自2020年9月以來，碳達(dá)峰、碳中和成為能源圈內(nèi)的熱門話題，風(fēng)光等新能源被寄予厚望。在能源規(guī)劃中，風(fēng)光等新能源得到大力支持和發(fā)展，要在30·60目標(biāo)中承擔(dān)主力電源作用；而煤炭生產(chǎn)要受到限制，燃煤機(jī)組裝機(jī)規(guī)模甚至要裁剪。近期寒潮之下，湖南、江西等地的“拉閘限電”又讓業(yè)內(nèi)外感到困惑：風(fēng)光等新能源在冰凍覆雪中無法出力、省間輸電通道難當(dāng)大任，各級政府被迫首選協(xié)調(diào)各種資源促進(jìn)煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸，保證煤電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，配合有序用電方案，才能確保民生用電不受影響。暫時(shí)的困難，并不能阻礙碳達(dá)峰、碳中和成為中國人對美好生活的向往，更不會動搖電力行業(yè)走向“脫碳”的決心。在30·60目標(biāo)下，高比例風(fēng)光發(fā)電模式將成為必然的電源選擇，在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)，“風(fēng)光+大電網(wǎng)”也將是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然技術(shù)方案。但我們還是要清醒地認(rèn)識到，風(fēng)光發(fā)電的大比例發(fā)展將對電網(wǎng)必須的轉(zhuǎn)動慣量和備用產(chǎn)生致命影響，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，大量調(diào)節(jié)備用機(jī)組損失的機(jī)會成本和沉沒成本也會使電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用上升。在2019年倫敦大停電事故的警示之下，我國電力行業(yè)如何健康穩(wěn)定發(fā)展，謀求“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！蹦茉床豢赡苋堑淖顑?yōu)妥協(xié)點(diǎn)，需要廣大專業(yè)人士認(rèn)真思考和討論。
電力行業(yè)注定是碳中和的重點(diǎn)行業(yè)
首先，電力是最大的碳排放行業(yè)。2019年全社會發(fā)電量73253億千瓦時(shí)，其中火電發(fā)電量為50450億千瓦時(shí)，折合二氧化碳排放大約50億噸，占全國碳排放總量的51%。電力行業(yè)不僅是能源供給大戶，同時(shí)還是能源消耗大戶。電網(wǎng)企業(yè)的網(wǎng)損和發(fā)電企業(yè)的廠用電合計(jì)占到全社會用電量百分之十以上，電力行業(yè)不但在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了碳排放，自身電力消耗也引發(fā)了相當(dāng)一部分碳排放。因此，如何實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳減排將是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵因素之一。
其次，電力資產(chǎn)較為集中，易于整體考慮政策。2020年全國火電總裝機(jī)11億千瓦，90%以上的火電資產(chǎn)屬于國有資產(chǎn)，其中五大電力集團(tuán)（華能、大唐、華電、國電投和國家能源）火電總裝機(jī)達(dá)5.6億千瓦，占比51%。國有企業(yè)有高度的社會責(zé)任感，落實(shí)國家政策和要求從不打折扣。全國輸電網(wǎng)資產(chǎn)集中在國網(wǎng)、南網(wǎng)、內(nèi)蒙古電力公司三個電網(wǎng)公司，輸電網(wǎng)長期保持統(tǒng)一運(yùn)行、統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的空間較大。電力企業(yè)資產(chǎn)集中的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)政策上、技術(shù)上的集中處理，相較其他行業(yè)有著天然的優(yōu)勢。
第三，電力行業(yè)技術(shù)和資金條件較好。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰需要新技術(shù)投入和大量資金支持。國有電力企業(yè)的研究機(jī)構(gòu)長期關(guān)注能源轉(zhuǎn)型，很好地把握了新的發(fā)電技術(shù)成果和技術(shù)發(fā)展方向，儲備了大量用于能源轉(zhuǎn)型的各類技術(shù)，擁有碳中和相關(guān)技術(shù)的專業(yè)化研究隊(duì)伍，相對于行業(yè)外的技術(shù)專家，實(shí)操能力更強(qiáng)，對轉(zhuǎn)型的痛點(diǎn)和各種設(shè)想的可行性認(rèn)識更為深刻。電力企業(yè)有著雄厚的資金積累和支持，這些都為碳中和的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)強(qiáng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
此外，電力行業(yè)屬于社會基礎(chǔ)行業(yè)，事關(guān)千家萬戶。目前電力行業(yè)開始轉(zhuǎn)型，逐步建設(shè)電力現(xiàn)貨市場，由市場決定的電力價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的投入使用。由此可以看出，電力行業(yè)將首先開始碳中和工作，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)社會生產(chǎn)和人民生活習(xí)慣的改變，逐漸帶動其他行業(yè)形成合力，實(shí)現(xiàn)全社會在碳中和方面的和諧共振。
電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式
高比例風(fēng)光新能源是現(xiàn)階段電力生產(chǎn)側(cè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然選擇
目前全社會用電量需求還在逐年上升，而在碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage，簡稱CCS）技術(shù)尚不成熟的條件下，電力行業(yè)需要大力發(fā)展零碳發(fā)電技術(shù)。目前成規(guī)模的零碳發(fā)電技術(shù)一般是核電、水電、生物質(zhì)和風(fēng)光等非化石燃料發(fā)電技術(shù)。
水電大規(guī)模增長空間有限。水電目前已成為我國第二大主力裝機(jī)電源，裝機(jī)達(dá)3.6億千瓦，占總裝機(jī)17.7%，成為世界第一水電裝機(jī)大國。而水電發(fā)展由于資源受限、廠址選擇受限、移民安置困難、季節(jié)性豐枯期發(fā)電不均、生態(tài)保護(hù)影響大等原因，就目前的技術(shù)水平，水電在未來全社會用電量中的占比總體可能成下降趨勢。
核電大規(guī)模增長的條件尚不具備。國內(nèi)核電技術(shù)發(fā)展較快，已發(fā)展至第四代核電技術(shù)，核電裝機(jī)達(dá)4874萬千瓦，占總裝機(jī)2.4%，成為世界第三核電裝機(jī)大國。然而，核電受制于安全約束、技術(shù)難度伴隨固定投資增加、廠址選擇受限和核廢料處理困難等問題，就目前技術(shù)水平來看，核電尚不具備大規(guī)模增長的條件。
生物質(zhì)發(fā)展難占“C位”。生物質(zhì)發(fā)電是眾多發(fā)電類型中的一個小眾發(fā)電模式，但是由于其發(fā)電可控，二氧化碳排放為零，引起了行業(yè)內(nèi)部重視。目前生物質(zhì)發(fā)電主要有氣化發(fā)電和直接燃燒發(fā)電兩種形式，以直接燃燒發(fā)電較為普遍。而生物質(zhì)發(fā)電由于燃料運(yùn)輸半徑受限，單機(jī)容量普遍較小，造成投資成本和運(yùn)行成本較大，電量占比上升空間有限。
相對于其他電源種類，風(fēng)光新能源發(fā)電雖然存在季節(jié)性能源分布不均，天氣影響較大，發(fā)電出力波動性、隨機(jī)性較大等問題，但是由于風(fēng)光等新能源資源豐富、地域分布廣、廠址選擇受限較小、運(yùn)行成本小、固定投資成本相比水電、核電較低等優(yōu)勢，高風(fēng)光電量占比的系統(tǒng)在國際上有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是現(xiàn)階段技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，實(shí)現(xiàn)碳中和必然選擇的電源。因此，國家也在電力規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展風(fēng)光發(fā)電，到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上（較2019年增長近8億千瓦）。
大電網(wǎng)為主消納是現(xiàn)階段高比例風(fēng)光消納的唯一選擇
2020年中國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量4.4億千瓦，裝機(jī)容量占比達(dá)20%。根據(jù)規(guī)劃，到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量占比將達(dá)40%以上，而到2060年風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量占比將接近70%。風(fēng)光發(fā)電出力不可控的波動性和隨機(jī)性，造成風(fēng)光發(fā)電出力曲線與電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線不符甚至是相反。為了有效解決風(fēng)光新能源的波動影響用戶電力使用平穩(wěn)的問題，目前解決平衡消納的手段主要有大電網(wǎng)和儲能兩種。
儲能消納風(fēng)光發(fā)電的優(yōu)劣：儲能技術(shù)可以很好地起到移峰填谷作用，有效消除風(fēng)光新能源的波動性。目前實(shí)施的儲能技術(shù)主要分為物理機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能和氫儲能。物理機(jī)械儲能以抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能為代表。物理儲能的優(yōu)勢就是安全系數(shù)較高、儲能容量大、技術(shù)成熟、壽命長，而劣勢則是投資成本大、選址困難、效率低。電化學(xué)儲能以鋰電池、鉛酸電池為代表，優(yōu)勢是效率高、充放電速度快、選址容易，劣勢是投資成本大、安全系數(shù)低、環(huán)境溫度影響大。氫儲能以電解氫+氫燃料電池為代表，優(yōu)勢就是能量密度大，劣勢是技術(shù)尚不成熟，安全問題沒有徹底解決?？傊?，目前除了尚不成熟的儲能技術(shù)，較為成熟的抽水蓄能和化學(xué)電池儲能之外，其他儲能技術(shù)都存在投資成本過大和運(yùn)行成本高的缺陷，抽水蓄能電站的綜合效率一般為0.65~0.75，而化學(xué)儲能目前的度電成本大致在0.6~0.9元千瓦時(shí)。在電網(wǎng)托底的條件下，京津唐地區(qū)大負(fù)荷期間如需使用高比例風(fēng)光電源，則需要具備存儲50億千瓦時(shí)的能力，按目前最經(jīng)濟(jì)的存儲方式也需要5萬億的投資，類推全國則需要100萬億以上投資，是目前全國電網(wǎng)資產(chǎn)的20倍以上。如不用電網(wǎng)托底，完全依靠配套儲能的方式，投資還要有數(shù)十倍的增加。因此，在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)或者至少近期，在經(jīng)濟(jì)性上尚無一種儲能技術(shù)可以成為風(fēng)光發(fā)電消納的主要手段，就是說傳統(tǒng)的“電力不具備大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲條件”的規(guī)律仍然發(fā)揮作用。
大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電的優(yōu)劣：大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電就是利用電網(wǎng)的電能輸送能力，將風(fēng)光發(fā)電發(fā)出的具有波動性、隨機(jī)性的電能及時(shí)輸送到電力需求側(cè)，利用電力系統(tǒng)內(nèi)部可調(diào)節(jié)性機(jī)組的調(diào)節(jié)能力（虛擬儲能）實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納。大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電相對于儲能技術(shù)的優(yōu)勢就是經(jīng)濟(jì)性明顯，而存在的劣勢就是存在安全事故聯(lián)鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，而且大電網(wǎng)消納容易出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任難以劃分的情況。
考慮到儲能技術(shù)突破的周期通常為20~30年，因此達(dá)成30·60目標(biāo)不能寄希望于儲能技術(shù)快速解決其經(jīng)濟(jì)劣勢，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納的唯一選擇仍是依靠大電網(wǎng)的電能調(diào)配手段。盡管大電網(wǎng)消納是風(fēng)光消納的唯一經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)實(shí)選擇，但是要實(shí)現(xiàn)未來如此高比例的風(fēng)光發(fā)電消納，目前仍有系列障礙難以跨越，需要加大科研力量，以問題為導(dǎo)向，尋求解決這些障礙的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案。
大電網(wǎng)消納方式的現(xiàn)實(shí)障礙和解決方案
2019年8月9日，英國倫敦發(fā)生了2003年以來最嚴(yán)重的停電事故。雖然導(dǎo)致這次事故的原因有很多，但其中最重要的原因是高比例風(fēng)光發(fā)電的電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量不足，異常擾動導(dǎo)致頻率異常波動，風(fēng)電機(jī)組群對頻率波動抗干擾能力不足而脫網(wǎng)，系統(tǒng)備用不足造成的聯(lián)鎖反應(yīng)。此次停電事故，給我們敲響了警鐘，需要我們認(rèn)真思考電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電消納的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)約束，以及可行的解決方案。
高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)影響轉(zhuǎn)動慣量的問題及解決方案
電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要足夠的轉(zhuǎn)動慣量。電網(wǎng)頻率是交流電網(wǎng)運(yùn)行的重要參數(shù)，需要保持在恒定范圍內(nèi)。電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量就是系統(tǒng)內(nèi)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)自身轉(zhuǎn)速信號實(shí)現(xiàn)的一次調(diào)頻功能來保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的能力。目前世界范圍內(nèi)，低轉(zhuǎn)動慣量或無轉(zhuǎn)動慣量電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是完全沒有的，對于低轉(zhuǎn)動慣量的電網(wǎng)，一旦出現(xiàn)短時(shí)電力不平衡問題（擾動），將出現(xiàn)電網(wǎng)頻率大幅波動，對系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定是極為不利的，繼而形成連鎖事故。所以對交流電網(wǎng)的穩(wěn)定能力而言，系統(tǒng)必須配置足夠的轉(zhuǎn)動慣量。
高比例風(fēng)光發(fā)電明顯影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量。目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是變速恒頻機(jī)組，其基本并網(wǎng)原理是將異步發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率不定的交流電整流為直流電，再由逆變器逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電后與系統(tǒng)并列。光伏發(fā)電由發(fā)電板直接發(fā)出直流電后，由逆變器逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電后與系統(tǒng)并列。經(jīng)過整流器和逆變器等電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電力，缺失了同步發(fā)電機(jī)大重量轉(zhuǎn)子維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的能力。隨著風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)，直接造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量下降，風(fēng)光發(fā)電比例越高，在線運(yùn)行的其他同步機(jī)組越少，轉(zhuǎn)動慣量下降越快，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。
高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)的可行解決方案。高比例風(fēng)光發(fā)電機(jī)組會造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量下降，為了防范大電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量下降過多，威脅系統(tǒng)安全，現(xiàn)階段高比例風(fēng)光發(fā)電影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量問題，可采用兩個技術(shù)方案解決，但是經(jīng)濟(jì)代價(jià)均較為高昂。一是運(yùn)行足夠比例的火電機(jī)組。為了碳中和目標(biāo)，電量的生產(chǎn)并不需要大量的火電機(jī)組，但是為了保證轉(zhuǎn)動慣量足夠，必須保證足夠比例火電機(jī)組在線。即利用大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電時(shí)，為了保障交流電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定能力，電網(wǎng)運(yùn)行中必須有一定比例的同步發(fā)電機(jī)?？紤]到水電機(jī)組的季節(jié)性和核電機(jī)組調(diào)節(jié)空間不足的問題，系統(tǒng)中必須運(yùn)行與風(fēng)光發(fā)電機(jī)組容量合理比例的煤電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組，以保證足量的轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)節(jié)能力，最終造成風(fēng)光發(fā)電消納成本大幅上升。二是采用虛擬同步機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電可調(diào)節(jié)的“合理?xiàng)夒姟?。為了提高風(fēng)光發(fā)電的可控性，在風(fēng)光發(fā)電中應(yīng)用虛擬同步機(jī)技術(shù)模擬轉(zhuǎn)動慣量的一次調(diào)節(jié)，可減少對系統(tǒng)的不平衡影響，提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。虛擬同步機(jī)是在風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)逆變器內(nèi)的控制器中，加入一種模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制和外特性的控制算法，在系統(tǒng)供應(yīng)短缺時(shí)增加風(fēng)光發(fā)電出力，系統(tǒng)供應(yīng)過剩時(shí)減少發(fā)電出力，以自動控制方式維持平衡。虛擬同步機(jī)會造成風(fēng)光發(fā)電響應(yīng)系統(tǒng)需要時(shí)自動“合理?xiàng)夒姟?，?shí)現(xiàn)自然資源的可調(diào)節(jié)性，增加系統(tǒng)的平衡能力和頻率穩(wěn)定能力。但是虛擬同步機(jī)技術(shù)畢竟不是真實(shí)的同步機(jī)組，能夠提供的轉(zhuǎn)動慣量和可調(diào)節(jié)范圍有限。
高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)影響備用問題及解決方案
電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對備用的要求。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求系統(tǒng)必須滿足電力平衡，任意時(shí)刻必須滿足三個條件：總發(fā)電能力必須大于負(fù)荷且有一定冗余，總發(fā)電功率必須等于總負(fù)荷功率+損耗功率，局部輸送能力必須大于局部凈需求并有一定冗余。這就要求系統(tǒng)內(nèi)必須有足夠的備用容量以應(yīng)對系統(tǒng)內(nèi)的故障、發(fā)電減出力和負(fù)荷波動。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，系統(tǒng)備用容量為最大負(fù)荷的2%～5%，事故備用容量為最大負(fù)荷的10%，不小于系統(tǒng)一臺最大機(jī)組或饋入最大容量直流的單級容量。
高比例風(fēng)光發(fā)電對系統(tǒng)備用的影響。由于風(fēng)光新能源出力的隨機(jī)性、波動性和間歇性，造成系統(tǒng)內(nèi)總的發(fā)電能力不可控。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，風(fēng)電、太陽能等新能源裝機(jī)較多的地區(qū)，需結(jié)合風(fēng)光發(fā)電出力特性和參與平衡的比例，額外設(shè)置一定的負(fù)荷備用容量。根據(jù)30·60目標(biāo)的推算，未來風(fēng)光新能源裝機(jī)規(guī)模要達(dá)到40%～70%，如此高比例的風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)，將迫使系統(tǒng)預(yù)留備用的比例大大增加。光伏能源隨著太陽光照強(qiáng)度波動，風(fēng)電隨著自然來風(fēng)變化，如果兩者在同一時(shí)期疊加，會造成風(fēng)光發(fā)電出力大幅波動，甚至在極端情況下會造成風(fēng)光發(fā)電出力從最大負(fù)荷突減至零，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運(yùn)行安全，使得系統(tǒng)備用容量需求大大增加。歐盟28國傳統(tǒng)電源的容量一直保持與最大負(fù)荷相當(dāng)，作為其他發(fā)電的備用容量，為了滿足電網(wǎng)的安全，系統(tǒng)備用容量大大增加。
高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)的解決方案。為了減小風(fēng)光新能源出力的不確定性對大電網(wǎng)備用容量需求的影響，適應(yīng)未來“30·60目標(biāo)”的高比例風(fēng)光發(fā)電要求，需要在以下四個方面加大技術(shù)投入：一是提高風(fēng)光出力預(yù)測的準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)風(fēng)光預(yù)測24小時(shí)準(zhǔn)確率為70%，而美國風(fēng)光預(yù)測24小時(shí)準(zhǔn)確率已達(dá)90%以上。提高風(fēng)光出力預(yù)測的準(zhǔn)確性可以有效較少系統(tǒng)對備用負(fù)荷的影響。二是提高風(fēng)光新能源安全穩(wěn)定性。風(fēng)電光伏在發(fā)電過程中大量使用整流、逆變器等電子設(shè)備，其對于系統(tǒng)波動的抗干擾能力較常規(guī)機(jī)組嚴(yán)重不足，特別是需要提高其低電壓穿越能力，風(fēng)光發(fā)電安全性的提高可以有效減少系統(tǒng)對備用負(fù)荷的需求。三是保持可調(diào)節(jié)電源足夠容量并進(jìn)行靈活性改造。利用大電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部可調(diào)節(jié)性機(jī)組的調(diào)峰能力實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納，需要加大可調(diào)節(jié)電源的靈活性改造，提高可調(diào)節(jié)性機(jī)組的頂峰壓谷能力，特別是提高機(jī)組負(fù)荷調(diào)整速率，提高電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電能力和有效備用負(fù)荷，需要強(qiáng)調(diào)的是必須保持具備該特性的機(jī)組足夠的容量。四是是加快智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。未來智能電網(wǎng)的發(fā)展，將利用通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及決策支持系統(tǒng)技術(shù)，有效預(yù)測風(fēng)光發(fā)電發(fā)電能力和備用預(yù)留，確定資源配置最佳地理范圍，提升電力設(shè)備利用效率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的目標(biāo)。
高比例風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性障礙
風(fēng)光發(fā)電作為環(huán)保的能源方式理念已經(jīng)深入人心。隨著風(fēng)光發(fā)電的投資成本逐漸下降，人們對風(fēng)光發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性誤解也在逐漸加深，認(rèn)為風(fēng)光發(fā)電作為邊際成本為零的能源，投入比例越高將對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性越好。然而，在我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的紅線要求前提下，投入高比例風(fēng)光發(fā)電必須要在線匹配足夠的轉(zhuǎn)動慣量機(jī)組和可調(diào)節(jié)能源機(jī)組，這樣就會造成風(fēng)光發(fā)電的消納成本大幅上升，并且很可能消納成本的上漲絕對量大于風(fēng)光發(fā)電成本下降的絕對量。
調(diào)節(jié)電源的啟停費(fèi)用。由于風(fēng)光發(fā)電機(jī)組出力的波動性，電網(wǎng)為了保證電力平衡，必須配備足夠的可調(diào)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。在高比例風(fēng)光發(fā)電的電網(wǎng)中，風(fēng)光發(fā)電出力的大量疊加，造成可調(diào)機(jī)組調(diào)峰范圍大大增加，甚至需要機(jī)組啟停以滿足系統(tǒng)需要。隨著風(fēng)光發(fā)電滲透率逐漸升高，火電機(jī)組等可調(diào)能源利用小時(shí)數(shù)逐漸下降，煤電和燃?xì)鈾C(jī)組的啟停次數(shù)卻在大幅升高。機(jī)組啟停調(diào)峰作為重大操作，其啟停成本將造成電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用大幅增加，最終也將在用戶側(cè)用電費(fèi)用上體現(xiàn)，使得高比例風(fēng)光發(fā)電電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性大幅下降。
調(diào)頻和備用輔助服務(wù)費(fèi)用。隨著高比例風(fēng)光發(fā)電投入電網(wǎng)，為了維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須有足量的轉(zhuǎn)動慣量機(jī)組預(yù)留調(diào)峰容量和備用容量，維持電網(wǎng)異常情況下頻率穩(wěn)定和電力平衡。而可調(diào)機(jī)組預(yù)留調(diào)頻容量和備用容量產(chǎn)生的機(jī)會成本在電力系統(tǒng)中也將成為電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用。按照電力系統(tǒng)“誰受益、誰承擔(dān)”的原則，因調(diào)頻和備用輔助服務(wù)產(chǎn)生的費(fèi)用最終也將由用戶承擔(dān)，這筆費(fèi)用也將使得高比例風(fēng)光發(fā)電電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性大幅下降。
穩(wěn)定電源的容量補(bǔ)償費(fèi)用。高比例風(fēng)光發(fā)電投入電網(wǎng)后，電網(wǎng)大部分電量將由風(fēng)光發(fā)電機(jī)組頂替生產(chǎn)，按照邊際成本報(bào)價(jià)回收變動成本的理論，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)大部分承擔(dān)備用的可調(diào)機(jī)組的固定成本將無法回收。為了保證電力設(shè)備投資的穩(wěn)定性，必須保障電力企業(yè)的合理收益，這就需要保障發(fā)電企業(yè)合理收回固定投資成本，即相當(dāng)比例的機(jī)組不再以生產(chǎn)電量為主，僅作為風(fēng)光發(fā)電的配套設(shè)施，這部分容量補(bǔ)償費(fèi)用也應(yīng)記為風(fēng)光發(fā)電的生產(chǎn)成本。目前大部分省份都在準(zhǔn)備設(shè)計(jì)容量補(bǔ)償機(jī)制和容量市場，以保證本地區(qū)穩(wěn)定的電力投資。而這部分電力投資造成的容量補(bǔ)償費(fèi)用也將增加電力運(yùn)行費(fèi)用。
近期受政策利好影響，大量的風(fēng)光發(fā)電投資蜂擁而至，不但造成風(fēng)光發(fā)電固定投資成本不降反升，還可能造成在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件不變情況下消納成本快速增長。未來，大電網(wǎng)消納成本需要加上可調(diào)機(jī)組的啟停費(fèi)用、調(diào)頻備用輔助服務(wù)費(fèi)用和容量補(bǔ)償費(fèi)用，消納成本將必然隨著風(fēng)光發(fā)電比例的升高而大幅上升，這就會存在一個風(fēng)光發(fā)電最佳比例，在此比例之后將會電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性急劇下降，超越用戶電價(jià)的承受能力，影響近期的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需要著手的工作
“30·60目標(biāo)”剛剛提出，電力行業(yè)的發(fā)展實(shí)施方式和技術(shù)障礙都是根據(jù)目前技術(shù)水平所提出，上述分析判斷都很初步，存在一定的局限性。但是，市場體制建設(shè)和電源電網(wǎng)技術(shù)水平的提高，卻必須從現(xiàn)在開始著手，才能不阻礙碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
加快電力現(xiàn)貨市場機(jī)制為核心的現(xiàn)代電力市場體系建設(shè)。國際上，實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電運(yùn)行的國家，無一不是已經(jīng)建立了以電力現(xiàn)貨市場機(jī)制為核心的現(xiàn)代電力市場體系，可見市場化有利于推動風(fēng)光等新能源發(fā)展消納。電力系統(tǒng)中電能的發(fā)-輸-配-售-用的各個環(huán)節(jié)，都是一個市場交換過程。電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要理清各個環(huán)節(jié)之間的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，利用市場這個配置資源的有效手段調(diào)節(jié)各方的權(quán)利責(zé)任，讓市場來選擇電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式，在優(yōu)勝劣汰的競爭中篩選出性價(jià)比最高的消納方式和消納手段。高比例風(fēng)光發(fā)電+大電網(wǎng)的實(shí)施方式下，風(fēng)光發(fā)電消納需要可調(diào)節(jié)能源的大力配合，就更需要電力現(xiàn)貨市場來厘清這復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，需要市場發(fā)現(xiàn)最真實(shí)的風(fēng)光發(fā)電消納成本，才能讓用戶信服地接受用電成本合理上升。目前我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)如火如荼，8個現(xiàn)貨試點(diǎn)穩(wěn)步推進(jìn)，其他電力市場建設(shè)緊跟其后，風(fēng)光發(fā)電平等參與市場也將撥云見日。為了“30·60目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)，電力現(xiàn)貨市場必須穩(wěn)步加快建設(shè)，以市場手段實(shí)現(xiàn)電力資源的配置，助力實(shí)現(xiàn)碳中和。
風(fēng)光發(fā)電要增強(qiáng)成為“負(fù)責(zé)任主力電源”的使命感?！?0·60目標(biāo)”將激勵著廣大風(fēng)光發(fā)電行業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)，提高電力行業(yè)綠色環(huán)保程度。未來一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)光行業(yè)要以自身是主力電源的姿態(tài)承擔(dān)電力系統(tǒng)的各項(xiàng)責(zé)任，不再將國家政策“照顧”作為發(fā)展的前提條件，不斷降低成本，積極參與電力市場，在公平的平臺上引領(lǐng)電行業(yè)發(fā)展。不但能夠承擔(dān)自身需要為電力系統(tǒng)承擔(dān)的責(zé)任，還要能夠分擔(dān)其他“配角”的責(zé)任，如同之前煤電機(jī)組長期無償為風(fēng)光發(fā)電提供幫助一樣。為實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)光發(fā)電對未來系統(tǒng)的友好性、經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)光發(fā)電必須做好負(fù)荷控制和預(yù)測，提高自身安全穩(wěn)定性，降低設(shè)備投資成本，成為真正有利于經(jīng)濟(jì)、有利于社會的環(huán)保型、友好型的電源。
火電機(jī)組要轉(zhuǎn)換定位尋求新的發(fā)展機(jī)遇。傳統(tǒng)火電機(jī)組作為穩(wěn)定的可調(diào)節(jié)機(jī)組，為中國電力行業(yè)的發(fā)展、中國社會現(xiàn)代化發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。未來電力行業(yè)將朝著綠色可持續(xù)發(fā)展的方向進(jìn)步，但也不是不需要傳統(tǒng)能源支持，倫敦大停電事故和今年冬季國內(nèi)多地有序用電也再一次證明傳統(tǒng)煤電的必須性。在未來“30·60目標(biāo)”下，實(shí)現(xiàn)碳中和的高比例風(fēng)光發(fā)電需要火電機(jī)組提供必須的旋轉(zhuǎn)慣量和備用支撐。雖然火電機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)超預(yù)期大幅下降成為必然趨勢，但火電機(jī)組的備用裝機(jī)容量還是需要長久保持。所以未來電網(wǎng)系統(tǒng)不是減少火電容量，而是要減少火電發(fā)電量。建議暫緩關(guān)?；痣姍C(jī)組，將其作為備用電源，時(shí)刻作為電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐。面對未來，火電機(jī)組要適應(yīng)形勢需要，必須加強(qiáng)自身建設(shè)，做好設(shè)備管理維護(hù)，做到緊急時(shí)刻靠得住、關(guān)鍵時(shí)刻頂?shù)蒙系姆€(wěn)定可調(diào)機(jī)組，以期在調(diào)頻備用市場中、容量補(bǔ)償市場中贏得先機(jī)。
碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作為我國向世界作出的鄭重承諾，將在未來指導(dǎo)我國能源行業(yè)的發(fā)展方向。目前，我國正在在努力構(gòu)建國內(nèi)國際雙循環(huán)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局，“30·60目標(biāo)”將加快推進(jìn)我國能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)電力行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，以電力工業(yè)升級改造加速國內(nèi)經(jīng)濟(jì)循環(huán)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。廣大能源行業(yè)從業(yè)者要堅(jiān)定不移地支持“30·60目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)，努力轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級，以能源革命的自我革新碰撞出“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”能源不可能三角的最優(yōu)妥協(xié)點(diǎn)，真正做到有利于人民、有利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年01期，作者單位：華能北京熱電有限公司
