中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
“雙碳”目標(biāo)下南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)重點(diǎn)問題研究
（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司）
1 研究背景
2021年中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上，我國對(duì)“雙碳”目標(biāo)作出重要部署，強(qiáng)調(diào)要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，提出要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，為我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向。然而，受2021年下半年世界主要經(jīng)濟(jì)體普遍發(fā)生能源危機(jī)、我國多地陸續(xù)出現(xiàn)近十年罕見的大規(guī)模錯(cuò)峰用電和有序用電的影響，社會(huì)各界開始對(duì)新型電力系統(tǒng)內(nèi)涵、新能源發(fā)展路徑進(jìn)行更深入的思考。2022年1月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，提出推動(dòng)電力系統(tǒng)向適應(yīng)大規(guī)模高比例新能源方向演進(jìn)，并強(qiáng)調(diào)統(tǒng)籌高比例新能源發(fā)展和電力安全穩(wěn)定運(yùn)行。2022年5月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》，提出加快構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)工作的扎實(shí)推進(jìn)，對(duì)新型電力系統(tǒng)內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)也在不斷深化，如何基于實(shí)際電網(wǎng)需求、對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)路徑進(jìn)行量化分析及問題揭示至關(guān)重要。
2 本文亮點(diǎn)
南方電網(wǎng)區(qū)內(nèi)清潔能源占比高、全局配置作用顯著，具備構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)。本文以南方區(qū)域電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過建立覆蓋全時(shí)間尺度的電力電量平衡技術(shù)，重點(diǎn)從電源的角度分析南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中面臨的電力保障、頻率穩(wěn)定等系統(tǒng)級(jí)問題，為南方區(qū)域構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供參考意見。
3 重點(diǎn)內(nèi)容
1）南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)演進(jìn)路徑
圖1和圖2分別為結(jié)合南方區(qū)域用電需求預(yù)測(cè)、資源稟賦條件推演的南方區(qū)域電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)電結(jié)構(gòu)的演進(jìn)路徑。由圖中可見，到2030年，新能源將成為南方區(qū)域第一大裝機(jī)電源，新能源裝機(jī)占比達(dá)到40%；到2050年，新能源將成為南方區(qū)域第一大發(fā)電量電源，新能源發(fā)電量占比達(dá)到45%；2060年，新能源作為南方區(qū)域供電主體電源，發(fā)電量占比超過50%。
圖1 南方區(qū)域電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)演進(jìn)路徑
圖2 南方區(qū)域電源發(fā)電量結(jié)構(gòu)演進(jìn)路徑
2）南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)重點(diǎn)問題分析
本文建立了全時(shí)間尺度的電力電量平衡分析技術(shù)，其中，長時(shí)間尺度平衡用于分析能源電力供需平衡；短時(shí)間尺度平衡著重分析頻率穩(wěn)定性這一系統(tǒng)級(jí)的安全穩(wěn)定問題。
圖3 全時(shí)間尺度電力電量平衡框架
南方區(qū)域能源與電力供應(yīng)保障問題：圍繞南方區(qū)域碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，綜合考慮資源稟賦、開發(fā)成本等因素，初步預(yù)測(cè)2060年南方電網(wǎng)區(qū)內(nèi)總發(fā)電量接近2.8萬億kWh，僅占區(qū)內(nèi)全社會(huì)用電量的82%。據(jù)此測(cè)算，為保障南方區(qū)域電力供應(yīng)，還需要引入?yún)^(qū)外電量約0.6萬億kWh，占全社會(huì)用電量比重約18%。若區(qū)外電源利用小時(shí)數(shù)按照4000小時(shí)考慮，則需引入?yún)^(qū)外電力規(guī)模約1.5億kW。從全國能源資源分布看，“三北”、西南的風(fēng)光資源潛力超50億kW，而東南地區(qū)負(fù)荷中心新能源資源不足，需要推進(jìn)西北、西南地區(qū)清潔能源大規(guī)模開發(fā)后部分送至南方電網(wǎng)。
長時(shí)間尺度電力供需平衡問題：為評(píng)估新能源極端情景下2060年南方區(qū)域的保供電安全，以南方區(qū)域2008年冰災(zāi)為例進(jìn)行分析，該情景發(fā)生在枯水期高負(fù)荷月份，風(fēng)電、光伏持續(xù)2周低出力甚至零出力。經(jīng)測(cè)算，若南方區(qū)域2060年極端場(chǎng)景下沒有煤電出力，則平均電力缺口約為6000萬kW。選取一天進(jìn)行分析，如圖4所示，在長時(shí)間電量不足情況下，電化學(xué)儲(chǔ)能和抽蓄的調(diào)節(jié)能力有限，系統(tǒng)將全天出現(xiàn)電力不足。若南方區(qū)域2060年保留5000萬~8000萬kW的煤電機(jī)組，并通過調(diào)用具備季節(jié)以上調(diào)節(jié)性能的水庫庫容等措施，可基本保障高負(fù)荷月新能源持續(xù)2周完全零出力情況下的電力供應(yīng)，可見煤電機(jī)組的“壓艙石”作用十分重要?？紤]新能源出力的同時(shí)率，系統(tǒng)演進(jìn)過程中可對(duì)保留煤電的規(guī)模進(jìn)一步優(yōu)化。
圖4 風(fēng)光零出力情景下南方區(qū)域典型日電力平衡結(jié)果
短時(shí)間尺度電網(wǎng)安全問題：基于精細(xì)化運(yùn)行模擬所篩選出的極端場(chǎng)景，對(duì)電網(wǎng)建立2030和2060年南方電網(wǎng)主網(wǎng)SFR模型，測(cè)算最大單回直流閉鎖功率擾動(dòng)下主網(wǎng)頻率響應(yīng)如圖5所示。2030—2060年，隨外區(qū)饋電比例增加，與火電退役大于其它同步電源增加，南方電網(wǎng)主網(wǎng)低慣量問題加劇。2030年和2060年，在主網(wǎng)火電機(jī)組不開機(jī)、汛期直流接近滿送的嚴(yán)苛條件下，主網(wǎng)非同步電源滲透率分別可接近51.3%、65.9%。若不采取切負(fù)荷穩(wěn)控措施，則最大單回直流閉鎖時(shí)，主網(wǎng)頻率最低點(diǎn)均會(huì)遠(yuǎn)低于目前穩(wěn)控最低頻率校驗(yàn)要求49.4Hz(海南電網(wǎng)解列定值為49.2Hz，頻率偏差裕度預(yù)留0.2Hz)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(恢復(fù))頻率也均低于目前穩(wěn)定要求49.8Hz。若充分利用外區(qū)送電柔性直流的功率調(diào)節(jié)能力，即在柔性直流受端換流器增加慣量、快速調(diào)頻、一次調(diào)頻功能，并以送端水/光/儲(chǔ)的調(diào)頻特性作為受端換流器功率調(diào)節(jié)上限，可大幅提升主網(wǎng)頻率響應(yīng)性能和應(yīng)對(duì)最大單條直流閉鎖功率擾動(dòng)的能力。
圖5 2060年最大單條直流閉鎖時(shí)南網(wǎng)主網(wǎng)頻率響應(yīng)
新能源消納問題：新能源消納問題核心是新能源發(fā)電與負(fù)荷需求存在時(shí)空錯(cuò)位，時(shí)間上的錯(cuò)位體現(xiàn)在風(fēng)光出力與負(fù)荷曲線形狀的不匹配，比如極寒天氣下風(fēng)光低出力甚至零出力、晚高峰光伏零出力等情況；空間上的錯(cuò)位體現(xiàn)在新能源資源和負(fù)荷中心地域上的不匹配，新能源資源集中于西南地區(qū)，負(fù)荷中心集中在東部沿海地區(qū)。2030年前碳達(dá)峰階段，新能源作為電源增量主體，其發(fā)展或?qū)⑦h(yuǎn)超預(yù)期，保供與消納存在矛盾。一方面，當(dāng)前新能源日前功率預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差仍然較大，難以滿足實(shí)際調(diào)度運(yùn)行的需求，增加了電力保供的難度；另一方面，通過增加常規(guī)機(jī)組開機(jī)來應(yīng)對(duì)不確定性，將增加新能源棄電風(fēng)險(xiǎn)。2030年碳達(dá)峰后到2060年碳中和階段，新能源逐步成為電源主體，其發(fā)電規(guī)模和占比快速增加，新能源消納問題將進(jìn)一步凸顯，需要源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)共同發(fā)力，實(shí)現(xiàn)新能源與負(fù)荷需求錯(cuò)位平衡，包括：提高源側(cè)新能源監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、預(yù)測(cè)等技術(shù)水平；加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)和地域互聯(lián)，提高新能源跨省區(qū)消納能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源互補(bǔ)；建立完善市場(chǎng)機(jī)制，充分發(fā)揮需求側(cè)響應(yīng)資源，通過短時(shí)間內(nèi)調(diào)動(dòng)靈活性資源應(yīng)對(duì)新能源日內(nèi)反調(diào)峰問題；加快跨季節(jié)儲(chǔ)能、制氫等長時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)對(duì)新能源發(fā)電和電力需求季節(jié)性失衡問題。
