摘要 隨著全球能源轉(zhuǎn)型深入推進(jìn)，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(diǎn)。為此，首先詳細(xì)分析了新能源出力特性以及在電力平衡、負(fù)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(yù)警、調(diào)度運(yùn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；最后結(jié)合中國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)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(jìn)入增量替代階段，并將逐步向存量替代過渡，預(yù)計(jì)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(biāo)下中國新能源也將持續(xù)快速增長，預(yù)計(jì)“十四五”期間年均新增裝機(jī)規(guī)模超過1億kW，實(shí)現(xiàn)倍增發(fā)展，2025年發(fā)電量占比將達(dá)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(gè)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(jī)械接口，風(fēng)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(diǎn)，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(yuǎn)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(dòng)性與不確定性導(dǎo)致其參與系統(tǒng)平衡的有效容量遠(yuǎn)低于常規(guī)電源。在美國得州電力可靠性委員會(huì)冬季容量充裕性分析中，100 MW的陸上風(fēng)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(fù)荷支撐能力偏弱。新能源負(fù)荷支撐度是指新能源實(shí)際出力占對應(yīng)時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷的比例。2022年，中國新能源平均負(fù)荷支撐度不足15%，全年近四分之三的時(shí)段新能源處于低負(fù)荷支撐度，高負(fù)荷支撐度時(shí)段不足1%。由于新能源出力與負(fù)荷匹配性差，新能源負(fù)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(fù)荷高峰保供應(yīng)和負(fù)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(jī)規(guī)模一定的情況下，較大的開機(jī)方式有利于保障電力穩(wěn)定可靠供應(yīng)，但會(huì)擠占新能源發(fā)電空間，加大棄電風(fēng)險(xiǎn)；反之，要保證新能源高水平消納，就需要適當(dāng)減小火電開機(jī)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(fù)荷急速增長時(shí)，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(bào)告，當(dāng)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(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
截至2022年底，德國新能源裝機(jī)占比高達(dá)58%，發(fā)電量占比高達(dá)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。
1）建立電力供應(yīng)安全評估監(jiān)測機(jī)制，及時(shí)預(yù)警能源轉(zhuǎn)型帶來的電力供應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)。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(jī)制，由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部至少每2年對電力供應(yīng)安全進(jìn)行評估，由聯(lián)邦審計(jì)院每3年對評估結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測和審查。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)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(jì)事務(wù)和能源部最新發(fā)布的評估報(bào)告為《電力供應(yīng)安全報(bào)告（2019年）》。2022年3月，聯(lián)邦審計(jì)院發(fā)布了最新審查報(bào)告《能源轉(zhuǎn)型中的電力供應(yīng)安全和價(jià)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(yùn)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(biāo)實(shí)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(dòng)性的有效手段。德國與鄰國電網(wǎng)互聯(lián)互通，同周邊9個(gè)國家之間輸電容量約達(dá)2000萬kW，占全年最大負(fù)荷的近30%。在新能源出力較小時(shí)，鄰國輸入電力、支撐電力供應(yīng)；在新能源大發(fā)時(shí)，向鄰國輸送電力、減輕調(diào)峰壓力。根據(jù)預(yù)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(jìn)口國。德國 2020~2035 年電源結(jié)構(gòu)變化預(yù)測如圖2所示。
圖2 德國2020~2035年電源結(jié)構(gòu)變化預(yù)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(yù)測，雖然到2035年德國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量占比將達(dá)到75%左右，但仍有接近25%的燃?xì)狻⑺姷瘸Ｒ?guī)機(jī)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(yùn)營商平衡偏差調(diào)整機(jī)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(jī)制
德國極具特色的基于平衡組的電力行業(yè)管理機(jī)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(yùn)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(fèi)者（用戶）均須隸屬于某一平衡組，并由某一主體擔(dān)任平衡組管理人。平衡組是一個(gè)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(gè)輸電網(wǎng)運(yùn)行商的調(diào)度區(qū)域。
平衡組制定“自平衡”的發(fā)供電計(jì)劃，實(shí)時(shí)運(yùn)行中各平衡組偏差由輸電網(wǎng)運(yùn)營商在系統(tǒng)層面進(jìn)行統(tǒng)一平衡。平衡組基于每日發(fā)、用電量預(yù)測和市場交易組織，以“進(jìn)出電量相等”為原則制定自平衡計(jì)劃，上報(bào)輸電網(wǎng)運(yùn)營商，如表2所示。實(shí)時(shí)運(yùn)行中，平衡組均可能偏離其自平衡計(jì)劃，此時(shí)由輸電網(wǎng)運(yùn)營商調(diào)用預(yù)留的平衡備用容量在系統(tǒng)層面進(jìn)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(biāo)、響應(yīng)時(shí)間、啟動(dòng)方式及價(jià)格組成方面各有不同。輸電網(wǎng)運(yùn)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?jǐn)傊粮髌胶饨M，作為懲罰費(fèi)用。
表2 15 min間隔內(nèi)某個(gè)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(jī)制強(qiáng)化了平衡組管理主體的平衡責(zé)任，是一種“自下而上”的平衡管理機(jī)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(yùn)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(jī)制有效激勵(lì)了新能源預(yù)測技術(shù)水平的提升，減少了因新能源出力波動(dòng)造成的系統(tǒng)平衡誤差；2）平衡組擁有“自調(diào)度”空間，可實(shí)現(xiàn)組內(nèi)資源的最佳調(diào)度，充分挖掘靈活性潛力，進(jìn)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(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究
美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)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(gè)特點(diǎn)：1）因新能源預(yù)測誤差導(dǎo)致的系統(tǒng)平衡備用需求將顯著增加；2）儲(chǔ)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(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，提高跨區(qū)輸電能力是實(shí)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(jī)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(yán)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(yán)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(dòng)電力系統(tǒng)改革，保障未來電力供應(yīng)安全。1）加強(qiáng)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(qiáng)制要求，違規(guī)罰金高達(dá)100萬美元；2）完善電力應(yīng)急事件監(jiān)測預(yù)警體系，建立電力-氣象聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，要求預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)預(yù)測分析天氣對電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響，全面、及時(shí)地向公眾發(fā)布電力應(yīng)急事件預(yù)警信息。
加州是美國新能源發(fā)電發(fā)展最為激進(jìn)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(biāo)為60%，2045年實(shí)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(chǔ)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(chǔ)能總?cè)萘恳呀?00萬kW。
2.3 日本
按照當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃，日本2050年可再生能源發(fā)電占比將達(dá)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(dòng)慣量，未來日本將面臨系統(tǒng)慣量水平持續(xù)降低，進(jìn)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(dǎo)則、完善電力市場設(shè)計(jì)等一系列措施保障電網(wǎng)安全。1）通過確保水電機(jī)組安全運(yùn)行、維持同步電源運(yùn)行、加裝同步調(diào)相機(jī)等方式維持慣量水平；2）修改電網(wǎng)導(dǎo)則，包括完善系統(tǒng)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)，如提升新能源發(fā)電機(jī)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(dòng)慣量等能力做出具體要求；3）完善電力市場設(shè)計(jì)，包括在容量市場中增設(shè)同步電源占比及容量價(jià)格，在輔助服務(wù)市場中進(jìn)一步細(xì)化調(diào)頻等交易品種，豐富交易時(shí)間尺度；4）開展虛擬同步機(jī)、虛擬同步實(shí)時(shí)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(dá)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(jī)制、行業(yè)管理等方面的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(shí)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(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)互通。美國研究成果與德國實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)互通，提升電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力，夯實(shí)電力供應(yīng)安全基礎(chǔ)。優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行模式，充分利用跨省跨區(qū)輸電通道能力，實(shí)現(xiàn)更大范圍調(diào)節(jié)能力互濟(jì)。
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?xì)獾瘸Ｒ?guī)發(fā)電機(jī)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(chǔ)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(qiáng)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(yùn)行管理，完善電力需求響應(yīng)機(jī)制，充分挖掘需求側(cè)資源的潛力。
3）充分發(fā)揮市場機(jī)制作用。從德國經(jīng)驗(yàn)來看，依托歐洲統(tǒng)一電力市場，通過跨國交易實(shí)現(xiàn)電力資源在更大范圍內(nèi)共享互濟(jì)，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(jì)，實(shí)現(xiàn)電力資源在中國更大范圍內(nèi)共享互濟(jì)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(dòng)中長期市場、現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場有機(jī)銜接。
4）建立安全監(jiān)測預(yù)警機(jī)制。從法律層面建立電力供應(yīng)安全評估監(jiān)測機(jī)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(yàn)。美國得州寒潮后也建立了電力應(yīng)急事件監(jiān)測預(yù)警體系。建議中國在相關(guān)法律法規(guī)中進(jìn)一步明確電力系統(tǒng)中網(wǎng)源荷儲(chǔ)等各類主體的電力供應(yīng)保障責(zé)任，建立電力安全監(jiān)測與預(yù)警機(jī)制，定期開展中國電力供應(yīng)安全評估，及時(shí)發(fā)布預(yù)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(yàn)主要有4個(gè)方面。1）在電網(wǎng)側(cè)要加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)互通，增強(qiáng)電網(wǎng)安全保供能力；2）要加強(qiáng)供給側(cè)的保障能力，同時(shí)加強(qiáng)需求側(cè)資源管理；3）要通過電力市場來實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置；4）要建立和完善安全預(yù)警機(jī)制對電力供應(yīng)情況實(shí)施監(jiān)督和預(yù)警。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請查看原文。
