碳達峰條件下，如何確保電力穩定供應？

2020年9月我國向世界宣布碳達峰碳中和目標，2021年3月中央財經委員會第九次會議上明確，要“構建以新能源為主體的新型電力系統”。在此，談談碳達峰條件下如何保障電力供應方面的幾點粗淺認識：

一、碳達峰條件下電力保供的特點與挑戰

截至2020年底，全社會用電量達到7.5萬億千瓦時；總發電量7.6萬億千瓦時，其中，水電1.36萬億千瓦時，占18%，火電5.17萬億千瓦時，占68%，核電3662億千瓦時，占4.7%，風電4665億千瓦時，占6%，太陽能發電2611億千瓦時，占3.3%；全國發電裝機達到22億千瓦，其中，水電3.7億千瓦，占16.8%，火電12.4億千瓦，占56%，核電4989萬千瓦，占2.3%，風電2.8億千瓦，占12.7%，太陽能發電2.5億千瓦，占11.4%；西電東送規模達2.7億千瓦；清潔能源發電量占總發電量的32%，裝機占總裝機的44%；風光發電量占總發電量的9.3%，裝機占總裝機的24.1%。

有關研究表明，中長期我國電力需求仍將持續增長，預計2030年全社會用電量將達到11.5萬億千瓦時，發電量需要11.8萬億千瓦時以上，“以‘十四五’電力供需基本平衡為基礎，結合各類電源發展潛力進行測算，中長期全國仍將存在較大電力缺口”。這就提出了問題，在落實“3060”目標的進程中，如何科學地結合以新能源為主體的新型電力系統特點來保障電力供應？

筆者認為新能源為主體的新型電力系統的以下特點和挑戰對保障電力安全供應的影響較大：

一是新能源作為主體電源，由于其間歇性特性，使得主體電源的保證出力低，有效利用小時數不高，受氣候條件影響大，運行出力隨機性強，受分布式電源影響，容量分散度高，可以擔當電量總量的主體作用，但承擔電力電量即時或期間平衡的主體作用有限，必須配備常規電源、大電網和儲能設施承擔調節和支撐作用；

二是風電和光伏電源目前均以逆變器方式接入交流系統，使得主體電源在抵御大規模電源失去或者嚴重電網故障時，防止電網失穩，發揮電網頻率和電壓支撐作用十分有限；

三是我國電網形態將隨著新能源電源占比的提高，逐步形成以優化利用新能源電力電量為重點，以支撐區塊綜合能源系統的區塊電網為單元，城鎮電網和電源基地局部電網為基礎，負荷密集的受端電網為重心，超特高壓電網為輸送與交換平臺的多電壓等級、交直流并存、分層分區的新模式，需要創新電力系統安全經濟運行與管理的戰略、策略和技術措施；

四是大量電力電子化設備的應用，使電網特性發生了新的變化，傳統的暫態穩定面臨轉動慣量不足帶來的新問題，新型誘因的電網穩定問題也需要研究，電力系統模擬精度與分析深度需要大幅升級；

五是新能源發電、儲能、電動汽車等大量融入電網，電網數字化及源網荷儲協調控制信息基礎設施，如監控點規模、監控模式、信息處理與交換及其網絡安全等方面需要全面升級；

六是支撐新型電力系統建設的一些關鍵技術，如儲能安全、制氫與利用、燃料電池、碳捕捉技術等尚處在研發階段，具有很多不確定性。

上述特點與挑戰對保障電力供應都將產生重要影響，具體影響需要通過詳細的生產模擬和安全穩定計算等方法來予以量化。在此舉例做簡單說明。

我們以2030年的電力平衡為例。假定2030年的全年發電量為11.8萬億千瓦時，選擇2030年8月10日晚上9點或10點為例，此時全國全口徑負荷預計為18億~20億千瓦（年均增長率比發電量增長率高1個百分點左右），不考慮電網堵塞，不考慮機組調峰能力、發電特性與負荷跟蹤速度。這個時點是夏季大的負荷的典型時點，同時也是風電季節性低谷和光伏日低谷典型時點。此時，全國光伏發電出力為零，根據現有統計數據，風電季節性低谷出力為年較大出力的九分之一，則此時風電和太陽能發電（裝機12億千瓦以上）的總出力約為0.75億千瓦，火電、水電和核電出力備用率為20%時，負荷按19億千瓦計算，則系統需要提供的燃氣發電和（或）儲能出力為4.09億千瓦。如果計及電網阻塞、火電調峰能力和負荷跟蹤速度等因素，則燃氣發電和（或）儲能的總容量可能需要達到5億千瓦以上。這個典型時點就是電力平衡木桶的短板之一，這樣的短板場景還包括南方梅雨季節光伏發電連續多天低出力或零出力，以及2021年初出現的極端氣候場景等。這些場景的電力電量平衡問題都是新能源為主體的新型電力系統電力保障供給必須面對的挑戰，在“雙碳”條件下保障電力供應，需要有足夠的滿足“雙碳”要求的支撐電源、儲能容量和電網交換能力。

二、碳達峰條件下電力保供措施的思考

1.保證碳達峰與碳中和條件下電力保供方案相銜接

碳達峰與碳中和是承上啟下的關系。“十四五”是碳達峰的關鍵期和窗口期，碳達峰期是碳中和的關鍵期、窗口期。電力行業是實現碳中和的關鍵領域，這是世界的共識。碳達峰條件下的電力保供規劃方案既要解決2030年之前的電力保供的問題，更要為2060年電力行業碳中和路徑優化提供可以應對各種不確定性的解決方案。提升電氣化水平是世界公認的推進碳減排的主要舉措，要以保障我國社會主義現代化建設多元需求為條件，優化選擇電力行業碳達峰時間，堅持實事求是，把握窗口時機，科學謀劃施策，切實落實“3060”目標。

2.明確電力保供的標準要求

從有關方面公開的研究成果看，“十四五”期間，我國部分地區可能存在缺電局面，電力系統應對極端天氣的電力供應存在困難，同時，高比例新能源發電和高比例電力電子化的電網中，轉動慣量不足的問題尚未得到實質性解決，給電網帶來了安全風險。在這樣的背景下，需要明確電力保供的充裕性與可靠性標準，不同的標準將對應不同電源結構的保供措施。

3.加快發展，適當超前，合理布局新能源發電

截至2020年底我國風電、太陽能發電總裝機達5.3億千瓦。要實現2030年的目標，需要遠近結合，在經濟可接受的前提下，適當超前建設新能源機組，以提高新能源機組的總體保障出力。加快西部新能源基地建設，實施送端多種能源互補，就地利用與外送并重，加快以區塊電網為核心綜合能源系統建設，充分發揮分布式新能源發電的技術優勢；加大海上風電發展力度，優化我國風電布局，實施發電-制氫-供氫的產業化、規模化發展。加快太陽能熱發電的技術進步與建設規模，提高太陽能發電的保障出力和調節能力。

4.技術升級，高效利用，科學利用燃煤發電

“十四五”“十五五”是否新建燃煤發電機組當前爭論很大。國際能源署在其全球碳中和路徑研究報告中提出，“2021年起，不批準開工建設新的沒有減排的煤電廠，不批準新建和擴建煤礦”，“2025年不再銷售化石燃料鍋爐”。在這樣的國際環境下，我國從過去以煤電為主體的電力系統向以新能源為主體的電力系統轉型過程中，如何實事求是地發揮好煤電作用，是碳達峰條件下電力保供和促進我國碳中和目標落實與路徑優化必須面對的問題。是否新建煤電機組取決于電網中支撐型電源能否滿足要求。從目前來看，碳達峰條件下，電量的平衡不是主要矛盾，關鍵是受新能源機組日內波動和季節性波動以及極端天氣影響造成的日內、中短期、局部地區的電力不平衡問題。因此，如果確需新建煤電機組，可以考慮在行業二氧化碳排放總量有序控制基礎上，從提高電力平衡支撐能力的角度，確定新建煤電機組規模，同時，新建的煤電機組盡可能考慮碳捕捉技術的試點示范應用，并給予電價政策支持。碳達峰條件下，既有煤電機組的技術升級與改造任務艱巨，這也是電力保供的重要保障。一是要加快煤電機組的靈活性改造，目前煤電機組的調峰深度遠不能滿足電網調峰要求，要通過多種技術路線，配套相應的電價政策，不斷提高煤電機組深度調峰能力；二是要在技術成熟的前提下，開始布局煤電機組加裝碳捕捉設施改造；三是為落實“3060”目標，煤電機組將逐步退出運行，要及早做好統籌規劃。上個世紀，國外在這一方面就有一些成熟的做法，包括將煤電機組改造成同步調相機、燃氣機組和停用封存以待緊急使用等。特別是煤電機組改造成調相機對新能源為主體的新型電力系統極為重要，我國應根據新形勢新要求，提出退役燃煤發電機組改造調相機規劃。

5.明確定位，適度發展，充分發揮燃氣發電作用

燃氣發電具有調節速度快、調峰幅度大、二氧化碳排放低等特點。從國際上看，一方面，美國等一些國家因其天然氣發電占電源容量的比例較大，電網的新能源消納能力較我國具有較大的優勢。另一方面，國際能源署在其全球碳中和路徑研究報告中提出，2021年起，不批準開發新的石油和天然氣田；美國華盛頓州今年年初提出了建筑物的零碳計劃議案，要求天然氣完全退出民用。從我國的實際看，在儲能無法完全配合新能源全時段、全天候、全地域滿足電力電量平衡要求之前，適度發展燃氣發電，提高電力系統支撐能力，控制二氧化碳排放是一個保障電力供給的重要措施。需要進一步明確的一是燃氣發電主要作為支撐電源，用于輔助服務，要對燃氣發電機型進行優化選擇，技術經濟性要符合其在電網中的作用要求；二是對于天然氣管線覆蓋地區，可以考慮綜合能源系統建設，適度建設小型多聯供燃機，作為重要用戶應急備用電源；三是燃氣發電建設要考慮適時裝備碳捕捉設施；四是燃氣發電規模，要在滿足電力充裕性、可靠性標準以及有利于我國二氧化碳排放總量有序控制的前提下，按照積極適度發展的原則予以優化確定。

6.創造條件，確保安全，積極發展核電

發展核電是歐洲減排歷程中一個重要的措施。根據我國電源結構的具體情況，在保障核電安全的前提下，積極發展核電是實現碳達峰、碳中和，破解電力平衡難題的重要措施。核電在新型電力系統中需要考慮調峰，核電是具備調峰能力的，法國在這方面有很好的實際運行經驗。

7.多措并舉，破解難題，提高電網靈活性與可靠性

面對新能源為主體的新型電力系統帶來的諸多挑戰，首先要解決電網靈活性問題、轉動慣量不足帶來的電網大擾動引起的電網穩定問題和電力電子裝置及相關設施參數配置協調引起的次同步諧振等電網安全問題，同時，要根據新特點優化電網安全防御策略。要全面梳理電網阻塞情況，根據新型電力系統的實際需求擴充電網通道能力，以保證電網滿足電力輸送以及局部電網之間電力交換的要求，實現跨地區、時區、跨流域的錯峰、事故支援效益，以在支撐電源和儲能容量匹配的前提下，保障全電網、全時段、全天候電力電量平衡和可靠性要求。要從電網結構、等效大容量轉動慣量等方面研究新型電力系統的轉動慣量不足的新的解決措施，在現有技術的基礎上，要保證受端電網有足夠的動態電源與無功支撐能力，改造建設同步調相機，布局緊急狀態下的低電壓切負荷系統，控制在大系統中出現小容量的虛擬同步機。加快研究高比例電力電子設備引起的次同步穩定的機理與系統性應對措施。要重視結合用戶綜合能源系統建設，利用儲能、分布電源、需求側響應與信息技術優勢，豐富以用戶可靠性為導向的安全防御理念。

8.統籌規劃，著眼基礎，推進電網數字化智能化

在電力系統轉型過程中，要結合新能源發電、儲能、源網荷儲協調控制的要求，統籌規劃、合理布局電力信息應用系統及其基礎設施，要拓展升級與協調調度自動化、廠站自動化、配電自動化、需求側響應、電力市場、儲能管理、安全穩定控制等系統的功能與信息感知及應用，強化信息安全管理，應用先進的信息化技術，確保系統合理、高效、準確、可靠。

9.加速研發，安全應用，著力破解儲能的安全技術難題

儲能技術的研發與應用進程關乎能否落實“雙碳”目標。目前的儲能規模遠遠滿足不了需求，一是要進一步勘探可能的抽水蓄能電站站址，限度發展抽水蓄能；二是要加快研發應用化學等其他方式的儲能技術，力求形成較大規模，當前首先要解決鋰電池儲能的安全問題；三是要合理布局儲能建設，在電源、電網和用戶側分別布局必要的儲能設施。要特別重視合理規劃布局用戶側儲能，以使其既可以成為系統電力電量平衡的有效容量，又可以成為用戶的應急電源，提高供電可靠性。同時，要考慮形成統一協調控制的分層分布式儲能系統，確保規定規模的儲能設施可控在控，成為參與電力電量平衡的有效容量。

10.加大研發力度，加快試點示范應用，著力攻關綠氫與碳捕捉及其利用等技術

綠氫和碳捕捉技術對落實碳中和目標具有極為重要的作用。要加快制氫、運輸、利用及商業模式的研發和創新，加快各種場景的試點示范應用，并使其盡快形成商業應用的產業鏈。要著力研發碳捕集、利用與封存技術，提升捕集效率，減低能耗與成本，加快推進試點示范應用，并逐步實現產業化商業化應用。同時還要做好氫發電、小型民用核電、核聚變等前瞻性技術的研發工作。

三、兩點建議

從前面的分析來看，碳達峰和碳中和條件下保證電力供應必須依靠科技創新和科學決策。為此建議：

1.設立能源電力碳達峰碳中和國家實驗室，組織專門力量開展“雙碳”所及問題研究與科技研發

碳達峰碳中和所及的能源電力問題具有系統性、跨專業性、實用性和前瞻性等特點。目前研究方式在研究視角上受研究主體工作范圍局限，研究深度受研究課題項目時限局限，具有碎片化、短期性特點；舉國體制在重大創新工程方面成績很大，在基礎研究和重大系統性技術研發方面還沒有找到好的機制；目前，能源電力領域雖然有一些國家級別的實驗室，但專業面偏窄。美國阿貢實驗室是一個隸屬美國能源部，由第三方監管的國家實驗室，在能源技術創新等方面發揮了非常重要的作用，目前重要的創新研究領域包括能源與環境。建議以“雙碳”能源電力相關問題和技術的研究與研發為契機，國家啟動能源電力國家實驗室的建設，實驗室的重點任務就是組織持續研究研發影響我國實現“雙碳”目標的系統性、前瞻性、基礎性、制約性、關鍵性、跨學科性的科學技術問題和重大能源電力戰略問題。這個國家實驗室可以由國家能源主管部門和科技主管部門聯合主管，如果需要，也可以考慮由權威性高、專業面寬、中立性強、熟悉科技工作的第三方機構協助監管，具體研究管理模式，初期可以采用實虛結合方式。

2.研究建設能源電力發展推演系統，以提高選擇能源電力發展重大問題的定量分析水平，為科學決策提供支撐

能源電力系統是一個多影響因素、多時空領域時變的復雜系統。采用推演技術研究復雜系統問題、甚至是軍事問題是國外成熟的做法。美國擁有全球領先的推演技術和推演系統，現代推演技術已經融入計算機仿真、運籌學、模型思維等，近年來，更是融入大數據、人工智能等新一代信息技術。我國能源電力系統的模擬仿真方法與系統已經被廣泛采用，但目前這些系統多局限于某個專業領域，以此為基礎，引入推演技術與理念，以數字孿生的模式建立能源電力發展推演系統，為落實“雙碳”目標要求，研究多種不確定因素條件下優化能源電力系統的發展路徑、措施，為政策提供技術支撐，具有十分重要的意義。

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