喜武 全國電網(wǎng)運行與控制標準化技術(shù)委員會副秘書長、國家電網(wǎng)國調(diào)中心教授級高級工程師
2021年2月中旬，受極端寒冷天氣影響，美國得克薩斯州發(fā)生大規(guī)模停電事故，大約400萬戶居民在零下十幾度的寒潮里無電可用。導(dǎo)致此次得州大規(guī)模斷電的直接原因是極端氣候引發(fā)的電網(wǎng)供需失衡：一方面，居民為了抵御嚴寒需要加開電熱取暖，電力需求急劇上升；另一方面，極低氣溫導(dǎo)致油氣輸油管道凍結(jié)、渦輪機結(jié)冰、老舊的煤電機組故障頻發(fā)，得州電網(wǎng)主要依賴的天然氣、風(fēng)電等發(fā)電來源中斷，供電能力受限嚴重，同時高度獨立的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性使其無法通過跨區(qū)互濟獲取外部支援。
值得注意的是，此次寒潮并非毫無預(yù)警的意外事件，事實上針對冬季寒冷可能誘發(fā)發(fā)電裝置停運的隱患，得克薩斯州電力可靠性委員會（ECROT）曾向經(jīng)營區(qū)內(nèi)發(fā)電商發(fā)出過預(yù)警，但當風(fēng)暴來襲，得州依舊無法擺脫輪流停電和電價飛漲的命運。
被譽為美國“能源之都”、石油和天然氣資源蘊藏十分豐富的得州緣何在此次寒潮的席卷中如此不堪一擊，部分美國政客及利益相關(guān)媒體將其歸咎于新能源發(fā)電的“不可靠”，“綠色能源失敗”的言論一時甚囂塵上。盡管此次事故的確暴露了高比例新能源系統(tǒng)在抵御極端氣候條件方面的天然缺陷，但由此產(chǎn)生抵制清潔能源發(fā)展的想法實為因噎廢食。近些年極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，恰說明全球應(yīng)對氣候變化的緊迫性，推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型本就是大勢所趨；美國重返《巴黎協(xié)定》，我國提出“2030碳達峰、2060碳中和”新目標，這些舉措都表明大國為應(yīng)對氣候變化的決心，進一步開發(fā)利用綠色清潔能源、推動大規(guī)模可再生能源接入勢在必行。
在此背景下，為了不讓美國得州大停電事件在中國重演，不使“十四五”規(guī)劃成為“缺電規(guī)劃”，本文從四個方面對我國未來電網(wǎng)發(fā)展提出了20條建議，在完善資源價格形成機制，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系，統(tǒng)籌制定“2030碳達峰”行動方案，使發(fā)展建立在高效利用資源、嚴格保護生態(tài)環(huán)境、有效控制溫室氣體排放的基礎(chǔ)上，力求推動我國綠色發(fā)展邁上新臺階。
合理的電源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)保障電力可靠供應(yīng)
隨著對新能源開發(fā)的不斷推進，我國未來電源結(jié)構(gòu)發(fā)展必將以新能源大規(guī)模接入為主，但從此次得州事件和近些年國內(nèi)外多次大規(guī)模停電事故來看，“雙高”系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行問題確已成為亟待各國解決的共性問題。
在此次事件中，極端天氣對新能源發(fā)電的影響備受關(guān)注，但同時應(yīng)該看到，常規(guī)天然氣電源在極端氣候下也具有脆弱性。根據(jù)ERCOT最新公布的信息，得州電網(wǎng)總裝機容量約1.08億千瓦，燃氣占比47.5%，風(fēng)電占比28.8%，燃煤占比12.5%，光伏占比5.67%，核電占比4.73%。寒潮來襲后，風(fēng)電機組因槳葉覆冰脫網(wǎng)400萬千瓦，燃氣機組也因氣井減產(chǎn)、輸氣管道冰堵或凍裂出現(xiàn)非計劃停運近2600萬千瓦，煤電機組也無法正常運行。
現(xiàn)階段能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型并不意味著可再生能源裝機和煤電裝機之間是非此即彼的關(guān)系，相反惟有構(gòu)建多元化的電能供給體系才能最大程度地保障極端情形下的電力可靠供應(yīng)。必須規(guī)劃各類電源有序開發(fā)，在促進新能源發(fā)展的同時，合理兼顧常規(guī)電源及靈活調(diào)節(jié)電源的發(fā)展規(guī)模和布局，推動我國電網(wǎng)發(fā)展“清潔低碳”和“安全高效”雙軌并行。
得州電網(wǎng)的高度獨立性為其風(fēng)電的快速發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，但卻在此次寒潮風(fēng)暴中將其推入了孤立無援的境地。在我國，建設(shè)全國互聯(lián)的統(tǒng)一大電網(wǎng)為全網(wǎng)平衡奠定了堅實的物理基礎(chǔ)，以2021年初寒潮時期為例，國家電網(wǎng)組織跨省跨區(qū)輸送電力達8399萬千瓦，占全網(wǎng)負荷的14.8%，有力保障了全網(wǎng)電力的有序供應(yīng)。未來我國電網(wǎng)的規(guī)模還將持續(xù)擴大、電網(wǎng)特性也將日益復(fù)雜，資源稟賦決定了必須堅持“全國一張網(wǎng)”，充分挖掘跨省跨區(qū)輸電通道送電能力，保障高比例新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
關(guān)于電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)階段的政策導(dǎo)向，具體建議如下：
第一，大力發(fā)展風(fēng)力與太陽能發(fā)電。截至2020年底，我國風(fēng)電、光伏裝機分別達到2.81億千瓦、2.53億千瓦，占比超過20%，發(fā)電量占比達到11%。未來風(fēng)電與光伏將持續(xù)作為我國電能供應(yīng)的主力軍，應(yīng)盡可能地安排多發(fā)電量，間歇性發(fā)電出力的特點，政策上可不納入發(fā)電出力總體平衡的簡單類比裝機容量，用風(fēng)電、光伏稀釋全電量碳占比。
第二，義無反顧開發(fā)水電。據(jù)統(tǒng)計，中國常規(guī)能源(其中水力資源為可再生能源、按技術(shù)可開發(fā)量使用100年計算)的剩余可采總儲量水利資源占比僅次于煤炭，占據(jù)十分重要的戰(zhàn)略地位。水電在實現(xiàn)非化石能源發(fā)展目標中起著舉足輕重的作用，開發(fā)水力資源發(fā)展水電，是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳能源、節(jié)能減排、保護生態(tài)的有效途徑。
第三，量力而行發(fā)展核電與燃氣發(fā)電。核能是安全、經(jīng)濟、高效的清潔能源，是人類應(yīng)對氣候變化的重要能源選擇。核電作為清潔低碳基荷電源，有利于改善能源與負荷分布的空間結(jié)構(gòu)，但從2011年福島核事故來看，對于核電站和核廢料存儲方案安全性的擔憂依舊是未來核電發(fā)展邁不過去的坎，核電將明顯受到核技術(shù)發(fā)展程度的制約。天然氣發(fā)電因其燃料具有低碳特性而被列入清潔能源范疇，是我國多元電力供應(yīng)的重要組成部分，具有能源轉(zhuǎn)換效率高、排放污染小的特點，但天然氣具有國際供應(yīng)的依賴性和脆弱性，未來應(yīng)將其作為確保天然氣采掘、傳輸、存儲的蓄水池，提升其發(fā)電調(diào)節(jié)能力弱化其發(fā)電量作用。
第四，全面推行煤電等容量舊機組換新機組，適當新增煤電裝機。減煤量不等于減煤機，此次得州大停電事件充分反映了系統(tǒng)備用容量應(yīng)對極端氣候現(xiàn)象的重要性，煤機能夠為電網(wǎng)提供經(jīng)濟、可靠的容量備用，是重要的應(yīng)急電源儲備，對風(fēng)電、光伏的發(fā)展起著關(guān)鍵支撐作用。應(yīng)在全國用電量同比增長的同時保持可調(diào)節(jié)煤電裝機比例不降低，同時對老舊機組進行耐寒、耐高溫等升級改造，確保煤電的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
第五，加快建設(shè)國家級特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)，形成南北互濟、東西互補的電網(wǎng)格局。未來風(fēng)光發(fā)電作為實現(xiàn)碳中和的主要途徑，必須解決其間歇性和波動性給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來的問題，目前業(yè)界普遍認為儲能和大電網(wǎng)建設(shè)是解決以上問題的有效途徑，但考慮到現(xiàn)階段大規(guī)模儲能的技術(shù)尚不成熟，經(jīng)濟性問題也亟待解決，加強大電網(wǎng)建設(shè)仍將是助力風(fēng)光發(fā)展的必要手段。加之大電網(wǎng)所具備的跨區(qū)互濟能力對于電力系統(tǒng)應(yīng)急的重要性，大電網(wǎng)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。必須加快推動重點工程項目核準建設(shè)，如“十三五”補強工程閩粵直流聯(lián)網(wǎng)等工程。
多措并舉加強系統(tǒng)支撐與調(diào)節(jié)能力建設(shè)
此次得州大停電事故同樣暴露出高比例新能源電力系統(tǒng)在保證電力電量平衡和頻率電壓支撐調(diào)節(jié)能力方面的不足。根據(jù)ERCOT發(fā)布的第一份事故報告，系統(tǒng)出力的快速下降引發(fā)了頻率跌落，甩負荷裝置切掉了更多負荷，停電規(guī)模進一步擴大。新能源發(fā)電具有天然的隨機性、間歇性和波動性，在負荷適應(yīng)上又具有反調(diào)峰特性；同時新能源機組的轉(zhuǎn)動慣量減少降低了系統(tǒng)的頻率魯棒性，電壓和頻率支撐能力也存在缺陷。
關(guān)于電力系統(tǒng)平衡與支撐調(diào)節(jié)，具體建議如下：
首先，優(yōu)先消納風(fēng)力、太陽能發(fā)電量。促進風(fēng)光消納是助力實現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)，現(xiàn)有國家相關(guān)標準對新能源機組一次調(diào)頻調(diào)壓性能未做要求，應(yīng)研究風(fēng)電、光伏電站參與系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓，而不是全面通過火電、水電機組作為可調(diào)機組，支撐電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定。
其次，加大調(diào)節(jié)性綜合利用水力發(fā)電。抽水蓄能電站是現(xiàn)代電網(wǎng)中不可缺少、優(yōu)選的調(diào)峰電源，具有調(diào)峰填谷雙重功能，抽水蓄能電站具有反應(yīng)迅速、運行靈活、啟停方便的特點。應(yīng)完善抽水蓄能電價形成和容量電費分攤機制，加快抽水蓄能電站建設(shè)、推動梯級水電站加裝水泵實現(xiàn)抽水蓄能功能、促進抽水蓄能電站和水電廠具備調(diào)相運行能力。
再次，支撐核能、天然氣發(fā)電。盡管根據(jù)設(shè)計核電廠有一定的調(diào)峰能力，但由于我國目前建成投運的核電均在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，人口密度較高，為保證核電廠安全運行，我國目前投運的核電均以帶基荷運行為主，在少數(shù)極端情形可讓核電機組通過降功率運行的方式參與調(diào)峰。燃機具有啟停方便、響應(yīng)速度快的特點，調(diào)峰能力和跟蹤負荷的性能高于火電廠，但其經(jīng)濟性相比火電機組仍存在較大差異，目前天然氣發(fā)電仍受制于氣源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不完善，隨著未來天然氣供應(yīng)渠道的多元化，氣電發(fā)展的經(jīng)濟性、競爭性有望提升，氣電可在沿海、峰谷差較大的電網(wǎng)中扮演效率高、排放小、靈活性強的電源角色，實現(xiàn)與風(fēng)電、光伏等新能源的協(xié)同發(fā)展。
第四，火力發(fā)電從技術(shù)上僅僅是安全穩(wěn)定運行的保障和電力供應(yīng)安全的托底，應(yīng)“增容減量”。推進火電機組改造為調(diào)相機運行、新能源廣泛加裝分布式調(diào)相機、實現(xiàn)火電機組靈活性改造等措施，加強電力系統(tǒng)的支撐與調(diào)節(jié)能力建設(shè)。
最后，儲能建設(shè)速度不宜揠苗助長。儲能具有反應(yīng)速度快、精度高的特點，可以在系統(tǒng)調(diào)節(jié)里發(fā)揮一定作用。但從目前的技術(shù)看，電化學(xué)儲能的絕對存儲能力遠低于電網(wǎng)需求，運行壽命也比抽水蓄能低了足足10倍之多，投資儲能電站的成本也相對較高。未來儲能發(fā)揮作用的能力有多大，取決于相關(guān)技術(shù)發(fā)展和成本水平。
優(yōu)化電力市場化改革的體制機制設(shè)計
得州被認為是美國電力市場化程度最高的地方，而此次大規(guī)模輪停期間，批發(fā)電價一度飆升至平時的100倍，盡管短時的供需失衡導(dǎo)致電價畸形顯而易見，但關(guān)乎電力市場的深層次原因更值得我們?nèi)ネ诰颉?
眾所周知，得州電力市場采用單純電能量(Energyonly)市場稀缺電價機制，是罕見的只有買賣電的能量市場，沒有容量市場。根據(jù)得州電力批發(fā)市場的運作方式，公用事業(yè)公司對投資備用電源的激勵措施非常少，基于成本的考慮發(fā)電企業(yè)不得不放棄用于應(yīng)對緊急缺電的備用電源，轉(zhuǎn)而選擇在可用供應(yīng)不足時收取過高的價格。在面臨極端天氣、極端社會事件的情況下，容量市場的缺位將系統(tǒng)安全置于險境。
以上種種充分說明以經(jīng)濟性優(yōu)先的市場設(shè)計理念缺乏對系統(tǒng)整體供應(yīng)安全的統(tǒng)籌考慮，難以有效引導(dǎo)長期投資?，F(xiàn)階段我國正不斷推進電力市場化改革，應(yīng)充分吸收國際同行的經(jīng)驗與教訓(xùn)，研究完善適應(yīng)市場化改革的電力供應(yīng)兜底保障機制，有效引導(dǎo)電源在容量市場的投資和建設(shè)，確保電價水平總體穩(wěn)定。
關(guān)于電力市場設(shè)計與運行，具體建議如下：
一是風(fēng)光全電量參與市場化交易，全面推進補貼退坡。隨著風(fēng)電、光伏規(guī)?；l(fā)展和技術(shù)快速進步，在資源優(yōu)良、建設(shè)成本低、投資和市場條件好的地區(qū)，已基本具備與燃煤標桿上網(wǎng)電價平價的條件，推動風(fēng)光發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)已具備時機。要健全完善管理政策，加大競爭配置力度，以市場化手段促進新能源消納。
二是加大峰谷價差，運用價格信號鼓勵電力削峰填谷。加大峰谷價差可引導(dǎo)用戶增加谷段用電負荷，降低尖峰時段用電負荷，削峰填谷，平抑峰谷差，減輕發(fā)電側(cè)調(diào)峰壓力。需求側(cè)靈活調(diào)節(jié)是應(yīng)對電力緊缺的有效手段，建議采用市場化手段積極培育需求側(cè)響應(yīng)這一新型靈活性調(diào)節(jié)資源，調(diào)高電力系統(tǒng)運行彈性。
三是將火電的定位由常規(guī)電源整體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)節(jié)電源，在電力市場各個交易品類中提升火電靈活調(diào)節(jié)價格，同時補償火電作為調(diào)節(jié)電源的閑置成本。
四是市場化補貼其它調(diào)峰手段，引導(dǎo)核電參與調(diào)峰輔助服務(wù)交易。盡管核電參與調(diào)峰存在諸多風(fēng)險和經(jīng)濟性問題，但隨著大規(guī)模風(fēng)光接入，電網(wǎng)的調(diào)峰壓力持續(xù)增大，裝機占比逐漸增加的核電終將無法在調(diào)峰任務(wù)中缺位。應(yīng)及早研究核電用于調(diào)峰的運作機制，加大對核電調(diào)峰的考核、補償力度，提高核電參與電網(wǎng)調(diào)峰的積極性；完善電力輔助服務(wù)補償（市場）機制，實現(xiàn)電力輔助服務(wù)補償力度科學(xué)化，破解核電參與調(diào)峰難的困境。大力推進源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)調(diào)控能力建設(shè)。
加強科研攻關(guān)，注重大眾科普和輿論引導(dǎo)
此次得州大規(guī)模輪流限電事故引發(fā)各界廣泛關(guān)注，結(jié)合近年來全球多起由極端氣候等自然災(zāi)害引起的停電缺電事件，對于是否應(yīng)該鼓勵推進新能源大規(guī)模并網(wǎng)的質(zhì)疑聲此起彼伏。電網(wǎng)作為能源生產(chǎn)的核心配置平臺，是關(guān)系民生福祉的公眾事業(yè)，業(yè)界及相關(guān)學(xué)者應(yīng)直面質(zhì)疑，找準矛盾根源，深入剖析每次事故發(fā)生的原因，從中汲取經(jīng)驗教訓(xùn)。及時以報告的形式向公眾還原事故真相，以緩解事故引發(fā)的焦慮情緒。對于高比例新能源電力系統(tǒng)的規(guī)劃應(yīng)建立在理論基礎(chǔ)之上，針對爭議性問題提出的觀點需進行充分討論。
關(guān)于學(xué)術(shù)研究和科普輿論引導(dǎo)，具體建議如下：
一是ΔP（動量變化）的極端重要性。任何一次大停電都不是巨大缺額引發(fā)，5%的缺額就會引發(fā)巨大社會災(zāi)難和輿論響應(yīng)。以得州停電事件為例，間歇性風(fēng)光電源極寒無風(fēng)也是主要風(fēng)險，風(fēng)能和太陽能發(fā)電只占得州電力的20%左右，這次關(guān)鍵時刻基本全部停機，問題就嚴重了。
二是淡化裝機數(shù)據(jù)的使用和宣傳，簡單堆砌間歇性風(fēng)電、光伏裝機容量既不科學(xué)也無實際意義，應(yīng)研究和使用裝機有效容量和發(fā)電量承擔全份額占比的統(tǒng)計和宣傳方法。
三是要向公眾科普不同能源的特點及缺陷，避免盲目樂觀。此次問題主要出在美國似乎運行最純熟的天然氣體系上。作為亞熱帶地區(qū)的得州，缺乏預(yù)防控制天然氣冰堵的意識，在早已發(fā)出的大寒潮預(yù)警中，缺乏天然氣濕度控制去除設(shè)備，也缺乏預(yù)防管道冰堵的監(jiān)控措施。最終導(dǎo)致在寒潮中，天然氣管網(wǎng)被冰堵中斷。而中國天然氣關(guān)鍵時刻的供應(yīng)比之加州更加脆弱，公眾應(yīng)該對此享有知情權(quán)。低碳環(huán)保的間歇性風(fēng)電、光伏是要我們付出比之常規(guī)能源更多的用電成本的。
四是不要污名化火電。2020年，得州風(fēng)力發(fā)電首次超過煤電，而在全美，煤電在總發(fā)電中的占比降至24%。長期以來，狂飆突進的風(fēng)電擠掉了作為“壓艙石”的煤電，得州不僅毫無警惕，反而盲目樂觀——該州的項目開發(fā)商甚至建議未來接入電網(wǎng)的新一代發(fā)電設(shè)施中，風(fēng)能、太陽能以及大容量儲能電池要占到95%。不過，此次大停電后，相信得州乃至全美對新能源發(fā)展會有更加客觀、清醒的認識。不應(yīng)人為劃分出來局部區(qū)域成為全部新能源運行的綠色電網(wǎng)，而罔顧其他相鄰電網(wǎng)常規(guī)電源為之正負備用的事實。
五是必須堅持統(tǒng)一調(diào)度、分級管理。面對危機，沒有統(tǒng)一、互聯(lián)的大電網(wǎng)，就無法有效應(yīng)對跨區(qū)域支援。
六是電力市場只能作為調(diào)節(jié)手段，不是保障，更不是兜底保證供應(yīng)的靈丹妙藥。此次得州完全遵循“市場經(jīng)濟”，導(dǎo)致一方面極度缺電，一方面價格奇高。我國的體制無法承受如此劇烈的電價波動，中國電力市場化改革必須考慮公開、公平、效率和普遍服務(wù)的平衡。
