電力系統(tǒng)靈活性不足制約可再生能源發(fā)展，已經(jīng)成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題?！秷?bào)告》研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，2016至2018年間，中國棄風(fēng)棄光電量共計(jì)1389億千瓦時(shí)，相當(dāng)于3000萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應(yīng)約350億元燃煤成本和4000萬噸二氧化碳排放。即使全額保障性收購等強(qiáng)制性政策的實(shí)施使棄風(fēng)棄光總量較之前有明顯改善，2019年的棄風(fēng)棄光總量仍高達(dá)215億千瓦時(shí)，相當(dāng)于450萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應(yīng)約50億元燃煤成本和600萬噸二氧化碳排放。
綠色和平氣候與能源項(xiàng)目主任李丹青表示：“在2019年全國非化石能源發(fā)電量占比32.6%的情況下，電力系統(tǒng)就已經(jīng)普遍面臨并網(wǎng)難、消納難、調(diào)度難等問題，這說明中國以煤電為主的電力系統(tǒng)還沒有為可再生能源的有效接入做好轉(zhuǎn)型準(zhǔn)備，無法適應(yīng)未來可再生能源裝機(jī)占比逐年上升的趨勢。”
“事實(shí)上，要想從根本上解決可再生能源與傳統(tǒng)煤電在電力系統(tǒng)中的矛盾，不能完全寄希望于現(xiàn)有煤電機(jī)組的靈活性改造。由于種種原因，十三五原定的2.2億千瓦煤電改造目標(biāo)，至今只落實(shí)了四分之一。從中長期來看，由于煤電的靈活性改造技術(shù)、成本投入和環(huán)境影響等方面存在局限性，繼續(xù)增加煤電裝機(jī)將會推高常規(guī)機(jī)組的最小開機(jī)出力，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的向下靈活調(diào)節(jié)能力不足，不利于高比例可再生能源的消納，也不利于中國在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。”李丹青補(bǔ)充解釋說。
《報(bào)告》第一作者袁家海教授認(rèn)為，要打破當(dāng)前僵化的電力市場分配格局，關(guān)鍵是挖掘當(dāng)前各類靈活性資源的潛力，以新的電力規(guī)劃理念引導(dǎo)“源網(wǎng)荷儲”靈活性資源發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。“有些歐美國家的靈活性電源占比已經(jīng)超過30%，而我國的靈活性電源目前只有6%，相當(dāng)大的資源潛力尚未被發(fā)掘和調(diào)配。”
《報(bào)告》系統(tǒng)分析了中國電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)各類靈活性資源的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性，以及中國目前技術(shù)型、市場型和規(guī)劃型靈活性發(fā)展的現(xiàn)狀和發(fā)展空間，綜合考量靈活性資源成本和時(shí)間尺度，提出了針對中國的電力系統(tǒng)靈活性提升路線圖?！秷?bào)告》還選取可再生能源消納矛盾突出的吉林省為例，分別模擬了6種電力系統(tǒng)運(yùn)行情景，其中在高滲透率算例中，加入多種靈活性資源較僅依靠煤電靈活性改造，棄風(fēng)電量將可減少39.9%，煤電啟停次數(shù)和啟停成本分別下降27.19%和25%。
【下方為：報(bào)告摘要】
研究顯示，靈活性多元提升路徑有望解開電力系統(tǒng)僵化難題
中國能源行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，亟需盡快解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與可再生能源消納不匹配的矛盾。目前，由于中國電力系統(tǒng)中煤電裝機(jī)比例過高、系統(tǒng)靈活性嚴(yán)重不足，導(dǎo)致可再生能源長期面臨棄風(fēng)棄光問題?，F(xiàn)有的五年期電力規(guī)劃沒有同步配置靈活性資源，一定程度上制約了能源轉(zhuǎn)型下的可再生能源發(fā)展，并對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性造成挑戰(zhàn)。綠色和平與袁家海教授研究團(tuán)隊(duì)共同開展研究，并于2020年10月22日發(fā)布《中國電力系統(tǒng)靈活性的多元提升路徑研究》報(bào)告（以下簡稱《報(bào)告》），以探究提升中國電力系統(tǒng)靈活性的可行方案。
《報(bào)告》指出，面向2030年非化石能源發(fā)電量占比50%的目標(biāo)，僅依靠煤電機(jī)組靈活性改造無法滿足電力系統(tǒng)的靈活性需求。煤電靈活性改造的成本、頻繁啟停的成本以及相應(yīng)的環(huán)境影響將使煤電機(jī)組靈活性改造的長遠(yuǎn)作用受限，甚至?xí)Ц唠娏ο到y(tǒng)的總體供電成本，不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。本報(bào)告以吉林省為例，通過電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬對靈活性進(jìn)行定量分析，為中國各省份靈活性的提升提供了參考。分析發(fā)現(xiàn)，在高滲透率算例中，加入多種靈活性資源較僅依靠煤電靈活性改造，棄風(fēng)電量將可減少39.9%，煤電啟停次數(shù)和啟停成本分別下降27.19%和25%。氣電、儲能、需求響應(yīng)和電網(wǎng)互濟(jì)等多種靈活性資源互配可以在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)刻快速改變出力，為未來的電力系統(tǒng)靈活性提供有力補(bǔ)充，并進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低排放，值得各省借鑒。
中國可再生能源高比例發(fā)展愿景
國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會上提出，中國力爭2030年前碳排放達(dá)峰，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。這意味著中國將在未來十年全面實(shí)現(xiàn)能源和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的深度低碳轉(zhuǎn)型。可再生能源的發(fā)展可以從根源上促進(jìn)電力系統(tǒng)的清潔低碳化，緩解資源約束和生態(tài)環(huán)境壓力，是建設(shè)美麗中國和應(yīng)對氣候變化問題的關(guān)鍵前提。
為實(shí)現(xiàn)中國中長期可再生能源高比例發(fā)展的愿景，預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)電和光伏發(fā)電總裝機(jī)將突破9億千瓦，中電聯(lián)預(yù)測風(fēng)光總裝機(jī)將達(dá)10億千瓦。由于以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的間歇性可再生能源發(fā)電天然具有波動性，其發(fā)電占比的不斷提升使系統(tǒng)凈負(fù)荷波動增大。然而，靈活性資源的同步配置緩慢且欠缺規(guī)劃，使電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。為保障中國可再生能源的中長期發(fā)展和可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的收益，中國各省份亟需整合分析區(qū)域電力系統(tǒng)靈活性資源現(xiàn)狀和供需能力，研究如何經(jīng)濟(jì)地調(diào)用各類靈活性資源以保持電力供需動態(tài)的平衡，從根本性上破解新能源消納難題。
靈活性資源配置落后，可再生能源發(fā)展受限
目前，中國電力系統(tǒng)中煤電裝機(jī)比例過高，致使系統(tǒng)靈活性嚴(yán)重不足。當(dāng)煤電規(guī)模超過一定閾值時(shí)，煤電與可再生能源形成競爭關(guān)系，進(jìn)一步限制可再生能源的出力水平，導(dǎo)致大量棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)綠色和平和袁家海教授研究團(tuán)隊(duì)的測算，2016-2018年間，中國棄風(fēng)和棄光電量共計(jì)1389億千瓦時(shí)，相當(dāng)于3000萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應(yīng)約350億元燃煤成本和4000萬噸二氧化碳排放。即使全額保障性收購等強(qiáng)制性政策的實(shí)施使棄風(fēng)和棄光量較之前有明顯改善，但2019年的棄風(fēng)和棄光總量仍高達(dá)215億千瓦時(shí)，相當(dāng)于450萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應(yīng)約50億元燃煤成本和600萬噸二氧化碳排放。
面對棄風(fēng)棄光問題，2017年底國家發(fā)展和改革委員會與國家能源局共同印發(fā)了《解決棄水棄風(fēng)棄光問題實(shí)施方案》，提出力爭到2020年在全國范圍內(nèi)有效解決棄水、棄風(fēng)、棄光的問題。2018年初，國家能源局印發(fā)了《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》，指出中國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性欠缺，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式僵化，部分地區(qū)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和區(qū)域用電用熱矛盾突出問題，是中國能源轉(zhuǎn)型的主要瓶頸。
為了探究提升中國電力系統(tǒng)靈活性的方案，綠色和平與袁家海教授研究團(tuán)隊(duì)共同開展研究，并于2020年10月22日發(fā)布《中國電力系統(tǒng)靈活性的多元提升路徑研究》報(bào)告（以下簡稱《報(bào)告》），旨在通過分析目前中國靈活性資源存在的問題和發(fā)展空間，并以吉林省為例，通過多情景電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬對靈活性進(jìn)行定量分析，提出中長期電力靈活性提升路徑，以供行業(yè)和決策者參考。
需充分利用“源網(wǎng)荷儲”的多種靈活性資源
《報(bào)告》系統(tǒng)分析了中國電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)各類靈活性資源的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性，以及中國目前技術(shù)型、市場型和規(guī)劃型靈活性發(fā)展的現(xiàn)狀和發(fā)展空間，綜合考量靈活性資源成本和時(shí)間尺度，提出了針對中國電力系統(tǒng)的靈活性提升路線圖?！秷?bào)告》選取可再生能源消納矛盾突出的吉林省為例，分別模擬了6種電力系統(tǒng)運(yùn)行情景，通過調(diào)整可再生能源滲透率和不同靈活性資源配置的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對未來電力系統(tǒng)運(yùn)行效率的評估。
通過研究中國靈活性資源規(guī)劃及現(xiàn)狀，《報(bào)告》指出，在目前中國的電力規(guī)劃中，電源側(cè)的靈活性資源配置落后于可再生能源的發(fā)展速度，現(xiàn)存煤電機(jī)組靈活性改造仍有較大空間，中國新能源資源富集地區(qū)具有調(diào)節(jié)性能的水電、抽水蓄能和燃?xì)怆娬镜褥`活電源比重不足。中國亟需進(jìn)一步完善電力市場機(jī)制，并將發(fā)展多元靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品納入電力發(fā)展中長期規(guī)劃，提升高滲透率可再生能源發(fā)電接入后電力系統(tǒng)應(yīng)對運(yùn)行靈活性挑戰(zhàn)的能力。
圖1. 電力系統(tǒng)靈活性提升路線圖
加入多種靈活性資源可減少近40%的棄風(fēng)電量
吉林省所在的“三北”地區(qū)間歇性可再生能源發(fā)展迅速，然而受煤電裝機(jī)冗余、省內(nèi)電源調(diào)節(jié)能力有限、系統(tǒng)調(diào)峰困難等因素影響，吉林省風(fēng)電消納能力不足，棄風(fēng)率一度超過30%。因此，《報(bào)告》以吉林省為例，探究靈活性不足導(dǎo)致的可再生能源消納問題的解決方案。在針對吉林省的案例分析中，《報(bào)告》發(fā)現(xiàn)，吉林省煤電機(jī)組冗余且無調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的火電機(jī)組，省間電網(wǎng)輸電能力有待提高，且計(jì)劃經(jīng)濟(jì)特征明顯，缺乏主動參與系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)的積極性。在高可再生能源（滲透率=40%）算例中，加入氣電、儲能和需求響應(yīng)多種靈活性資源合力為電力系統(tǒng)提供了更多的調(diào)節(jié)能力，較僅依靠煤電靈活性改造，棄風(fēng)電量將可減少39.9%，煤電啟停次數(shù)和啟停成本分別下降27.2%和25.0%。
《報(bào)告》指出，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面來看，煤電靈活性改造是短期內(nèi)提升系統(tǒng)靈活性的較為現(xiàn)實(shí)的舉措，現(xiàn)存煤電機(jī)組靈活性有較大改造空間，但隨著高比例可再生能源的發(fā)展，煤電靈活性改造的成本、頻繁啟停的成本以及相應(yīng)的環(huán)境影響，將使得煤電機(jī)組靈活性改造的長遠(yuǎn)作用受限，甚至?xí)Ц唠娏ο到y(tǒng)的總體供電成本，不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。在可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)、負(fù)荷峰谷差不斷拉大、輸電線路利用不及預(yù)期、需求側(cè)資源尚未形成整合調(diào)控、部分地區(qū)供熱季供熱面積大幅增加的情況下，電力系統(tǒng)對靈活性的需求會進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，中國亟需挖掘當(dāng)前各類靈活性資源的潛力，促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲”靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，將提升系統(tǒng)靈活性納入電力發(fā)展中長期規(guī)劃，為中國實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的國家承諾奠定基礎(chǔ)。吉林的算例證明，氣電、儲能、需求響應(yīng)和電網(wǎng)互濟(jì)可以在負(fù)荷高峰時(shí)刻和低谷時(shí)刻快速改變出力，與風(fēng)電、光伏發(fā)電出力特性相協(xié)調(diào)，可有效提升可再生能源消納水平。
圖2. 吉林省電力系統(tǒng)靈活性優(yōu)化結(jié)果
基于研究結(jié)果，《報(bào)告》建議：
●多措并舉，充分挖掘“源-網(wǎng)-荷-儲”靈活性潛力
中國當(dāng)前的電力系統(tǒng)整體靈活性不足，難以支撐高比例可再生能源發(fā)展，需要從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)充分挖掘現(xiàn)有靈活性資源的潛力。充分發(fā)揮現(xiàn)有火電機(jī)組的靈活性潛力，提升系統(tǒng)的靈活性。提高現(xiàn)有輸電通道的利用率，強(qiáng)化省際間電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，發(fā)揮特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，重組電網(wǎng)格局，減少因電網(wǎng)阻塞而產(chǎn)生的額外靈活性需求。通過電價(jià)引導(dǎo)電力需求側(cè)的負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)更好的用戶側(cè)靈活性調(diào)節(jié)效果。同時(shí)要重視儲能在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的應(yīng)用。
●控制煤電裝機(jī)規(guī)模和比例，確立中長期電力系統(tǒng)靈活性提升的合理路徑
中國目前以火電為主的電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足，而可再生能源裝機(jī)逐年上升，兩者呈現(xiàn)嚴(yán)重的不匹配。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面來看，現(xiàn)階段進(jìn)行的煤電靈活性改造可以明顯提升系統(tǒng)靈活性。但隨著電力系統(tǒng)對靈活性資源需求的快速攀升，煤電靈活性改造的成本、頻繁啟停的成本以及相應(yīng)的環(huán)境影響將抬高電力系統(tǒng)的總體供電成本，且不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。因此，依靠大幅增加煤電裝機(jī)規(guī)模來支撐高比例可再生能源發(fā)展并不可取，從長期來看，需要合理控制煤電的裝機(jī)規(guī)模，著重發(fā)展氣電、儲能、需求響應(yīng)等多種靈活性資源，促進(jìn)煤電與可再生能源的協(xié)調(diào)有序發(fā)展。
●完善電力市場機(jī)制，通過市場手段激勵(lì)更多靈活性資源發(fā)展
中國需要?jiǎng)?chuàng)建響應(yīng)時(shí)間快的實(shí)時(shí)市場，將交易時(shí)間尺度縮短到分鐘級，使市場能夠及時(shí)做出價(jià)格判斷。同時(shí)，需要建立公平的靈活性補(bǔ)償機(jī)制，考慮快速爬坡能力、最短向上和向下爬坡時(shí)間以及響應(yīng)準(zhǔn)確度等特性，對靈活性資源進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩▋r(jià)，減少對不靈活運(yùn)行發(fā)電廠的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)靈活性資源的優(yōu)勝劣汰。未來電力系統(tǒng)運(yùn)行中，可以采取負(fù)荷需求側(cè)管理、備用容量共享、省間互濟(jì)等手段來“削峰填谷”，并進(jìn)一步通過分時(shí)電價(jià)、尖峰電價(jià)等價(jià)格機(jī)制來引導(dǎo)需求側(cè)用電，削減持續(xù)時(shí)間極短的尖峰用電，從而減少以滿足短時(shí)尖峰用電為動因的新增煤電電源裝機(jī)和配套電網(wǎng)建設(shè)。
●以新的電力規(guī)劃理念引導(dǎo)“源-網(wǎng)-荷-儲”靈活性資源發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一
面對中長期發(fā)展可再生能源的需要，應(yīng)整合“源-網(wǎng)-荷-儲”各類型靈活性資源，準(zhǔn)確評估未來靈活性需求，將電力系統(tǒng)靈活性提升目標(biāo)納入中長期電力規(guī)劃，并與國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域規(guī)劃有機(jī)銜接，促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲”靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。需要根據(jù)靈活性需求合理投資電源建設(shè)，引導(dǎo)電廠采用更靈活的運(yùn)營模式。加快擴(kuò)大工業(yè)、建筑等多領(lǐng)域用戶側(cè)資源參與需求響應(yīng)的規(guī)模，完善需求響應(yīng)資源激勵(lì)費(fèi)率以及懲罰措施來加速其落地實(shí)施。重視并加快發(fā)展儲能，在系統(tǒng)規(guī)劃層面協(xié)調(diào)優(yōu)化“源-網(wǎng)-荷-儲”各類型靈活性資源。除電化學(xué)儲能外，還應(yīng)協(xié)調(diào)水利、市政等領(lǐng)域更好的發(fā)揮儲水、儲氣和儲熱等相對成熟技術(shù)的作用，從而實(shí)現(xiàn)儲能在更大范圍的協(xié)調(diào)優(yōu)化。
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