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碳达峰条件下电力保供的认识与思考

作者:陈小良 来源:能源研究俱乐部 发布时间:2021-09-14 浏览:
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碳达峰条件下电力保供的认识与思考

陈小良

(中国电机工程学会)

2020年9月我国向世界宣布碳达峰碳中和目标,2021年3月中央财经委员会第九次会议上明确,要“构建以新能源为主体的新型电力系统”。在此,谈谈碳达峰条件下如何保障电力供应方面的几点粗浅认识:

一,碳达峰条件下电力保供的特点与挑战

截至2020年底,全社会用电量达到7.5万亿千瓦时;总发电量7.6万亿千瓦时,其中,水电1.36万亿千瓦时,占18%,火电5.17万亿千瓦时,占68%,核电3662亿千瓦时,占4.7%,风电4665亿千瓦时,占6%,太阳能发电2611亿千瓦时,占3.3%;全国发电装机达到22亿千瓦,其中,水电3.7亿千瓦,占16.8%,火电12.4亿千瓦,占56%,核电4989万千瓦,占2.3%,风电2.8亿千瓦,占12.7%,太阳能发电2.5亿千瓦,占11.4%;西电东送规模达2.7亿千瓦;清洁能源发电量占总发电量的32%,装机占总装机的44%;风光发电量占总发电量的9.3%,装机占总装机的24.1%。

有关研究表明,中长期我国电力需求仍将持续增长,预计2030年全社会用电量将达到11.5万亿千瓦时,发电量需要11.8万亿千瓦时以上,“以‘十四五’电力供需基本平衡为基础,结合各类电源发展潜力进行测算,中长期全国仍将存在较大电力缺口”。这就提出了问题,在落实“3060”目标的进程中,如何科学地结合以新能源为主体的新型电力系统特点来保障电力供应?

笔者认为新能源为主体的新型电力系统的以下特点和挑战对保障电力安全供应的影响较大:

一是新能源作为主体电源,由于其间歇性特性,使得主体电源的保证出力低,有效利用小时数不高,受气候条件影响大,运行出力随机性强,受分布式电源影响,容量分散度高,可以担当电量总量的主体作用,但承担电力电量即时或期间平衡的主体作用有限,必须配备常规电源,大电网和储能设施承担调节和支撑作用;

二是风电和光伏电源目前均以逆变器方式接入交流系统,使得主体电源在抵御大规模电源失去或者严重电网故障时,防止电网失稳,发挥电网频率和电压支撑作用十分有限;

三是我国电网形态将随着新能源电源占比的提高,逐步形成以优化利用新能源电力电量为重点,以支撑区块综合能源系统的区块电网为单元,城镇电网和电源基地局部电网为基础,负荷密集的受端电网为重心,超特高压电网为输送与交换平台的多电压等级,交直流并存,分层分区的新模式,需要创新电力系统安全经济运行与管理的战略,策略和技术措施;

四是大量电力电子化设备的应用,使电网特性发生了新的变化,传统的暂态稳定面临转动惯量不足带来的新问题,新型诱因的电网稳定问题也需要研究,电力系统模拟精度与分析深度需要大幅升级;

五是新能源发电,储能,电动汽车等大量融入电网,电网数字化及源网荷储协调控制信息基础设施,如监控点规模,监控模式,信息处理与交换及其网络安全等方面需要全面升级;

六是支撑新型电力系统建设的一些关键技术,如储能安全,制氢与利用,燃料电池,碳捕捉技术等尚处在研发阶段,具有很多不确定性。

上述特点与挑战对保障电力供应都将产生重要影响,具体影响需要通过详细的生产模拟和安全稳定计算等方法来予以量化。在此举例做简单说明。

我们以2030年的电力平衡为例。假定2030年的全年发电量为11.8万亿千瓦时,选择2030年8月10日晚上9点或10点为例,此时全国全口径负荷预计为18亿~20亿千瓦(年均增长率比发电量增长率高1个百分点左右),不考虑电网堵塞,不考虑机组调峰能力,发电特性与负荷跟踪速度。这个时点是夏季最大(或次最大)负荷的典型时点,同时也是风电季节性低谷和光伏日低谷典型时点。此时,全国光伏发电出力为零,根据现有统计数据,风电季节性低谷出力为年最大出力的九分之一,则此时风电和太阳能发电(装机12亿千瓦以上)的总出力约为0.75亿千瓦,火电,水电和核电出力备用率为20%时,负荷按19亿千瓦计算,则系统需要提供的燃气发电和(或)储能出力为4.09亿千瓦。如果计及电网阻塞,火电调峰能力和负荷跟踪速度等因素,则燃气发电和(或)储能的总容量可能需要达到5亿千瓦以上。这个典型时点就是电力平衡木桶的短板之一,这样的短板场景还包括南方梅雨季节光伏发电连续多天低出力或零出力,以及2021年初出现的极端气候场景等。这些场景的电力电量平衡问题都是新能源为主体的新型电力系统电力保障供给必须面对的挑战,在“双碳”条件下保障电力供应,需要有足够的满足“双碳”要求的支撑电源,储能容量和电网交换能力。

二,碳达峰条件下电力保供措施的思考

1.保证碳达峰与碳中和条件下电力保供方案相衔接

碳达峰与碳中和是承上启下的关系。“十四五”是碳达峰的关键期和窗口期,碳达峰期是碳中和的关键期,窗口期。电力行业是实现碳中和的关键领域,这是世界的共识。碳达峰条件下的电力保供规划方案既要解决2030年之前的电力保供的问题,更要为2060年电力行业碳中和路径优化提供可以应对各种不确定性的解决方案。提升电气化水平是世界公认的推进碳减排的主要举措,要以保障我国社会主义现代化建设多元需求为条件,优化选择电力行业碳达峰的最优时间,坚持实事求是,把握窗口时机,科学谋划施策,切实落实“3060”目标。

2.明确电力保供的标准要求

从有关方面公开的研究成果看,“十四五”期间,我国部分地区可能存在缺电局面,电力系统应对极端天气的电力供应存在困难,同时,高比例新能源发电和高比例电力电子化的电网中,转动惯量不足的问题尚未得到实质性解决,给电网带来了安全风险。在这样的背景下,需要明确电力保供的充裕性与可靠性标准,不同的标准将对应不同电源结构的保供措施。

3.加快发展,适当超前,合理布局新能源发电

截至2020年底我国风电,太阳能发电总装机达5.3亿千瓦。要实现2030年的目标,需要远近结合,在经济可接受的前提下,适当超前建设新能源机组,以提高新能源机组的总体保障出力。加快西部新能源基地建设,实施送端多种能源互补,就地利用与外送并重,加快以区块电网为核心综合能源系统建设,充分发挥分布式新能源发电的技术优势;加大海上风电发展力度,优化我国风电布局,实施发电-制氢-供氢的产业化,规模化发展。加快太阳能热发电的技术进步与建设规模,提高太阳能发电的保障出力和调节能力。

4.技术升级,高效利用,科学利用燃煤发电

“十四五”“十五五”是否新建燃煤发电机组当前争论很大。国际能源署在其全球碳中和路径研究报告中提出,“2021年起,不批准开工建设新的没有减排的煤电厂,不批准新建和扩建煤矿”,“2025年不再销售化石燃料锅炉”。在这样的国际环境下,我国从过去以煤电为主体的电力系统向以新能源为主体的电力系统转型过程中,如何实事求是地发挥好煤电作用,是碳达峰条件下电力保供和促进我国碳中和目标落实与路径优化必须面对的问题。是否新建煤电机组取决于电网中支撑型电源能否满足要求。从目前来看,碳达峰条件下,电量的平衡不是主要矛盾,关键是受新能源机组日内波动和季节性波动以及极端天气影响造成的日内,中短期,局部地区的电力不平衡问题。因此,如果确需新建煤电机组,可以考虑在行业二氧化碳排放总量有序控制基础上,从提高电力平衡支撑能力的角度,确定新建煤电机组规模,同时,新建的煤电机组尽可能考虑碳捕捉技术的试点示范应用,并给予电价政策支持。碳达峰条件下,既有煤电机组的技术升级与改造任务艰巨,这也是电力保供的重要保障。一是要加快煤电机组的灵活性改造,目前煤电机组的调峰深度远不能满足电网调峰要求,要通过多种技术路线,配套相应的电价政策,不断提高煤电机组深度调峰能力;二是要在技术成熟的前提下,开始布局煤电机组加装碳捕捉设施改造;三是为落实“3060”目标,煤电机组将逐步退出运行,要及早做好统筹规划。上个世纪,国外在这一方面就有一些成熟的做法,包括将煤电机组改造成同步调相机,燃气机组和停用封存以待紧急使用等。特别是煤电机组改造成调相机对新能源为主体的新型电力系统极为重要,我国应根据新形势新要求,提出退役燃煤发电机组改造调相机规划。

5.明确定位,适度发展,充分发挥燃气发电作用

燃气发电具有调节速度快,调峰幅度大,二氧化碳排放低等特点。从国际上看,一方面,美国等一些国家因其天然气发电占电源容量的比例较大,电网的新能源消纳能力较我国具有较大的优势。另一方面,国际能源署在其全球碳中和路径研究报告中提出,2021年起,不批准开发新的石油和天然气田;美国华盛顿州今年年初提出了建筑物的零碳计划议案,要求天然气完全退出民用。从我国的实际看,在储能无法完全配合新能源全时段,全天候,全地域满足电力电量平衡要求之前,适度发展燃气发电,提高电力系统支撑能力,控制二氧化碳排放是一个保障电力供给的重要措施。需要进一步明确的一是燃气发电主要作为支撑电源,用于辅助服务,要对燃气发电机型进行优化选择,技术经济性要符合其在电网中的作用要求;二是对于天然气管线覆盖地区,可以考虑综合能源系统建设,适度建设小型多联供燃机,作为重要用户应急备用电源;三是燃气发电建设要考虑适时装备碳捕捉设施;四是燃气发电规模,要在满足电力充裕性,可靠性标准以及有利于我国二氧化碳排放总量有序控制的前提下,按照积极适度发展的原则予以优化确定。

6.创造条件,确保安全,积极发展核电

发展核电是欧洲减排历程中一个重要的措施。根据我国电源结构的具体情况,在保障核电安全的前提下,积极发展核电是实现碳达峰,碳中和,破解电力平衡难题的重要措施。核电在新型电力系统中需要考虑调峰,核电是具备调峰能力的,法国在这方面有很好的实际运行经验。

7.多措并举,破解难题,提高电网灵活性与可靠性

面对新能源为主体的新型电力系统带来的诸多挑战,首先要解决电网灵活性问题,转动惯量不足带来的电网大扰动引起的电网稳定问题和电力电子装置及相关设施参数配置协调引起的次同步谐振等电网安全问题,同时,要根据新特点优化电网安全防御策略。要全面梳理电网阻塞情况,根据新型电力系统的实际需求扩充电网通道能力,以保证电网满足电力输送以及局部电网之间电力交换的要求,实现跨地区,时区,跨流域的错峰,事故支援效益,以在支撑电源和储能容量匹配的前提下,保障全电网,全时段,全天候电力电量平衡和可靠性要求。要从电网结构,等效大容量转动惯量等方面研究新型电力系统的转动惯量不足的新的解决措施,在现有技术的基础上,要保证受端电网有足够的动态电源与无功支撑能力,改造建设同步调相机,布局紧急状态下的低电压切负荷系统,控制在大系统中出现小容量的虚拟同步机。加快研究高比例电力电子设备引起的次同步稳定的机理与系统性应对措施。要重视结合用户综合能源系统建设,利用储能,分布电源,需求侧响应与信息技术优势,丰富以用户可靠性为导向的安全防御理念。

8.统筹规划,着眼基础,推进电网数字化智能化

在电力系统转型过程中,要结合新能源发电,储能,源网荷储协调控制的要求,统筹规划,合理布局电力信息应用系统及其基础设施,要拓展升级与协调调度自动化,厂站自动化,配电自动化,需求侧响应,电力市场,储能管理,安全稳定控制等系统的功能与信息感知及应用,强化信息安全管理,应用先进的信息化技术,确保系统合理,高效,准确,可靠。

9.加速研发,安全应用,着力破解储能的安全技术难题

储能技术的研发与应用进程关乎能否落实“双碳”目标。目前的储能规模远远满足不了需求,一是要进一步勘探可能的抽水蓄能电站站址,最大限度发展抽水蓄能;二是要加快研发应用化学等其他方式的储能技术,力求形成较大规模,当前首先要解决锂电池储能的安全问题;三是要合理布局储能建设,在电源,电网和用户侧分别布局必要的储能设施。要特别重视合理规划布局用户侧储能,以使其既可以成为系统电力电量平衡的有效容量,又可以成为用户的应急电源,提高供电可靠性。同时,要考虑形成统一协调控制的分层分布式储能系统,确保规定规模的储能设施可控在控,成为参与电力电量平衡的有效容量。

10.加大研发力度,加快试点示范应用,着力攻关绿氢与碳捕捉及其利用等技术

绿氢和碳捕捉技术对落实碳中和目标具有极为重要的作用。要加快制氢,运输,利用及商业模式的研发和创新,加快各种场景的试点示范应用,并使其尽快形成商业应用的产业链。要着力研发碳捕集,利用与封存技术,提升捕集效率,减低能耗与成本,加快推进试点示范应用,并逐步实现产业化商业化应用。同时还要做好氢发电,小型民用核电,核聚变等前瞻性技术的研发工作。

三,两点建议

从前面的分析来看,碳达峰和碳中和条件下保证电力供应必须依靠科技创新和科学决策。为此建议:

1.设立能源电力碳达峰碳中和国家实验室,组织专门力量开展“双碳”所及问题研究与科技研发

碳达峰碳中和所及的能源电力问题具有系统性,跨专业性,实用性和前瞻性等特点。目前研究方式在研究视角上受研究主体工作范围局限,研究深度受研究课题项目时限局限,具有碎片化,短期性特点;举国体制在重大创新工程方面成绩很大,在基础研究和重大系统性技术研发方面还没有找到好的机制;目前,能源电力领域虽然有一些国家级别的实验室,但专业面偏窄。美国阿贡实验室是一个隶属美国能源部,由第三方监管的国家实验室,在能源技术创新等方面发挥了非常重要的作用,目前重要的创新研究领域包括能源与环境。建议以“双碳”能源电力相关问题和技术的研究与研发为契机,国家启动能源电力国家实验室的建设,实验室的重点任务就是组织持续研究研发影响我国实现“双碳”目标的系统性,前瞻性,基础性,制约性,关键性,跨学科性的科学技术问题和重大能源电力战略问题。这个国家实验室可以由国家能源主管部门和科技主管部门联合主管,如果需要,也可以考虑由权威性高,专业面宽,中立性强,熟悉科技工作的第三方机构协助监管,具体研究管理模式,初期可以采用实虚结合方式。

2.研究建设能源电力发展推演系统,以提高选择能源电力发展重大问题的定量分析水平,为科学决策提供支撑

能源电力系统是一个多影响因素,多时空领域时变的复杂系统。采用推演技术研究复杂系统问题,甚至是军事问题是国外成熟的做法。美国拥有全球领先的推演技术和推演系统,现代推演技术已经融入计算机仿真,运筹学,模型思维等,近年来,更是融入大数据,人工智能等新一代信息技术。我国能源电力系统的模拟仿真方法与系统已经被广泛采用,但目前这些系统多局限于某个专业领域,以此为基础,引入推演技术与理念,以数字孪生的模式建立能源电力发展推演系统,为落实“双碳”目标要求,研究多种不确定因素条件下优化能源电力系统的发展路径,措施,为政策提供技术支撑,具有十分重要的意义。

关键字:电力系统

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