籌謀電力系統(tǒng)轉型發(fā)展之道

       為應對氣候變化，我國明確提出實現“雙碳”目標的時間表：二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。新形勢下，電力行業(yè)轉型發(fā)展亟須解決新定位、新路徑等重點問題，并從工作方法、目標統(tǒng)籌層面創(chuàng)新破題。
（來源：微信公眾號“能源評論•首席能源觀”作者：張運洲）
新型電力系統(tǒng)構建之思
       “雙碳“目標下，電力行業(yè)需要明確在新的歷史進程中的新定位，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%，這是因為長期以來我國能源消費以煤炭為主，2021年煤炭消費占一次能源消費總量的比重仍高達56%，比國際平均水平高出約30%，其中煤炭50%以上用于發(fā)電。按照國際經驗，動力煤集中用于發(fā)電和供熱是相對高效清潔的利用方式，同時各行各業(yè)電氣化水平持續(xù)提升是大勢所趨。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生的二氧化碳減量問題，還要考慮其他行業(yè)二氧化碳排放轉移到電力行業(yè)的影響。
       去年以來，國內各類研究機構紛紛開展電力行業(yè)“雙碳”目標及路徑研究，也取得了一些階段性成果。我在參與中國工程院重大咨詢專項《我國碳達峰碳中和戰(zhàn)略及路徑研究》電力行業(yè)子課題論證過程中，經過一年多的收資、研討和量化分析，取得以下幾點認識：
       準確研判電力行業(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，但其碳減排節(jié)奏和路徑應當算總賬、算大賬，也就是說，電力行業(yè)碳減排進程應取決于國家如何以較低的代價實現“雙碳”全局目標的總體部署。這需要科學的頂層設計。中央于2021年10月發(fā)布了“雙碳”政策體系的綱領性文件，下一步還要將碳減排總量目標按時間進度分解到各行業(yè)各地區(qū)，并建立嚴謹的方法論，同步推進統(tǒng)計核算與動態(tài)監(jiān)測考核，從而形成閉環(huán)體系。實踐已證明，電力行業(yè)碳減排不等于簡單地去煤電，新能源增長需要與電源組合、電網結構布局調整以及負荷的能動性相匹配，電力的清潔低碳轉型絕不可能一蹴而就，而需要經歷一個漸進的過程。未來相當長時期內，電力行業(yè)要承擔其他行業(yè)電氣化帶來的碳排放轉移，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)排放達峰滯后于其他行業(yè)更符合規(guī)律，也有助于全社會提前達峰。
       合理調整以煤電為主的發(fā)電量結構是最大難題。煤炭的供需平衡和煤電的穩(wěn)定運行事關我國能源安全及電力供應安全。國際上正經歷去煤化的浪潮，目前我國煤電發(fā)電量占比超過60%，整體上也面臨逐步減量的壓力。由于新能源發(fā)電的間歇性和波動性特征，電力系統(tǒng)高峰時段的電力電量平衡問題異常突出，煤電承擔靈活調節(jié)和電力平衡的功能越來越顯著。在電力行業(yè)低碳轉型過程中，穩(wěn)妥處理好煤電發(fā)電量逐步消減和電力保供的關系至關重要。新能源發(fā)電量對煤電發(fā)電量的平穩(wěn)替代方案必須經過全方位謹慎分析論證。2021年下半年，國內由于缺煤停機而產生限電現象，歐洲由于新能源發(fā)電量不足疊加油氣供應短缺不得不增發(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)實現碳中和目標考慮，假設碳減排存在“先慢后快”“勻速下降”和“先快后慢”三種路徑，在碳預算總量不變的情況下，經過比較論證，結果顯示：“先慢后快”路徑的技術經濟綜合評價相對更好。
       原因有三點: 一是電力行業(yè)碳減排的節(jié)奏必須以確保電力供應安全為先決條件，我們對新能源的高速增長帶來的正反兩方面效應，現階段的認知還不夠清晰；二是新型電力系統(tǒng)需要的低碳技術尚處于攻克突破階段，比如CCUS（碳捕集利用與封存）技術、規(guī)模化新型儲能技術、大規(guī)模波動綠電制氫技術、大容量柔性直流輸電和組網技術、電力系統(tǒng)基礎理論和系統(tǒng)運行控制集成技術等，這些技術要么不成熟，要么應用推廣成本令企業(yè)不堪重負；三是制約電力行業(yè)低碳轉型的體制機制因素也不容忽視，相關政策的效果還需要實踐檢驗。
       推進供需兩端多元化發(fā)展是兼顧電力保供和低碳轉型的良方妙藥。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)要發(fā)輸供用瞬時平衡，維持頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定。近年來，為應對新能源出力不穩(wěn)定的新概念不斷涌現，譬如，高彈性電網、高韌性電網、發(fā)電與用電解耦等。經過研究我認為，在電力供應側，除了大力發(fā)展新能源，還必須強調存量和增量匹配、各類發(fā)電組合優(yōu)化。積極推進剩余水電資源開發(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能發(fā)展，這些舉措一個都不能少。
       需要強調的是，2030年前，需要建設一批高參數且具備深度調節(jié)能力的煤電機組，還要抓緊對規(guī)模龐大的煤電機組分類實施靈活高效的技術改造。電網環(huán)節(jié)，應進一步加強區(qū)域和省間的電力交換能力，擴大西電東送規(guī)模。同時，配電網與新能源融合發(fā)展空間巨大，應調整過去的發(fā)展思路，促進新能源和新業(yè)態(tài)融合發(fā)展、同步增長。
       面向需求端，我們一定要轉變觀念。過去相當長時期內，全社會都把重點放在擴展供應能力上。今后進入高質量發(fā)展階段，應對新能源的波動性需要多管齊下，采用市場化辦法充分調動用戶端資源參與電力電量平衡，不失為投入產出效益較佳的選擇。預計2030年、2060年需求側可利用規(guī)模將分別達到系統(tǒng)最大負荷的6%、15%以上。在需求側響應資源中，空調負荷和部分工業(yè)生產負荷應被優(yōu)先調用，通過電價等經濟激勵信號促進用戶改變用能計劃，有效降低負荷峰值。“十四五”期間，一方面應加快需求響應的市場機制建設；另一方面還要做好有序用電預案保底，以此應對極端天氣和新能源連續(xù)低出力所引發(fā)的大規(guī)模缺電風險。
規(guī)劃方法創(chuàng)新之策
       過去我們常說，規(guī)劃的節(jié)約是最大的節(jié)約，規(guī)劃的浪費是最大的浪費，對于電力規(guī)劃而言更是如此。電力行業(yè)是裝備密集型產業(yè)，具有建設周期長、技術要求高、資金投入大的特點。電力發(fā)展容易產生路徑依賴和沉沒成本，一旦規(guī)劃出現較大偏差，損失不可低估。
       新形勢下，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，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擴展方案。從規(guī)劃周期看，我國中長期規(guī)劃一般為5～15年，政府發(fā)布的往往是五年規(guī)劃。
在能源轉型和市場經濟環(huán)境雙重疊加下，傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法存在不適應性。
       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，均是可調可控的，即使是水電，其發(fā)電過程也可按照豐水、平水、枯水期分別考慮參加電力電量平衡。但新能源大量并網后的情況不一樣了，新能源的出力隨機性強，在規(guī)劃階段的年出力只能依據歷史數據和預測模型給出概率性判斷，尤其是風電年出力曲線存在很大的不確定性。規(guī)劃與調度運行的最大不同是規(guī)劃決定裝機增量，調度運行決定存量和增量機組如何使用。新能源的電量價值遠高于容量價值，意味著按照備用率指標或可靠性指標，在安排大規(guī)模新能源裝機的同時，不得不配置參與電力平衡的常規(guī)機組和儲能設施。這種配置和組合很難用確定性方法進行量化分析。
       二是電力市場發(fā)展會對傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法造成一定影響。傳統(tǒng)的電力規(guī)劃方法是根據專家經驗，擬訂滿足目標要求的幾種方案，在規(guī)劃期內將各類發(fā)電裝機、輸配電工程的固定成本和運行維護成本集合歸算到基準年總費用，一般情況下推薦總費用最低的規(guī)劃方案。上述計算是通過規(guī)劃與生產模擬軟件工具完成的，起關鍵作用的是假定的基礎邊界參數。隨著電力市場的建立健全，發(fā)電機組的上網電價和發(fā)電量由過去的指令性計劃安排逐漸轉變?yōu)槭袌鰶Q定，有的專業(yè)人士開始懷疑當初確定的規(guī)劃方案是否合理。我認為，規(guī)劃方案考慮的系統(tǒng)運行方式屬于典型的運行方式，沒有必要也不可能涵蓋市場運行和調度運行方式的千變萬化。但在規(guī)劃方案中確有必要考慮市場化因素，比如電價與成本的關系、短期邊際成本競爭與輸電能力匹配的關系、需方響應功率與最高負荷預測的關系，進而進行敏感性校核，那么規(guī)劃選擇的電源電網配置方案的偏差就會大幅縮小。
新形勢下做好電力規(guī)劃，首先要考慮電力規(guī)劃方法的探索創(chuàng)新。應當把握好以下兩點。
       第一，電力規(guī)劃要從過去的確定性方法調整為確定性方法與概率性方法并重。過去，規(guī)劃設計單位開展電力規(guī)劃研究時，只有負荷曲線是不確定的。一般按照最高負荷需求，考慮合理的各類備用后優(yōu)化安排各類新增裝機規(guī)模，同時輸電網按照適度超前電源的原則安排擴展規(guī)模，這是確定性規(guī)劃方法的基本內核。有的機構也采用發(fā)電系統(tǒng)可靠性方法（LOLP值）對系統(tǒng)裝機充裕度進行校核。今后，隨著新能源裝機比例持續(xù)上升，需要創(chuàng)新方法工具研究規(guī)劃方案。目前，風電可用出力一般按裝機規(guī)模的10%～15%考慮，光伏按零出力考慮（晚高峰時段光伏零出力），算出的規(guī)劃方案比較保守，可能會損失一定的經濟性。國際上越來越多的研究表明，基于概率性指標，提出新能源在高峰時段參加電力平衡的出力波動范圍，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節(jié)電源，從而達到電力規(guī)劃方案的充裕性、可靠性和經濟性的平衡。下一步重點是在實踐中開發(fā)迭代升級相應的規(guī)劃設計軟件工具。
       第二，“雙碳”背景下的電力規(guī)劃要做到多重目標的統(tǒng)籌兼顧。首先，面對新形勢，電力發(fā)展的任務必須滿足幾個目標，一是安全保供，二是低碳轉型，三是向用戶提供可承受的電價，四是滿足用戶多樣性個性化需求。在發(fā)展的不同階段，這幾個目標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險與挑戰(zhàn)，包括一次能源供應不穩(wěn)定、價格上漲，包括新能源發(fā)電的不可預期和極端天氣造成的電力設施損壞，還包括政府、企業(yè)及社會預警應急的協(xié)同能力不足等。其次，國內專業(yè)機構研究表明，隨著新能源裝機比例上升，至少在2030年前國內電力系統(tǒng)的總體成本是上升的，近年來德國和英國的實踐經驗也佐證了這一點。成本上升問題也是近中期規(guī)劃難點，政府部門應遵循電能的商品屬性原則，在終端電價中適時疏導成本。最后，伴隨著分布式新能源的蓬勃興起，大電網與微電網并行融合是大趨勢，一批“產消者（Prosumer ）”用戶應運而生。綜上所述，低碳轉型的目標是一個長期目標，急不得也等不得。新形勢下研究電力發(fā)展方案，面臨的目標函數是多元復雜的，必須統(tǒng)籌兼顧，分清主次，通過多因素敏感性分析給出各種方案的選擇要點。
（作者系國網能源研究院原院長，本文僅代表個人觀點）