电力行业碳中和的实施方式和障碍

自2020年9月以来，碳达峰、碳中和成为能源圈内的热门话题，风光等新能源被寄予厚望。在能源规划中，风光等新能源得到大力支持和发展，要在30·60目标中承担主力电源作用；而煤炭生产要受到限制，燃煤机组装机规模甚至要裁剪。近期寒潮之下，湖南、江西等地的“拉闸限电”又让业内外感到困惑：风光等新能源在冰冻覆雪中无法出力、省间输电通道难当大任，各级政府被迫首选协调各种资源促进煤炭生产和运输，保证煤电机组满负荷运行，配合有序用电方案，才能确保民生用电不受影响。暂时的困难，并不能阻碍碳达峰、碳中和成为中国人对美好生活的向往，更不会动摇电力行业走向“脱碳”的决心。在30·60目标下，高比例风光发电模式将成为必然的电源选择，在可预见的时间内，“风光+大电网”也将是电力行业实现碳中和的必然技术方案。但我们还是要清醒地认识到，风光发电的大比例发展将对电网必须的转动惯量和备用产生致命影响，严重威胁电网的平稳运行，大量调节备用机组损失的机会成本和沉没成本也会使电网的运行费用上升。在2019年伦敦大停电事故的警示之下，我国电力行业如何健康稳定发展，谋求“安全、经济、环保”能源不可能三角的最优妥协点，需要广大专业人士认真思考和讨论。

大电网消纳方式的现实障碍和解决方案

2019年8月9日，英国伦敦发生了2003年以来最严重的停电事故。虽然导致这次事故的原因有很多，但其中最重要的原因是高比例风光发电的电网转动惯量不足，异常扰动导致频率异常波动，风电机组群对频率波动抗干扰能力不足而脱网，系统备用不足造成的联锁反应。此次停电事故，给我们敲响了警钟，需要我们认真思考电网实现高比例风光发电消纳的技术和经济约束，以及可行的解决方案。

高比例风光发电接入系统影响备用问题及解决方案

电网的安全稳定运行对备用的要求。电网安全稳定运行，要求系统必须满足电力平衡，任意时刻必须满足三个条件：总发电能力必须大于负荷且有一定冗余，总发电功率必须等于总负荷功率+损耗功率，局部输送能力必须大于局部净需求并有一定冗余。这就要求系统内必须有足够的备用容量以应对系统内的故障、发电减出力和负荷波动。按照GB/T38969-2020《电力系统技术导则》规定，系统备用容量为最大负荷的2%～5%，事故备用容量为最大负荷的10%，不小于系统一台最大机组或馈入最大容量直流的单级容量。

高比例风光发电对系统备用的影响。由于风光新能源出力的随机性、波动性和间歇性，造成系统内总的发电能力不可控。按照GB/T38969-2020《电力系统技术导则》规定，风电、太阳能等新能源装机较多的地区，需结合风光发电出力特性和参与平衡的比例，额外设置一定的负荷备用容量。根据30·60目标的推算，未来风光新能源装机规模要达到40%～70%，如此高比例的风光发电接入系统，将迫使系统预留备用的比例大大增加。光伏能源随着太阳光照强度波动，风电随着自然来风变化，如果两者在同一时期叠加，会造成风光发电出力大幅波动，甚至在极端情况下会造成风光发电出力从最大负荷突减至零，严重威胁系统运行安全，使得系统备用容量需求大大增加。欧盟28国传统电源的容量一直保持与最大负荷相当，作为其他发电的备用容量，为了满足电网的安全，系统备用容量大大增加。

高比例风光发电接入系统的解决方案。为了减小风光新能源出力的不确定性对大电网备用容量需求的影响，适应未来“30·60目标”的高比例风光发电要求，需要在以下四个方面加大技术投入：一是提高风光出力预测的准确性。目前国内风光预测24小时准确率为70%，而美国风光预测24小时准确率已达90%以上。提高风光出力预测的准确性可以有效较少系统对备用负荷的影响。二是提高风光新能源安全稳定性。风电光伏在发电过程中大量使用整流、逆变器等电子设备，其对于系统波动的抗干扰能力较常规机组严重不足，特别是需要提高其低电压穿越能力，风光发电安全性的提高可以有效减少系统对备用负荷的需求。三是保持可调节电源足够容量并进行灵活性改造。利用大电网系统内部可调节性机组的调峰能力实现风光发电消纳，需要加大可调节电源的灵活性改造，提高可调节性机组的顶峰压谷能力，特别是提高机组负荷调整速率，提高电网消纳风光发电能力和有效备用负荷，需要强调的是必须保持具备该特性的机组足够的容量。四是是加快智能电网技术的发展。未来智能电网的发展，将利用通讯网络技术、传感和测量技术、先进的控制方法以及决策支持系统技术，有效预测风光发电发电能力和备用预留，确定资源配置最佳地理范围，提升电力设备利用效率，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。

高比例风光发电接入系统的经济性障碍

风光发电作为环保的能源方式理念已经深入人心。随着风光发电的投资成本逐渐下降，人们对风光发电的经济性误解也在逐渐加深，认为风光发电作为边际成本为零的能源，投入比例越高将对电网的经济性越好。然而，在我国电力系统安全稳定性的红线要求前提下，投入高比例风光发电必须要在线匹配足够的转动惯量机组和可调节能源机组，这样就会造成风光发电的消纳成本大幅上升，并且很可能消纳成本的上涨绝对量大于风光发电成本下降的绝对量。

调节电源的启停费用。由于风光发电机组出力的波动性，电网为了保证电力平衡，必须配备足够的可调机组进行调节。在高比例风光发电的电网中，风光发电出力的大量叠加，造成可调机组调峰范围大大增加，甚至需要机组启停以满足系统需要。随着风光发电渗透率逐渐升高，火电机组等可调能源利用小时数逐渐下降，煤电和燃气机组的启停次数却在大幅升高。机组启停调峰作为重大操作，其启停成本将造成电网运行费用大幅增加，最终也将在用户侧用电费用上体现，使得高比例风光发电电网的经济性大幅下降。

调频和备用辅助服务费用。随着高比例风光发电投入电网，为了维护电网安全稳定运行，必须有足量的转动惯量机组预留调峰容量和备用容量，维持电网异常情况下频率稳定和电力平衡。而可调机组预留调频容量和备用容量产生的机会成本在电力系统中也将成为电网运行费用。按照电力系统“谁受益、谁承担”的原则，因调频和备用辅助服务产生的费用最终也将由用户承担，这笔费用也将使得高比例风光发电电网的经济性大幅下降。

稳定电源的容量补偿费用。高比例风光发电投入电网后，电网大部分电量将由风光发电机组顶替生产，按照边际成本报价回收变动成本的理论，电网系统内大部分承担备用的可调机组的固定成本将无法回收。为了保证电力设备投资的稳定性，必须保障电力企业的合理收益，这就需要保障发电企业合理收回固定投资成本，即相当比例的机组不再以生产电量为主，仅作为风光发电的配套设施，这部分容量补偿费用也应记为风光发电的生产成本。目前大部分省份都在准备设计容量补偿机制和容量市场，以保证本地区稳定的电力投资。而这部分电力投资造成的容量补偿费用也将增加电力运行费用。

近期受政策利好影响，大量的风光发电投资蜂拥而至，不但造成风光发电固定投资成本不降反升，还可能造成在技术经济条件不变情况下消纳成本快速增长。未来，大电网消纳成本需要加上可调机组的启停费用、调频备用辅助服务费用和容量补偿费用，消纳成本将必然随着风光发电比例的升高而大幅上升，这就会存在一个风光发电最佳比例，在此比例之后将会电网运行经济性急剧下降，超越用户电价的承受能力，影响近期的社会经济发展。

实现碳中和目标需要着手的工作

“30·60目标”刚刚提出，电力行业的发展实施方式和技术障碍都是根据目前技术水平所提出，上述分析判断都很初步，存在一定的局限性。但是，市场体制建设和电源电网技术水平的提高，却必须从现在开始着手，才能不阻碍碳达峰、碳中和目标的实现。

加快电力现货市场机制为核心的现代电力市场体系建设。国际上，实现高比例风光发电运行的国家，无一不是已经建立了以电力现货市场机制为核心的现代电力市场体系，可见市场化有利于推动风光等新能源发展消纳。电力系统中电能的发-输-配-售-用的各个环节，都是一个市场交换过程。电力系统的正常运行需要理清各个环节之间的经济关系，利用市场这个配置资源的有效手段调节各方的权利责任，让市场来选择电力行业碳中和的实施方式，在优胜劣汰的竞争中筛选出性价比最高的消纳方式和消纳手段。高比例风光发电+大电网的实施方式下，风光发电消纳需要可调节能源的大力配合，就更需要电力现货市场来厘清这复杂的经济关系，需要市场发现最真实的风光发电消纳成本，才能让用户信服地接受用电成本合理上升。目前我国电力现货市场建设如火如荼，8个现货试点稳步推进，其他电力市场建设紧跟其后，风光发电平等参与市场也将拨云见日。为了“30·60目标”的实现，电力现货市场必须稳步加快建设，以市场手段实现电力资源的配置，助力实现碳中和。

风光发电要增强成为“负责任主力电源”的使命感。“30·60目标”将激励着广大风光发电行业扩大生产，提高电力行业绿色环保程度。未来一段时间内，风光行业要以自身是主力电源的姿态承担电力系统的各项责任，不再将国家政策“照顾”作为发展的前提条件，不断降低成本，积极参与电力市场，在公平的平台上引领电行业发展。不但能够承担自身需要为电力系统承担的责任，还要能够分担其他“配角”的责任，如同之前煤电机组长期无偿为风光发电提供帮助一样。为实现高比例风光发电对未来系统的友好性、经济性，风光发电必须做好负荷控制和预测，提高自身安全稳定性，降低设备投资成本，成为真正有利于经济、有利于社会的环保型、友好型的电源。

火电机组要转换定位寻求新的发展机遇。传统火电机组作为稳定的可调节机组，为中国电力行业的发展、中国社会现代化发展作出了巨大贡献。未来电力行业将朝着绿色可持续发展的方向进步，但也不是不需要传统能源支持，伦敦大停电事故和今年冬季国内多地有序用电也再一次证明传统煤电的必须性。在未来“30·60目标”下，实现碳中和的高比例风光发电需要火电机组提供必须的旋转惯量和备用支撑。虽然火电机组的利用小时数超预期大幅下降成为必然趋势，但火电机组的备用装机容量还是需要长久保持。所以未来电网系统不是减少火电容量，而是要减少火电发电量。建议暂缓关停火电机组，将其作为备用电源，时刻作为电网的稳定支撑。面对未来，火电机组要适应形势需要，必须加强自身建设，做好设备管理维护，做到紧急时刻靠得住、关键时刻顶得上的稳定可调机组，以期在调频备用市场中、容量补偿市场中赢得先机。

碳达峰、碳中和目标作为我国向世界作出的郑重承诺，将在未来指导我国能源行业的发展方向。目前，我国正在在努力构建国内国际双循环的新经济发展格局，“30·60目标”将加快推进我国能源产业转型升级，促进电力行业供给侧结构性改革，以电力工业升级改造加速国内经济循环，促进国民经济健康发展。广大能源行业从业者要坚定不移地支持“30·60目标”的实现，努力转变生产方式促进能源转型升级，以能源革命的自我革新碰撞出“安全、经济、环保”能源不可能三角的最优妥协点，真正做到有利于人民、有利于碳中和目标的实现。

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