中國儲能網(wǎng)訊：隨著國家“雙碳”目標的深入推進，新能源在電力系統(tǒng)中所占比例持續(xù)增加，而在我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)方面起重要作用的煤電占比逐漸降低，煤電在調(diào)度中的作用發(fā)生根本性改變，將從主力電源向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型。
未來新型電力系統(tǒng)建設(shè)要立足我國能源資源稟賦，考慮到新能源出力的間歇性與波動性，如何發(fā)揮煤電在能源轉(zhuǎn)型進程中的基礎(chǔ)保障和系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用，促進煤電與新能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，對于增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、保障電力可靠供應(yīng)與推進綠色低碳發(fā)展具有重大意義。
煤電調(diào)峰技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
煤炭是我國最為重要的基礎(chǔ)能源，也是我國自主保障能力最強的能源。煤電調(diào)峰可維持有功功率平衡，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，調(diào)整各類發(fā)電機組出力以適應(yīng)用電負荷的波動。
火電機組的調(diào)峰能力主要取決于對高低負荷的適應(yīng)能力，其調(diào)峰幅度定義為機組的最小出力與最大出力之比。深度調(diào)峰是受電網(wǎng)負荷峰谷差較大影響，而導(dǎo)致各火電廠降出力，發(fā)電機組超過基本調(diào)峰范圍進行調(diào)峰的一種運行方式，一般深度調(diào)峰的負荷率多為40%～30%。在規(guī)定時間內(nèi)，火電機組能夠安全、平穩(wěn)、高效地升降負荷，降至的負荷越低，機組的深度調(diào)峰能力越強。
近年來，為充分挖掘火電深度調(diào)峰能力，國內(nèi)外已廣泛開展火電機組靈活性改造?；痣姍C組的運行靈活性主要指標包括調(diào)峰幅度、爬坡速率及啟停時間等，核心目標是充分響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動性變化，實現(xiàn)降低最小出力、快速啟停、快速升降負荷。
國外火電機組深度調(diào)峰技術(shù)發(fā)展
國外對火電機組靈活性改造主要采用熱電解耦技術(shù)，其中以儲熱裝置的研究與應(yīng)用較為廣泛，主要方法是運用儲熱技術(shù)開發(fā)和利用儲熱鍋爐及儲熱式設(shè)備，建立靈活機動的中小型儲熱電站點。目前常見的儲能蓄熱技術(shù)主要有蒸汽蓄熱技術(shù)、熔鹽蓄熱技術(shù)、相變材料蓄熱技術(shù)及固體材料蓄熱技術(shù)等。
丹麥、德國等北歐國家由于供暖周期長，常用熱電解耦技術(shù)即可滿足機組深度調(diào)峰。從歐洲發(fā)達國家在風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、二氧化碳的捕獲和儲存等增加新能源占比和新能源領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗來看，通過開展火電機組靈活性改造可以消納更多的新能源。
國內(nèi)火電機組深度調(diào)峰技術(shù)發(fā)展
多年來，我國火電機組深度調(diào)峰技術(shù)獲得長足發(fā)展。2011年，內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司對兩臺600兆瓦火電機組進行深度調(diào)峰試驗，單機負荷能夠在210兆瓦（額定負荷的35%）下實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒；2012年，東北某電廠對600兆瓦火電鍋爐機組進行低負荷運行試驗研究，機組負荷最低可以降到229兆瓦（額定負荷34.82%）；2015年，大唐三門峽發(fā)電公司對兩臺600兆瓦火電機組進行深度調(diào)峰試驗，可實現(xiàn)雙機最低負荷350兆瓦（額定負荷30%）下穩(wěn)定運行。
2016年以來，在國家政策大力支持下，火電機組靈活性改造邁上新臺階。2016年，華能丹東電廠對300兆瓦亞臨界機組進行深度調(diào)峰試驗，實現(xiàn)了機組在30%負荷下的安全穩(wěn)定運行；2017年9月，遼寧大連莊河發(fā)電廠1、2號機組實現(xiàn)深度調(diào)峰至30%（180兆瓦）負荷運行；2017年11月，遼寧東方發(fā)電公司1號機組采用低壓缸零出力靈活性改造方案，實現(xiàn)機組負荷在26%～100%范圍內(nèi)靈活調(diào)整；2019年6月，廣西北海電廠1、2號機組實現(xiàn)快速調(diào)頻，同時投用微油時鍋爐最低可帶90兆瓦（30%）負荷穩(wěn)定運行；2021年4月，鶴淇電廠1、2號機組，開展了30%深調(diào)工況下的調(diào)壓、進相試驗，取得一系列進展。
新型電力系統(tǒng)對煤電調(diào)峰的要求
隨著“弱支撐性”的新能源發(fā)電的主體地位日益凸顯，具有“強支撐性”的傳統(tǒng)火電機組出力空間受限，涉網(wǎng)性能所依據(jù)的系統(tǒng)、設(shè)計和運行邊界條件發(fā)生了巨大變化。一方面，采用電力電子變流設(shè)備的新能源和直流輸電大規(guī)模并網(wǎng)，極大改變了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性，暫態(tài)過程的時間尺度更小、非線性特征更強；另一方面，具有強暫態(tài)電壓支撐和強過載能力的同步發(fā)電機被新能源發(fā)電大量替代，動態(tài)無功電源大幅缺失，電網(wǎng)呈現(xiàn)“空心化”，核心區(qū)域的單一交流故障就可能引發(fā)全局性電壓失穩(wěn)，電力系統(tǒng)的無功需求將急劇上升，電壓穩(wěn)定面臨巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有調(diào)峰技術(shù)難以減少大比例新能源消納對電網(wǎng)帶來的安全和穩(wěn)定風(fēng)險，主要表現(xiàn)在以下五個方面：
一是深度調(diào)峰火電機組調(diào)壓特性評估指標和方法難以擴展到新型電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)調(diào)峰資源需求與深度調(diào)峰機組涉網(wǎng)性能的安全指標亟需建立健全，探索和制定深度調(diào)峰安全邊界條件。
二是在深度調(diào)峰工況下，一次調(diào)頻性能迅速下降，缺乏電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的深度調(diào)峰機組調(diào)速模型，無法完成深度調(diào)峰工況下的電網(wǎng)一次調(diào)頻安全特性分析，電網(wǎng)頻率安全受到嚴重威脅。
三是考慮到新能源出力的間歇性，電力系統(tǒng)發(fā)用電平衡在發(fā)電容量有效性方面面臨巨大的挑戰(zhàn)，亟需研究構(gòu)建有效容量評估能力，以及與容量有效性相匹配的結(jié)算方式，激勵包括新能源和傳統(tǒng)煤電在內(nèi)的各類主體提升自身發(fā)電容量的可用性，實現(xiàn)多資源綜合可用容量的提升。
四是煤電等傳統(tǒng)電源存在收益激勵不足的客觀現(xiàn)狀，亟需通過多類型資源調(diào)節(jié)能力的成本特性與回報機制開展研究，建立包括傳統(tǒng)煤電在內(nèi)的各類調(diào)節(jié)主體價值回報方式，激勵多類型資源實現(xiàn)多時間尺度波動性的綜合平衡調(diào)節(jié)能力提升。
五是隨著新能源占比的不斷提高，一方面，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電側(cè)、負荷側(cè)各種靈活性調(diào)節(jié)資源，提高電力系統(tǒng)的新能源消納水平與整體調(diào)節(jié)能力是目前的難點問題；另一方面，未考慮煤電的減量替代、定位轉(zhuǎn)型，缺乏對以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)下的煤電與新型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的針對性研究。因此，亟需開展電網(wǎng)調(diào)峰資源需求與涉網(wǎng)性能評價研究，解決電網(wǎng)調(diào)峰需求與設(shè)備安全、電網(wǎng)運行穩(wěn)定之間的協(xié)調(diào)問題，在保障電網(wǎng)運行本質(zhì)安全的前提下，最大限度支撐新能源接入。
煤電與靈活性資源協(xié)調(diào)優(yōu)化
針對煤電的轉(zhuǎn)型定位與電力綠色低碳發(fā)展要求，需要研究煤電與新型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)。電力系統(tǒng)靈活性資源優(yōu)化配置的目的是能夠調(diào)用足夠的靈活性資源，來匹配可再生能源和負荷的變化帶來的凈負荷波動，同時兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟性，需要綜合考慮不同的運行狀況得到靈活性資源優(yōu)化配置的方案。
未來新型電力系統(tǒng)建設(shè)要立足我國能源資源稟賦。習(xí)近平總書記指出，“要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。”《煤炭清潔高效利用攻關(guān)方案》中提出，要“研究煤電機組、抽水蓄能、儲能、新能源發(fā)電、大型耗能企業(yè)等多類型資源跨時空互補優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，研究計及多資源平衡能力的電力輔助服務(wù)與容量市場機制和交易運營技術(shù)，研發(fā)面向新型電力系統(tǒng)的煤電與新能源綜合調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行系統(tǒng)并開展驗證。”
未來，煤電功能逐步轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與支撐，傳統(tǒng)的電力規(guī)劃優(yōu)化方法及單一電能量市場不再適用，需要研究科學(xué)有效的煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)，考慮煤電、抽水蓄能、儲能在爬坡率、功率水平和電量等方面的約束，建立各類可調(diào)節(jié)資源的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)不同資源之間存在的特性差異，如時間、空間、有功出力、技術(shù)水平等，從可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等多個方面出發(fā)，提出不同時間尺度和不同調(diào)控場景下多類型資源互補調(diào)控能力的評價方法，從指令響應(yīng)速度、出力維持時間等多個方面評估多類型資源互補系統(tǒng)的調(diào)控能力。
充分發(fā)揮煤電、水電、儲能、綠氫等各類資源的調(diào)節(jié)能力，保障電力平衡與可靠供應(yīng)，促進煤電等多資源協(xié)同綠色低碳發(fā)展。提出覆蓋煤電、儲能、新能源、電制氫等多類型資源跨時空互補優(yōu)化方法，建立與電能量市場相銜接的容量、輔助服務(wù)等支撐機制，研發(fā)煤電與新能源綜合調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行系統(tǒng)，保障電力平衡與可靠供應(yīng)，助力構(gòu)建以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。
在煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃研究中，傳統(tǒng)電源規(guī)劃考慮在經(jīng)濟成本最小的條件下確定系統(tǒng)最優(yōu)的發(fā)電投資組合，在電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的背景下，還應(yīng)將二氧化碳排放帶來的影響納入規(guī)劃模型，深入挖掘煤電在新能源并網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)外送、系統(tǒng)備用、多能協(xié)同等方面的多維價值。從運行策略、協(xié)同技術(shù)、市場機制等角度構(gòu)建“雙碳”背景下煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃模型和能量-容量市場機制，制定科學(xué)有序的煤電與新能源高效利用與規(guī)劃方案。
隨著新能源滲透率的不斷提升，極端天氣和季節(jié)性供需不平衡對電力系統(tǒng)的安全運行提出了嚴峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電力充裕性評估方法在對高比例新能源電力系統(tǒng)電源實際發(fā)電能力的評估方面略顯不足，無法兼容構(gòu)建新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下不同時間尺度的靈活性需求，常規(guī)煤電、應(yīng)急備用煤電、儲能、新能源、需求側(cè)等不同類型靈活資源調(diào)節(jié)能力與不同時間尺度充裕性需求的匹配機理尚需理清。
總結(jié)與建議
新能源電力波動大、間歇性強，在大規(guī)模、低成本儲能技術(shù)成熟應(yīng)用之前，適當(dāng)比例的煤電可為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供足夠的轉(zhuǎn)動慣量，平抑大比例新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的波動，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。電力系統(tǒng)需要火力發(fā)電尤其是煤電充分發(fā)揮“兜底保障”的重要作用。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下，現(xiàn)有技術(shù)未考慮煤電的減量替代、由傳統(tǒng)電源向調(diào)節(jié)支撐主體電源的轉(zhuǎn)型和新型調(diào)節(jié)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，煤電可在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
一是開展火電機組深度調(diào)峰改造的試點工程。我國現(xiàn)役火電機組在設(shè)計階段基本均未考慮深度調(diào)峰工況，隨著高比例新能源的不斷加入，深度調(diào)峰和快速升降負荷時的運行工況嚴重偏離設(shè)計工況，導(dǎo)致運行過程中調(diào)峰能力比較差。深度調(diào)峰常態(tài)化以后，大量設(shè)備運行在非正常工況，對機組安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的影響不可忽視，需要投入更多的研究工作。
二是進一步研究電網(wǎng)中各類電源和負荷的出力特性。深入挖掘煤電、風(fēng)電、光伏、水電、儲能、電制氫等不同類型資源在不同時間尺度、不同空間尺度的互補特性，促進不同資源在不同調(diào)度時序間的優(yōu)化配置，提升平衡資源的時空分布合理性，以降低源端不確定性，提高電源整體靈活可控能力。
三是煤電要積極轉(zhuǎn)變角色，由傳統(tǒng)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，積極參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務(wù)，提升電力系統(tǒng)對新能源發(fā)電的消納能力，將更多的電量市場讓給低碳電力。
四是為實現(xiàn)“雙碳”目標，需要全局統(tǒng)籌優(yōu)化能源消費側(cè)與生產(chǎn)側(cè)的轉(zhuǎn)型時序關(guān)系與實施路徑，并配套推動低碳技術(shù)的普及應(yīng)用。針對能源戰(zhàn)略的制定有必要發(fā)展下一代評估推演關(guān)鍵技術(shù)，以重構(gòu)能源發(fā)展戰(zhàn)略分析理念和方法的整體框架，以適應(yīng)能源革命帶來的高度復(fù)雜性和不確定性新局面?！半p碳”目標下，實現(xiàn)復(fù)雜能源系統(tǒng)的多部門、多目標、多階段的全局優(yōu)化，制定合理的分部門碳排放達峰路徑，提出我國中長期煤炭清潔高效利用發(fā)展路徑和時空布局，是目前亟待解決的問題。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年06期，作者楊彪、王光達、張琛供職于國網(wǎng)能源研究院有限公司
