构建以新能源为主体的新型电力系统框架

2021-11-29阚黎明张汝波

魅力中国 2021年25期

阚黎明张汝波

（1 山东电工运检工程有限公司，山东济南 250022；2 山东电工电气集团有限公司，山东济南 250022）

为应对全球气候变化、环境污染和能源战略等问题，世界各国正积极推动能源系统的低碳化、清洁化和可持续化转型。落实到能源结构上，具体体现为电能替代与清洁替代。然而，当前终端能源消费中的电能比例仅为20%，电能替代有巨大的发展空间。全球能源系统正面临一场规模巨大的技术革命。以风电和光伏为代表的非水可再生能源是这场能源革命中最具活力的组成部分。国际能源署预计2020 年全球风电与光伏装机容量较2019 年将分别增加超过65GW（增速10.4%）和107GW（增速18.3%）。风电和光伏等新型可再生能源具有发电过程中零碳排放和零边际成本等优点，未来必将成为能源转型中电能替代与清洁替代的主体。为应对未来高比例可再生能源电力系统面临的诸多新挑战，核心是解决可再生能源间歇性带来的时空不确定性与并网方式带来的高比例电力电子化两大关键科学问题。

一、电力生产总量跨上新台阶，电力结构向绿色低碳方向快速转变

根据国家统计局和中国电力企业联合会(以下简称中电联)统计，2020年末，全国发电装机容量220058 万千瓦，比上年末增长9.5%。其中，火电装机容量124517万千瓦，增长4.7%;水电装机容量37016万千瓦，增长3.4%;核电装机容量4989 万千瓦，增长2.4%;并网风电装机容量28153 万千瓦，增长34.6%;并网太阳能发电装机容量25343 万千瓦，增长24.1%。“十三五”时期，我国年均新增发电装机13507万千瓦，煤电年均新增装机3564万千瓦。截至2020 年底，我国煤电装机容量10.8 亿千瓦，占总装机比重49%，占总发电量比重60.8%，年装机容量增长趋势放缓，发电量缓慢增长。

二、电力低碳转型持续加快，绿色发展动能强劲

从电源投资看，非化石能源投资比重上升到九成。“十三五”期间，煤电投资规模逐年下降，全国重点发电企业煤电投资额从2015 年的1061 亿元，逐年下降至2020 年的382 亿元，煤电投资所占比重从27%下降至2020 年的7.3%。非化石能源投资比重持续上升，从70.5%上升至90.2%；其中，2020年非化石能源发电投资同比增长77.1%，当年新增非化石能源装机1.4 亿千瓦，创历史新高。从发电装机看，煤电装机容量比重历史性降至50%以下。截至2020 年年底，全国全口径发电装机容量22 亿千瓦，“十三五”期间年均增长7.6%。其中，非化石能源装机年均增速达13.1%，占比从34.8%升至44.8%；新能源装机占比从11.3%升至24.3%，五年累计提高13 个百分点。2020 年底，全国全口径煤电装机容量10.8 亿千瓦，完成了2020 年底煤电装机控制在11 亿千瓦以内这一规划目标；“十三五”期间，煤电装机容量年均增长3.7%，占比从2015 年的59%下降至2020 年的49.1%，比重首次降至50%以下。

三、火电污染控制和碳减排成效显著

根据中电联统计分析，与2010 年相比，2019 年全国火电(其中煤电装机和发电量占比均为90%左右)颗粒物排放量由160 万吨下降至18 万吨，下降88.8%;二氧化硫排放量由926 万吨下降至89 万吨，下降90.4%，与2006 年的峰值相比下降约93.4%;氮氧化物排放量由950 万吨下降至93 万吨，下降90.2%，与2011 年的峰值相比下降约90.7%。1978 年，火电碳强度约1312 克/千瓦时，2019 年降到838 克/千瓦时。以2005 年为基准年，2006—2019 年，通过发展非化石能源，降低供电煤耗和线损率等措施，电力行业累计减少二氧化碳排放约159.4 亿吨。

四、高比例可再生能源电力系统挑战

（一）稳定与保护

风电和光伏均需要直接或间接通过电力电子装置并网。其电压频率支撑特性与水电、火电等常规机组有较大差别。因此，随着高比例可再生能源接入电网的规模不断增大，系统动态特性将发生深刻变化，对系统稳定运行构成新的挑战。同时，对系统保护装置提出了新的要求。故障连锁脱网与电能质量问题在系统中比例甚至低比例渗透阶段有可能出现。对于机组本身，电力电子装备过流耐受能力比同步发电机差。当机端发生故障时，由于无法像常规机组一样维持并网点电压，风电和光伏电源在电网产生故障时往往更加倾向于尽快脱离电网。由于换流器抗干扰能力弱，在可再生能源发展早期全球便已发生了大量大规模脱网事故。此外，在可再生能源机组的局部并网点，电力电子装置功率开关元件的高频开断动作将产生高频谐波并注入电网，使并网点产生电压畸变与闪变，影响并网点的电能质量。在并网点电压较低、结构薄弱且可再生能源渗透率较高的电网，电压波动与闪变严重程度将会加剧，但通常超出并网标准情况较少。

（二）经济安全运行

在运行时间尺度上，可再生能源带来的一系列挑战源自其固有波动性与随机性。可再生能源电源出力上限通常不可调度，且其变化规律往往与负荷曲线变化不匹配，甚至呈现反调峰特性。风电场高出力时段可能在负荷较低的深夜，而日中负荷高峰时出力较低。光伏出力在傍晚开始下降，相对晚高峰亦呈现反调峰特性。净负荷的波动需要灵活性资源，比如可调常规电源、储能电站和区外来电等调整出力以保证平衡。随着波动程度的增加，对调峰与爬坡速率等资源总量的需求进一步增大。反映在电力市场上，可再生能源并网将对电力市场的平稳运行产生结构性影响。由于可再生能源发电边际成本几乎为零，加之其反调峰特性，这将导致市场中电力供需关系不稳定，直接反映为频发的极端电价，这在目前的中比例渗透地区电力市场已经有所反映。进一步地，在高比例渗透阶段，随着可再生能源装机容量的不断升高，能量市场出清价格不断走低，将挤压火电电源等传统行业的利润空间，多方利益主体矛盾突出。如何设计合理的市场机制，调动辅助服务资源，合理分摊成本是市场组织面临的另一大挑战。

五、加快新型电力系统构建进程

新型电力系统构建是“十四五”时期的主要任务之一。但笔者认为，这个任务并不是要在“十四五”期间全面完成，而是贯穿实现把碳达峰、碳中和目标的全过程。新型电力系统不能够脱离“发、输、变、配、用、储”各环节的技术、设备、工程实体而独立存在，所以新能源成为主体能源必然是一个渐进的过程。随着新能源的发展，传统化石能源尤其是煤电必然要逐步退出，这需要一定的时间;同时，技术发展仍然处在非常活跃的阶段，在能源电力转型中必须高度关注各项技术的发展，防止技术锁定、投资锁定。从宏观角度而言，新型电力系统的构建与中国把碳达峰、碳中和目标的实现路径具有方向的一致性，但是，新能源的发展是推动、引导、实现把碳达峰、碳中和目标的基本动力，是“先行官”，所以，新型电力系统的构建完成时间应适当超前于把碳达峰、碳中和目标。

六、建设高弹性、数字化、智能化电力系统

打造多元融合高弹性电网。适应高比例新能源、高比例电力电子设备需要，促进系统各环节全面数字化、智能化。建立全网协同、数字驱动、主动防御、智能决策的新一代调控体系。加强源网荷储多向互动，多能互联，推进多种能源形式之间的优化协调，提高电力设施利用效率，提升整体弹性。加强预测预警体系建设，保障极端事件下的电力系统恢复能力。持续开展煤电机组灵活性改造。煤电功能定位由主体电源逐步转变为调节电源，需大规模实施煤电机组灵活性改造，从整体上提升机组的灵活调节能力。要加强规划引导，有序安排改造项目，30万千瓦、60万千瓦亚临界机组，应优先实施灵活性改造。同时要完善辅助服务补偿机制，保障煤电机组的合理收益。大力加强储能体系建设。加快抽水蓄能建设。既要推进单机容量30 万千瓦以上、电站容量百万千瓦以上的抽水蓄能项目建设，又要因地制宜，建设中、小型抽水蓄能项目，对具备条件的水电站进行抽水蓄能改造。鼓励各类电化学储能、物理储能的开发应用。

七、构建新型电力系统的建议

（一）保障电力安全

保障电力安全包括对电能在“量”和“质”两方面的要求。但是，从科学性和系统经济性来看，在任何时间、任何范围、任何条件、对任何对象都百分之百地保障电力供应，这是无法实现的。在低碳电力转型过程中，由于随机性高、波动性大的新能源发电大规模进入电力系统，电网、电力负荷、热电联产的热力供应等都将受到不同程度的影响，一些新型风险(如互联网黑客攻击等)对电力系统也会形成安全隐患，这些因素对电力安全提出了更为严峻的挑战，因此，需要针对电力安全的新特点，制定专门的量化指标和防范要求。