碳達峰條件下電力保供的認識與思考
陳小良
（中國電機工程學會）
2020年9月我國向世界宣布碳達峰碳中和目標，2021年3月中央財經(jīng)委員會第九次會議上明確，要“構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。在此，談談碳達峰條件下如何保障電力供應方面的幾點粗淺認識：
一、碳達峰條件下電力保供的特點與挑戰(zhàn)
截至2020年底，全社會用電量達到7.5萬億千瓦時；總發(fā)電量7.6萬億千瓦時，其中，水電1.36萬億千瓦時，占18%，火電5.17萬億千瓦時，占68%，核電3662億千瓦時，占4.7%，風電4665億千瓦時，占6%，太陽能發(fā)電2611億千瓦時，占3.3%；全國發(fā)電裝機達到22億千瓦，其中，水電3.7億千瓦，占16.8%，火電12.4億千瓦，占56%，核電4989萬千瓦，占2.3%，風電2.8億千瓦，占12.7%，太陽能發(fā)電2.5億千瓦，占11.4%；西電東送規(guī)模達2.7億千瓦；清潔能源發(fā)電量占總發(fā)電量的32%，裝機占總裝機的44%；風光發(fā)電量占總發(fā)電量的9.3%，裝機占總裝機的24.1%。
有關研究表明，中長期我國電力需求仍將持續(xù)增長，預計2030年全社會用電量將達到11.5萬億千瓦時，發(fā)電量需要11.8萬億千瓦時以上，“以‘十四五’電力供需基本平衡為基礎，結合各類電源發(fā)展?jié)摿M行測算，中長期全國仍將存在較大電力缺口”。這就提出了問題，在落實“3060”目標的進程中，如何科學地結合以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)特點來保障電力供應？
筆者認為新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的以下特點和挑戰(zhàn)對保障電力安全供應的影響較大：
一是新能源作為主體電源，由于其間歇性特性，使得主體電源的保證出力低，有效利用小時數(shù)不高，受氣候條件影響大，運行出力隨機性強，受分布式電源影響，容量分散度高，可以擔當電量總量的主體作用，但承擔電力電量即時或期間平衡的主體作用有限，必須配備常規(guī)電源、大電網(wǎng)和儲能設施承擔調節(jié)和支撐作用；
二是風電和光伏電源目前均以逆變器方式接入交流系統(tǒng)，使得主體電源在抵御大規(guī)模電源失去或者嚴重電網(wǎng)故障時，防止電網(wǎng)失穩(wěn)，發(fā)揮電網(wǎng)頻率和電壓支撐作用十分有限；
三是我國電網(wǎng)形態(tài)將隨著新能源電源占比的提高，逐步形成以優(yōu)化利用新能源電力電量為重點，以支撐區(qū)塊綜合能源系統(tǒng)的區(qū)塊電網(wǎng)為單元，城鎮(zhèn)電網(wǎng)和電源基地局部電網(wǎng)為基礎，負荷密集的受端電網(wǎng)為重心，超特高壓電網(wǎng)為輸送與交換平臺的多電壓等級、交直流并存、分層分區(qū)的新模式，需要創(chuàng)新電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行與管理的戰(zhàn)略、策略和技術措施；
四是大量電力電子化設備的應用，使電網(wǎng)特性發(fā)生了新的變化，傳統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定面臨轉動慣量不足帶來的新問題，新型誘因的電網(wǎng)穩(wěn)定問題也需要研究，電力系統(tǒng)模擬精度與分析深度需要大幅升級；
五是新能源發(fā)電、儲能、電動汽車等大量融入電網(wǎng)，電網(wǎng)數(shù)字化及源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制信息基礎設施，如監(jiān)控點規(guī)模、監(jiān)控模式、信息處理與交換及其網(wǎng)絡安全等方面需要全面升級；
六是支撐新型電力系統(tǒng)建設的一些關鍵技術，如儲能安全、制氫與利用、燃料電池、碳捕捉技術等尚處在研發(fā)階段，具有很多不確定性。
上述特點與挑戰(zhàn)對保障電力供應都將產(chǎn)生重要影響，具體影響需要通過詳細的生產(chǎn)模擬和安全穩(wěn)定計算等方法來予以量化。在此舉例做簡單說明。
我們以2030年的電力平衡為例。假定2030年的全年發(fā)電量為11.8萬億千瓦時，選擇2030年8月10日晚上9點或10點為例，此時全國全口徑負荷預計為18億~20億千瓦（年均增長率比發(fā)電量增長率高1個百分點左右），不考慮電網(wǎng)堵塞，不考慮機組調峰能力、發(fā)電特性與負荷跟蹤速度。這個時點是夏季最大（或次最大）負荷的典型時點，同時也是風電季節(jié)性低谷和光伏日低谷典型時點。此時，全國光伏發(fā)電出力為零，根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，風電季節(jié)性低谷出力為年最大出力的九分之一，則此時風電和太陽能發(fā)電（裝機12億千瓦以上）的總出力約為0.75億千瓦，火電、水電和核電出力備用率為20%時，負荷按19億千瓦計算，則系統(tǒng)需要提供的燃氣發(fā)電和（或）儲能出力為4.09億千瓦。如果計及電網(wǎng)阻塞、火電調峰能力和負荷跟蹤速度等因素，則燃氣發(fā)電和（或）儲能的總容量可能需要達到5億千瓦以上。這個典型時點就是電力平衡木桶的短板之一，這樣的短板場景還包括南方梅雨季節(jié)光伏發(fā)電連續(xù)多天低出力或零出力，以及2021年初出現(xiàn)的極端氣候場景等。這些場景的電力電量平衡問題都是新能源為主體的新型電力系統(tǒng)電力保障供給必須面對的挑戰(zhàn)，在“雙碳”條件下保障電力供應，需要有足夠的滿足“雙碳”要求的支撐電源、儲能容量和電網(wǎng)交換能力。
二、碳達峰條件下電力保供措施的思考
1.保證碳達峰與碳中和條件下電力保供方案相銜接
碳達峰與碳中和是承上啟下的關系?！笆奈濉笔翘歼_峰的關鍵期和窗口期，碳達峰期是碳中和的關鍵期、窗口期。電力行業(yè)是實現(xiàn)碳中和的關鍵領域，這是世界的共識。碳達峰條件下的電力保供規(guī)劃方案既要解決2030年之前的電力保供的問題，更要為2060年電力行業(yè)碳中和路徑優(yōu)化提供可以應對各種不確定性的解決方案。提升電氣化水平是世界公認的推進碳減排的主要舉措，要以保障我國社會主義現(xiàn)代化建設多元需求為條件，優(yōu)化選擇電力行業(yè)碳達峰的最優(yōu)時間，堅持實事求是，把握窗口時機，科學謀劃施策，切實落實“3060”目標。
2.明確電力保供的標準要求
從有關方面公開的研究成果看，“十四五”期間，我國部分地區(qū)可能存在缺電局面，電力系統(tǒng)應對極端天氣的電力供應存在困難，同時，高比例新能源發(fā)電和高比例電力電子化的電網(wǎng)中，轉動慣量不足的問題尚未得到實質性解決，給電網(wǎng)帶來了安全風險。在這樣的背景下，需要明確電力保供的充裕性與可靠性標準，不同的標準將對應不同電源結構的保供措施。
3.加快發(fā)展，適當超前，合理布局新能源發(fā)電
截至2020年底我國風電、太陽能發(fā)電總裝機達5.3億千瓦。要實現(xiàn)2030年的目標，需要遠近結合，在經(jīng)濟可接受的前提下，適當超前建設新能源機組，以提高新能源機組的總體保障出力。加快西部新能源基地建設，實施送端多種能源互補，就地利用與外送并重，加快以區(qū)塊電網(wǎng)為核心綜合能源系統(tǒng)建設，充分發(fā)揮分布式新能源發(fā)電的技術優(yōu)勢；加大海上風電發(fā)展力度，優(yōu)化我國風電布局，實施發(fā)電-制氫-供氫的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。加快太陽能熱發(fā)電的技術進步與建設規(guī)模，提高太陽能發(fā)電的保障出力和調節(jié)能力。
4.技術升級，高效利用，科學利用燃煤發(fā)電
“十四五”“十五五”是否新建燃煤發(fā)電機組當前爭論很大。國際能源署在其全球碳中和路徑研究報告中提出，“2021年起，不批準開工建設新的沒有減排的煤電廠，不批準新建和擴建煤礦”，“2025年不再銷售化石燃料鍋爐”。在這樣的國際環(huán)境下，我國從過去以煤電為主體的電力系統(tǒng)向以新能源為主體的電力系統(tǒng)轉型過程中，如何實事求是地發(fā)揮好煤電作用，是碳達峰條件下電力保供和促進我國碳中和目標落實與路徑優(yōu)化必須面對的問題。是否新建煤電機組取決于電網(wǎng)中支撐型電源能否滿足要求。從目前來看，碳達峰條件下，電量的平衡不是主要矛盾，關鍵是受新能源機組日內(nèi)波動和季節(jié)性波動以及極端天氣影響造成的日內(nèi)、中短期、局部地區(qū)的電力不平衡問題。因此，如果確需新建煤電機組，可以考慮在行業(yè)二氧化碳排放總量有序控制基礎上，從提高電力平衡支撐能力的角度，確定新建煤電機組規(guī)模，同時，新建的煤電機組盡可能考慮碳捕捉技術的試點示范應用，并給予電價政策支持。碳達峰條件下，既有煤電機組的技術升級與改造任務艱巨，這也是電力保供的重要保障。一是要加快煤電機組的靈活性改造，目前煤電機組的調峰深度遠不能滿足電網(wǎng)調峰要求，要通過多種技術路線，配套相應的電價政策，不斷提高煤電機組深度調峰能力；二是要在技術成熟的前提下，開始布局煤電機組加裝碳捕捉設施改造；三是為落實“3060”目標，煤電機組將逐步退出運行，要及早做好統(tǒng)籌規(guī)劃。上個世紀，國外在這一方面就有一些成熟的做法，包括將煤電機組改造成同步調相機、燃氣機組和停用封存以待緊急使用等。特別是煤電機組改造成調相機對新能源為主體的新型電力系統(tǒng)極為重要，我國應根據(jù)新形勢新要求，提出退役燃煤發(fā)電機組改造調相機規(guī)劃。
5.明確定位，適度發(fā)展，充分發(fā)揮燃氣發(fā)電作用
燃氣發(fā)電具有調節(jié)速度快、調峰幅度大、二氧化碳排放低等特點。從國際上看，一方面，美國等一些國家因其天然氣發(fā)電占電源容量的比例較大，電網(wǎng)的新能源消納能力較我國具有較大的優(yōu)勢。另一方面，國際能源署在其全球碳中和路徑研究報告中提出，2021年起，不批準開發(fā)新的石油和天然氣田；美國華盛頓州今年年初提出了建筑物的零碳計劃議案，要求天然氣完全退出民用。從我國的實際看，在儲能無法完全配合新能源全時段、全天候、全地域滿足電力電量平衡要求之前，適度發(fā)展燃氣發(fā)電，提高電力系統(tǒng)支撐能力，控制二氧化碳排放是一個保障電力供給的重要措施。需要進一步明確的一是燃氣發(fā)電主要作為支撐電源，用于輔助服務，要對燃氣發(fā)電機型進行優(yōu)化選擇，技術經(jīng)濟性要符合其在電網(wǎng)中的作用要求；二是對于天然氣管線覆蓋地區(qū)，可以考慮綜合能源系統(tǒng)建設，適度建設小型多聯(lián)供燃機，作為重要用戶應急備用電源；三是燃氣發(fā)電建設要考慮適時裝備碳捕捉設施；四是燃氣發(fā)電規(guī)模，要在滿足電力充裕性、可靠性標準以及有利于我國二氧化碳排放總量有序控制的前提下，按照積極適度發(fā)展的原則予以優(yōu)化確定。
6.創(chuàng)造條件，確保安全，積極發(fā)展核電
發(fā)展核電是歐洲減排歷程中一個重要的措施。根據(jù)我國電源結構的具體情況，在保障核電安全的前提下，積極發(fā)展核電是實現(xiàn)碳達峰、碳中和，破解電力平衡難題的重要措施。核電在新型電力系統(tǒng)中需要考慮調峰，核電是具備調峰能力的，法國在這方面有很好的實際運行經(jīng)驗。
7.多措并舉，破解難題，提高電網(wǎng)靈活性與可靠性
面對新能源為主體的新型電力系統(tǒng)帶來的諸多挑戰(zhàn)，首先要解決電網(wǎng)靈活性問題、轉動慣量不足帶來的電網(wǎng)大擾動引起的電網(wǎng)穩(wěn)定問題和電力電子裝置及相關設施參數(shù)配置協(xié)調引起的次同步諧振等電網(wǎng)安全問題，同時，要根據(jù)新特點優(yōu)化電網(wǎng)安全防御策略。要全面梳理電網(wǎng)阻塞情況，根據(jù)新型電力系統(tǒng)的實際需求擴充電網(wǎng)通道能力，以保證電網(wǎng)滿足電力輸送以及局部電網(wǎng)之間電力交換的要求，實現(xiàn)跨地區(qū)、時區(qū)、跨流域的錯峰、事故支援效益，以在支撐電源和儲能容量匹配的前提下，保障全電網(wǎng)、全時段、全天候電力電量平衡和可靠性要求。要從電網(wǎng)結構、等效大容量轉動慣量等方面研究新型電力系統(tǒng)的轉動慣量不足的新的解決措施，在現(xiàn)有技術的基礎上，要保證受端電網(wǎng)有足夠的動態(tài)電源與無功支撐能力，改造建設同步調相機，布局緊急狀態(tài)下的低電壓切負荷系統(tǒng)，控制在大系統(tǒng)中出現(xiàn)小容量的虛擬同步機。加快研究高比例電力電子設備引起的次同步穩(wěn)定的機理與系統(tǒng)性應對措施。要重視結合用戶綜合能源系統(tǒng)建設，利用儲能、分布電源、需求側響應與信息技術優(yōu)勢，豐富以用戶可靠性為導向的安全防御理念。
8.統(tǒng)籌規(guī)劃，著眼基礎，推進電網(wǎng)數(shù)字化智能化
在電力系統(tǒng)轉型過程中，要結合新能源發(fā)電、儲能、源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制的要求，統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局電力信息應用系統(tǒng)及其基礎設施，要拓展升級與協(xié)調調度自動化、廠站自動化、配電自動化、需求側響應、電力市場、儲能管理、安全穩(wěn)定控制等系統(tǒng)的功能與信息感知及應用，強化信息安全管理，應用先進的信息化技術，確保系統(tǒng)合理、高效、準確、可靠。
9.加速研發(fā)，安全應用，著力破解儲能的安全技術難題
儲能技術的研發(fā)與應用進程關乎能否落實“雙碳”目標。目前的儲能規(guī)模遠遠滿足不了需求，一是要進一步勘探可能的抽水蓄能電站站址，最大限度發(fā)展抽水蓄能；二是要加快研發(fā)應用化學等其他方式的儲能技術，力求形成較大規(guī)模，當前首先要解決鋰電池儲能的安全問題；三是要合理布局儲能建設，在電源、電網(wǎng)和用戶側分別布局必要的儲能設施。要特別重視合理規(guī)劃布局用戶側儲能，以使其既可以成為系統(tǒng)電力電量平衡的有效容量，又可以成為用戶的應急電源，提高供電可靠性。同時，要考慮形成統(tǒng)一協(xié)調控制的分層分布式儲能系統(tǒng)，確保規(guī)定規(guī)模的儲能設施可控在控，成為參與電力電量平衡的有效容量。
10.加大研發(fā)力度，加快試點示范應用，著力攻關綠氫與碳捕捉及其利用等技術
綠氫和碳捕捉技術對落實碳中和目標具有極為重要的作用。要加快制氫、運輸、利用及商業(yè)模式的研發(fā)和創(chuàng)新，加快各種場景的試點示范應用，并使其盡快形成商業(yè)應用的產(chǎn)業(yè)鏈。要著力研發(fā)碳捕集、利用與封存技術，提升捕集效率，減低能耗與成本，加快推進試點示范應用，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化應用。同時還要做好氫發(fā)電、小型民用核電、核聚變等前瞻性技術的研發(fā)工作。
三、兩點建議
從前面的分析來看，碳達峰和碳中和條件下保證電力供應必須依靠科技創(chuàng)新和科學決策。為此建議：
1.設立能源電力碳達峰碳中和國家實驗室，組織專門力量開展“雙碳”所及問題研究與科技研發(fā)
碳達峰碳中和所及的能源電力問題具有系統(tǒng)性、跨專業(yè)性、實用性和前瞻性等特點。目前研究方式在研究視角上受研究主體工作范圍局限，研究深度受研究課題項目時限局限，具有碎片化、短期性特點；舉國體制在重大創(chuàng)新工程方面成績很大，在基礎研究和重大系統(tǒng)性技術研發(fā)方面還沒有找到好的機制；目前，能源電力領域雖然有一些國家級別的實驗室，但專業(yè)面偏窄。美國阿貢實驗室是一個隸屬美國能源部，由第三方監(jiān)管的國家實驗室，在能源技術創(chuàng)新等方面發(fā)揮了非常重要的作用，目前重要的創(chuàng)新研究領域包括能源與環(huán)境。建議以“雙碳”能源電力相關問題和技術的研究與研發(fā)為契機，國家啟動能源電力國家實驗室的建設，實驗室的重點任務就是組織持續(xù)研究研發(fā)影響我國實現(xiàn)“雙碳”目標的系統(tǒng)性、前瞻性、基礎性、制約性、關鍵性、跨學科性的科學技術問題和重大能源電力戰(zhàn)略問題。這個國家實驗室可以由國家能源主管部門和科技主管部門聯(lián)合主管，如果需要，也可以考慮由權威性高、專業(yè)面寬、中立性強、熟悉科技工作的第三方機構協(xié)助監(jiān)管，具體研究管理模式，初期可以采用實虛結合方式。
2.研究建設能源電力發(fā)展推演系統(tǒng)，以提高選擇能源電力發(fā)展重大問題的定量分析水平，為科學決策提供支撐
能源電力系統(tǒng)是一個多影響因素、多時空領域時變的復雜系統(tǒng)。采用推演技術研究復雜系統(tǒng)問題、甚至是軍事問題是國外成熟的做法。美國擁有全球領先的推演技術和推演系統(tǒng)，現(xiàn)代推演技術已經(jīng)融入計算機仿真、運籌學、模型思維等，近年來，更是融入大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術。我國能源電力系統(tǒng)的模擬仿真方法與系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛采用，但目前這些系統(tǒng)多局限于某個專業(yè)領域，以此為基礎，引入推演技術與理念，以數(shù)字孿生的模式建立能源電力發(fā)展推演系統(tǒng)，為落實“雙碳”目標要求，研究多種不確定因素條件下優(yōu)化能源電力系統(tǒng)的發(fā)展路徑、措施，為政策提供技術支撐，具有十分重要的意義。
