中國儲能網(wǎng)訊：近兩年，北美電力可靠性委員會（NERC）和美國電網(wǎng)運營商們多次警告，稱可調(diào)度機組（煤電、氣電機組）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)險將大大增加。
美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)顯示，2011年以來美國有約130吉瓦的燃煤機組退役，根據(jù)電網(wǎng)運營商的計劃，到2030年還將退役近81吉瓦的燃煤機組。
2023年5月，美國環(huán)保署（EPA）發(fā)布針對化石燃料電廠的碳排放限制要求。EPA預(yù)計，擬議的減排新規(guī)將使另外13吉瓦燃煤機組在2030年退役，屆時美國燃煤機組裝機容量將減至72吉瓦，其中9吉瓦的燃煤機組將配套使用碳捕捉及封存技術(shù)（CCS）。（注：2023年美國燃煤機組裝機容量約為188吉瓦。）
在化石燃料機組持續(xù)退役時，EPA的減排提案再度引發(fā)可靠性爭議。美國電力行業(yè)的代表們指責(zé)提案過于激進，高估了氫能等減排技術(shù)的發(fā)展，同時提醒EPA，如果化石燃料機組退役太快，加上CCS技術(shù)和氫能技術(shù)無法跟進，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？在中長期規(guī)劃中納入系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)有哪些難點？
資源充足未必系統(tǒng)可靠
EPA在擬議提案序言中稱，提案考慮了資源充足性和電網(wǎng)可靠性，并稱減排提案能讓電力公司和電網(wǎng)運營商保持電力系統(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，以滿足每個電力區(qū)域的預(yù)估負(fù)荷和備用要求；運行可靠性則是指向負(fù)荷提供電力的能力，以使整個電網(wǎng)保持穩(wěn)定。
這種說法與北美電力可靠性委員會（NERC）對可靠性的定義一致，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)劃研究的專家介紹，EPA采用綜合規(guī)劃模型（Integrated Planning Model, IPM）作為分析工具，來分析環(huán)境政策對電力行業(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。
具體來看，容量充裕性著眼于發(fā)電資源的中長期規(guī)劃?！赌戏侥茉从^察》（Energy Observer，以下簡稱“eo”）此前曾報道過，NERC會定期給功率平衡責(zé)任主體（Balancing Authorities，BA）下發(fā)計劃備用指標(biāo)（Planning Reserve），系統(tǒng)運營商會進行負(fù)荷預(yù)測，演算出未來1—3年的“備用裕度”（Reserve Margin）及“容量裕度”（Capacity Margin）。PJM這樣的系統(tǒng)運營商會把演算指標(biāo)設(shè)計為容量市場標(biāo)的（演算結(jié)果通常與NERC的計劃指標(biāo)有少許出入），以此為依據(jù)代表用戶購買發(fā)電容量，保證未來負(fù)荷高峰時段有足夠的發(fā)電容量滿足系統(tǒng)需求。
IPM模型考慮的另一個指標(biāo)是運行備用。與我國現(xiàn)在的輔助服務(wù)市場類似，在美國，輔助服務(wù)產(chǎn)品大致分為調(diào)頻和運行備用。調(diào)頻用于應(yīng)對瞬時故障等異常情況；運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)對系統(tǒng)出現(xiàn)一些預(yù)期之外的變化（如某些機組突然出現(xiàn)故障無法出力）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然后做出反應(yīng)的機組提供。這些可靠性服務(wù)可在輔助服務(wù)市場采購。
對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)仍然可以維持對終端用戶的正常供電。
根據(jù)模型，IPM預(yù)測了未來可能要新建的發(fā)電機組和輸電線路的選址和容量，確保每個電力區(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)則對電力行業(yè)的影響“適度且可控”。
不過，該專家告訴eo，IPM模型實際上僅分析了發(fā)電和輸電的容量充足性，對其他支持電力系統(tǒng)可靠性的服務(wù)未充分考慮。根據(jù)NERC對電力系統(tǒng)可靠性的要求，發(fā)電機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)定運行。如果缺少這些服務(wù)作為支撐，電網(wǎng)就無法可靠運行。
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、最短停機時間、是否四季皆可用、機組運行時間限制、黑啟動、靈活性等對于電網(wǎng)的可靠運行也起到重要作用。但EPA的模型中未包含對這些服務(wù)的分析。
IPM模型為何“失真”？
據(jù)前述專家介紹，美國的法律規(guī)定，EPA制定電力相關(guān)的大氣污染防治法規(guī)時，必須配套一組經(jīng)濟分析模型，證明該法規(guī)造成的經(jīng)濟影響可承受。本次配套應(yīng)用的IPM規(guī)劃模型，是由ICF國際咨詢公司設(shè)計開發(fā)，曾應(yīng)用于美國多項排放法案（如2014年的清潔能源計劃草案的經(jīng)濟建模），至今已迭代至第六版。根據(jù)經(jīng)濟學(xué)理論，規(guī)劃模型在完全市場競爭等條件下等價于均衡模型，可以用來模擬市場行為。由于大氣污染防治政策可以方便地加入電力規(guī)劃模型中進行仿真，因此后者多被用于分析政策對電力系統(tǒng)或市場的影響。
“新能源大規(guī)模并網(wǎng)后，不僅是IPM模型，其他很多模型對可靠性問題的模擬都存在失真，給規(guī)劃模型提出了挑戰(zhàn)?！彼赋?。
在美國，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、頻率調(diào)節(jié)能力差、爬坡不確定性增大，多個區(qū)域電網(wǎng)的系統(tǒng)可靠性風(fēng)險日益增大。
據(jù)介紹，頻率穩(wěn)定性通過系統(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)電機提供，會對系統(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，風(fēng)電光伏等新能源機組通過電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，現(xiàn)有的技術(shù)尚無法提供電網(wǎng)運行所需的慣性，加之新能源會擠壓傳統(tǒng)發(fā)電機組生存空間，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性越來越少，調(diào)頻需求進一步增加。
前述專家指出，目前學(xué)界對于中長期規(guī)劃中的系統(tǒng)慣量研究和仿真正在進行，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)鍵問題尚無明確的答案。
從更高維度來說，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)在運行中承受故障擾動的能力，即各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)或恢復(fù)到原來運行狀態(tài)的能力?！熬S持系統(tǒng)暫態(tài)的穩(wěn)定有其自身的評價體系，但規(guī)劃模型通常考慮的是系統(tǒng)中長期的平穩(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期規(guī)劃，對現(xiàn)有模型進行升級迭代，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)，靈活性強的機組能對供需變化或者意外事件做出快速響應(yīng)。目前，業(yè)內(nèi)對爬坡靈活性已經(jīng)有相對成熟的模擬方法。而IPM模型僅考慮了發(fā)電機組的啟停，選取的典型小時數(shù)的時序并不連續(xù)，缺乏對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、氣電等大容量機組提供，而如果這些化石燃料機組退役過快，加之低碳、靈活、可靠的技術(shù)無法跟進，將對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
截至目前，針對EPA的擬議提案，美國電力行業(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)量的化石燃料機組作為保底機組，避免因減排技術(shù)不到位或機組退役過快，影響電力系統(tǒng)可靠性。
