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)實問題。《報告》研究團隊計算發(fā)現(xiàn)，2016至2018年間，中國棄風(fēng)棄光電量共計1389億千瓦時，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制性政策的實施使棄風(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，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占比逐年上升的趨勢。”
“事實上，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)增加煤電裝機將會推高常規(guī)機組的最小開機出力，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年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。”李丹青補充解釋說。
《報告》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間尺度，提出了針對中國的電力系統(tǒng)靈活性提升路線圖。《報告》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。現(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隊共同開展研究，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》報告（以下簡稱《報告》），以探究提升中國電力系統(tǒng)靈活性的可行方案。
《報告》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。本報告以吉林省為例，通過電力系統(tǒng)運行模擬對靈活性進(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)互濟等多種靈活性資源互配可以在負(fù)荷高峰和低谷時刻快速改變出力，為未來的電力系統(tǒng)靈活性提供有力補充，并進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運行效率，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年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。這意味著中國將在未來十年全面實現(xiàn)能源和經(jīng)濟領(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。
為實現(xiàn)中國中長期可再生能源高比例發(fā)展的愿景，預(yù)計到2030年，風(fēng)電和光伏發(fā)電總裝機將突破9億千瓦，中電聯(lián)預(yù)測風(fēng)光總裝機將達(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，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隊的測算，2016-2018年間，中國棄風(fēng)和棄光電量共計1389億千瓦時，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制性政策的實施使棄風(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，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隊共同開展研究，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》報告（以下簡稱《報告》），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間尺度，提出了針對中國電力系統(tǒng)的靈活性提升路線圖。《報告》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)，實現(xiàn)對未來電力系統(tǒng)運行效率的評估。
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，《報告》發(fā)現(xiàn)，吉林省煤電機組冗余且無調(diào)節(jié)能力強的火電機組，省間電網(wǎng)輸電能力有待提高，且計劃經(jīng)濟特征明顯，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%。
《報告》指出，從經(jīng)濟和技術(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)實的舉措，現(xiàn)存煤電機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)互濟可以在負(fù)荷高峰時刻和低谷時刻快速改變出力，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。通過電價引導(dǎo)電力需求側(cè)的負(fù)荷特性，實現(xiàn)更好的用戶側(cè)靈活性調(diào)節(jié)效果。同時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，而可再生能源裝機逐年上升，兩者呈現(xiàn)嚴(yán)重的不匹配。從經(jīng)濟和技術(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。
●完善電力市場機制，通過市場手段激勵更多靈活性資源發(fā)展
中國需要創(chuàng)建響應(yīng)時間快的實時市場，將交易時間尺度縮短到分鐘級，使市場能夠及時做出價格判斷。同時，需要建立公平的靈活性補償機制，考慮快速爬坡能力、最短向上和向下爬坡時間以及響應(yīng)準(zhǔn)確度等特性，對靈活性資源進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩▋r，減少對不靈活運行發(fā)電廠的激勵，實現(xiàn)靈活性資源的優(yōu)勝劣汰。未來電力系統(tǒng)運行中，可以采取負(fù)荷需求側(cè)管理、備用容量共享、省間互濟等手段來“削峰填谷”，并進(jìn)一步通過分時電價、尖峰電價等價格機制來引導(dǎo)需求側(cè)用電，削減持續(xù)時間極短的尖峰用電，從而減少以滿足短時尖峰用電為動因的新增煤電電源裝機和配套電網(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)濟各領(lǐng)域規(guī)劃有機銜接，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營模式。加快擴大工業(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)資源激勵費率以及懲罰措施來加速其落地實施。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，從而實現(xiàn)儲能在更大范圍的協(xié)調(diào)優(yōu)化。
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