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張運(yùn)洲:籌謀電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展之道

《能源評(píng)論》發(fā)布時(shí)間:2022-06-23 14:58:32  作者:張運(yùn)洲

  為應(yīng)對(duì)氣候變化,我國(guó)明確提出實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的時(shí)間表:二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。新形勢(shì)下,電力行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展亟須解決新定位、新路徑等重點(diǎn)問(wèn)題,并從工作方法、目標(biāo)統(tǒng)籌層面創(chuàng)新破題。

  新型電力系統(tǒng)構(gòu)建之思

  “雙碳“目標(biāo)下,電力行業(yè)需要明確在新的歷史進(jìn)程中的新定位,籌謀低碳新路徑。目前,電力行業(yè)二氧化碳排放占比約為40%,這是因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)能源消費(fèi)以煤炭為主,2021年煤炭消費(fèi)占一次能源消費(fèi)總量的比重仍高達(dá)56%,比國(guó)際平均水平高出約30%,其中煤炭50%以上用于發(fā)電。按照國(guó)際經(jīng)驗(yàn),動(dòng)力煤集中用于發(fā)電和供熱是相對(duì)高效清潔的利用方式,同時(shí)各行各業(yè)電氣化水平持續(xù)提升是大勢(shì)所趨。因此,電力行業(yè)的碳減排既要考慮逐步減少發(fā)電用煤用氣燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳減量問(wèn)題,還要考慮其他行業(yè)二氧化碳排放轉(zhuǎn)移到電力行業(yè)的影響。

  去年以來(lái),國(guó)內(nèi)各類研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展電力行業(yè)“雙碳”目標(biāo)及路徑研究,也取得了一些階段性成果。我在參與中國(guó)工程院重大咨詢專項(xiàng)《我國(guó)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略及路徑研究》電力行業(yè)子課題論證過(guò)程中,經(jīng)過(guò)一年多的收資、研討和量化分析,取得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

  準(zhǔn)確研判電力行業(yè)在“雙碳”戰(zhàn)略中的定位十分重要。電力行業(yè)排放總量大是客觀事實(shí),但其碳減排節(jié)奏和路徑應(yīng)當(dāng)算總賬、算大賬,也就是說(shuō),電力行業(yè)碳減排進(jìn)程應(yīng)取決于國(guó)家如何以較低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)“雙碳”全局目標(biāo)的總體部署。這需要科學(xué)的頂層設(shè)計(jì)。中央于2021年10月發(fā)布了“雙碳”政策體系的綱領(lǐng)性文件,下一步還要將碳減排總量目標(biāo)按時(shí)間進(jìn)度分解到各行業(yè)各地區(qū),并建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄕ?,同步推進(jìn)統(tǒng)計(jì)核算與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)考核,從而形成閉環(huán)體系。實(shí)踐已證明,電力行業(yè)碳減排不等于簡(jiǎn)單地去煤電,新能源增長(zhǎng)需要與電源組合、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局調(diào)整以及負(fù)荷的能動(dòng)性相匹配,電力的清潔低碳轉(zhuǎn)型絕不可能一蹴而就,而需要經(jīng)歷一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),電力行業(yè)要承擔(dān)其他行業(yè)電氣化帶來(lái)的碳排放轉(zhuǎn)移,新增電能需求難以完全由非化石能源發(fā)電滿足,電力行業(yè)排放達(dá)峰滯后于其他行業(yè)更符合規(guī)律,也有助于全社會(huì)提前達(dá)峰。

 

  合理調(diào)整以煤電為主的發(fā)電量結(jié)構(gòu)是最大難題。煤炭的供需平衡和煤電的穩(wěn)定運(yùn)行事關(guān)我國(guó)能源安全及電力供應(yīng)安全。國(guó)際上正經(jīng)歷去煤化的浪潮,目前我國(guó)煤電發(fā)電量占比超過(guò)60%,整體上也面臨逐步減量的壓力。由于新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性特征,電力系統(tǒng)高峰時(shí)段的電力電量平衡問(wèn)題異常突出,煤電承擔(dān)靈活調(diào)節(jié)和電力平衡的功能越來(lái)越顯著。在電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中,穩(wěn)妥處理好煤電發(fā)電量逐步消減和電力保供的關(guān)系至關(guān)重要。新能源發(fā)電量對(duì)煤電發(fā)電量的平穩(wěn)替代方案必須經(jīng)過(guò)全方位謹(jǐn)慎分析論證。2021年下半年,國(guó)內(nèi)由于缺煤停機(jī)而產(chǎn)生限電現(xiàn)象,歐洲由于新能源發(fā)電量不足疊加油氣供應(yīng)短缺不得不增發(fā)煤電,這些均表明傳統(tǒng)化石能源的減量退出必須以保障能源電力供應(yīng)安全為前提。

  電力行業(yè)碳減排采用“先慢后快”路徑總體更優(yōu)。按照2060年電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)考慮,假設(shè)碳減排存在“先慢后快”“勻速下降”和“先快后慢”三種路徑,在碳預(yù)算總量不變的情況下,經(jīng)過(guò)比較論證,結(jié)果顯示:“先慢后快”路徑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)相對(duì)更好。

  原因有三點(diǎn): 一是電力行業(yè)碳減排的節(jié)奏必須以確保電力供應(yīng)安全為先決條件,我們對(duì)新能源的高速增長(zhǎng)帶來(lái)的正反兩方面效應(yīng),現(xiàn)階段的認(rèn)知還不夠清晰;二是新型電力系統(tǒng)需要的低碳技術(shù)尚處于攻克突破階段,比如CCUS(碳捕集利用與封存)技術(shù)、規(guī)模化新型儲(chǔ)能技術(shù)、大規(guī)模波動(dòng)綠電制氫技術(shù)、大容量柔性直流輸電和組網(wǎng)技術(shù)、電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)運(yùn)行控制集成技術(shù)等,這些技術(shù)要么不成熟,要么應(yīng)用推廣成本令企業(yè)不堪重負(fù);三是制約電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的體制機(jī)制因素也不容忽視,相關(guān)政策的效果還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

  推進(jìn)供需兩端多元化發(fā)展是兼顧電力保供和低碳轉(zhuǎn)型的良方妙藥。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)要發(fā)輸供用瞬時(shí)平衡,維持頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定。近年來(lái),為應(yīng)對(duì)新能源出力不穩(wěn)定的新概念不斷涌現(xiàn),譬如,高彈性電網(wǎng)、高韌性電網(wǎng)、發(fā)電與用電解耦等。經(jīng)過(guò)研究我認(rèn)為,在電力供應(yīng)側(cè),除了大力發(fā)展新能源,還必須強(qiáng)調(diào)存量和增量匹配、各類發(fā)電組合優(yōu)化。積極推進(jìn)剩余水電資源開(kāi)發(fā),安全有序發(fā)展核電,因地制宜發(fā)展氣電,合理統(tǒng)籌抽水蓄能和新型儲(chǔ)能發(fā)展,這些舉措一個(gè)都不能少。

  需要強(qiáng)調(diào)的是,2030年前,需要建設(shè)一批高參數(shù)且具備深度調(diào)節(jié)能力的煤電機(jī)組,還要抓緊對(duì)規(guī)模龐大的煤電機(jī)組分類實(shí)施靈活高效的技術(shù)改造。電網(wǎng)環(huán)節(jié),應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域和省間的電力交換能力,擴(kuò)大西電東送規(guī)模。同時(shí),配電網(wǎng)與新能源融合發(fā)展空間巨大,應(yīng)調(diào)整過(guò)去的發(fā)展思路,促進(jìn)新能源和新業(yè)態(tài)融合發(fā)展、同步增長(zhǎng)。

  面向需求端,我們一定要轉(zhuǎn)變觀念。過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),全社會(huì)都把重點(diǎn)放在擴(kuò)展供應(yīng)能力上。今后進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段,應(yīng)對(duì)新能源的波動(dòng)性需要多管齊下,采用市場(chǎng)化辦法充分調(diào)動(dòng)用戶端資源參與電力電量平衡,不失為投入產(chǎn)出效益較佳的選擇。預(yù)計(jì)2030年、2060年需求側(cè)可利用規(guī)模將分別達(dá)到系統(tǒng)最大負(fù)荷的6%、15%以上。在需求側(cè)響應(yīng)資源中,空調(diào)負(fù)荷和部分工業(yè)生產(chǎn)負(fù)荷應(yīng)被優(yōu)先調(diào)用,通過(guò)電價(jià)等經(jīng)濟(jì)激勵(lì)信號(hào)促進(jìn)用戶改變用能計(jì)劃,有效降低負(fù)荷峰值。“十四五”期間,一方面應(yīng)加快需求響應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制建設(shè);另一方面還要做好有序用電預(yù)案保底,以此應(yīng)對(duì)極端天氣和新能源連續(xù)低出力所引發(fā)的大規(guī)模缺電風(fēng)險(xiǎn)。

  規(guī)劃方法創(chuàng)新之策

  過(guò)去我們常說(shuō),規(guī)劃的節(jié)約是最大的節(jié)約,規(guī)劃的浪費(fèi)是最大的浪費(fèi),對(duì)于電力規(guī)劃而言更是如此。電力行業(yè)是裝備密集型產(chǎn)業(yè),具有建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高、資金投入大的特點(diǎn)。電力發(fā)展容易產(chǎn)生路徑依賴和沉沒(méi)成本,一旦規(guī)劃出現(xiàn)較大偏差,損失不可低估。

  新形勢(shì)下,傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法存在局限性。傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法的 核心要義是研究在規(guī)劃期內(nèi),基于一定的邊界條件,在滿足系統(tǒng)電力電量平衡要求和發(fā)用電可靠性要求的情況下,優(yōu)化確定總成本最低的電源電網(wǎng)擴(kuò)展方案。從規(guī)劃周期看,我國(guó)中長(zhǎng)期規(guī)劃一般為5~15年,政府發(fā)布的往往是五年規(guī)劃。

  在能源轉(zhuǎn)型和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境雙重疊加下,傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法存在不適應(yīng)性。

  一是新能源大發(fā)展使得傳統(tǒng)確定性規(guī)劃方法面臨新難題。做好電力規(guī)劃的基礎(chǔ)工作在于電力電量平衡,大部分傳統(tǒng)電源都是確定性電源,均是可調(diào)可控的,即使是水電,其發(fā)電過(guò)程也可按照豐水、平水、枯水期分別考慮參加電力電量平衡。但新能源大量并網(wǎng)后的情況不一樣了,新能源的出力隨機(jī)性強(qiáng),在規(guī)劃階段的年出力只能依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型給出概率性判斷,尤其是風(fēng)電年出力曲線存在很大的不確定性。規(guī)劃與調(diào)度運(yùn)行的最大不同是規(guī)劃決定裝機(jī)增量,調(diào)度運(yùn)行決定存量和增量機(jī)組如何使用。新能源的電量?jī)r(jià)值遠(yuǎn)高于容量?jī)r(jià)值,意味著按照備用率指標(biāo)或可靠性指標(biāo),在安排大規(guī)模新能源裝機(jī)的同時(shí),不得不配置參與電力平衡的常規(guī)機(jī)組和儲(chǔ)能設(shè)施。這種配置和組合很難用確定性方法進(jìn)行量化分析。

  二是電力市場(chǎng)發(fā)展會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法造成一定影響。傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),擬訂滿足目標(biāo)要求的幾種方案,在規(guī)劃期內(nèi)將各類發(fā)電裝機(jī)、輸配電工程的固定成本和運(yùn)行維護(hù)成本集合歸算到基準(zhǔn)年總費(fèi)用,一般情況下推薦總費(fèi)用最低的規(guī)劃方案。上述計(jì)算是通過(guò)規(guī)劃與生產(chǎn)模擬軟件工具完成的,起關(guān)鍵作用的是假定的基礎(chǔ)邊界參數(shù)。隨著電力市場(chǎng)的建立健全,發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)和發(fā)電量由過(guò)去的指令性計(jì)劃安排逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)決定,有的專業(yè)人士開(kāi)始懷疑當(dāng)初確定的規(guī)劃方案是否合理。我認(rèn)為,規(guī)劃方案考慮的系統(tǒng)運(yùn)行方式屬于典型的運(yùn)行方式,沒(méi)有必要也不可能涵蓋市場(chǎng)運(yùn)行和調(diào)度運(yùn)行方式的千變?nèi)f化。但在規(guī)劃方案中確有必要考慮市場(chǎng)化因素,比如電價(jià)與成本的關(guān)系、短期邊際成本競(jìng)爭(zhēng)與輸電能力匹配的關(guān)系、需方響應(yīng)功率與最高負(fù)荷預(yù)測(cè)的關(guān)系,進(jìn)而進(jìn)行敏感性校核,那么規(guī)劃選擇的電源電網(wǎng)配置方案的偏差就會(huì)大幅縮小。

  新形勢(shì)下做好電力規(guī)劃,首先要考慮電力規(guī)劃方法的探索創(chuàng)新。應(yīng)當(dāng)把握好以下兩點(diǎn)。

  第一,電力規(guī)劃要從過(guò)去的確定性方法調(diào)整為確定性方法與概率性方法并重。過(guò)去,規(guī)劃設(shè)計(jì)單位開(kāi)展電力規(guī)劃研究時(shí),只有負(fù)荷曲線是不確定的。一般按照最高負(fù)荷需求,考慮合理的各類備用后優(yōu)化安排各類新增裝機(jī)規(guī)模,同時(shí)輸電網(wǎng)按照適度超前電源的原則安排擴(kuò)展規(guī)模,這是確定性規(guī)劃方法的基本內(nèi)核。有的機(jī)構(gòu)也采用發(fā)電系統(tǒng)可靠性方法(LOLP值)對(duì)系統(tǒng)裝機(jī)充裕度進(jìn)行校核。今后,隨著新能源裝機(jī)比例持續(xù)上升,需要?jiǎng)?chuàng)新方法工具研究規(guī)劃方案。目前,風(fēng)電可用出力一般按裝機(jī)規(guī)模的10%~15%考慮,光伏按零出力考慮(晚高峰時(shí)段光伏零出力),算出的規(guī)劃方案比較保守,可能會(huì)損失一定的經(jīng)濟(jì)性。國(guó)際上越來(lái)越多的研究表明,基于概率性指標(biāo),提出新能源在高峰時(shí)段參加電力平衡的出力波動(dòng)范圍,這樣可以有效地發(fā)揮新能源的容量支撐功能,適度減少其他新增的調(diào)節(jié)電源,從而達(dá)到電力規(guī)劃方案的充裕性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。下一步重點(diǎn)是在實(shí)踐中開(kāi)發(fā)迭代升級(jí)相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件工具。

  第二,“雙碳”背景下的電力規(guī)劃要做到多重目標(biāo)的統(tǒng)籌兼顧。首先,面對(duì)新形勢(shì),電力發(fā)展的任務(wù)必須滿足幾個(gè)目標(biāo),一是安全保供,二是低碳轉(zhuǎn)型,三是向用戶提供可承受的電價(jià),四是滿足用戶多樣性個(gè)性化需求。在發(fā)展的不同階段,這幾個(gè)目標(biāo)的重要性和約束性也是不同的。比如,近中期,安全保供將成為突出矛盾。受新冠肺炎疫情持續(xù)肆虐和地緣政治沖突影響,電力安全保供面臨一系列風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn),包括一次能源供應(yīng)不穩(wěn)定、價(jià)格上漲,包括新能源發(fā)電的不可預(yù)期和極端天氣造成的電力設(shè)施損壞,還包括政府、企業(yè)及社會(huì)預(yù)警應(yīng)急的協(xié)同能力不足等。其次,國(guó)內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)研究表明,隨著新能源裝機(jī)比例上升,至少在2030年前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的總體成本是上升的,近年來(lái)德國(guó)和英國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也佐證了這一點(diǎn)。成本上升問(wèn)題也是近中期規(guī)劃難點(diǎn),政府部門應(yīng)遵循電能的商品屬性原則,在終端電價(jià)中適時(shí)疏導(dǎo)成本。最后,伴隨著分布式新能源的蓬勃興起,大電網(wǎng)與微電網(wǎng)并行融合是大趨勢(shì),一批“產(chǎn)消者(Prosumer )”用戶應(yīng)運(yùn)而生。綜上所述,低碳轉(zhuǎn)型的目標(biāo)是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo),急不得也等不得。新形勢(shì)下研究電力發(fā)展方案,面臨的目標(biāo)函數(shù)是多元復(fù)雜的,必須統(tǒng)籌兼顧,分清主次,通過(guò)多因素敏感性分析給出各種方案的選擇要點(diǎn)。

  (作者系國(guó)網(wǎng)能源研究院原院長(zhǎng))

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