2020年末到2021年初,內(nèi)蒙、甘肅、湖南、江西等多地出現(xiàn)了供電緊張局面,一方面是因為上述地區(qū)負荷同比增長較快,但另一方面是因為水電和風(fēng)光等可再生能源有效裝機容量較低,本地火電機組近年來發(fā)展受限,難以應(yīng)對快速增長的冬季負荷需要。國家發(fā)展改革委1月19日的新聞發(fā)布會上指出,為了30·60雙碳目標,我國將繼續(xù)推進能源體系清潔低碳發(fā)展,構(gòu)建高比例可再生能源的電力系統(tǒng),3月15日召開的中央財經(jīng)委員會第九次會議,提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),再次肯定依靠大電網(wǎng)模式消納可再生能源是當前技術(shù)條件下的唯一可靠途徑。由于可再生能源發(fā)電的隨機性和波動性,其有效容量遠低于銘牌容量,不能簡單將可再生能源的裝機銘牌容量匹配負荷需求。對比新能源裝機世界領(lǐng)先的歐盟28國,其傳統(tǒng)電源容量就是一直保持與最大負荷相當(4.86:4.5),作為系統(tǒng)有效容量的主要來源。因此,即使在新能源為主體(電量)的新型電力系統(tǒng)中,為了保證系統(tǒng)供熱供電安全穩(wěn)定,仍然必須在電力系統(tǒng)中儲備足夠的可調(diào)機組作為備用電源,提供有效容量,彌補可再生能源的“先天不足”。從目前的技術(shù)經(jīng)濟條件看,傳統(tǒng)火電機組無疑是備用電源的最佳選擇,需要在未來的電源規(guī)劃中做好選擇和管理。
火電機組是現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下 備用電源的主要來源
按照規(guī)劃,到2030年,我國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上(較2019年增長近8億千瓦),同時水電也會大規(guī)模發(fā)展。由于水電和風(fēng)光等可再生能源發(fā)電出力具有可變性、間歇性和隨機性等特點,其發(fā)電出力不可控、預(yù)測困難,存在發(fā)電多年不均、季節(jié)不均甚至每一時刻都不同的情況,對電網(wǎng)保障用戶連續(xù)穩(wěn)定用電造成了巨大影響。在電力能夠大規(guī)模經(jīng)濟存儲之前,即在電能量出現(xiàn)“庫存”之前,要實現(xiàn)清潔、可靠供電,保障新能源消納,只有依靠配備足夠備用的大電網(wǎng)系統(tǒng)?,F(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下,有效備用容量由可調(diào)節(jié)性的電源或者負荷提供,可供選擇的技術(shù)路線有儲能、需求側(cè)響應(yīng)(負荷側(cè)虛擬電廠)和火電機組。既然這么多技術(shù)路線,在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下,為什么火電才是唯一的備用電源可行選擇呢?這要從備用的分類談起,電力系統(tǒng)并非只需要旋轉(zhuǎn)備用一種備用,為了保證連續(xù)可靠供電電網(wǎng)需要年度、季度、月度、日、旋轉(zhuǎn)備用五個維度的備用,五個維度的備用缺一不可,否則就會出現(xiàn)相應(yīng)維度上的可靠性問題,目前只有火電機組能夠經(jīng)濟的提供上述五個維度的備用。具體分析如下:
一是儲能備用電源成本過高。近年來,儲能工程技術(shù)得到了較大進步,已經(jīng)發(fā)展為多種能量存儲方法,按存儲能量類別可分為物理儲能(抽蓄、飛輪、熱儲能、重錘等)、電化學(xué)儲能(蓄電池等)和氫儲能(電解制氫)。儲能最大的優(yōu)勢是可充可放、響應(yīng)速度快,在一次調(diào)頻中作用明顯,適用于功率型應(yīng)用。目前作為電量型應(yīng)用的電儲能技術(shù)仍然不成熟,較為成熟的抽水蓄能和化學(xué)電池儲能也只能滿足滿負荷放電2-4小時,4小時放電的抽水蓄能電站單位造價是火電機組的約1.6倍,4小時放電能力的化學(xué)電池儲能單位造價是火電機組的約2倍。同時,4小時的抽水蓄能電站和化學(xué)電池儲能僅具備提供日備用和旋轉(zhuǎn)備用的能力,如果要提供日以上的備用,增加多少放電時間,化學(xué)電池的造價就要增加多少倍,而抽水蓄能電站受場地限制不具備無限制擴大水庫的能力。必須要指出的是,近期化學(xué)電池儲能的造價之高是難以想象的,例如高比例可再生能源的電力系統(tǒng)只以化學(xué)電池儲能為五個維度的備用電源,全國則需要100萬億以上投資,是目前全國電網(wǎng)資產(chǎn)的20倍以上。所以化學(xué)電池儲能目前還不具備成為消納新能源大體量備用電源選擇的條件,只能作為調(diào)頻響應(yīng)的輔助電源,“電力不具備大規(guī)模經(jīng)濟存儲條件”的規(guī)律在可預(yù)見的時間內(nèi)仍然有效。
二是需求側(cè)管理作為備用容量的作用有限。國內(nèi)在供電緊張期間,一般會加強用電管理,以有序用電改變用戶的用電方式,這是帶有明顯計劃色彩的強制行政命令,并不是市場價格引導(dǎo)下的需求側(cè)管理,性價比低,難于大規(guī)模、高頻次使用。隨著可再生能源裝機越來越多,行業(yè)內(nèi)加大了對需求側(cè)管理技術(shù)的研究,希望用需求側(cè)管理來控制負荷,使其跟隨發(fā)電出力波動,以保持系統(tǒng)平衡。需求側(cè)管理類似反向調(diào)節(jié)的虛擬電源,能夠承擔(dān)與電源相同的備用作用,可以減少系統(tǒng)對備用容量的需求,降低系統(tǒng)運行費用,而且對電力系統(tǒng)頻率的控制速度快,效果好。用戶側(cè)安裝化學(xué)電池儲能設(shè)施提供備用的問題與發(fā)電側(cè)采用化學(xué)電池儲能的問題相同,下面僅討論不需安裝化學(xué)電池儲能設(shè)施便能提供需求側(cè)響應(yīng)的用戶。從現(xiàn)有的研究和實踐看,國外需求側(cè)管理主要在6個工業(yè)領(lǐng)域開展,包括化學(xué)品、有色金屬、冷藏行業(yè)、鋼鐵、紙張和水處理,一般要求生產(chǎn)工藝中存在無人值守的生產(chǎn)環(huán)節(jié),但是由于需求側(cè)管理容易對生產(chǎn)生活造成較大影響,容量不可能太大,也不可能持續(xù)很長時間,不能實現(xiàn)連續(xù)24小時以上的響應(yīng),無法提供季節(jié)、年度性備用。畢竟需求側(cè)響應(yīng)的本質(zhì)還是負荷,用電生產(chǎn)才是其主業(yè),丟了訂單相當于丟了市場,長此以往影響企業(yè)經(jīng)營發(fā)展,更重要的是由于短期內(nèi)國內(nèi)電力市場不夠完善,對需求側(cè)管理沒有形成價格激勵,不能清晰梳理需求側(cè)管理的成本。例如,國內(nèi)華東某省需求側(cè)管理過程中少用一度電需要補貼4元,年度補貼總額遠超火電機組提供容量備用所需的年度費用水平。
三是火電備用電源提供系統(tǒng)備用具有先天優(yōu)勢。首先,火電機組能夠提供全部五個維度的備用服務(wù),其次,火電機組運行除了提供備用,還可以提供系統(tǒng)必須的轉(zhuǎn)動慣量,這是其他備用電源技術(shù)不具備的優(yōu)勢,再次,火電機組造價隨著技術(shù)進步大幅下降,單位造價在2600-3800元人民幣之間,并且不隨提供備用的時間延長而增加造價,最后,火電機組廠址條件要求不高,易于選擇場地,占地面積遠遠小于其他備用電源技術(shù)。
當然,火電機組在生產(chǎn)中不可避免要產(chǎn)生碳排放,這似乎與雙碳目標有一定沖突,不過必須要澄清的是,碳達峰碳中和目標中是要盡可能減少碳排放,而不是不排放。對電力系統(tǒng)而言,完成雙碳目標應(yīng)該是大規(guī)模削減火電機組的發(fā)電量,而不是削減火電機組的容量?;痣姍C組作為成熟的發(fā)電技術(shù),與其相關(guān)的高技術(shù)措施仍在快速發(fā)展,火電機組效率逐年升高,度電碳排放強度逐年下降,而且通過對污染物的有效控制,各類節(jié)能減排技術(shù)可以使火電機組不再是污染的代名詞。通過合理的技術(shù)、經(jīng)濟手段引導(dǎo),加強植樹造林、利用節(jié)能減排等技術(shù)措施,完全可以抵消“大容量、小電量”方式生存的火電自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量,完全可以實現(xiàn)碳達峰和碳中和。
從近年來北美加州、德州等異常天氣出現(xiàn)的電力供應(yīng)問題的事后分析來看,在異常天氣下,最為可靠的機組就是“燃料現(xiàn)場儲存”的煤機和核電機組,因為燃氣機組大規(guī)模存儲燃料困難。有學(xué)者提出,電力規(guī)劃應(yīng)考慮災(zāi)害情況下足量的“燃料現(xiàn)場儲存”機組,甚至比聯(lián)網(wǎng)更重要。
火電機組 作為容量備用電源的選擇原則
由于大量建設(shè)備用火電機組會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟代價,必須科學(xué)合理地配置不同維度容量備用功能的火電機組,切不可追求可靠性的百分之百,否則將產(chǎn)生不可承受的經(jīng)濟代價,尤其是在類似北美加州和得州異常天氣情況下,不能要求依靠容量備用機組實現(xiàn)系統(tǒng)“安然無恙、連續(xù)供應(yīng)”,如確實出現(xiàn)達到災(zāi)害等級的天氣條件,則應(yīng)以保證民生和公益事業(yè)用電為目標考慮“燃料現(xiàn)場儲存”的機組容量。在非災(zāi)害等級天氣條件下,應(yīng)根據(jù)對系統(tǒng)備用的作用側(cè)重不同,按照年度備用、季度備用、月度備用、日備用和旋轉(zhuǎn)備用的分類方式進行合理選擇,并對各類備用機組進行精細化管理,進一步減少備用電源對系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響。同時,由于火電能夠提供各類型備用,應(yīng)統(tǒng)籌考慮。
1、年度備用機組
由于可再生能源出力年度分布不均,存在大小年,而且為了應(yīng)對個別年度的變幅較大天氣造成的用電負荷突增和供熱不足等問題,必須設(shè)置年度備用機組。年度備用機組正常狀態(tài)不實際發(fā)電,只在應(yīng)對電網(wǎng)特殊情況時才會啟動,年度利用小時數(shù)極低。而平時需要進行環(huán)保改造和設(shè)備維護,只在年度迎峰度夏和迎峰度冬兩季之前做好啟動準備,這類機組備用會造成電網(wǎng)運行費用上升,一般不需要太多,一個省級電網(wǎng)內(nèi)保留1-2座電站即可,容量也不需要太大,不高于該省正常年度負荷的10%或該省可再生能源近5年資源最小年與平均水平的差值。為了節(jié)約整個系統(tǒng)費用,年度備用機組可以利用已經(jīng)完成資產(chǎn)折舊,被列入關(guān)停序列的機組,在其達到環(huán)保、安全標準的前提下,對其進行科學(xué)合理的延期增壽管理,利用其作為負荷中心的地理位置,在可再生能源特低年為系統(tǒng)提供必要電力支撐。如無合適的老舊機組,應(yīng)當考慮盡快新建,但應(yīng)要求新建機組優(yōu)先于燃煤經(jīng)濟型指標,考慮停備維護經(jīng)濟指標。
2、季度備用機組
由于可再生能源出力存在的季節(jié)性分布不均,豐枯季節(jié)明顯,特別是北方地區(qū)冬季供暖季,為了保證供電供暖安全,需要設(shè)置季度供暖備用機組。季度備用機組只在一年中某一個季節(jié)內(nèi)啟動,承擔(dān)系統(tǒng)當季內(nèi)的基本負荷,緩解系統(tǒng)季節(jié)性電力、熱力短缺,年度利用小時很低,但在某一季節(jié)具備一定的利用小時數(shù)。季度備用機組的長期備用也會造成系統(tǒng)運行成本上升,為了響應(yīng)新能源季節(jié)性波動或者北方冬季供暖大負荷,大中型城市可以保留1-2座中型電站,容量設(shè)置以滿足本地可再生能源近5年內(nèi)季節(jié)出力差的平均水平和熱高峰的極值為宜。為了降低系統(tǒng)經(jīng)濟影響,應(yīng)該選擇備用成本較低機組作為季度備用,例如對老舊供熱機組延期增壽或者新建高背壓燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組,減小對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。
3、月度備用機組
由于可再生能源存在月度的不均勻性,系統(tǒng)中需要按月啟停的月度備用機組。此類機組在大風(fēng)月、大汛期時選擇停運,為可再生能源出讓發(fā)電空間,保證新能源消納,年度利用小時數(shù)較年度備用和季度備用機組有較大增加,設(shè)備利用率較高。月度備用容量以滿足控制區(qū)內(nèi)年度可再生能源年度最大發(fā)電出力與最小發(fā)電出力差為宜,但是此類機組啟停較為頻繁,可以新建適應(yīng)頻繁啟停的低參數(shù)燃煤機組和燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,或者將現(xiàn)有燃煤機組進行改造,使其適應(yīng)頻繁的啟停調(diào)節(jié),以減小固定投資成本,減少對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響。
4、日備用機組
由于光伏發(fā)電的日波動性較強,而且為了30·60目標,光伏發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展,造成系統(tǒng)內(nèi)日調(diào)峰需求越來越大,需要日啟停備用的電源將越來越多。日備用容量以滿足控制區(qū)內(nèi)光伏最大出力波動為準,以山東為例,2020年光伏裝機達2272萬千瓦,山東電網(wǎng)的日備用容量必須達到2300萬千瓦。日調(diào)峰備用機組啟停最頻繁,甚至是需要每日啟停,以適應(yīng)風(fēng)光波動對系統(tǒng)的影響,且對爬坡速率有一定要求,應(yīng)規(guī)模化新建燃氣單循環(huán)尖峰機組,不宜選用聯(lián)合循環(huán)機組。
5、旋轉(zhuǎn)備用
由于風(fēng)電的波動性、隨機性,為了維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性,必須設(shè)置系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用電源,并且該部分旋轉(zhuǎn)備用電源應(yīng)具備非常強的快速爬坡能力。按照GB/T38969-2020《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定,系統(tǒng)備用容量為最大負荷的2%-5%,事故備用容量為最大負荷的10%,不小于系統(tǒng)中一臺最大機組或饋入最大容量直流的單級容量。風(fēng)電、太陽能等新能源裝機較多的地區(qū),需結(jié)合風(fēng)光發(fā)電出力特性和參與平衡的比例,額外設(shè)置一定的負荷備用容量。根據(jù)30·60目標的推算,2030年-2060年,我國風(fēng)光新能源裝機規(guī)模要達到40%-70%,如此高比例的風(fēng)光發(fā)電接入系統(tǒng),將迫使系統(tǒng)預(yù)留備用的比例大大增加,也將迫使《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》重新修訂標準。旋轉(zhuǎn)備用機組最小負荷應(yīng)以滿足電網(wǎng)控制區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)慣量的最低要求,旋轉(zhuǎn)備用容量以滿足風(fēng)電功率預(yù)測波動為準。按照24小時風(fēng)電功率預(yù)測準確率80%,旋轉(zhuǎn)備用容量應(yīng)控制在風(fēng)電最大出力的20%為宜。為了減少旋轉(zhuǎn)備用電源對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響,旋轉(zhuǎn)備用電源應(yīng)選擇變動成本較小、旋轉(zhuǎn)慣量大、爬坡能力強的高參數(shù)大容量燃煤機組,或者高參數(shù)的燃氣聯(lián)合循環(huán)機組。
上述備用機組容量計算并非需要硬性疊加,而是可以通過不同維度備用火電電源組合,以備用成本最低為優(yōu)化目標。備用電源是促進新能源消納的必要手段,也是實現(xiàn)30·60雙碳目標的必然技術(shù)措施,但是其會大幅增加系統(tǒng)運行費用形成新能源的消納成本。為了盡量減少固定投資和不必要的備用資源浪費,對于備用機組的選擇和管理,需要堅持市場化的選擇標準,老舊機組和完成折舊的火電機組是最為經(jīng)濟的選擇。
“十四五”備用電源規(guī)劃展望
為了30·60雙碳目標的實現(xiàn),適應(yīng)未來高比例新能源的電力、熱力供應(yīng)穩(wěn)定,在國內(nèi)供需普遍較為寬松和市場建設(shè)進程加快的背景下,需要及早做好火電機組等傳統(tǒng)備用電源的規(guī)劃,應(yīng)對未來的“兩高一低”(即高可再生能源、高電力電子設(shè)備、持續(xù)降低的轉(zhuǎn)動慣量)特征對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)。展望“十四五”工作,建議注意以下三方面內(nèi)容:
一是合理確定傳統(tǒng)電源容量與新能源占比。根據(jù)30·60目標的推算,2030年-2060年,我國風(fēng)光新能源裝機規(guī)模要達到40%-70%。而由于風(fēng)光新能源自有的不友好特性,將對電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)慣量和旋轉(zhuǎn)備用容量產(chǎn)生較大影響,威脅系統(tǒng)運行安全。為了保證電力系統(tǒng)的供應(yīng)安全,需要合理確定傳統(tǒng)機組容量與新能源占比。根據(jù)需要消納的新能源容量和系統(tǒng)必須的最小旋轉(zhuǎn)慣量要求,扣除系統(tǒng)內(nèi)運行的核電機組和水電機組有效容量,確定傳統(tǒng)火電的最小運行容量和一次調(diào)頻的備用容量。根據(jù)新能源波動性和間歇性特點,按照新能源預(yù)測誤差、小時級波動量和日內(nèi)波動量,根據(jù)可調(diào)節(jié)機組自動發(fā)電控制(AGC)需求的提升量,確定旋轉(zhuǎn)備用容量和日備用容量。根據(jù)系統(tǒng)負荷需求,扣除系統(tǒng)內(nèi)的核電機組、水電機組和新能源等各種能源的有效容量,確定傳統(tǒng)電源的最終的全部備用容量。
二是利用系統(tǒng)模擬仿真定量確定火電備用容量規(guī)劃?;痣妭溆萌萘恳?guī)劃工作必須考慮經(jīng)濟、可靠、清潔的不可能三角,“不惜代價”、“人定勝天”的思維方式,必須在未來電力規(guī)劃中得到徹底的摒棄?,F(xiàn)代的電力容量備用規(guī)劃工作要更加注重定量分析,而非定性決策,改典型運行方式分析為目標年連續(xù)生產(chǎn)仿真。在做好火電備用容量規(guī)劃定量規(guī)劃時,需要運用基于電力安全運行的系統(tǒng)時序生產(chǎn)模擬的連續(xù)電力規(guī)劃仿真。電力規(guī)劃仿真是通過離線計算的手段模擬未來一年甚至更長時間的連續(xù)運行情況。電力規(guī)劃仿真根據(jù)未來電力、熱力需求預(yù)計,仿真優(yōu)化計算每個小時每臺發(fā)電機組開機狀態(tài)、出力,并進行潮流計算,自動地滾動模擬各目標年8760小時的電力系統(tǒng)運行,根據(jù)目前電源數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)、燃料價格等,以全系統(tǒng)電價水平最低為目標,滿足負荷平衡約束、機組運行約束和電網(wǎng)安全約束,實現(xiàn)合理運行備用需求量化分析、調(diào)節(jié)需求量化分析、棄風(fēng)棄光(即可再生能源消納量量化分析)、常規(guī)機組發(fā)電量影響量化分析、系統(tǒng)供電可靠性(計算LOLE、EENS等)影響量化分析、傳統(tǒng)電源的最優(yōu)規(guī)劃。
三是優(yōu)化“上大壓小”、淘汰關(guān)停小火電的火電政策。我國電力工業(yè)長期執(zhí)行的“上大壓小”、淘汰關(guān)停小火電政策,曾經(jīng)對我國電力工業(yè)更新?lián)Q代、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級起到了至關(guān)重要的作用。在未來電力規(guī)劃中,特別是面對未來高比例新能源的電力環(huán)境,未來火電機組成為主要備用容量,“大容量,小電量”將成為常態(tài),新建高參數(shù)火電機組將不能發(fā)揮出明顯優(yōu)勢,“上大壓小”、淘汰關(guān)停小火電政策需要進行優(yōu)化調(diào)整,不應(yīng)以能耗水平一票否決在運機組。同時,現(xiàn)存的老舊機組和完成折舊的火電機組,由于其基本處于負荷中心,接入位置好,可以更好地發(fā)揮出電力、熱力的備用作用,投資成本低,對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響小。所以需要根據(jù)新情況調(diào)整“上大壓小”、淘汰關(guān)停小火電的火電政策,將現(xiàn)存火電機組進行科學(xué)分類,根據(jù)真實負荷需求規(guī)劃新的火電項目,使其以不同的備用電源形式參與到新的歷史使命中,為國家盡早實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標做出新的貢獻。
30·60雙碳目標將指引我國電力行業(yè)的發(fā)展方向,面對高比例新能源消納的新形勢,電力行業(yè)在需要“十四五”電力規(guī)劃中就開始做好火電機組備用電源的選擇和管理,做好電力安全運行規(guī)劃?;痣娖髽I(yè)也要積極履行系統(tǒng)備用的職責(zé)和義務(wù),做好設(shè)備管理和維護,做到關(guān)鍵時刻靠得住、危急時刻頂?shù)蒙?、需要時刻轉(zhuǎn)得穩(wěn),為國家30·60目標作出自身應(yīng)有的貢獻。(南方能源觀察)
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