闞黎明 張汝波

（1 山東電工運(yùn)檢工程有限公司，山東 濟(jì)南 250022；2 山東電工電氣集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、環(huán)境污染和能源戰(zhàn)略等問(wèn)題，世界各國(guó)正積極推動(dòng)能源系統(tǒng)的低碳化、清潔化和可持續(xù)化轉(zhuǎn)型。落實(shí)到能源結(jié)構(gòu)上，具體體現(xiàn)為電能替代與清潔替代。然而，當(dāng)前終端能源消費(fèi)中的電能比例僅為20%，電能替代有巨大的發(fā)展空間。全球能源系統(tǒng)正面臨一場(chǎng)規(guī)模巨大的技術(shù)革命。以風(fēng)電和光伏為代表的非水可再生能源是這場(chǎng)能源革命中最具活力的組成部分。國(guó)際能源署預(yù)計(jì)2020 年全球風(fēng)電與光伏裝機(jī)容量較2019 年將分別增加超過(guò)65GW（增速10.4%）和107GW（增速18.3%）。風(fēng)電和光伏等新型可再生能源具有發(fā)電過(guò)程中零碳排放和零邊際成本等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)必將成為能源轉(zhuǎn)型中電能替代與清潔替代的主體。為應(yīng)對(duì)未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)面臨的諸多新挑戰(zhàn)，核心是解決可再生能源間歇性帶來(lái)的時(shí)空不確定性與并網(wǎng)方式帶來(lái)的高比例電力電子化兩大關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

一、電力生產(chǎn)總量跨上新臺(tái)階，電力結(jié)構(gòu)向綠色低碳方向快速轉(zhuǎn)變

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)(以下簡(jiǎn)稱中電聯(lián))統(tǒng)計(jì)，2020年末，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量220058 萬(wàn)千瓦，比上年末增長(zhǎng)9.5%。其中，火電裝機(jī)容量124517萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)4.7%;水電裝機(jī)容量37016萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)3.4%;核電裝機(jī)容量4989 萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)2.4%;并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量28153 萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)34.6%;并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量25343 萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)24.1%?！笆濉睍r(shí)期，我國(guó)年均新增發(fā)電裝機(jī)13507萬(wàn)千瓦，煤電年均新增裝機(jī)3564萬(wàn)千瓦。截至2020 年底，我國(guó)煤電裝機(jī)容量10.8 億千瓦，占總裝機(jī)比重49%，占總發(fā)電量比重60.8%，年裝機(jī)容量增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，發(fā)電量緩慢增長(zhǎng)。

二、電力低碳轉(zhuǎn)型持續(xù)加快，綠色發(fā)展動(dòng)能強(qiáng)勁

從電源投資看，非化石能源投資比重上升到九成?！笆濉逼陂g，煤電投資規(guī)模逐年下降，全國(guó)重點(diǎn)發(fā)電企業(yè)煤電投資額從2015 年的1061 億元，逐年下降至2020 年的382 億元，煤電投資所占比重從27%下降至2020 年的7.3%。非化石能源投資比重持續(xù)上升，從70.5%上升至90.2%；其中，2020年非化石能源發(fā)電投資同比增長(zhǎng)77.1%，當(dāng)年新增非化石能源裝機(jī)1.4 億千瓦，創(chuàng)歷史新高。從發(fā)電裝機(jī)看，煤電裝機(jī)容量比重歷史性降至50%以下。截至2020 年年底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量22 億千瓦，“十三五”期間年均增長(zhǎng)7.6%。其中，非化石能源裝機(jī)年均增速達(dá)13.1%，占比從34.8%升至44.8%；新能源裝機(jī)占比從11.3%升至24.3%，五年累計(jì)提高13 個(gè)百分點(diǎn)。2020 年底，全國(guó)全口徑煤電裝機(jī)容量10.8 億千瓦，完成了2020 年底煤電裝機(jī)控制在11 億千瓦以內(nèi)這一規(guī)劃目標(biāo)；“十三五”期間，煤電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)3.7%，占比從2015 年的59%下降至2020 年的49.1%，比重首次降至50%以下。

三、火電污染控制和碳減排成效顯著

根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析，與2010 年相比，2019 年全國(guó)火電(其中煤電裝機(jī)和發(fā)電量占比均為90%左右)顆粒物排放量由160 萬(wàn)噸下降至18 萬(wàn)噸，下降88.8%;二氧化硫排放量由926 萬(wàn)噸下降至89 萬(wàn)噸，下降90.4%，與2006 年的峰值相比下降約93.4%;氮氧化物排放量由950 萬(wàn)噸下降至93 萬(wàn)噸，下降90.2%，與2011 年的峰值相比下降約90.7%。1978 年，火電碳強(qiáng)度約1312 克/千瓦時(shí)，2019 年降到838 克/千瓦時(shí)。以2005 年為基準(zhǔn)年，2006—2019 年，通過(guò)發(fā)展非化石能源，降低供電煤耗和線損率等措施，電力行業(yè)累計(jì)減少二氧化碳排放約159.4 億噸。

四、高比例可再生能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)

（一）穩(wěn)定與保護(hù)

風(fēng)電和光伏均需要直接或間接通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)。其電壓頻率支撐特性與水電、火電等常規(guī)機(jī)組有較大差別。因此，隨著高比例可再生能源接入電網(wǎng)的規(guī)模不斷增大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性將發(fā)生深刻變化，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)保護(hù)裝置提出了新的要求。故障連鎖脫網(wǎng)與電能質(zhì)量問(wèn)題在系統(tǒng)中比例甚至低比例滲透階段有可能出現(xiàn)。對(duì)于機(jī)組本身，電力電子裝備過(guò)流耐受能力比同步發(fā)電機(jī)差。當(dāng)機(jī)端發(fā)生故障時(shí)，由于無(wú)法像常規(guī)機(jī)組一樣維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓，風(fēng)電和光伏電源在電網(wǎng)產(chǎn)生故障時(shí)往往更加傾向于盡快脫離電網(wǎng)。由于換流器抗干擾能力弱，在可再生能源發(fā)展早期全球便已發(fā)生了大量大規(guī)模脫網(wǎng)事故。此外，在可再生能源機(jī)組的局部并網(wǎng)點(diǎn)，電力電子裝置功率開(kāi)關(guān)元件的高頻開(kāi)斷動(dòng)作將產(chǎn)生高頻諧波并注入電網(wǎng)，使并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生電壓畸變與閃變，影響并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量。在并網(wǎng)點(diǎn)電壓較低、結(jié)構(gòu)薄弱且可再生能源滲透率較高的電網(wǎng)，電壓波動(dòng)與閃變嚴(yán)重程度將會(huì)加劇，但通常超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)情況較少。

（二）經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行

在運(yùn)行時(shí)間尺度上，可再生能源帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)源自其固有波動(dòng)性與隨機(jī)性?？稍偕茉措娫闯隽ι舷尥ǔ２豢烧{(diào)度，且其變化規(guī)律往往與負(fù)荷曲線變化不匹配，甚至呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。風(fēng)電場(chǎng)高出力時(shí)段可能在負(fù)荷較低的深夜，而日中負(fù)荷高峰時(shí)出力較低。光伏出力在傍晚開(kāi)始下降，相對(duì)晚高峰亦呈現(xiàn)反調(diào)峰特性。凈負(fù)荷的波動(dòng)需要靈活性資源，比如可調(diào)常規(guī)電源、儲(chǔ)能電站和區(qū)外來(lái)電等調(diào)整出力以保證平衡。隨著波動(dòng)程度的增加，對(duì)調(diào)峰與爬坡速率等資源總量的需求進(jìn)一步增大。反映在電力市場(chǎng)上，可再生能源并網(wǎng)將對(duì)電力市場(chǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性影響。由于可再生能源發(fā)電邊際成本幾乎為零，加之其反調(diào)峰特性，這將導(dǎo)致市場(chǎng)中電力供需關(guān)系不穩(wěn)定，直接反映為頻發(fā)的極端電價(jià)，這在目前的中比例滲透地區(qū)電力市場(chǎng)已經(jīng)有所反映。進(jìn)一步地，在高比例滲透階段，隨著可再生能源裝機(jī)容量的不斷升高，能量市場(chǎng)出清價(jià)格不斷走低，將擠壓火電電源等傳統(tǒng)行業(yè)的利潤(rùn)空間，多方利益主體矛盾突出。如何設(shè)計(jì)合理的市場(chǎng)機(jī)制，調(diào)動(dòng)輔助服務(wù)資源，合理分?jǐn)偝杀臼鞘袌?chǎng)組織面臨的另一大挑戰(zhàn)。

五、加快新型電力系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)程

新型電力系統(tǒng)構(gòu)建是“十四五”時(shí)期的主要任務(wù)之一。但筆者認(rèn)為，這個(gè)任務(wù)并不是要在“十四五”期間全面完成，而是貫穿實(shí)現(xiàn)把碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的全過(guò)程。新型電力系統(tǒng)不能夠脫離“發(fā)、輸、變、配、用、儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)的技術(shù)、設(shè)備、工程實(shí)體而獨(dú)立存在，所以新能源成為主體能源必然是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。隨著新能源的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源尤其是煤電必然要逐步退出，這需要一定的時(shí)間;同時(shí)，技術(shù)發(fā)展仍然處在非?；钴S的階段，在能源電力轉(zhuǎn)型中必須高度關(guān)注各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，防止技術(shù)鎖定、投資鎖定。從宏觀角度而言，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建與中國(guó)把碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)路徑具有方向的一致性，但是，新能源的發(fā)展是推動(dòng)、引導(dǎo)、實(shí)現(xiàn)把碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的基本動(dòng)力，是“先行官”，所以，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建完成時(shí)間應(yīng)適當(dāng)超前于把碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

六、建設(shè)高彈性、數(shù)字化、智能化電力系統(tǒng)

打造多元融合高彈性電網(wǎng)。適應(yīng)高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備需要，促進(jìn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)全面數(shù)字化、智能化。建立全網(wǎng)協(xié)同、數(shù)字驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)防御、智能決策的新一代調(diào)控體系。加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)多向互動(dòng)，多能互聯(lián)，推進(jìn)多種能源形式之間的優(yōu)化協(xié)調(diào)，提高電力設(shè)施利用效率，提升整體彈性。加強(qiáng)預(yù)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)，保障極端事件下的電力系統(tǒng)恢復(fù)能力。持續(xù)開(kāi)展煤電機(jī)組靈活性改造。煤電功能定位由主體電源逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源，需大規(guī)模實(shí)施煤電機(jī)組靈活性改造，從整體上提升機(jī)組的靈活調(diào)節(jié)能力。要加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)，有序安排改造項(xiàng)目，30萬(wàn)千瓦、60萬(wàn)千瓦亞臨界機(jī)組，應(yīng)優(yōu)先實(shí)施靈活性改造。同時(shí)要完善輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，保障煤電機(jī)組的合理收益。大力加強(qiáng)儲(chǔ)能體系建設(shè)。加快抽水蓄能建設(shè)。既要推進(jìn)單機(jī)容量30 萬(wàn)千瓦以上、電站容量百萬(wàn)千瓦以上的抽水蓄能項(xiàng)目建設(shè)，又要因地制宜，建設(shè)中、小型抽水蓄能項(xiàng)目，對(duì)具備條件的水電站進(jìn)行抽水蓄能改造。鼓勵(lì)各類電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

七、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的建議

（一）保障電力安全

保障電力安全包括對(duì)電能在“量”和“質(zhì)”兩方面的要求。但是，從科學(xué)性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，在任何時(shí)間、任何范圍、任何條件、對(duì)任何對(duì)象都百分之百地保障電力供應(yīng)，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在低碳電力轉(zhuǎn)型過(guò)程中，由于隨機(jī)性高、波動(dòng)性大的新能源發(fā)電大規(guī)模進(jìn)入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)、電力負(fù)荷、熱電聯(lián)產(chǎn)的熱力供應(yīng)等都將受到不同程度的影響，一些新型風(fēng)險(xiǎn)(如互聯(lián)網(wǎng)黑客攻擊等)對(duì)電力系統(tǒng)也會(huì)形成安全隱患，這些因素對(duì)電力安全提出了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，需要針對(duì)電力安全的新特點(diǎn)，制定專門的量化指標(biāo)和防范要求。

（二）在保障安全的前提下啟動(dòng)核電建設(shè)，在維護(hù)生態(tài)的前提下啟動(dòng)大型水電建設(shè)

對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)以煤為主的能源大國(guó)而言，離開(kāi)核電和大型水電將難以完成碳中和任務(wù)。而且，對(duì)于一個(gè)以可再生能源為主體的巨型電力系統(tǒng)而言，沒(méi)有一定的基礎(chǔ)性高能量密度的電源作為支撐，將很難運(yùn)行。因此，我國(guó)不能放棄核電和水電建設(shè)，而是要在保障安全的前提下啟動(dòng)核電建設(shè)，在維護(hù)生態(tài)的前提下啟動(dòng)大型水電建設(shè)。

結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是能源電力行業(yè)服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和的重要責(zé)任和使命。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、更好地服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和，具有十分重要的意義