中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近兩年，北美電力可靠性委員會(huì)（NERC）和美國(guó)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商們多次警告，稱(chēng)可調(diào)度機(jī)組（煤電、氣電機(jī)組）的持續(xù)退役將導(dǎo)致電力短缺，特別是極端天氣下缺電風(fēng)險(xiǎn)將大大增加。
美國(guó)能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)顯示，2011年以來(lái)美國(guó)有約130吉瓦的燃煤機(jī)組退役，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的計(jì)劃，到2030年還將退役近81吉瓦的燃煤機(jī)組。
2023年5月，美國(guó)環(huán)保署（EPA）發(fā)布針對(duì)化石燃料電廠的碳排放限制要求。EPA預(yù)計(jì)，擬議的減排新規(guī)將使另外13吉瓦燃煤機(jī)組在2030年退役，屆時(shí)美國(guó)燃煤機(jī)組裝機(jī)容量將減至72吉瓦，其中9吉瓦的燃煤機(jī)組將配套使用碳捕捉及封存技術(shù)（CCS）。（注：2023年美國(guó)燃煤機(jī)組裝機(jī)容量約為188吉瓦。）
在化石燃料機(jī)組持續(xù)退役時(shí)，EPA的減排提案再度引發(fā)可靠性爭(zhēng)議。美國(guó)電力行業(yè)的代表們指責(zé)提案過(guò)于激進(jìn)，高估了氫能等減排技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)提醒EPA，如果化石燃料機(jī)組退役太快，加上CCS技術(shù)和氫能技術(shù)無(wú)法跟進(jìn)，電網(wǎng)可靠性將受到威脅。
EPA的擬議提案是否考慮了電網(wǎng)可靠性？擬議提案欠缺了什么？在中長(zhǎng)期規(guī)劃中納入系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)有哪些難點(diǎn)？
資源充足未必系統(tǒng)可靠
EPA在擬議提案序言中稱(chēng)，提案考慮了資源充足性和電網(wǎng)可靠性，并稱(chēng)減排提案能讓電力公司和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商保持電力系統(tǒng)可靠性。
EPA認(rèn)為，資源充足性是指系統(tǒng)能提供足夠的發(fā)電資源，以滿足每個(gè)電力區(qū)域的預(yù)估負(fù)荷和備用要求；運(yùn)行可靠性則是指向負(fù)荷提供電力的能力，以使整個(gè)電網(wǎng)保持穩(wěn)定。
這種說(shuō)法與北美電力可靠性委員會(huì)（NERC）對(duì)可靠性的定義一致，都意味著可靠性包含的內(nèi)容比資源充足性更廣。
那么，擬議提案考慮了哪些影響可靠性的因素？據(jù)一位從事電力系統(tǒng)規(guī)劃研究的專(zhuān)家介紹，EPA采用綜合規(guī)劃模型（Integrated Planning Model, IPM）作為分析工具，來(lái)分析環(huán)境政策對(duì)電力行業(yè)的潛在影響。
他表示，在可靠性上IPM模型大致考慮了三方面，首先是發(fā)電容量充裕性（Resource Adequacy），從長(zhǎng)期規(guī)劃的角度保證各區(qū)域的功率平衡；其次是輔助服務(wù)中的運(yùn)行備用（Operating Reserve）；另外就是采用N-1原則保障輸電容量的充足。
具體來(lái)看，容量充裕性著眼于發(fā)電資源的中長(zhǎng)期規(guī)劃?！赌戏侥茉从^察》（Energy Observer，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“eo”）此前曾報(bào)道過(guò)，NERC會(huì)定期給功率平衡責(zé)任主體（Balancing Authorities，BA）下發(fā)計(jì)劃備用指標(biāo)（Planning Reserve），系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商會(huì)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，演算出未來(lái)1—3年的“備用裕度”（Reserve Margin）及“容量裕度”（Capacity Margin）。PJM這樣的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商會(huì)把演算指標(biāo)設(shè)計(jì)為容量市場(chǎng)標(biāo)的（演算結(jié)果通常與NERC的計(jì)劃指標(biāo)有少許出入），以此為依據(jù)代表用戶購(gòu)買(mǎi)發(fā)電容量，保證未來(lái)負(fù)荷高峰時(shí)段有足夠的發(fā)電容量滿足系統(tǒng)需求。
IPM模型考慮的另一個(gè)指標(biāo)是運(yùn)行備用。與我國(guó)現(xiàn)在的輔助服務(wù)市場(chǎng)類(lèi)似，在美國(guó)，輔助服務(wù)產(chǎn)品大致分為調(diào)頻和運(yùn)行備用。調(diào)頻用于應(yīng)對(duì)瞬時(shí)故障等異常情況；運(yùn)行備用通常是指事故備用，分為旋轉(zhuǎn)備用（Spinning Reserve）和非旋轉(zhuǎn)備用（Non-Spinning Reserve），是為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)一些預(yù)期之外的變化（如某些機(jī)組突然出現(xiàn)故障無(wú)法出力）而預(yù)留的發(fā)電空間。
旋轉(zhuǎn)備用和非旋轉(zhuǎn)備用響應(yīng)系統(tǒng)需求的速度有所不同。其中，旋轉(zhuǎn)備用通常是由已經(jīng)與系統(tǒng)同步可以迅速做出反應(yīng)的機(jī)組提供。非旋轉(zhuǎn)備用是由雖然不與系統(tǒng)同步但可以很快啟動(dòng)然后做出反應(yīng)的機(jī)組提供。這些可靠性服務(wù)可在輔助服務(wù)市場(chǎng)采購(gòu)。
對(duì)于輸電可靠性的保障，IPM采用N-1情景，即任何一條主要輸電斷面的主要輸電線路中斷，系統(tǒng)仍然可以維持對(duì)終端用戶的正常供電。
根據(jù)模型，IPM預(yù)測(cè)了未來(lái)可能要新建的發(fā)電機(jī)組和輸電線路的選址和容量，確保每個(gè)電力區(qū)域有足夠的發(fā)電和輸電容量。其分析結(jié)果顯示，EPA提出的規(guī)則對(duì)電力行業(yè)的影響“適度且可控”。
不過(guò)，該專(zhuān)家告訴eo，IPM模型實(shí)際上僅分析了發(fā)電和輸電的容量充足性，對(duì)其他支持電力系統(tǒng)可靠性的服務(wù)未充分考慮。根據(jù)NERC對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的要求，發(fā)電機(jī)組要能夠提供電壓控制、頻率支持和爬坡能力作為基本可靠性服務(wù)，以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果缺少這些服務(wù)作為支撐，電網(wǎng)就無(wú)法可靠運(yùn)行。
除上述基本的可靠性服務(wù)，其他服務(wù)如燃油、燃?xì)獾墓?yīng)保證、最短停機(jī)時(shí)間、是否四季皆可用、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間限制、黑啟動(dòng)、靈活性等對(duì)于電網(wǎng)的可靠運(yùn)行也起到重要作用。但EPA的模型中未包含對(duì)這些服務(wù)的分析。
IPM模型為何“失真”？
據(jù)前述專(zhuān)家介紹，美國(guó)的法律規(guī)定，EPA制定電力相關(guān)的大氣污染防治法規(guī)時(shí)，必須配套一組經(jīng)濟(jì)分析模型，證明該法規(guī)造成的經(jīng)濟(jì)影響可承受。本次配套應(yīng)用的IPM規(guī)劃模型，是由ICF國(guó)際咨詢公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，曾應(yīng)用于美國(guó)多項(xiàng)排放法案（如2014年的清潔能源計(jì)劃草案的經(jīng)濟(jì)建模），至今已迭代至第六版。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，規(guī)劃模型在完全市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等條件下等價(jià)于均衡模型，可以用來(lái)模擬市場(chǎng)行為。由于大氣污染防治政策可以方便地加入電力規(guī)劃模型中進(jìn)行仿真，因此后者多被用于分析政策對(duì)電力系統(tǒng)或市場(chǎng)的影響。
“新能源大規(guī)模并網(wǎng)后，不僅是IPM模型，其他很多模型對(duì)可靠性問(wèn)題的模擬都存在失真，給規(guī)劃模型提出了挑戰(zhàn)?！彼赋觥?
在美國(guó)，隨著新能源滲透率的不斷提高，電力系統(tǒng)慣量支撐力度弱、出力不確定性強(qiáng)、頻率調(diào)節(jié)能力差、爬坡不確定性增大，多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)日益增大。
據(jù)介紹，頻率穩(wěn)定性通過(guò)系統(tǒng)慣性（Inertia）和調(diào)頻輔助服務(wù)容量維持。慣性通常由同步發(fā)電機(jī)提供，會(huì)對(duì)系統(tǒng)變化產(chǎn)生阻力，降低頻率變化速度，穩(wěn)定電網(wǎng)。頻率偏離50/60赫茲，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）將調(diào)用調(diào)頻輔助服務(wù)預(yù)留的備用容量，將頻率調(diào)回正常值。不同于傳統(tǒng)發(fā)電同步機(jī)，風(fēng)電光伏等新能源機(jī)組通過(guò)電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，現(xiàn)有的技術(shù)尚無(wú)法提供電網(wǎng)運(yùn)行所需的慣性，加之新能源會(huì)擠壓傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組生存空間，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性越來(lái)越少，調(diào)頻需求進(jìn)一步增加。
前述專(zhuān)家指出，目前學(xué)界對(duì)于中長(zhǎng)期規(guī)劃中的系統(tǒng)慣量研究和仿真正在進(jìn)行，新能源大規(guī)模并網(wǎng)后需要多少慣量才能滿足系統(tǒng)需求等一些關(guān)鍵問(wèn)題尚無(wú)明確的答案。
從更高維度來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性較難在規(guī)劃中考慮。暫態(tài)穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在運(yùn)行中承受故障擾動(dòng)的能力，即各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)或恢復(fù)到原來(lái)運(yùn)行狀態(tài)的能力?！熬S持系統(tǒng)暫態(tài)的穩(wěn)定有其自身的評(píng)價(jià)體系，但規(guī)劃模型通?？紤]的是系統(tǒng)中長(zhǎng)期的平穩(wěn)狀態(tài)?！彼硎尽?
目前，業(yè)界已在嘗試將暫態(tài)穩(wěn)定性納入電力可靠性的中長(zhǎng)期規(guī)劃，對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行升級(jí)迭代，但整體上非常難以模擬，這也是IPM模型最缺乏的可靠性指標(biāo)。
此外，相關(guān)從業(yè)人員表示，IPM模型并未考慮爬坡靈活性（Ramping Flexibility）。爬坡靈活性是衡量系統(tǒng)是否具有快速響應(yīng)有功變化能力的重要指標(biāo)，靈活性強(qiáng)的機(jī)組能對(duì)供需變化或者意外事件做出快速響應(yīng)。目前，業(yè)內(nèi)對(duì)爬坡靈活性已經(jīng)有相對(duì)成熟的模擬方法。而IPM模型僅考慮了發(fā)電機(jī)組的啟停，選取的典型小時(shí)數(shù)的時(shí)序并不連續(xù)，缺乏對(duì)爬坡靈活性的分析模擬。
在高比例新能源電力系統(tǒng)中，備用容量、慣性、電壓支撐和快速爬坡等可靠性服務(wù)對(duì)可再生能源并網(wǎng)依然至關(guān)重要。上述可靠性服務(wù)往往由煤電、氣電等大容量機(jī)組提供，而如果這些化石燃料機(jī)組退役過(guò)快，加之低碳、靈活、可靠的技術(shù)無(wú)法跟進(jìn)，將對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
截至目前，針對(duì)EPA的擬議提案，美國(guó)電力行業(yè)已向EPA建議修改模型，將系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性納入規(guī)劃中考量，并保留一定數(shù)量的化石燃料機(jī)組作為保底機(jī)組，避免因減排技術(shù)不到位或機(jī)組退役過(guò)快，影響電力系統(tǒng)可靠性。
