摘要 隨著全球能源轉(zhuǎn)型深入推進，新能源快速發(fā)展，新能源高占比電力系統(tǒng)供應(yīng)保障問題日益凸顯，近期已成為部分國家關(guān)注的焦點。為此，首先詳細分析了新能源出力特性以及在電力平衡、負荷支撐度等方面對電力供應(yīng)保障的挑戰(zhàn)；其次選取德國、美國和日本等新能源發(fā)展較早占比較高的典型國家，從政策法規(guī)、監(jiān)測預警、調(diào)度運行管理等方面，深入研究了其在新能源高占比電力系統(tǒng)中采取的保障電力安全可靠供應(yīng)的實踐經(jīng)驗；最后結(jié)合中國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的實際情況，提出了對中國新能源發(fā)展的啟示，為中國電力供應(yīng)保障提供一定的參考借鑒。
1 新能源高占比對電力供應(yīng)保障的挑戰(zhàn)
全球新能源快速發(fā)展，已進入增量替代階段，并將逐步向存量替代過渡，預計2020—2030年期間，全球新能源新增發(fā)電量占全部新增發(fā)電量的比重超過80%?！半p碳”目標下中國新能源也將持續(xù)快速增長，預計“十四五”期間年均新增裝機規(guī)模超過1億kW，實現(xiàn)倍增發(fā)展，2025年發(fā)電量占比將達到20%，2030年、2060年將分別超過25%和50%。新能源高占比給電力供應(yīng)保障帶來較大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下5個方面。
1）高比例新能源并網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢使得電力系統(tǒng)電力電子化趨勢凸顯。相比傳統(tǒng)電源形式的旋轉(zhuǎn)機械接口，風電、光伏等形式的電力電子接口具有響應(yīng)快、慣量低的特點，使得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力下降，最大頻率偏差增大，顯著影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。
2）新能源在電力平衡中有效容量遠低于常規(guī)電源，供應(yīng)保障能力偏低。新能源在系統(tǒng)平衡或容量充裕性分析中所考慮的能夠等效替代常規(guī)電源發(fā)電容量，稱作新能源的有效容量或保證容量。新能源出力的波動性與不確定性導致其參與系統(tǒng)平衡的有效容量遠低于常規(guī)電源。在美國得州電力可靠性委員會冬季容量充裕性分析中，100 MW的陸上風電在系統(tǒng)平衡中僅等效為19 MW的常規(guī)電源容量。
3）新能源對負荷支撐能力偏弱。新能源負荷支撐度是指新能源實際出力占對應(yīng)時刻系統(tǒng)負荷的比例。2022年，中國新能源平均負荷支撐度不足15%，全年近四分之三的時段新能源處于低負荷支撐度，高負荷支撐度時段不足1%。由于新能源出力與負荷匹配性差，新能源負荷支撐度在晚高峰最低，并呈現(xiàn)“春高冬低”的季節(jié)性特征。
4）負荷高峰保供應(yīng)和負荷低谷保消納的“兩難”矛盾日益突出。隨著新能源占比持續(xù)快速提升，新能源小發(fā)期間電力供應(yīng)不足和大發(fā)期間消納困難的問題將頻繁交替出現(xiàn)。在火電裝機規(guī)模一定的情況下，較大的開機方式有利于保障電力穩(wěn)定可靠供應(yīng)，但會擠占新能源發(fā)電空間，加大棄電風險；反之，要保證新能源高水平消納，就需要適當減小火電開機容量，減弱保供能力。
5）新能源出力不確定性疊加對系統(tǒng)的弱支撐能力，加重了極端天氣下新能源高占比電力系統(tǒng)的脆弱性。近年來，國際上與新能源相關(guān)的電力供應(yīng)安全事故頻發(fā)，如表1所示。在這些事故中，新能源受極端天氣影響，出力不確定性顯著增加，在用電負荷急速增長時，新能源出力跟不上，加劇了電力平衡壓力。
表1 近年來新能源相關(guān)電力供應(yīng)安全事故匯總
Table 1 Summary of new energy-related power supply security accidents in recent years
根據(jù)IEA研究報告，當新能源發(fā)電量占比超過40%，新能源對電力供應(yīng)的影響將成為電力系統(tǒng)面臨的最主要問題。
2 國外新能源高占比電力供應(yīng)保障的研究與實踐
2.1 德國
2.1.1 德國在保障電力安全可靠供應(yīng)方面的實踐經(jīng)驗
截至2022年底，德國新能源裝機占比高達58%，發(fā)電量占比高達33%。作為典型新能源高占比國家與全球能源轉(zhuǎn)型先行者，德國在保障電力安全可靠供應(yīng)方面取得了重要的實踐經(jīng)驗，主要體現(xiàn)在以下3個方面。
1）建立電力供應(yīng)安全評估監(jiān)測機制，及時預警能源轉(zhuǎn)型帶來的電力供應(yīng)安全風險。為保障能源轉(zhuǎn)型的安全性，德國依據(jù)《能源工業(yè)法》建立了電力供應(yīng)安全評估監(jiān)測機制，由德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和能源部至少每2年對電力供應(yīng)安全進行評估，由聯(lián)邦審計院每3年對評估結(jié)果進行監(jiān)測和審查。德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和能源部采用的電力供應(yīng)安全評估方法如圖1所示，先基于歐洲電力市場分析模型確定未來電力供應(yīng)典型場景，后利用電力供應(yīng)安全分析模型開展未來典型場景下電力供應(yīng)安全評估。
圖1 德國電力供應(yīng)安全評估方法
Fig.1 German electricity supply security assessment method
德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和能源部最新發(fā)布的評估報告為《電力供應(yīng)安全報告（2019年）》。2022年3月，聯(lián)邦審計院發(fā)布了最新審查報告《能源轉(zhuǎn)型中的電力供應(yīng)安全和價格承受能力》，審查結(jié)論指出：電力供應(yīng)安全應(yīng)包括電力市場供應(yīng)安全、供電可靠性和系統(tǒng)運行安全三大方面，安全評估須充分考慮退煤、棄核、極端氣候、氫能發(fā)展等多因素的共同作用，滯后的電網(wǎng)建設(shè)將危及電力安全可靠供應(yīng)，并阻礙氣候目標實現(xiàn)。
2）依托歐洲同步電網(wǎng)和統(tǒng)一電力市場，發(fā)揮電網(wǎng)互聯(lián)互通和跨國交易的重要支撐作用。鄰國電力支援是德國應(yīng)對新能源出力波動性的有效手段。德國與鄰國電網(wǎng)互聯(lián)互通，同周邊9個國家之間輸電容量約達2000萬kW，占全年最大負荷的近30%。在新能源出力較小時，鄰國輸入電力、支撐電力供應(yīng)；在新能源大發(fā)時，向鄰國輸送電力、減輕調(diào)峰壓力。根據(jù)預測，歐洲互聯(lián)電網(wǎng)將是德國未來電力供應(yīng)安全的重要保障，德國也將從電力凈出口國變?yōu)殡娏暨M口國。德國 2020~2035 年電源結(jié)構(gòu)變化預測如圖2所示。
圖2 德國2020~2035年電源結(jié)構(gòu)變化預測
Fig.2 Forecast of power supply structure change in Germany from 2020 to 2035
3）保留一定的常規(guī)電源發(fā)電容量，發(fā)揮常規(guī)電源兜底保障作用。根據(jù)《德國2035電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》預測，雖然到2035年德國風電、光伏發(fā)電裝機容量占比將達到75%左右，但仍有接近25%的燃氣、水電等常規(guī)機組用以保證系統(tǒng)平衡，發(fā)揮兜底保障作用。德國2020—2035年電源結(jié)構(gòu)變化如圖3所示。
圖3 輸電網(wǎng)運營商平衡偏差調(diào)整機制
Fig.3 Balance deviation adjustment mechanism of power transmission grid operator
2.1.2 德國基于平衡組的電力行業(yè)管理機制
德國極具特色的基于平衡組的電力行業(yè)管理機制在保障電力安全可靠供應(yīng)方面也發(fā)揮了重要作用。
平衡組是德國電網(wǎng)運行管理和市場組織的基本單元。電網(wǎng)中的生產(chǎn)者（電源）和消費者（用戶）均須隸屬于某一平衡組，并由某一主體擔任平衡組管理人。平衡組是一個虛擬的組合單元，成員之間無須通過電網(wǎng)連接，但必須處于同一個輸電網(wǎng)運行商的調(diào)度區(qū)域。
平衡組制定“自平衡”的發(fā)供電計劃，實時運行中各平衡組偏差由輸電網(wǎng)運營商在系統(tǒng)層面進行統(tǒng)一平衡。平衡組基于每日發(fā)、用電量預測和市場交易組織，以“進出電量相等”為原則制定自平衡計劃，上報輸電網(wǎng)運營商，如表2所示。實時運行中，平衡組均可能偏離其自平衡計劃，此時由輸電網(wǎng)運營商調(diào)用預留的平衡備用容量在系統(tǒng)層面進行統(tǒng)一平衡，如圖3所示。平衡備用容量包括一次、二次和三次備用容量，各類備用容量在目標、響應(yīng)時間、啟動方式及價格組成方面各有不同。輸電網(wǎng)運營商配置和調(diào)用平衡備用容量產(chǎn)生的平衡成本將根據(jù)各平衡組的平衡偏差情況分攤至各平衡組，作為懲罰費用。
表2 15 min間隔內(nèi)某個平衡組電量平衡案例
Table 2 Power balance case of a balance group within a 15 min interval
平衡組機制強化了平衡組管理主體的平衡責任，是一種“自下而上”的平衡管理機制，可大大降低系統(tǒng)平衡壓力。近年來，在新能源發(fā)電量逐年提升的背景下，德國輸電網(wǎng)運營商平衡發(fā)電和用電的備用容量非但沒有增加，反而有所下降。主要原因在于：1）平衡組機制有效激勵了新能源預測技術(shù)水平的提升，減少了因新能源出力波動造成的系統(tǒng)平衡誤差；2）平衡組擁有“自調(diào)度”空間，可實現(xiàn)組內(nèi)資源的最佳調(diào)度，充分挖掘靈活性潛力，進而提升了系統(tǒng)靈活性水平。
2.2 美國
2.2.1 美國可再生能源國家實驗室相關(guān)研究
美國可再生能源國家實驗室研究了未來新能源高占比對電力平衡的影響。研究指出，未來美國新能源高占比電力系統(tǒng)平衡將呈現(xiàn)3個特點：1）因新能源預測誤差導致的系統(tǒng)平衡備用需求將顯著增加；2）儲能與需求側(cè)資源將逐步成為平衡備用的主要提供者；3）加強電網(wǎng)建設(shè)，提高跨區(qū)輸電能力是實現(xiàn)新能源高占比的重要途徑。測算表明，在未來新能源發(fā)電量占比接近40%的情景下，建設(shè)全國范圍高壓直流互聯(lián)通道，可降低約5%的系統(tǒng)平衡裝機需求。
2.2.2 美國得州和加州的相關(guān)舉措
得州和加州是美國新能源發(fā)展的典范，近年來均出現(xiàn)過因極端天氣等原因造成的電力供應(yīng)短缺。新能源雖非直接誘因，但因其出力的不確定性，加重了事件嚴重程度。事后，得州和加州采取了相應(yīng)防范措施。
得州是美國新能源發(fā)電量占比最高的地區(qū)，其新能源發(fā)電量占比已超過20%。2021年2月，極寒天氣下得州出現(xiàn)嚴重電力短缺，超過450萬用戶電力供應(yīng)中斷。為防止類似事件再次發(fā)生，得州政府于2021年6月簽署了系列法案推動電力系統(tǒng)改革，保障未來電力供應(yīng)安全。1）加強極端天氣防御能力，對新能源等電源、輸電和輸氣管道防寒改造做出強制要求，違規(guī)罰金高達100萬美元；2）完善電力應(yīng)急事件監(jiān)測預警體系，建立電力-氣象聯(lián)動預警系統(tǒng)，要求預警系統(tǒng)實時預測分析天氣對電力系統(tǒng)運行的影響，全面、及時地向公眾發(fā)布電力應(yīng)急事件預警信息。
加州是美國新能源發(fā)電發(fā)展最為激進的地區(qū)，其新能源發(fā)電量占比也超過了20%，2030年可再生能源發(fā)電量占比目標為60%，2045年實現(xiàn)凈零排放。2020年8月，高溫天氣下加州發(fā)生限電事件，超過24萬人供電中斷。事后，加州加快儲能大規(guī)模配置，提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)與頂峰能力。截至2022年底，加州儲能總?cè)萘恳呀?00萬kW。
2.3 日本
按照當前能源轉(zhuǎn)型計劃，日本2050年可再生能源發(fā)電占比將達到50%~60%。由于可再生能源發(fā)電多為非同步電源，不具備轉(zhuǎn)動慣量，未來日本將面臨系統(tǒng)慣量水平持續(xù)降低，進而危及電力系統(tǒng)供應(yīng)安全的問題。
日本提出維持慣量水平、修改電網(wǎng)導則、完善電力市場設(shè)計等一系列措施保障電網(wǎng)安全。1）通過確保水電機組安全運行、維持同步電源運行、加裝同步調(diào)相機等方式維持慣量水平；2）修改電網(wǎng)導則，包括完善系統(tǒng)運行管理標準，如提升新能源發(fā)電機組故障穿越能力；制定技術(shù)規(guī)范，對新能源發(fā)電提供調(diào)頻、轉(zhuǎn)動慣量等能力做出具體要求；3）完善電力市場設(shè)計，包括在容量市場中增設(shè)同步電源占比及容量價格，在輔助服務(wù)市場中進一步細化調(diào)頻等交易品種，豐富交易時間尺度；4）開展虛擬同步機、虛擬同步實時控制等技術(shù)研發(fā)。
3 相關(guān)啟示與建議
本文系統(tǒng)分析了德國、美國和日本等新能源發(fā)達國家在新能源高占比的電力系統(tǒng)下，采取的電力供應(yīng)保障措施。通過分析，將國外新能源高占比國家在電力供應(yīng)保障技術(shù)支撐能力、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、市場機制、行業(yè)管理等方面的研究和實踐經(jīng)驗進行了總結(jié)。結(jié)合中國新能源發(fā)展和新型電力系統(tǒng)建設(shè)實際情況，對解決中國未來新能源跨越式增長后的電力供應(yīng)保障問題，提出如下建議。
1）持續(xù)加強電網(wǎng)互聯(lián)互通。美國研究成果與德國實踐經(jīng)驗均表明，電網(wǎng)互聯(lián)互通將是新能源高占比電力系統(tǒng)的重要特征，對保障電力安全可靠供應(yīng)意義重大。建議中國持續(xù)加強電網(wǎng)互聯(lián)互通，提升電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力，夯實電力供應(yīng)安全基礎(chǔ)。優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度運行模式，充分利用跨省跨區(qū)輸電通道能力，實現(xiàn)更大范圍調(diào)節(jié)能力互濟。
2）從供需雙側(cè)發(fā)力。從德國未來電網(wǎng)規(guī)劃來看，在退煤棄核背景下，燃氣等常規(guī)發(fā)電機組對保障電力供應(yīng)仍不可或缺。美國相關(guān)研究和舉措表明需求響應(yīng)、儲能等靈活調(diào)節(jié)資源將是未來保障系統(tǒng)平衡的重要支撐。建議結(jié)合中國國情，高度重視發(fā)揮火電的基礎(chǔ)支撐和兜底保障作用。強化需求側(cè)管理，將需求側(cè)資源作為常態(tài)化資源納入電力系統(tǒng)運行管理，完善電力需求響應(yīng)機制，充分挖掘需求側(cè)資源的潛力。
3）充分發(fā)揮市場機制作用。從德國經(jīng)驗來看，依托歐洲統(tǒng)一電力市場，通過跨國交易實現(xiàn)電力資源在更大范圍內(nèi)共享互濟，是德國未來保障電力供應(yīng)的重要手段。建議中國優(yōu)化電力市場總體設(shè)計，實現(xiàn)電力資源在中國更大范圍內(nèi)共享互濟和優(yōu)化配置，加快形成統(tǒng)一開放、競爭有序、安全高效、治理完善的電力市場體系。推動中長期市場、現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場有機銜接。
4）建立安全監(jiān)測預警機制。從法律層面建立電力供應(yīng)安全評估監(jiān)測機制是德國能源轉(zhuǎn)型中保障電力供應(yīng)安全的重要經(jīng)驗。美國得州寒潮后也建立了電力應(yīng)急事件監(jiān)測預警體系。建議中國在相關(guān)法律法規(guī)中進一步明確電力系統(tǒng)中網(wǎng)源荷儲等各類主體的電力供應(yīng)保障責任，建立電力安全監(jiān)測與預警機制，定期開展中國電力供應(yīng)安全評估，及時發(fā)布預警信息。
4 結(jié)語
通過研究發(fā)現(xiàn)國外針對新能源迅速發(fā)展采取的電力安全保供措施與經(jīng)驗主要有4個方面。1）在電網(wǎng)側(cè)要加強電網(wǎng)互聯(lián)互通，增強電網(wǎng)安全保供能力；2）要加強供給側(cè)的保障能力，同時加強需求側(cè)資源管理；3）要通過電力市場來實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置；4）要建立和完善安全預警機制對電力供應(yīng)情況實施監(jiān)督和預警。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
