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            電力行業碳中和的實施方式和障礙

            發布時間:2021-03-26 瀏覽數:91

            自2020年9月以來,碳達峰、碳中和成為能源圈內的熱門話題,風光等新能源被寄予厚望。在能源規劃中,風光等新能源得到大力支持和發展,要在30·60目標中承擔主力電源作用;而煤炭生產要受到限制,燃煤機組裝機規模甚至要裁剪。近期寒潮之下,湖南、江西等地的“拉閘限電”又讓業內外感到困惑:風光等新能源在冰凍覆雪中無法出力、省間輸電通道難當大任,各級政府被迫首選協調各種資源促進煤炭生產和運輸,保證煤電機組滿負荷運行,配合有序用電方案,才能確保民生用電不受影響。暫時的困難,并不能阻礙碳達峰、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走向“脫碳”的決心。在30·60目標下,高比例風光發電模式將成為必然的電源選擇,在可預見的時間內,“風光+大電網”也將是電力行業實現碳中和的必然技術方案。但我們還是要清醒地認識到,風光發電的大比例發展將對電網必須的轉動慣量和備用產生致命影響,嚴重威脅電網的平穩運行,大量調節備用機組損失的機會成本和沉沒成本也會使電網的運行費用上升。在2019年倫敦大停電事故的警示之下,我國電力行業如何健康穩定發展,謀求“安全、經濟、環?!蹦茉床豢赡苋堑淖顑炌讌f點,需要廣大專業人士認真思考和討論。

            電力行業

            大電網消納方式的現實障礙和解決方案

            2019年8月9日,英國倫敦發生了2003年以來最嚴重的停電事故。雖然導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光發電的電網轉動慣量不足,異常擾動導致頻率異常波動,風電機組群對頻率波動抗干擾能力不足而脫網,系統備用不足造成的聯鎖反應。此次停電事故,給我們敲響了警鐘,需要我們認真思考電網實現高比例風光發電消納的技術和經濟約束,以及可行的解決方案。

            高比例風光發電接入系統影響備用問題及解決方案

            電網的安全穩定運行對備用的要求。電網安全穩定運行,要求系統必須滿足電力平衡,任意時刻必須滿足三個條件:總發電能力必須大于負荷且有一定冗余,總發電功率必須等于總負荷功率+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。這就要求系統內必須有足夠的備用容量以應對系統內的故障、發電減出力和負荷波動。按照GB/T38969-2020《電力系統技術導則》規定,系統備用容量為最大負荷的2%~5%,事故備用容量為最大負荷的10%,不小于系統一臺最大機組或饋入最大容量直流的單級容量。

            高比例風光發電對系統備用的影響。由于風光新能源出力的隨機性、波動性和間歇性,造成系統內總的發電能力不可控。按照GB/T38969-2020《電力系統技術導則》規定,風電、太陽能等新能源裝機較多的地區,需結合風光發電出力特性和參與平衡的比例,額外設置一定的負荷備用容量。根據30·60目標的推算,未來風光新能源裝機規模要達到40%~70%,如此高比例的風光發電接入系統,將迫使系統預留備用的比例大大增加。光伏能源隨著太陽光照強度波動,風電隨著自然來風變化,如果兩者在同一時期疊加,會造成風光發電出力大幅波動,甚至在極端情況下會造成風光發電出力從最大負荷突減至零,嚴重威脅系統運行安全,使得系統備用容量需求大大增加。歐盟28國傳統電源的容量一直保持與最大負荷相當,作為其他發電的備用容量,為了滿足電網的安全,系統備用容量大大增加。

            高比例風光發電接入系統的解決方案。為了減小風光新能源出力的不確定性對大電網備用容量需求的影響,適應未來“30·60目標”的高比例風光發電要求,需要在以下四個方面加大技術投入:一是提高風光出力預測的準確性。目前國內風光預測24小時準確率為70%,而美國風光預測24小時準確率已達90%以上。提高風光出力預測的準確性可以有效較少系統對備用負荷的影響。二是提高風光新能源安全穩定性。風電光伏在發電過程中大量使用整流、逆變器等電子設備,其對于系統波動的抗干擾能力較常規機組嚴重不足,特別是需要提高其低電壓穿越能力,風光發電安全性的提高可以有效減少系統對備用負荷的需求。三是保持可調節電源足夠容量并進行靈活性改造。利用大電網系統內部可調節性機組的調峰能力實現風光發電消納,需要加大可調節電源的靈活性改造,提高可調節性機組的頂峰壓谷能力,特別是提高機組負荷調整速率,提高電網消納風光發電能力和有效備用負荷,需要強調的是必須保持具備該特性的機組足夠的容量。四是是加快智能電網技術的發展。未來智能電網的發展,將利用通訊網絡技術、傳感和測量技術、先進的控制方法以及決策支持系統技術,有效預測風光發電發電能力和備用預留,確定資源配置最佳地理范圍,提升電力設備利用效率,實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好的目標。

            高比例風光發電接入系統的經濟性障礙

            風光發電作為環保的能源方式理念已經深入人心。隨著風光發電的投資成本逐漸下降,人們對風光發電的經濟性誤解也在逐漸加深,認為風光發電作為邊際成本為零的能源,投入比例越高將對電網的經濟性越好。然而,在我國電力系統安全穩定性的紅線要求前提下,投入高比例風光發電必須要在線匹配足夠的轉動慣量機組和可調節能源機組,這樣就會造成風光發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光發電成本下降的絕對量。

            調節電源的啟停費用。由于風光發電機組出力的波動性,電網為了保證電力平衡,必須配備足夠的可調機組進行調節。在高比例風光發電的電網中,風光發電出力的大量疊加,造成可調機組調峰范圍大大增加,甚至需要機組啟停以滿足系統需要。隨著風光發電滲透率逐漸升高,火電機組等可調能源利用小時數逐漸下降,煤電和燃氣機組的啟停次數卻在大幅升高。機組啟停調峰作為重大操作,其啟停成本將造成電網運行費用大幅增加,最終也將在用戶側用電費用上體現,使得高比例風光發電電網的經濟性大幅下降。

            調頻和備用輔助服務費用。隨著高比例風光發電投入電網,為了維護電網安全穩定運行,必須有足量的轉動慣量機組預留調峰容量和備用容量,維持電網異常情況下頻率穩定和電力平衡。而可調機組預留調頻容量和備用容量產生的機會成本在電力系統中也將成為電網運行費用。按照電力系統“誰受益、誰承擔”的原則,因調頻和備用輔助服務產生的費用最終也將由用戶承擔,這筆費用也將使得高比例風光發電電網的經濟性大幅下降。

            穩定電源的容量補償費用。高比例風光發電投入電網后,電網大部分電量將由風光發電機組頂替生產,按照邊際成本報價回收變動成本的理論,電網系統內大部分承擔備用的可調機組的固定成本將無法回收。為了保證電力設備投資的穩定性,必須保障電力企業的合理收益,這就需要保障發電企業合理收回固定投資成本,即相當比例的機組不再以生產電量為主,僅作為風光發電的配套設施,這部分容量補償費用也應記為風光發電的生產成本。目前大部分省份都在準備設計容量補償機制和容量市場,以保證本地區穩定的電力投資。而這部分電力投資造成的容量補償費用也將增加電力運行費用。

            近期受政策利好影響,大量的風光發電投資蜂擁而至,不但造成風光發電固定投資成本不降反升,還可能造成在技術經濟條件不變情況下消納成本快速增長。未來,大電網消納成本需要加上可調機組的啟停費用、調頻備用輔助服務費用和容量補償費用,消納成本將必然隨著風光發電比例的升高而大幅上升,這就會存在一個風光發電最佳比例,在此比例之后將會電網運行經濟性急劇下降,超越用戶電價的承受能力,影響近期的社會經濟發展。

            實現碳中和目標需要著手的工作

            “30·60目標”剛剛提出,電力行業的發展實施方式和技術障礙都是根據目前技術水平所提出,上述分析判斷都很初步,存在一定的局限性。但是,市場體制建設和電源電網技術水平的提高,卻必須從現在開始著手,才能不阻礙碳達峰、碳中和目標的實現。

            加快電力現貨市場機制為核心的現代電力市場體系建設。國際上,實現高比例風光發電運行的國家,無一不是已經建立了以電力現貨市場機制為核心的現代電力市場體系,可見市場化有利于推動風光等新能源發展消納。電力系統中電能的發-輸-配-售-用的各個環節,都是一個市場交換過程。電力系統的正常運行需要理清各個環節之間的經濟關系,利用市場這個配置資源的有效手段調節各方的權利責任,讓市場來選擇電力行業碳中和的實施方式,在優勝劣汰的競爭中篩選出性價比最高的消納方式和消納手段。高比例風光發電+大電網的實施方式下,風光發電消納需要可調節能源的大力配合,就更需要電力現貨市場來厘清這復雜的經濟關系,需要市場發現最真實的風光發電消納成本,才能讓用戶信服地接受用電成本合理上升。目前我國電力現貨市場建設如火如荼,8個現貨試點穩步推進,其他電力市場建設緊跟其后,風光發電平等參與市場也將撥云見日。為了“30·60目標”的實現,電力現貨市場必須穩步加快建設,以市場手段實現電力資源的配置,助力實現碳中和。

            風光發電要增強成為“負責任主力電源”的使命感?!?0·60目標”將激勵著廣大風光發電行業擴大生產,提高電力行業綠色環保程度。未來一段時間內,風光行業要以自身是主力電源的姿態承擔電力系統的各項責任,不再將國家政策“照顧”作為發展的前提條件,不斷降低成本,積極參與電力市場,在公平的平臺上引領電行業發展。不但能夠承擔自身需要為電力系統承擔的責任,還要能夠分擔其他“配角”的責任,如同之前煤電機組長期無償為風光發電提供幫助一樣。為實現高比例風光發電對未來系統的友好性、經濟性,風光發電必須做好負荷控制和預測,提高自身安全穩定性,降低設備投資成本,成為真正有利于經濟、有利于社會的環保型、友好型的電源。

            火電機組要轉換定位尋求新的發展機遇。傳統火電機組作為穩定的可調節機組,為中國電力行業的發展、中國社會現代化發展作出了巨大貢獻。未來電力行業將朝著綠色可持續發展的方向進步,但也不是不需要傳統能源支持,倫敦大停電事故和今年冬季國內多地有序用電也再一次證明傳統煤電的必須性。在未來“30·60目標”下,實現碳中和的高比例風光發電需要火電機組提供必須的旋轉慣量和備用支撐。雖然火電機組的利用小時數超預期大幅下降成為必然趨勢,但火電機組的備用裝機容量還是需要長久保持。所以未來電網系統不是減少火電容量,而是要減少火電發電量。建議暫緩關?;痣姍C組,將其作為備用電源,時刻作為電網的穩定支撐。面對未來,火電機組要適應形勢需要,必須加強自身建設,做好設備管理維護,做到緊急時刻靠得住、關鍵時刻頂得上的穩定可調機組,以期在調頻備用市場中、容量補償市場中贏得先機。

            碳達峰、碳中和目標作為我國向世界作出的鄭重承諾,將在未來指導我國能源行業的發展方向。目前,我國正在在努力構建國內國際雙循環的新經濟發展格局,“30·60目標”將加快推進我國能源產業轉型升級,促進電力行業供給側結構性改革,以電力工業升級改造加速國內經濟循環,促進國民經濟健康發展。廣大能源行業從業者要堅定不移地支持“30·60目標”的實現,努力轉變生產方式促進能源轉型升級,以能源革命的自我革新碰撞出“安全、經濟、環?!蹦茉床豢赡苋堑淖顑炌讌f點,真正做到有利于人民、有利于碳中和目標的實現。

            國電中星是一家專業的電力測試設備生產廠家,密切關注電力行業相關發展動態,了解更多請訪問國電中星官網:www.rawshotstudios.com。

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