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王志轩:新型电力系统构建论纲

日期:2021-10-18    来源:中国电业

国际电力网

2021
10/18
08:56
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关键词: 新型电力系统 碳中和 碳达峰

我国力争在2030前实现二氧化碳达峰,在2060前实现碳中和的目标(简称“3060”目标)已经确定。2021年3月15日,中央财经委员会第九次会议研究实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措,会议指出要“构建以新能源为主体的新型电力系统”(简称“构建新型电力系统”)。近半年来,国内外众多能源电力智库及专家、学者从不同出发点、不同目的、不同角度、不同层面开展了众多研究,但构建新型电力系统具有高度复杂性,涉及法规、政策、体制、技术及框架构建等各个方面,这一领域的研究整体上处于前期探索阶段。凡事预则立,不预则废,构建新型电力系统的“预”就是要做好“顶层设计”,且“构建”就有“顶层设计”之义。顶层设计是“纲”,纲举目张,“纲”包含了构建中国特色的新型电力系统的基本定位、基本特色、基本功能、基本机制、基本动力、基本进程、基本保障等。

基本定位

第一,构建新型电力系统是“国之大者”。中央财经委员会第九次会议提出,实现“3060”目标“是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体”。习近平总书记讲,要把碳达峰碳中和纳入经济社会发展和生态文明整体布局。同时,能源本身就是国之大者,而电力是能源的核心。因此,构建新型电力系统就是“国之大者”,对其开展深入研究,不是要不要“构建”,而是坚决贯彻执行和如何“构建”好的问题。

第二,构建新型电力系统是电力发展的必然。电力系统从来没有停止过创新发展和更新换代。当前,正在进行着第三代电力系统的建设和完善(《中国电力百科全书综合卷》2014年5月第三版)。从生态文明建设需要、人类可持续发展需要、共建人类命运共同体需要、中国新阶段高质量发展的需要看,构建新型电力系统是必然趋势。

第三,构建新型电力系统的目的是电能生产和消费系统实现零碳(近零碳)排放。正在变革中的中国电力系统,电能生产仍然是化石能源为主体,消费的电能仍然是高碳/中碳电能。而新型电力系统是新能源为主体,非化石能源占绝对主导,低碳化的少量化石能源作安全稳定保障的系统,消费的电能是低碳/近零碳电能,这一定位是新型电力系统顶层设计的核心。

第四,新能源“主体”应是数量主体、功能主体和责任主体。新能源在电力系统中数量占比大小固然重要,但不能单纯从新能源发电装机或者发电量的数量占比大小来判断是否为主体能源,而是要在安全经济目标前提下,从电力系统整体功能实现上来判断新能源是否成为主体能源。

第五,新型电力系统的主要约束是能源安全下的系统经济性。新能源发电主体主要是指太阳能和风电(不排除在个别地区生物质发电、地热发电比太阳能、风能更具有开发利用价值)。例如光伏发电技术早在几十年前已经成熟,但因成本过高,主要用于特别场合。当今,光伏、风电成本显著下降,在发电上网环节已经可以与化石能源同台竞争。但是,新能源接入电网节点时的成本并不是终端用户电能成本。当新能源为主体时,要从系统成本的大小看是否与化石能源具有竞争性。系统成本包括但不限于:发电环节成本(接入电网前成本)、电网为消纳新能源进行的升级改造成本、电力系统新风险防范如战略备用电源和长周期储能系统等成本等。即便新能源发电不接入电网,但用户仍需要电网提供安全用电保障时,起保障作用的电力系统成本也应计入。同时,应当将新能源的正外部性效益(即把低碳和资源节约等对社会公共利益的好处)在总成本中扣除。

国家电网甘肃电力连心桥(张掖丹霞)共产党员服务队队员在新能源光伏电站进行巡视。资料图

基本特色

第一,在现代电力系统之上构建新型电力系统。中国是后发国家,经过几十年的努力,已经建成世界上规模最大、技术水平总体先进、部分领先的现代电力系统。中国构建新型电力系统不是在几十年前“一穷二白”一张白纸的基础上构建,不能“先破后立”,而是要在现代电力系统基础上逐步升级换代成新型电力系统。

第二,在全国一盘棋原则下构建新型电力系统。中国是一个14亿人口的大国,也是一个能够集中力量办大事的大国,更是一个有着人类命运共同体理念的负责任大国。同时,在能源资源不平衡、能源消费不平衡、自然环境差别大的广袤国土之内,新能源发电具有显著的时、空特点,大范围优化配置与就地平衡配置并举是必然之举,因此,必须坚持系统思维,在全国一盘棋内构建新型电力系统。

第三,“压缩型”减碳进程中构建新型电力系统。发达国家能源电力转型基本上是自然进程。中国要用发达国家不到一半时间完成由高碳电力系统过渡到低碳(近零碳)电力系统,必然是“压缩型”低碳转型。作为世界上电力生产量和消费量都是第一的大国,从电力转型基本规律看,必然是快速渐进与合理超越相结合的进程。这就需要一方面要充分汲取全人类能源转型经验,另一方面,决不能照搬任何一个国家的整体性、系统性经验。需要注意的是,世界上本来就不存在模板意义上的国家层面“新型电力系统”,中国提出构建新型电力系统是一项基于国情的伟大创新。

第四,在生态文明框架和能源安全新战略基础上构建新型电力系统。构建新型电力系统已有坚实基础。一是中国电力供需矛盾由长期短缺发展为近几年的在综合实力上可以支撑整体供需平衡。二是自2006年中国《可再生能源法》颁布以来,尤其是党的十八大以来,在习近平生态文明思想和能源安全新战略指引下,加快新能源发展和强化能源安全的法规、政策、标准不断完善。特高压技术和工程、电力系统智能化建设、分布式能源发展等不断取得新进展,以光伏、风电为代表的新能源发电成就巨大,以电动汽车充换电、化学电池为代表的新业态以及抽水蓄能、新型物理储能等技术、工程积极推进,煤电机组灵活性改造也为促进新源消纳发挥了巨大作用。三是《电力系统安全稳定导则》和《电力系统技术导则》新修订后颁布实施,为加快新能源建设及解决新能源发展过程中电力系统安全稳定运行提供了新的技术遵循。

基本功能

第一,满足国民经济和社会发展需求。随着我国现代化建设持续推进,经济社会发展对能源需求将显著呈现以电能为主的特征。当前,中国终端能源消费中天然气占比仅7.8%(发达国家占比约25%),电能消费占26%左右(比发达国家平均水平略高)。要使中国能源消费清洁化,大力、持续提高天然气占比并不是最佳选项:一是天然气成本总体太高,二是对外依存度高,三是天然气也是化石能源。因此,在大力发展新能源背景下,提高电能在终端能源消费占比是最佳选择。综合我个人和多个机构预测,我国人均用电量到2060年碳中和时将比2020年的5320千瓦时还要翻一番。在用电结构上人均生活用电量、第三产业用电量比重将会不断提高。尤其是信息传输、软件和信息技术服务、新能源车辆整车制造、太阳能、风能设备制造业、充换电、储能等新业态用电量增长会更快。

第二,满足合理的电力安全需求。人类使用电能初期,电气化的标志之一是电灯,即便当时电能质量不高、停电频繁,但人们可以方便用蜡烛或者油灯替代,并不会对生活造成大的影响。当电能普遍用于公共事业、工业动力时,电能短缺对经济社会的影响显著增加。当终端能源以电能(包括以新能源发电电解制氢)为主时,电能将渗透到经济、社会、文化的各个方面,全面影响到人类的衣食住行及工作、信息沟通、社交、文化等领域,成为像空气一样须臾不可离开的基本物质,其重大电力安全风险将成为国家和人民难以承受之重。因此,电力安全水平随着人民生活水平的提高而进一步提升,同时,电力安全水平与经济承受能力的关系更为密切,满足不同用户的合理电力安全需求也非常重要。

新能源的随机性、不稳定性、间歇性特点是电力供应安全风险的主要根源,在数字化智能化平台之上建立的电力控制及运行系统,被黑客和敌对方攻击的风险也是重大新型电力安全风险,二者叠加更具有破坏性。虽然在理论上,在现有的技术条件下,只要不惜经济代价是可以防范重大风险的(如再备份一个以化石能源为主体的电力系统),但是,不惜经济代价的前提在决策和实施过程中是不成立的。所以,新型电力系统构建要同步深化新型风险研究和防范,重构电力安全理论和防范风险体系。

第三,满足生态环保新要求。在第三代电力系统建设中,中国煤电大气污染物控制已经达到世界领先水平。二氧化硫、氮氧化物、颗粒物三项常规污染物的年排放总量全部加起来不到200万吨,低于美国煤电污染物总排放量(我国煤电发电量是美国2.5倍左右)。从生态环境要求看,电力常规污染物控制已经不是中国污染排放控制的主要任务。且由于煤炭用量逐步减少,从整体上看煤烟型污染物对环境造成的影响会越来越小。

但从局部看,由于燃气轮机发电还要继续较大发展,且主要集中在城市,其排放的氮氧化物对局部环境质量的影响还需密切关注和严格控制。

从宏观上看,新能源发展中会产生由新材料生产、设备制造、设施建设运行、设备退役等新的生态环境问题;同时,与新能源发展相配套的化学电池生产、运行、服役期满后的污染物处置问题也逐步加重。这些都需要在新能源发展中同步做好生态环境管理。

基本机制

新型电力系统的基本要素包括,电源、电网、负荷、储能、战略备用几个部分。与传统的电力系统比,不仅是增加了“储能”和“战略备用”,而且原有的要素也发生了质的变化。新型电力系统运行的基本机制可以简要归类为三个方面,即多元化电源支撑,大电网与分布式微网并举的供需耦合机制,新电力安全风险防范机制。

第一,新能源为主体的多元电源支撑体系。大力、有序发展新能源。这是构建新型电力系统的核心。不论从指导思想上、战略布局上以及重点工程措施上,都是要围绕新能源发展这主题做工作。新能源与其他能源发展的关系犹如中药方中各味药之间的“君臣佐使”的关系,新能源为“君”,其他主要是为“君”发挥作用而提供各种功能,从而构成安全、低碳、经济的电能供应系统。新能源为“君”并不意味着无序盲目发展。电力系统本身就是一个严格按照物理规律运行的人工系统,无序发展不仅给电力系统带安全稳定风险,而且会严重影响到新能源自身快速健康发展。

第二,大电网与分布式微网并举,智能化与市场化支撑的供需耦合机制。随着新能源发电比重逐步提升,电力系统中发、输、变、配、用各要素逐步发生变化,新问题不断出现,应对新问题的措施也不断加强,以解决问题为导向电力系统也逐步改变。

电能的生产、输送及消费方式的重大变化,使得新型电力系统的运行机制与传统“源随荷动”的电力系统相比发生重大变化,传统电力运行控制的渐变性规律向非线性、突变、非典型规律变化。如在能源危机及电力供需矛盾以短缺为主的时代,电力需求侧(“荷”侧)管理手段,可以一定程度减轻电力供应侧(“源”侧)压力,从而达到能源资源的节约配置的目的。在新能源大力发展初、中期,通过市场手段使电力需求方自愿响应电力系统安全稳定运行要求调节或转移负荷,以提高新能源电能利用率。随着新能源渗透率不断提高,电力系统的复杂性越来越大,供需双方不断融合,需求响应机制也发生重大变化,转变为在高度智能化、高度市场化支撑的对源网荷储备进行一体化管理的机制,也可称之为供需耦合机制。

第三,新风险防范机制。在传统的电力系统中,为了防范电力安全风险在相关规定中有明确的电源备用要求,但这些备用电源基本上指的是检修备用、事故备用、负荷备用。备用总容量根据系统可靠分析确定,一般为电力系统最高负荷的25%~30%,这些备用在新型电力系统发展过程中仍将继续存在,但具体要求应根据系统变化进行调整,使之能够满足变化了的日常电力系统运行的要求。

所谓战略备用,是笔者为了解决非传统电力安全问题而提出的。如在传统电力系统中,长时间、大范围的阴雨天对电力系统的“源随荷动”机制并不构成电力供应风险(或者风险很小),但在新能源主体的电力系统中,由于新能源发电与气象要素的必然关联性,如连续的、大面积阴雨天对光伏发电有极其重大影响,主要用于解决新能源发电日周期内的随机性、波动性储能措施,无法应对“灰犀牛”“黑天鹅”类重大电力供应风险。应对重大新型电力安全风险,必须要有“战略备用”发电容量资源,以及配备一定的中、长周期储能设施。

对此,在新型电力系统构建中,要对风险防范进行分级分类,以确定新型电力系统的技术边界、成本边界、责任边界。

一是要对电力用户进行电力风险防范的分类分级,依据分类分级提供相应等级的电力风险防范。从降低全社会成本角度看,对有的电力用户应比现在的安全防范要求更高,但对另一些电力用户则可以降低安全防范等级,甚至可以较长时期(如多天甚至数月)中断电力供应。

二是要研究确定不同主体(各级政府、电力企业、用户)的电力风险防范责任。大电网必须更加强大,但要明确功能,它是解决全局性(区域性)、重大性、节点性、支撑性电力安全的坚强保障,要由中央政府层面来管理,万万不可粗心大意,进一步优化电网大范围能源资源配置的能力。而中等范围、局部的电力安全责任,将更多地由地方政府、分布式微电网承担,将安全风险分级、分散到各个更小的单元。

三是根据安全等级不同,确定风险防范措施及相应的电能价格。在一定意义讲,新型电力系统就是一个分散电力安全风险的系统,使大、中、小电力安全风险能够经济、有效、快速、协调解决,使国民经济和人民生活的影响减少到最低程度。

基本动力

创新是构建新型电力系统的基本动力。人类利用太阳能从古至今没有间断,但是太阳能真正称其为新能源是以现代综合性技术应用为标志的。所以,新能源之“新”是指新技术应用而不是指能源本身。同时,新型电力系统之“新”也不仅指“形态”之新,而是电力系统的一系列创新之“新”,包括传统电源、电网、用电、储能等的创新,不仅是技术创新而且包括管理创新。

新型电力系统所需的技术创新面临着全新的挑战。一方面是现有技术如何应用在新型电力系统之中以解决当前的实际问题,另一方面要构建型电力系统运行新理论体系,在新理论体系下推进更大的新术创新。面对碳中和的伟大历史使命,现有成熟技术不足以支撑全面实现碳中和要求,这需要电力系统持续不断进行技术创新,尤其是呼唤颠覆性技术的出世。

基本进程

新型电力系统构建必然贯穿于整个碳达峰、碳中和进程。由于新型电力系统构建是与各种要素之间互相协调配套的,不会发生先建一个新型电力系统,然后各要素再归其位的情况。所以,在这个过程中,新型电力系统将逐步由化石能源电源为主导的电力系统,转换为化石能源与新能源在功能主体上各占半壁江山的电力系统,再转换成以新能源主体的新型电力系统。从时间段上看,2035年左右是智能电网为主要特征的新能源与化石能源各占半壁江山的系统,此后电力系统加快向新能源为主体的形态转变,到碳中和阶段,新型电力系统实际上演变成了一个高度智能化的能源互联网系统。

基本保障

深化电力体制改革是构建新型电力系统的基本保障。不深化电力体制改革,就难以推动新型电力系统构建。总体思路是要回归电能的商品属性的主体地位,包括电能质量(时空特性和物理特性)属性,同时,要在商品属性和电能的公共属性之间划好界线。在发挥好市场配置资源的决定性作用的同时,政府之手也要更加发挥好作用。中国实现碳中目标必然是“压缩型”进程,如果没有发挥好政府的作用,要么是政策迟滞、要么政策冒进,都会影响转型的进程和质量。

中国新型电力系统发展犹如一个充满生机活力的少年,而政策(包括规划、标准等)犹如鞋子,太小、太大都不行,解决问题的办法必然是经常换适合的新鞋,这就要求政策制定在方向和原则上体现出稳定性,在具体内容上和出台时机上要有一定灵活性和即时性。既要发挥好政策在促进新型电力系统发展中的“推动”而不是“冲动”作用,又要发挥好“阻尼”而不是“阻力”作用。

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