“雙碳”目標的背景及我國能源結構分析
習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會講話中宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。中國的承諾鼓舞了世界，此后，有關“雙碳”目標的戰(zhàn)略部署步伐加快，今年3月，中央財經委員會第九次會議提出，要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，倡導簡約適度、綠色低碳生活方式，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
“雙碳”目標提出后，社會各界積極采取行動，制定行動方案，綜合采用減少碳排放、增加碳匯及負排放技術實現(xiàn)“雙碳”目標。能源結構轉型是實現(xiàn)“雙碳”目標的主要途徑。在能源生產側，推動清潔能源替代化石能源（目前主要以電能形式利用）；在能源消費側，推動電能替代以降低社會整體碳排放，因此，電力行業(yè)是實現(xiàn)“雙碳”目標的主戰(zhàn)場。
按照多方預測，2060年我國一次能源消費總量約為46億噸標煤，其中非化石能源占比將達到80%以上，風、光將成為主要能源，且主要轉換成電能進行利用；終端能源消費方面，交通、建筑、工業(yè)等行業(yè)紛紛將電氣化作為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要舉措，2060年時電力占終端能源消費比例將達到79%~92%。
據國網能源院預測，2060年我國全社會用電量約為15萬億千瓦時，電源總裝機將達到80億千瓦。其中，新能源（風光，不含生物質，下同）裝機規(guī)模將達到50億千瓦，占比超過60%，電量占比超過55%，逐漸成為電量供應主體；水電、核電、火電等同步發(fā)電機組裝機占比約為23%，電量占比低于40%，仍有較大比重。
為實現(xiàn)“雙碳”目標，需要對能源結構進行清潔替代、電能替代兩個轉型，并構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力將變?yōu)榛A能源，電網將成為能源供應、消費以及傳輸轉換的關鍵環(huán)節(jié)。
構建新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源資源的不確定性、設備低抗擾弱支撐性帶來安全挑戰(zhàn)；在一段時間內，為解決安全問題需要加大投資、增加運行成本，帶來經濟挑戰(zhàn)。為破解環(huán)境-安全-經濟三角矛盾，需要在運行調控機制、電價市場機制、政策法規(guī)機制等方面進行創(chuàng)新。
新型電力系統(tǒng)面臨充裕性挑戰(zhàn)
新能源利用小時數低。截至2020年底，我國新能源發(fā)電裝機達到5.43億千瓦，發(fā)電量7270億千瓦時，利用小時數1340小時，每1億千瓦新能源裝機的發(fā)電量僅占當年電量的1.8%。新能源利用小時數遠低于負荷利用小時數，新能源要獲得高電量占比，其裝機容量需大于負荷。預計2060年，我國電源裝機將超過70億千瓦，遠大于當年26~28億千瓦的最大負荷。電力電量時空分布的極度不均衡必將催生商業(yè)模式、以及物質鏈、信息鏈和價值鏈重塑。
新能源保證出力低。我國新能源最小日平均出力處于較低水平，各省、各區(qū)域、國網經營區(qū)的新能源1天最小日平均出力水平分別為3.6%、8.0%和10.7%；3天最小日平均出力水平分別為5.9%、9.1%、11.6%。新能源最小保證出力水平低，供電保障難度大，需要與大電網、兜底電源和其他類型靈活調節(jié)資源等配合實現(xiàn)供電保障，需要額外的成本和投資。
新能源出力分布大。新能源出力波動持續(xù)時間長、分布大。2018年新疆風電大波動最長持續(xù)時間超過2天，風電低于裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過8天。據預測，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負荷之比為5%~61%，2060年新能源出力占系統(tǒng)總負荷之比為11%~187%(需要考慮儲能技術和棄風棄光)。新能源低出力時段，電力系統(tǒng)需要常規(guī)電源等非新能源機組實現(xiàn)功率平衡；新能源長時間高出力則給系統(tǒng)消納、安全和儲能技術帶來巨大挑戰(zhàn)。
新能源日內功率波動大。2019年，國家電網公司經營區(qū)新能源日最大功率波動達1.07億千瓦，占其裝機的31%。據預測，2060年全國范圍內新能源日內最大功率波動將超過16億干瓦，超過當年常規(guī)電源(火電、水電、核電)總裝機容量，約占日峰荷的60%~75%；新能源15分鐘最大功率波動可達峰荷的10%左右，1小時可達25%左右。常規(guī)電源調節(jié)能力難以應對新能源功率波動，需要大規(guī)模儲能技術加以應對。
新能源出力存在季節(jié)性偏差。風、光資源的間歇性、不確定性大，影響新能源可信容量的確定，增大系統(tǒng)規(guī)劃難度。風電發(fā)電量主要集中在春冬兩季（約占60%），光伏發(fā)電量主要集中在夏秋兩季（約占60%）；大小風年的風電利用小時數相差超過20%，光伏利用小時數相差約10%。
新能源日前功率預測絕對誤差大。我國地形復雜，氣候類型多樣，隨機波動性強，高精度功率預測更難；風電省級出力15分鐘波動變化率大于3%的比例超過10%，較歐美國家高7個百分點以上；新能源日前功率預測相對誤差已由2011年的約14%降至2019年的10%以下，但絕對誤差由約677萬干瓦增長到約4147萬干瓦。預計2060年新能源預測絕對誤差將達2億干瓦以上，占日峰荷的10%左右，大大增加發(fā)電計劃制定的難度或儲能容量的需求(需求側管理用于電力裝機平衡要適度)。
新型電力系統(tǒng)仍將主要以交流同步機制運行
以新能源最大消納為目標進行生產模擬測算，2030年同步機組出力占總負荷之比大于50%、80%的累計時段將分別達到全年時長的100%和約61%；2060年同步機組出力占總負荷之比大于40%、50%的累計時段仍達全年時長的84%和53%。新型電力系統(tǒng)仍主要以交流同步機制運行。安全穩(wěn)定問題會更加突出、市場機制設計難度增大。
新型電力系統(tǒng)面臨的安全性挑戰(zhàn)
系統(tǒng)慣量降低，調頻能力下降，頻率越限風險增加。新能源大規(guī)模接入，擠占常規(guī)機組開機空間，系統(tǒng)轉動慣量降低、調頻能力下降，導致頻率變化加快、波動幅度增大、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增大，越限風險增加。
新能源參與一次調頻可改善頻率響應特性。新能源參與一次調頻可降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差和暫態(tài)最大頻率偏差，但因未改善系統(tǒng)慣量，頻率變化率未能改善，低慣量系統(tǒng)越限風險仍然存在。通過采用虛擬慣量控制等可使新能源提供一定慣量支撐，但由于一次能源輸入的可控性差，可能導致頻率二次跌落等次生事故。
無功支撐不足，電壓穩(wěn)定問題突出。新能源機組動態(tài)無功支撐能力較常規(guī)電源弱，且新能源發(fā)電逐級升壓接入電網，與主網的電氣距離是常規(guī)機組的2~3倍。隨著新能源占比快速提高，系統(tǒng)動態(tài)無功儲備及支撐能力急劇下降，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題突出。
新能源高占比地區(qū)暫態(tài)過電壓嚴重。新能源大規(guī)模接入導致系統(tǒng)短路容量下降，電壓支撐能力降低，使暫態(tài)過電壓問題突出，可能超過設備耐受水平，造成新能源大規(guī)模脫網或設備損壞。
功角穩(wěn)定特性復雜，不確定性增加。新能源的控制方式、故障穿越策略、接入位置等都會影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定，耦合關系復雜，且可能引入新的穩(wěn)定內涵；慣量下降導致穩(wěn)定問題時間尺度縮短，暫態(tài)過程加快。新能源大規(guī)模接入使功角穩(wěn)定特性復雜、不確定性增加，“預案”式安全調控策略配置困難，失配風險增大，影響電網穩(wěn)定。
寬頻振蕩現(xiàn)象相繼出現(xiàn)。基于電力電子裝置的新能源發(fā)電設備具有快速響應特性，在傳統(tǒng)同步電網以工頻為基礎的穩(wěn)定問題之外(功角穩(wěn)定、低頻振蕩等問題)，出現(xiàn)了中頻帶、高頻帶的電力電子裝置涉網穩(wěn)定性問題。近年來，我國河北和新疆等風電匯集地區(qū)相繼出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。寬頻振蕩問題嚴重危害設備安全和電網運行安全。
新型電力系統(tǒng)面臨的機制挑戰(zhàn)
新能源發(fā)電邊際成本低、輔助服務需求高。新能源與常規(guī)機組的成本構成、設備特性及支撐作用差異大。新能源場站運行時無需燃料，運行成本只包括人員成本、維護成本和材料費等，相比火電，運行成本很低，導致新能源邊際成本極低，新能源大發(fā)時段，在電力市場交易中甚至會出現(xiàn)負電價。新能源清潔綠色、低邊際成本、高輔助服務需求對市場機制設計帶來挑戰(zhàn)。
利益主體龐雜交織。隨著新能源裝機比例的提高，參與市場的利益主體快速增長(可達數十億計)、平均體量快速下降(骨干企業(yè)主導地位降低)。產銷者(prosumer)、虛擬電廠、電動車以及源—網—荷—儲互動技術等使得利益主體同時具有“供方/需方”屬性特征。各主體間的利益平衡發(fā)生變化且交織耦合，對市場交易和管理機制、政策引導機制的設計提出了更高要求。
多目標協(xié)同難度大。在能源轉型過程中，環(huán)境—安全—經濟協(xié)同難度大。目標的多樣性、基礎能源穩(wěn)定性需求與新能源不確定性的矛盾，以及利益主體龐雜和多屬性特征，增大了制度設計對目標可控性的難度(行政力向市場力轉換)，體制機制設計難度大。
基礎理論和技術支撐體系仍需完善。電力系統(tǒng)構建條件隨新能源出力時空分布變化，輔助服務需求多樣性、難量化；多種能源參與市場交易和競爭的建模、算法和出清技術尚不成熟；市場模式設計與新型電力系統(tǒng)建設運營之間的交互影響缺乏有效評價機制。當前技術尚無法為市場模式設計和運營機制設計提供全面支持，給機制體制的長遠規(guī)劃和統(tǒng)一設計帶來挑戰(zhàn)。
“雙碳”目標下的政策市場機制思考
完善電價市場機制
新能源發(fā)電的不確定性、低邊際成本特性，使得新能源高占比場景中，電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出。需要加快構建促進新能源消納的電價市場機制，在機制設計時需要考慮新能源與常規(guī)電源以及用戶的配合機制，協(xié)調市場內多利益主體，實現(xiàn)價值提升和價值創(chuàng)造。
加快輔助服務市場建設
高比例新能源的并網，增加了電力系統(tǒng)對備用、調頻、無功等輔助服務的需求，需要建設容量市場鼓勵常規(guī)電源承擔輔助服務，提高靈活調節(jié)電源的財務生存能力，對負荷側響應提供補償，引導可中斷、可調節(jié)負荷參與系統(tǒng)調節(jié)。此外，在市場設計中需要研究考慮新能源接入的輔助服務需求計算方法，合理界定新能源應該承擔的輔助服務義務，并在規(guī)劃設計階段加以考慮。
新能源利用成本傳導機制
面對新能源裝機和電量占比將持續(xù)快速提升的發(fā)展趨勢，需要超前研究并著力構建新能源利用成本傳導機制，明確界定新能源參與電力市場的權利與義務，合理評估高比例新能源系統(tǒng)成本水平，以市場化手段推動輔助服務費用由電源側向用戶側轉變，使得終端用電價格充分體現(xiàn)新能源消納成本，還原電力的商品屬性，引導新能源有序發(fā)展和優(yōu)化布局。
建設碳市場、綠證市場
碳排放權交易市場是指以溫室氣體排放配額或溫室氣體減排信用為標的物進行交易的市場，是一種全新的環(huán)境經濟政策工具。其最大的創(chuàng)新之處在于通過“市場化”的方式解決環(huán)境問題，通過發(fā)揮市場在資源配置中的作用，在交易過程中形成合理碳價并向企業(yè)傳導，促使其淘汰落后產能或加大研發(fā)投資。
界定和協(xié)調電力的安全屬性與商品屬性
“雙碳”目標下，電力在能源結構中的占比和作用日益突出，作為能源安全的重要保障，電力的安全屬性進一步凸顯。為保障安全，需要使電力系統(tǒng)具備足夠覆蓋全部負荷的可靠出力，但其實現(xiàn)代價和成本是巨大的，亟需發(fā)揮政策法規(guī)的引導作用，對電力的安全屬性進行界定。一方面需利用電力的商品屬性，通過市場化手段釋放綜合能源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的靈活調節(jié)潛力；另一方面設計布局“生命線工程”，建設足夠多的可靠電源保障安全底線，實現(xiàn)對保障性負荷的供給安全。
結 語
碳達峰、碳中和是全人類應對氣候變化的共同目標，也是國家戰(zhàn)略；對實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展、滿足人民對美好生活的向往，保障能源安全、支撐經濟社會發(fā)展具有重要意義。因此，需要從全社會的視角審視電力安全問題，需要通過創(chuàng)新解決電力安全問題，需要多種能源與多行業(yè)協(xié)同保障能源安全，以技術與非技術手段解決能源安全問題；體制機制設計要關注電力作為基礎能源的作用、電力商品和安全雙重屬性，以及合理配置常規(guī)電源保供應和安全、成本傳導機制抑制不合理消費；市場機制設計要關注輔助服務定量評估與交易。
從發(fā)展階段來看，近期是能源轉型期，任務是市場、法規(guī)、技術的研發(fā)；中期是新型電力系統(tǒng)形成期，完善政策法規(guī)和市場電價機制，解決新型電力系統(tǒng)構建和安全運行問題；遠期是新一代能源系統(tǒng)形成期，解決能源近零排放和能源電力安全問題，全面建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
碳達峰、碳中和是一個復雜的系統(tǒng)工程，要統(tǒng)籌各地區(qū)、各行業(yè)，兼顧經濟—安全—環(huán)境多目標，改革創(chuàng)新政策法規(guī)、市場電價和技術，喚起全社會的節(jié)能和減碳意識，調動各方面的積極性，降低能源強度，平穩(wěn)有序地實現(xiàn)碳達峰、碳中和。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年第9期。
