• 王志軒:新型電力系統構建論綱——構建新型電力系統頂層設計思考

    作者:【未知】

    2021-09-06 09:19:25 來源:新華社  瀏覽量:

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    新型電力系統構建論綱


    (——構建新型電力系統頂層設計思考)


    王志軒


      我國力爭在2030前實現二氧化碳達峰,在2060前實現碳中和的目標(以下簡稱“3060”目標)已經確定。2021年3月15日,中央財經委員會第九次會議研究實現碳達峰、碳中和的基本思路和主要舉措,會議指出要“構建以新能源為主體的新型電力系統”(以下簡稱“構建新型電力系統”)。近半年來,國內外眾多能源電力智庫及專家、學者從不同出發點、不同目的、不同角度、不同層面開展了眾多研究,但構建新型電力系統具有高度復雜性,涉及法規、政策、體制、技術及框架構建等各個方面,這一領域的研究整體上處于前期探索階段。凡事預則立,不預則廢,構建新型電力系統的“預”就是要做好“頂層設計”,且“構建”就有“頂層設計”之義。頂層設計是“綱”,綱舉目張,“綱”包含了構建中國特色的新型電力系統的基本定位、基本特色、基本功能、基本機制、基本動力、基本進程、基本保障等。


      一、基本定位


      第一,構建新型電力系統是 “國之大者”。中央財經委員會第九次會議提出,實現“3060”目標“是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策,事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體”。習近平總書記講,要把碳達峰碳中和納入經濟社會發展和生態文明整體布局。同時,能源本身就是國之大者,而電力是能源的核心。因此,構建新型電力系統就是“國之大者”,對其開展深入研究,不是要不要“構建”,而是堅決貫徹執行和如何“構建”好的問題。


      第二,構建新型電力系統是電力發展的必然。電力系統從來沒有停止過創新發展和更新換代。當前,正在進行著第三代電力系統的建設和完善(《中國電力百科全書綜合卷》2014年5月第三版)。從生態文明建設需要、人類可持續發展的需要、共建人類命運共同體需要、中國新階段高質量發展的需要看,構建新型電力系統是必然趨勢。


      第三,構建新型電力系統的目的是電能生產和消費系統實現零碳(近零碳)。正在變革中的中國電力系統,電能生產過程仍然是化石能源為主體,消費的電能仍然是高碳/中碳電能。而新型電力系統生產過程是新能源為主體,消費的電能是低碳/近零碳電能,這一定位是新型電力系統頂層設計的核心。


      第四,新能源“主體”應是數量主體、功能主體和責任主體。新能源在電力系統中數量占比大小固然重要,但不能單純從新能源發電裝機或者發電量的數量占比大小來判斷是否為主體能源,而是要在安全經濟目標前提下,從電力系統整體功能實現上來判斷新能源是否成為主體能源。


      第五,新型電力系統的主要約束是能源安全下的系統經濟性。新能源發電主體主要是指太陽能和風電(不排除在個別地區生物質發電、地熱發電比太陽能、風能更具有開發價值)。光伏發電早在幾十年前就有,但成本過高,作為特別場合才有應用。當今,光伏、風電成本顯著下降,在發電上網環節已經可以與化石能源同臺競爭。但是,新能源接入電網節點時的成本并不是終端用戶電能成本。當新能源為主體時,要從系統成本的大小看是否與化石能源具有競爭性,除常規的上網電價成本、電網升級改造成本外,系統成本中還需要考慮風險防范如戰略備用電源和長周期儲能系統等成本,如新能源發電不接入電網但用戶仍需要電網提供安全用電保障時,新能源發電的系統成本也應計入電力系統為此付出的成本。同時,也要考慮新能源的正外部性效益(即把低碳和資源節約等對社會公共利益的好處在成本中扣除)。


      二、基本特色


      第一,在現代電力系統之上構建新型電力系統。中國是后發國家,經過幾十年的努力,已經建成世界上規模最大、技術水平總體先進、部分領先的現代電力系統。中國構建新型電力系統不是在幾十年前“一窮二白”一張白紙的基礎上構建,不能“先破后立”,而是要在現代電力系統基礎上逐步升級換代為一個新型電力系統。


      第二,在全國一盤棋原則下構建新型電力系統。中國是一個14億人口的大國,也是一個能夠集中力量辦大事的大國,更是一個有著人類命運共同體理念的負責任大國。同時,在能源資源不平衡、能源消費不平衡、自然環境差別大的廣袤國土之內,新能源發電具有顯著的時、空特點,大范圍優化配置與就地平衡配置并舉是必然之舉,因此,必須堅持系統思維,在全國一盤棋內構建新型電力系統。


      第三,“壓縮型”減碳進程中構建新型電力系統。發達國家能源電力轉型是自然進程。中國要用發達國家不到一半時間完成由高碳電力系統過渡到低碳(近零碳)電力系統,必然是“壓縮型”低碳轉型。作為世界上電力生產量和消費量都是第一的大國,從電力轉型基本規律看,必然是快速漸進與合理超越相結合的進程。這就需要一方面要充分汲取全人類能源轉型經驗,另一方面,決不能照搬任何一個國家的整體性、系統性經驗。需要注意的是,世界上本來就不存在模板意義上的國家層面“新型電力系統”,中國提出構建新型電力系統是一項基于國情的偉大創新。


      第四,在生態文明框架和能源安全新戰略基礎上構建新型電力系統。構建新型電力系統已有堅實基礎。一是中國電力供需矛盾由長期短缺發展為近幾年的整體供需平衡。二是自2006年中國《可再生能源法》頒布以來,尤其是黨的十八大以來,在習近平生態文明思想和能源安全新戰略指導下,加快新能源發展和強化能源安全的法規、政策、標準不斷完善。特高壓技術和工程、電力系統智能化建設,分布式能源發展等不斷取得新進展,以光伏、風電為代表的新能源發電成就巨大,以電動汽車充換電、化學電池為代表的新業態和儲能蓬勃發展,煤電機組靈活性改造也為促進新源消納發揮了積極作用。三是《電力系統安全穩定導則》和《電力系統技術導則》新修訂后頒布實施,為加快新能源建設及解決新能源發展過程中電力系統安全穩定運行提供了新的遵循。

      三、基本功能


      第一,滿足國民經濟和社會發展需求。隨著我國現代化建設持續推進,經濟社會發展對能源需求將顯著呈現以電能為主的特征。當前,中國終端能源消費中天然氣占比僅7.8%(發達國家占比約25%),電能消費占26%左右(比發達國家平均水平略高)。要使中國能源消費清潔化,大力、持續提高天然氣占比并不是最佳選項:一是天然氣成本總體太高,二是對外依存度高,三是天然氣也是化石能源。因此,在大力發展新能源背景下,提高電能在終端能源消費占比是最佳選擇。綜合我個人和多個機構預測,我國人均用電量到2060年碳中和時將比2020年的5320千瓦時還要翻一番。在用電結構上人均生活用電量、第三產業用電量比重將會不斷提高。尤其是信息傳輸、軟件和信息技術服務、新能源車輛整車制造、太陽能、風能設備制造業、充換電、儲能等新業態用電量增長會更快。


      第二,滿足合理的電力安全需求。人類使用電能初期,電氣化的標志之一是電燈,即便當時電能質量不高、停電頻繁,但人們可以方便用蠟燭或者油燈替代,并不會對生活造成大的影響。當電能普遍用于公共事業、工業動力時,電能短缺對經濟社會的影響顯著增加。當終端能源以電能(包括以新能源發電電解制氫)為主時,電能將滲透到經濟、社會、文化的各個方面,全面影響到人類的衣食住行及工作、信息溝通、社交、文化等領域,成為像空氣一樣須臾不可離開的基本物質,其重大電力安全風險將成為國家和人民難以承受之重。因此,電力安全水平隨著人民生活水平的提高而進一步提升,同時,電力安全水平與經濟承受能力的關系更為密切,滿足不同用戶的合理電力安全需求也非常重要。


      新能源的隨機性、不穩定性、間歇性特點是電力供應安全風險的主要根源,在數字化智能化平臺之上建立的電力控制及運行系統,被黑客和敵對方攻擊的風險也是重大新型電力安全風險,二者疊加更具有破壞性。雖然在理論上,在現有的技術條件下,只要不惜經濟代價是可以防范重大風險的(如再備份一個以化石能源為主體的電力系統),但是,不惜經濟代價的前提在決策和實施過程中是不成立的。所以,新型電力系統構建要同步深化新型風險研究和防范,重構電力安全理論和防范風險體系。


      第三,滿足生態環保新要求。在第三代電力系統建設中,中國煤電大氣污染物控制已經達到世界領先水平。二氧化硫、氮氧化物、顆粒物三項常規污染的年排放總量全部加起來不到200萬噸,低于美國煤電污染物總排放量(我國煤電發電量是美國2.5倍左右)。從生態環境要求看,電力常規污染物控制已經不是中國污染排放控制的主要任務。且由于煤炭用量逐步減少,從整體上看煤煙型污染物對環境造成的影響會越來越小。


      但從局部看,由于燃氣輪機發電還要繼續較大發展,且主要集中在城市,其排放的氮氧化物對局部環境質量的影響還需密切關注和嚴格控制。


      從宏觀上看,新能源發展中會產生由新材料生產、設備制造、設施建設運行、設備退役等的新的生態環境問題;同時,與新能源發展相配套的化學電池生產、運行、服役期滿后的污染物處置問題也逐步加重。這些都需要在新能源發展中同步做好生態環境管理。


      四、基本機制


      新型電力系統的基本要素包括,電源、電網、負荷、儲能、戰略備用幾個部分。與傳統的電力系統比,不僅是增加了“儲能”和“戰略備用”,而且原有的要素也發生了質的變化。新型電力系統運行的基本機制可以簡要歸類為三個方面,即多元化電源支撐,大電網與分布式微網并舉的供需耦合機制,新電力安全風險防范機制。


      第一,新能源為主體的多元電源支撐體系。大力、有序發展新能源。這是構建新型電力系統的核心。不論從指導思想上、戰略布局上以及重點工程措施上,都是要圍繞新能源發展這主題做工作。新能源與其他能源發展的關系猶如中藥方中各味藥之間的“君臣佐使”的關系,新能源為“君”其他都是為“君”藥發揮作用而提供各種功能,從而構成安全、低碳、經濟的電能供應系統。新能源為“君”并不意味著無序盲目發展。電力系統本身就是一個嚴格按照物理規律運行的人工系統,無序發展不僅給電力系統帶安全穩定風險,而且會嚴重影響到新能源自身快速健康發展。


      ——嚴格控制煤電發展?!笆奈濉逼陂g。應當將重點放到如何發揮好年青煤電機組的綜合性作用上,特別是靈活性調節及提供系統轉動慣量的作用上。仍需要建設少量煤電時,要因地制宜做好充分論證,不能簡單地走高參數、大容量、高效率建設的老路,更不能繼續再推進“以大代小”政策,而是要“著力提高效能”上。面向未來,煤電承擔安全備用及靈活性調節的任務還需要很長時間,CCUS技術在未來應用也就成為必然,但當前乃至今后二三十年內,對CCUS的基本定位應是積極研發、慎重應用。


      ——煤電何時退出、退出的程度、如何退出是巨大系統工程,要做充分論證。因為退出中國年青而先進的、經過不斷投入資金進行節能提效和環保改造的燃煤電廠,不僅是因為投資沒有完全收回,有巨大的金融風險、投資者利益受損、員工重新就業、地方經濟、產業鏈供應鏈(如煤礦及運輸業)等直接影響。而且對整體能源安全、能源布局、電力布局、區域電源支撐、電力系統安全穩定運行、支撐可再生能源消納都有重要影響。而且,從低碳發展本身講,中國煤電系統以及關聯系統也是巨大社會財富的構成,附著在這些財富之上的基本建設及設備之上的鋼鐵、水泥、材料、用工等已經產生的碳排放也是巨大之數。還有,中國煤電機組中熱電聯產機組發電量占比已達50%以上,煤電退出不僅是電的問題也是供熱問題,這與發達國家煤電絕大部分只用于發電的情況是截然不同的。發達國家淘汰煤電機組的平均運行年齡大多是五十年左右,早已超過機組設計服役期,早已完成了歷史使命,而中國煤電平均運行年齡十二三年,離服役期滿還不到一半。正如一個百歲以上老人與一個人既當爹(發電)又當媽(供熱)的二三十歲青年人談判一起安排“后事”一樣,顯然,同樣的事情對這兩個人及家庭社會的影響是截然不同的。


      ——積極適度推進燃氣輪機發電。燃氣輪機因其具有靈活性高、碳排放強度低于煤炭和石油、我國燃氣機組比重低特點,近期仍需要較快發展,但從成本、對外依存度、化石能源特性上看,不宜成為持續快速大量發展的電源。


      ——在保障安全前提下應加快建設核電。如果沒有一定比重的核電,中國就完成不了碳中和目標,碳達峰的峰值也會更高。


      ——因地制宜發展水電。不論從技術可開發還是經濟可開發角度看,水電可開發容量都已經不大,但還是要堅持建設,因為相對于新能源,水電近零碳排放特性及對電力系統穩定運行有良好支撐性特點顯著。


      ——生物質發電能用盡用。生物質為碳中性能源,多利用一點,其整體的二氧化碳排放量就少一點,且因生物質發電裝機容量雖然總體規模不大,但具有分散性、高利用率,年利用小時數可達六七千小時、有利于與新能源互補的特點,更具有利于促進農業、農民、農村發展。生物質發電應當堅持煤電機組摻燒、分散、小型、多樣化發電和綜合利用的技術路線,因無一定之規,政策上要引導,但不宜一刀切。


      第二,大電網與分布式微網并舉,智能化與市場化支撐的供需耦合機制。隨著新能源發電比重逐步提出,電力系統中發、輸、變、配、用各要素逐步發生變化,新問題不斷出現,應對新問題的措施也不斷加強,以解決問題為導向電力系統也逐步改變。


      ——電力系統安全穩定運行受到新挑戰。新能源電能雖然通過了電力電子系統模擬達到了電網運行導則規定的要求并入電網,但對電網運行產生不穩定性加大。一方面,新能源發電的特性減少了系統轉動慣量(新能源替代傳統發電),由此引起電能頻率不穩定;同時,電力電子系統對電壓、功角的穩定也產生新影響。另一方面,在電能輸送上,大規模新能源基地需要配合一定數量的常規電源,但常規電源的高碳特性在一定程度上降低了新能源低碳貢獻。


      ——在電能消費方面,由于大量新能源是分布式生產和消費的,從而改變傳統的電力負荷曲線,使傳統負荷曲線與凈負荷曲線圍成一個典型的“鴨型”特征,對系統平衡帶來新困難。


      ——為平抑新能源的波動性和不穩定性,儲能裝置大規模進入電力系統后,使電網配置電能由傳統的“發輸變配用”單方向的電能流動,轉變電能在發、用電之間的雙向或者多向(多用戶和多電源)流動。


      ——當常規電源由電力、電量主體向靈活性調節主體轉變過程中,發電機組較大偏離最佳狀態,發電效率會相應降低,影響到電力系統效能。


      ——電網架構逐步形成大網與分布式能源系統、微電網、交直流混合電網共存及緊密聯系的格局。


      ——新型電力系統伴生綠氫生產。中國光伏發電、風力發電年平均利用小時分別約為1200小時、2200小時,傳統電力供需平衡條件下所有電源的平均年利用小時約為4000小時,隨著新能源電量滲透率不斷提高,除一部分發電量用于新能源場站本身配套儲能外,會有大量新能源電力存在結構性富余,因此,電力制氫進而生產其他二次能源如甲醇等,再作為電力用儲能具有必然性特點。當前,由于新能源滲透率不高,新能結構性富余并不嚴重,不論從經濟上、能源效率上、氫產業鏈配套上,都難以規?;a和使用綠氫,只宜因地制宜開展。


      以上電能的生產、輸送及消費方式的重大變化,使得新型電力系統的運行機制與傳統“源隨荷動”的電力系統相比發生重大變化,傳統電力運行控制的漸變性規律向非線性、突變、非典型規律變化。如在能源危機及電力供需矛盾以短缺為主的時代,電力需求側(“荷”側)管理手段,可以一定程度減輕電力供應側(“源”側)壓力,從而達到能源資源的節約配置的目的。在新能源大力發展初、中期,通過市場手段使電力需求方自愿響應電力系統安全穩定運行要求調節或轉移負荷,以提高新能源電能利用率。隨著新能源滲透率不斷提高,電力系統的復雜性越來越大,供需雙方不斷融合,需求響應機制也發生重大變化,轉變為在高度智能化、高度市場化支撐的對源網荷儲備進行一體化管理的機制,也可稱之為供需耦合機制。


      第三,新風險防范機制。在傳統的電力系統中,為了防范電力安全風險在相關規定中有明確的電源備用要求,但這些備用電源基本上指的是檢修備用、事故備用、負荷備用。備用總容量根據系統可靠分析確定,一般為電力系統最高負荷的25%-30%,這些備用在新型電力系統發展過程中仍將繼續存在,但具體要求應根據系統變化進行調整,使之能能夠滿足變化了的日常電力系統運行的要求。


      所謂戰略備用,是筆者為了解決非傳統電力安全問題而提出的。如在傳統電力系統中,長時間、大范圍的陰雨天對電力系統的“源隨荷動”機制并不構成電力供應風險(或者風險很?。?,但在新能源主體的電力系統中,由于新能源發電與氣象要素的必然關聯性,如連續的、大面積陰雨天對光伏發電有極其重大影響,用于解決新能源發電的一日時間內、一般性的隨機性、波動性儲能措施,已經不能解決此類“灰犀?!薄昂谔禊Z”類重大電力供應風險。應對這種情況下的風險,必須要有不同程度的“戰略備用”發電容量資源,以及配備一定的中、長周期儲能設施。


      對此,在新型電力系統構建中,要對風險防范進行分級分類,以確定新型電力系統的技術邊界、成本邊界、責任邊界。


      一是要對電力用戶進行電力風險防范的分類分級,依據分類分級提供相應等級的電力風險防范。從降低全社會成本的角度看,對有的電力用戶應比現在的安全防范要求更高,但對一些電力用戶則可以降低安全防范等級,甚至可以在較長時期(如多天甚至數月)中斷電力供應。


      二是要研究確定不同主體(各級政府、電力企業、用戶)的電力風險防范的責任。大電網必須更加強大,但要明確功能,它是解決全局性(區域性)、重大性、節點性、支撐性電力安全的堅強保障,要由中央政府層面來管理,萬萬不可粗心大意,削弱其大范圍能源資源配置的能力。而中等范圍、局部的電力安全責任,將更多地由地方政府、分布式微電網承擔,將安全風險分級、分散到各個更小的單元。


      三是根據安全等級不同,風險防范的措施不同,確定電能的支付成本。在一定意義講,新型電力系統就是一個分散電力安全風險的系統,使大、中、小電力安全風險能夠經濟、有效、快速、協調解決,使國民經濟和人民生活的影響減少到最低程度。


      五、基本動力


      創新是構建新型電力系統的基本動力。人類利用太陽能從古至今沒有間斷,但是太陽能真正稱其為新能源是以現代綜合性技術應用為標志的。所以,新能源之“新”是指新技術應用而不是指能源本身。同時,新型電力系統之“新”也不僅指“形態”之新,而是電力系統的一系列創新之“新”,包括傳統電源、電網、用電、儲能等的創新,不僅是技術創新而且包括管理創新。

      新型電力系統所需的技術創新面臨著全新的挑戰。一方面是現有技術如何應用在新型電力系統之中以解決當前的實際問題,另一方面要構建型電力系統運行新理論體系,在新的理論體系下,如何推進更大的新術創新。面對碳中和的偉大歷史使命,現有成熟技術不足以支撐全面實現碳中要求,這需要電力系統持續不斷進行技術創新,尤其是呼喚顛覆性技術的出世。


      從問題導向和可以預見的技術發展來看,新型電力系統需要技術創新主要包括以下幾個方面:


      ——更高效率、更高質量、更低成本的太陽能、風能等新能源發電技術的持續性開發研究。


      ——太陽能、風能的隨機性、波動性以及負荷波動性預測技術,全面提高短、中、長周期預測精度,根據不同需求(如大電網需求和微電網需求),研發相應的預測模型;把對氣象要素預測與中長周期儲能、電源戰略備用及安全防范密切結合起來,形成新型電力安全預警防范體系。


      ——電力系統靈活性資源技術研究,包括電源側火電機組靈活性改造技術、電網側各種可控頻率、電壓、功角調節技術、用戶側儲能以及負荷集合需求響應技術等。


      ——更好適應轉動慣量電力系統下的功角、頻率、電壓穩定要求的電力電子技術應用和智能化模擬技術;以及適應低轉動慣量特性系統(需要新的電力系統穩定理論指導和新國家導則加以規范)的電力系統穩定技術。


      ——多種類型的適應不同時間響應、不同功能要求的儲能技術及相應商業模式創新。


      ——分布式能源系統、微電網系統以及實現特定功能的功能型電能網系統(如電動汽車充電網)等與大電網連接及運行機制創新,發揮優勢互相作用,以提高系統效能。


      ——破除傳統觀念,開展核電、水電適應新能源為主體的電力系統的運行模式的創新。


      ——研究年青的煤電如何因地制宜與經濟社會發展相協調的綠色、低碳、循環組合技術,使煤電在合理生命周期內發揮好綜合功能。


      ——對構成新型電力系統的(發、輸、變、配、用、儲、備)的關鍵設備、工程、環節、信息網絡、生產過程、重大運行機制等的安全性監測、評價、技術監督方法的研究。


      ——智能化電力系統集成創新,包括理論創新、技術創新、管理創新的研究,為供需耦合運行機制提供支撐。


      ——CCUS技術及碳匯技術研究,特別是與新型電力系統在不同發展階段應用的匹配性研究。


      六 基本進程


      新型電力系統構建必然貫穿于整個碳達峰、碳中和進程。由于新型電力系統構建是與各種要素之間互相協調配套的,不會發生先建一個新型電力系統,然后各要素再歸其位的情況。所以,在這個過程中,新型電力系統將逐步由化石能源電源為主導的電力系統,轉換為化石能源與新能源在功能主體上各半壁江山的電力系統,再轉換成以新能源主體的新型電力系統。從時間段上看,2035年左右是智能電網為主要特征的新能源與化石能源共領風騷的系統,此后電力系統加快向新能源為主體的狀態轉變,到碳中和階段,新型電力系統實際上演變成了一個高度智能化的能源互聯網系統。


      七 基本保障


      深化電力體制改革是構建新型電力系統的基本保障。不深化電力體制改革,就難以推動新型電力系統構建??傮w思路是要回歸電能的商品屬性的主體地位,包括電能質量(時空特性和物理特性)屬性,同時,要在商品屬性和一定的公共屬性之間劃好界線。在發揮好市場配置資源的決定性作用的同時,政府之手也要更加發揮好作用。中國實現碳中目標必然是“壓縮型”進程,如果沒有發揮好政府的作用,要么是政策遲滯、要么政策冒進,都會影響轉型的進程和質量。


      中國新型電力系統發展猶如一個充滿生機活力的少年一樣,而政策(包括規劃、標準等)猶如鞋子,太小、太大都不行,解決問題的辦法必然是經常換適合的新鞋,這就要求政策制定在方向和原則上體現出穩定性,在具體內容上和出臺時機上要人一定的靈活性和即時性。既要發揮好政策在促進新型電力系統發展中的“推動”而不是“沖動”作用,又要發揮好“阻尼”而不是“阻力”作用。

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