2020年末到2021年初，內蒙、甘肅、湖南、江西等多地出現了供電緊張局面，一方面是因為上述地區(qū)負荷同比增長較快，但另一方面是因為水電和風光等可再生能源有效裝機容量較低，本地火電機組近年來發(fā)展受限，難以應對快速增長的冬季負荷需要。國家發(fā)展改革委1月19日的新聞發(fā)布會上指出，為了30·60雙碳目標，我國將繼續(xù)推進能源體系清潔低碳發(fā)展，構建高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，3月15日召開的中央財經委員會第九次會議，提出構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，再次肯定依靠大電網模式消納可再生能源是當前技術條件下的唯一可靠途徑。由于可再生能源發(fā)電的隨機性和波動性，其有效容量遠低于銘牌容量，不能簡單將可再生能源的裝機銘牌容量匹配負荷需求。對比新能源裝機世界領先的歐盟28國，其傳統(tǒng)電源容量就是一直保持與最大負荷相當（4.86:4.5），作為系統(tǒng)有效容量的主要來源。因此，即使在新能源為主體（電量）的新型電力系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)供熱供電安全穩(wěn)定，仍然必須在電力系統(tǒng)中儲備足夠的可調機組作為備用電源，提供有效容量，彌補可再生能源的“先天不足”。從目前的技術經濟條件看，傳統(tǒng)火電機組無疑是備用電源的最佳選擇，需要在未來的電源規(guī)劃中做好選擇和管理。
火電機組是現有技術經濟條件下 備用電源的主要來源
按照規(guī)劃，到2030年，我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上（較2019年增長近8億千瓦），同時水電也會大規(guī)模發(fā)展。由于水電和風光等可再生能源發(fā)電出力具有可變性、間歇性和隨機性等特點，其發(fā)電出力不可控、預測困難，存在發(fā)電多年不均、季節(jié)不均甚至每一時刻都不同的情況，對電網保障用戶連續(xù)穩(wěn)定用電造成了巨大影響。在電力能夠大規(guī)模經濟存儲之前，即在電能量出現“庫存”之前，要實現清潔、可靠供電，保障新能源消納，只有依靠配備足夠備用的大電網系統(tǒng)。現有技術經濟條件下，有效備用容量由可調節(jié)性的電源或者負荷提供，可供選擇的技術路線有儲能、需求側響應（負荷側虛擬電廠）和火電機組。既然這么多技術路線，在現有技術經濟條件下，為什么火電才是唯一的備用電源可行選擇呢？這要從備用的分類談起，電力系統(tǒng)并非只需要旋轉備用一種備用，為了保證連續(xù)可靠供電電網需要年度、季度、月度、日、旋轉備用五個維度的備用，五個維度的備用缺一不可，否則就會出現相應維度上的可靠性問題，目前只有火電機組能夠經濟的提供上述五個維度的備用。具體分析如下：
一是儲能備用電源成本過高。近年來，儲能工程技術得到了較大進步，已經發(fā)展為多種能量存儲方法，按存儲能量類別可分為物理儲能（抽蓄、飛輪、熱儲能、重錘等）、電化學儲能（蓄電池等）和氫儲能（電解制氫）。儲能最大的優(yōu)勢是可充可放、響應速度快，在一次調頻中作用明顯，適用于功率型應用。目前作為電量型應用的電儲能技術仍然不成熟，較為成熟的抽水蓄能和化學電池儲能也只能滿足滿負荷放電2-4小時，4小時放電的抽水蓄能電站單位造價是火電機組的約1.6倍，4小時放電能力的化學電池儲能單位造價是火電機組的約2倍。同時，4小時的抽水蓄能電站和化學電池儲能僅具備提供日備用和旋轉備用的能力，如果要提供日以上的備用，增加多少放電時間，化學電池的造價就要增加多少倍，而抽水蓄能電站受場地限制不具備無限制擴大水庫的能力。必須要指出的是，近期化學電池儲能的造價之高是難以想象的，例如高比例可再生能源的電力系統(tǒng)只以化學電池儲能為五個維度的備用電源，全國則需要100萬億以上投資，是目前全國電網資產的20倍以上。所以化學電池儲能目前還不具備成為消納新能源大體量備用電源選擇的條件，只能作為調頻響應的輔助電源，“電力不具備大規(guī)模經濟存儲條件”的規(guī)律在可預見的時間內仍然有效。
二是需求側管理作為備用容量的作用有限。國內在供電緊張期間，一般會加強用電管理，以有序用電改變用戶的用電方式，這是帶有明顯計劃色彩的強制行政命令，并不是市場價格引導下的需求側管理，性價比低，難于大規(guī)模、高頻次使用。隨著可再生能源裝機越來越多，行業(yè)內加大了對需求側管理技術的研究，希望用需求側管理來控制負荷，使其跟隨發(fā)電出力波動，以保持系統(tǒng)平衡。需求側管理類似反向調節(jié)的虛擬電源，能夠承擔與電源相同的備用作用，可以減少系統(tǒng)對備用容量的需求，降低系統(tǒng)運行費用，而且對電力系統(tǒng)頻率的控制速度快，效果好。用戶側安裝化學電池儲能設施提供備用的問題與發(fā)電側采用化學電池儲能的問題相同，下面僅討論不需安裝化學電池儲能設施便能提供需求側響應的用戶。從現有的研究和實踐看，國外需求側管理主要在6個工業(yè)領域開展，包括化學品、有色金屬、冷藏行業(yè)、鋼鐵、紙張和水處理，一般要求生產工藝中存在無人值守的生產環(huán)節(jié)，但是由于需求側管理容易對生產生活造成較大影響，容量不可能太大，也不可能持續(xù)很長時間，不能實現連續(xù)24小時以上的響應，無法提供季節(jié)、年度性備用。畢竟需求側響應的本質還是負荷，用電生產才是其主業(yè)，丟了訂單相當于丟了市場，長此以往影響企業(yè)經營發(fā)展，更重要的是由于短期內國內電力市場不夠完善，對需求側管理沒有形成價格激勵，不能清晰梳理需求側管理的成本。例如，國內華東某省需求側管理過程中少用一度電需要補貼4元，年度補貼總額遠超火電機組提供容量備用所需的年度費用水平。
三是火電備用電源提供系統(tǒng)備用具有先天優(yōu)勢。首先，火電機組能夠提供全部五個維度的備用服務，其次，火電機組運行除了提供備用，還可以提供系統(tǒng)必須的轉動慣量，這是其他備用電源技術不具備的優(yōu)勢，再次，火電機組造價隨著技術進步大幅下降，單位造價在2600-3800元人民幣之間，并且不隨提供備用的時間延長而增加造價，最后，火電機組廠址條件要求不高，易于選擇場地，占地面積遠遠小于其他備用電源技術。
當然，火電機組在生產中不可避免要產生碳排放，這似乎與雙碳目標有一定沖突，不過必須要澄清的是，碳達峰碳中和目標中是要盡可能減少碳排放，而不是不排放。對電力系統(tǒng)而言，完成雙碳目標應該是大規(guī)模削減火電機組的發(fā)電量，而不是削減火電機組的容量?；痣姍C組作為成熟的發(fā)電技術，與其相關的高技術措施仍在快速發(fā)展，火電機組效率逐年升高，度電碳排放強度逐年下降，而且通過對污染物的有效控制，各類節(jié)能減排技術可以使火電機組不再是污染的代名詞。通過合理的技術、經濟手段引導，加強植樹造林、利用節(jié)能減排等技術措施，完全可以抵消“大容量、小電量”方式生存的火電自身產生的二氧化碳排放量，完全可以實現碳達峰和碳中和。
從近年來北美加州、德州等異常天氣出現的電力供應問題的事后分析來看，在異常天氣下，最為可靠的機組就是“燃料現場儲存”的煤機和核電機組，因為燃氣機組大規(guī)模存儲燃料困難。有學者提出，電力規(guī)劃應考慮災害情況下足量的“燃料現場儲存”機組，甚至比聯網更重要。
火電機組 作為容量備用電源的選擇原則
由于大量建設備用火電機組會產生較大的經濟代價，必須科學合理地配置不同維度容量備用功能的火電機組，切不可追求可靠性的百分之百，否則將產生不可承受的經濟代價，尤其是在類似北美加州和得州異常天氣情況下，不能要求依靠容量備用機組實現系統(tǒng)“安然無恙、連續(xù)供應”，如確實出現達到災害等級的天氣條件，則應以保證民生和公益事業(yè)用電為目標考慮“燃料現場儲存”的機組容量。在非災害等級天氣條件下，應根據對系統(tǒng)備用的作用側重不同，按照年度備用、季度備用、月度備用、日備用和旋轉備用的分類方式進行合理選擇，并對各類備用機組進行精細化管理，進一步減少備用電源對系統(tǒng)的經濟性影響。同時，由于火電能夠提供各類型備用，應統(tǒng)籌考慮。
1、年度備用機組
由于可再生能源出力年度分布不均，存在大小年，而且為了應對個別年度的變幅較大天氣造成的用電負荷突增和供熱不足等問題，必須設置年度備用機組。年度備用機組正常狀態(tài)不實際發(fā)電，只在應對電網特殊情況時才會啟動，年度利用小時數極低。而平時需要進行環(huán)保改造和設備維護，只在年度迎峰度夏和迎峰度冬兩季之前做好啟動準備，這類機組備用會造成電網運行費用上升，一般不需要太多，一個省級電網內保留1-2座電站即可，容量也不需要太大，不高于該省正常年度負荷的10%或該省可再生能源近5年資源最小年與平均水平的差值。為了節(jié)約整個系統(tǒng)費用，年度備用機組可以利用已經完成資產折舊，被列入關停序列的機組，在其達到環(huán)保、安全標準的前提下，對其進行科學合理的延期增壽管理，利用其作為負荷中心的地理位置，在可再生能源特低年為系統(tǒng)提供必要電力支撐。如無合適的老舊機組，應當考慮盡快新建，但應要求新建機組優(yōu)先于燃煤經濟型指標，考慮停備維護經濟指標。
2、季度備用機組
由于可再生能源出力存在的季節(jié)性分布不均，豐枯季節(jié)明顯，特別是北方地區(qū)冬季供暖季，為了保證供電供暖安全，需要設置季度供暖備用機組。季度備用機組只在一年中某一個季節(jié)內啟動，承擔系統(tǒng)當季內的基本負荷，緩解系統(tǒng)季節(jié)性電力、熱力短缺，年度利用小時很低，但在某一季節(jié)具備一定的利用小時數。季度備用機組的長期備用也會造成系統(tǒng)運行成本上升，為了響應新能源季節(jié)性波動或者北方冬季供暖大負荷，大中型城市可以保留1-2座中型電站，容量設置以滿足本地可再生能源近5年內季節(jié)出力差的平均水平和熱高峰的極值為宜。為了降低系統(tǒng)經濟影響，應該選擇備用成本較低機組作為季度備用，例如對老舊供熱機組延期增壽或者新建高背壓燃煤熱電聯產機組，減小對系統(tǒng)經濟性的影響。
3、月度備用機組
由于可再生能源存在月度的不均勻性，系統(tǒng)中需要按月啟停的月度備用機組。此類機組在大風月、大汛期時選擇停運，為可再生能源出讓發(fā)電空間，保證新能源消納，年度利用小時數較年度備用和季度備用機組有較大增加，設備利用率較高。月度備用容量以滿足控制區(qū)內年度可再生能源年度最大發(fā)電出力與最小發(fā)電出力差為宜，但是此類機組啟停較為頻繁，可以新建適應頻繁啟停的低參數燃煤機組和燃氣蒸汽聯合循環(huán)機組，或者將現有燃煤機組進行改造，使其適應頻繁的啟停調節(jié)，以減小固定投資成本，減少對系統(tǒng)經濟性影響。
4、日備用機組
由于光伏發(fā)電的日波動性較強，而且為了30·60目標，光伏發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展，造成系統(tǒng)內日調峰需求越來越大，需要日啟停備用的電源將越來越多。日備用容量以滿足控制區(qū)內光伏最大出力波動為準，以山東為例，2020年光伏裝機達2272萬千瓦，山東電網的日備用容量必須達到2300萬千瓦。日調峰備用機組啟停最頻繁，甚至是需要每日啟停，以適應風光波動對系統(tǒng)的影響，且對爬坡速率有一定要求，應規(guī)?；陆ㄈ細鈫窝h(huán)尖峰機組，不宜選用聯合循環(huán)機組。
5、旋轉備用
由于風電的波動性、隨機性，為了維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，必須設置系統(tǒng)旋轉備用電源，并且該部分旋轉備用電源應具備非常強的快速爬坡能力。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術導則》規(guī)定，系統(tǒng)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(tǒng)中一臺最大機組或饋入最大容量直流的單級容量。風電、太陽能等新能源裝機較多的地區(qū)，需結合風光發(fā)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，2030年-2060年，我國風光新能源裝機規(guī)模要達到40%-70%，如此高比例的風光發(fā)電接入系統(tǒng)，將迫使系統(tǒng)預留備用的比例大大增加，也將迫使《電力系統(tǒng)技術導則》重新修訂標準。旋轉備用機組最小負荷應以滿足電網控制區(qū)內旋轉慣量的最低要求，旋轉備用容量以滿足風電功率預測波動為準。按照24小時風電功率預測準確率80%，旋轉備用容量應控制在風電最大出力的20%為宜。為了減少旋轉備用電源對系統(tǒng)經濟性的影響，旋轉備用電源應選擇變動成本較小、旋轉慣量大、爬坡能力強的高參數大容量燃煤機組，或者高參數的燃氣聯合循環(huán)機組。
上述備用機組容量計算并非需要硬性疊加，而是可以通過不同維度備用火電電源組合，以備用成本最低為優(yōu)化目標。備用電源是促進新能源消納的必要手段，也是實現30·60雙碳目標的必然技術措施，但是其會大幅增加系統(tǒng)運行費用形成新能源的消納成本。為了盡量減少固定投資和不必要的備用資源浪費，對于備用機組的選擇和管理，需要堅持市場化的選擇標準，老舊機組和完成折舊的火電機組是最為經濟的選擇。
“十四五”備用電源規(guī)劃展望
為了30·60雙碳目標的實現，適應未來高比例新能源的電力、熱力供應穩(wěn)定，在國內供需普遍較為寬松和市場建設進程加快的背景下，需要及早做好火電機組等傳統(tǒng)備用電源的規(guī)劃，應對未來的“兩高一低”（即高可再生能源、高電力電子設備、持續(xù)降低的轉動慣量）特征對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)。展望“十四五”工作，建議注意以下三方面內容：
一是合理確定傳統(tǒng)電源容量與新能源占比。根據30·60目標的推算，2030年-2060年，我國風光新能源裝機規(guī)模要達到40%-70%。而由于風光新能源自有的不友好特性，將對電力系統(tǒng)的旋轉慣量和旋轉備用容量產生較大影響，威脅系統(tǒng)運行安全。為了保證電力系統(tǒng)的供應安全，需要合理確定傳統(tǒng)機組容量與新能源占比。根據需要消納的新能源容量和系統(tǒng)必須的最小旋轉慣量要求，扣除系統(tǒng)內運行的核電機組和水電機組有效容量，確定傳統(tǒng)火電的最小運行容量和一次調頻的備用容量。根據新能源波動性和間歇性特點，按照新能源預測誤差、小時級波動量和日內波動量，根據可調節(jié)機組自動發(fā)電控制（AGC）需求的提升量，確定旋轉備用容量和日備用容量。根據系統(tǒng)負荷需求，扣除系統(tǒng)內的核電機組、水電機組和新能源等各種能源的有效容量，確定傳統(tǒng)電源的最終的全部備用容量。
二是利用系統(tǒng)模擬仿真定量確定火電備用容量規(guī)劃?；痣妭溆萌萘恳?guī)劃工作必須考慮經濟、可靠、清潔的不可能三角，“不惜代價”、“人定勝天”的思維方式，必須在未來電力規(guī)劃中得到徹底的摒棄?，F代的電力容量備用規(guī)劃工作要更加注重定量分析，而非定性決策，改典型運行方式分析為目標年連續(xù)生產仿真。在做好火電備用容量規(guī)劃定量規(guī)劃時，需要運用基于電力安全運行的系統(tǒng)時序生產模擬的連續(xù)電力規(guī)劃仿真。電力規(guī)劃仿真是通過離線計算的手段模擬未來一年甚至更長時間的連續(xù)運行情況。電力規(guī)劃仿真根據未來電力、熱力需求預計，仿真優(yōu)化計算每個小時每臺發(fā)電機組開機狀態(tài)、出力，并進行潮流計算，自動地滾動模擬各目標年8760小時的電力系統(tǒng)運行，根據目前電源數據、電網數據、負荷數據、燃料價格等，以全系統(tǒng)電價水平最低為目標，滿足負荷平衡約束、機組運行約束和電網安全約束，實現合理運行備用需求量化分析、調節(jié)需求量化分析、棄風棄光（即可再生能源消納量量化分析）、常規(guī)機組發(fā)電量影響量化分析、系統(tǒng)供電可靠性（計算LOLE、EENS等）影響量化分析、傳統(tǒng)電源的最優(yōu)規(guī)劃。
三是優(yōu)化“上大壓小”、淘汰關停小火電的火電政策。我國電力工業(yè)長期執(zhí)行的“上大壓小”、淘汰關停小火電政策，曾經對我國電力工業(yè)更新換代、產業(yè)轉型升級起到了至關重要的作用。在未來電力規(guī)劃中，特別是面對未來高比例新能源的電力環(huán)境，未來火電機組成為主要備用容量，“大容量，小電量”將成為常態(tài)，新建高參數火電機組將不能發(fā)揮出明顯優(yōu)勢，“上大壓小”、淘汰關停小火電政策需要進行優(yōu)化調整，不應以能耗水平一票否決在運機組。同時，現存的老舊機組和完成折舊的火電機組，由于其基本處于負荷中心，接入位置好，可以更好地發(fā)揮出電力、熱力的備用作用，投資成本低，對系統(tǒng)經濟性影響小。所以需要根據新情況調整“上大壓小”、淘汰關停小火電的火電政策，將現存火電機組進行科學分類，根據真實負荷需求規(guī)劃新的火電項目，使其以不同的備用電源形式參與到新的歷史使命中，為國家盡早實現碳達峰、碳中和目標做出新的貢獻。
30·60雙碳目標將指引我國電力行業(yè)的發(fā)展方向，面對高比例新能源消納的新形勢，電力行業(yè)在需要“十四五”電力規(guī)劃中就開始做好火電機組備用電源的選擇和管理，做好電力安全運行規(guī)劃?；痣娖髽I(yè)也要積極履行系統(tǒng)備用的職責和義務，做好設備管理和維護，做到關鍵時刻靠得住、危急時刻頂得上、需要時刻轉得穩(wěn)，為國家30·60目標作出自身應有的貢獻。（南方能源觀察）
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