籌謀電力系統轉型發展之道

       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，電力行業轉型發展亟須解決新定位、新路徑等重點問題，并從工作方法、目標統籌層面創新破題。
（來源：微信公眾號“能源評論•首席能源觀”作者：張運洲）
新型電力系統構建之思
       “雙碳“目標下，電力行業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%以上用于發電。按照國際經驗，動力煤集中用于發電和供熱是相對高效清潔的利用方式，同時各行各業電氣化水平持續提升是大勢所趨。因此，電力行業的碳減排既要考慮逐步減少發電用煤用氣燃燒所產生的二氧化碳減量問題，還要考慮其他行業二氧化碳排放轉移到電力行業的影響。
       去年以來，國內各類研究機構紛紛開展電力行業“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略及路徑研究》電力行業子課題論證過程中，經過一年多的收資、研討和量化分析，取得以下幾點認識：
       準確研判電力行業在“雙碳”戰略中的定位十分重要。電力行業排放總量大是客觀事實，但其碳減排節奏和路徑應當算總賬、算大賬，也就是說，電力行業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各地區，并建立嚴謹的方法論，同步推進統計核算與動態監測考核，從而形成閉環體系。實踐已證明，電力行業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，電力行業要承擔其他行業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電滿足，電力行業排放達峰滯后于其他行業更符合規律，也有助于全社會提前達峰。
       合理調整以煤電為主的發電量結構是最大難題。煤炭的供需平衡和煤電的穩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。由于新能源發電的間歇性和波動性特征，電力系統高峰時段的電力電量平衡問題異常突出，煤電承擔靈活調節和電力平衡的功能越來越顯著。在電力行業低碳轉型過程中，穩妥處理好煤電發電量逐步消減和電力保供的關系至關重要。新能源發電量對煤電發電量的平穩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，歐洲由于新能源發電量不足疊加油氣供應短缺不得不增發煤電，這些均表明傳統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。
       電力行業碳減排采用“先慢后快”路徑總體更優。按照2060年電力系統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: 一是電力行業碳減排的節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、規模化新型儲能技術、大規模波動綠電制氫技術、大容量柔性直流輸電和組網技術、電力系統基礎理論和系統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不堪重負；三是制約電力行業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展是兼顧電力保供和低碳轉型的良方妙藥。傳統的電力系統要發輸供用瞬時平衡，維持頻率穩定、電壓穩定和功角穩定。近年來，為應對新能源出力不穩定的新概念不斷涌現，譬如，高彈性電網、高韌性電網、發電與用電解耦等。經過研究我認為，在電力供應側，除了大力發展新能源，還必須強調存量和增量匹配、各類發電組合優化。積極推進剩余水電資源開發，安全有序發展核電，因地制宜發展氣電，合理統籌抽水蓄能和新型儲能發展，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能力的煤電機組，還要抓緊對規模龐大的煤電機組分類實施靈活高效的技術改造。電網環節，應進一步加強區域和省間的電力交換能力，擴大西電東送規模。同時，配電網與新能源融合發展空間巨大，應調整過去的發展思路，促進新能源和新業態融合發展、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年需求側可利用規模將分別達到系統最大負荷的6%、15%以上。在需求側響應資源中，空調負荷和部分工業生產負荷應被優先調用，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低出力所引發的大規模缺電風險。
規劃方法創新之策
       過去我們常說，規劃的節約是最大的節約，規劃的浪費是最大的浪費，對于電力規劃而言更是如此。電力行業是裝備密集型產業，具有建設周期長、技術要求高、資金投入大的特點。電力發展容易產生路徑依賴和沉沒成本，一旦規劃出現較大偏差，損失不可低估。
       新形勢下，傳統的電力規劃方法存在局限性。傳統的電力規劃方法的核心要義是研究在規劃期內，基于一定的邊界條件，在滿足系統電力電量平衡要求和發用電可靠性要求的情況下，優化確定總成本最低的電源電網擴展方案。從規劃周期看，我國中長期規劃一般為5～15年，政府發布的往往是五年規劃。
在能源轉型和市場經濟環境雙重疊加下，傳統的電力規劃方法存在不適應性。
       一是新能源大發展使得傳統確定性規劃方法面臨新難題。做好電力規劃的基礎工作在于電力電量平衡，大部分傳統電源都是確定性電源，均是可調可控的，即使是水電，其發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。規劃與調度運行的最大不同是規劃決定裝機增量，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，在安排大規模新能源裝機的同時，不得不配置參與電力平衡的常規機組和儲能設施。這種配置和組合很難用確定性方法進行量化分析。
       二是電力市場發展會對傳統的電力規劃方法造成一定影響。傳統的電力規劃方法是根據專家經驗，擬訂滿足目標要求的幾種方案，在規劃期內將各類發電裝機、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劃方案。上述計算是通過規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，發電機組的上網電價和發電量由過去的指令性計劃安排逐漸轉變為市場決定，有的專業人士開始懷疑當初確定的規劃方案是否合理。我認為，規劃方案考慮的系統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劃，首先要考慮電力規劃方法的探索創新。應當把握好以下兩點。
       第一，電力規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，規劃設計單位開展電力規劃研究時，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化安排各類新增裝機規模，同時輸電網按照適度超前電源的原則安排擴展規模，這是確定性規劃方法的基本內核。有的機構也采用發電系統可靠性方法（LOLP值）對系統裝機充裕度進行校核。今后，隨著新能源裝機比例持續上升，需要創新方法工具研究規劃方案。目前，風電可用出力一般按裝機規模的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，這樣可以有效地發揮新能源的容量支撐功能，適度減少其他新增的調節電源，從而達到電力規劃方案的充裕性、可靠性和經濟性的平衡。下一步重點是在實踐中開發迭代升級相應的規劃設計軟件工具。
       第二，“雙碳”背景下的電力規劃要做到多重目標的統籌兼顧。首先，面對新形勢，電力發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，包括一次能源供應不穩定、價格上漲，包括新能源發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、企業及社會預警應急的協同能力不足等。其次，國內專業機構研究表明，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展方案，面臨的目標函數是多元復雜的，必須統籌兼顧，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）