繼碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提出后，總書記于氣候雄心峰會(huì)上提出2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。2020年新能源裝機(jī)創(chuàng)1.2億歷史新高，相關(guān)消息也顯示國(guó)家能源局提出2021年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電合計(jì)新增1.2億千瓦的目標(biāo)。更大規(guī)模新能源發(fā)展已是大勢(shì)所趨，但新能源的發(fā)展絕非坦途，關(guān)于實(shí)現(xiàn)高比例新能源的有序接入，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)路徑始終爭(zhēng)論不休。
當(dāng)前各界熱議的新能源平價(jià)、調(diào)峰和并網(wǎng)安全等問(wèn)題，本質(zhì)上是同一問(wèn)題的一體幾面，可表述為：在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、社會(huì)經(jīng)濟(jì)承受能力、電力市場(chǎng)環(huán)境等約束邊界內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)展最優(yōu)解的問(wèn)題。隨著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定裕度逐步降低，新能源發(fā)展成為一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，即如何通過(guò)技術(shù)、管理等手段擴(kuò)大電力系統(tǒng)安全邊界，保證接入更多的新能源，本文試圖從系統(tǒng)分析的角度做一些粗淺的嘗試。
01
新能源與交流電網(wǎng)的適應(yīng)性問(wèn)題
雖然技術(shù)發(fā)展日新月異，但在2030年碳中和之前，當(dāng)前以交流為主的電力系統(tǒng)仍是新能源發(fā)展的主要載體，電力系統(tǒng)的發(fā)用電實(shí)時(shí)平衡和安全穩(wěn)定約束仍是需要遵循的客觀規(guī)律。新能源之所以會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)沖擊，主要有兩方面原因：
一是老調(diào)重彈的調(diào)峰問(wèn)題，風(fēng)光資源具有隨機(jī)性、間歇性和分散性，成為電力平衡過(guò)程中的不確定因素。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負(fù)荷具有隨機(jī)性、分散性，但由于負(fù)荷數(shù)量足夠大，呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為負(fù)荷預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)，從而由集中可控的電源進(jìn)行負(fù)荷跟蹤，就能確保發(fā)用電平衡。在實(shí)踐中，大機(jī)組的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和實(shí)時(shí)調(diào)度三級(jí)平衡機(jī)制，有效控制了發(fā)用電過(guò)程中的不平衡量。而新能源在電源側(cè)也引入了不確定性，使發(fā)用電平衡由確定性問(wèn)題變成一個(gè)隨機(jī)數(shù)學(xué)問(wèn)題，但并非毫無(wú)規(guī)律可循并且風(fēng)光各有特點(diǎn)：光伏的規(guī)律性很強(qiáng)，但由于光伏的高同時(shí)性導(dǎo)致了更大的調(diào)峰壓力；風(fēng)電更無(wú)序，但放到一個(gè)更大的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，也許能為發(fā)用電平衡做出貢獻(xiàn)。
二是風(fēng)電光伏發(fā)電系統(tǒng)作為直流系統(tǒng)，無(wú)法與交流電磁場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)耦合，也就無(wú)法對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定形成正的影響。從功角平衡來(lái)說(shuō)，交流系統(tǒng)通過(guò)交流電磁場(chǎng)彼此耦合在一起，就像多人綁腿跑的游戲，人就像機(jī)組，捆繩就像電網(wǎng)，如果有人落后、超前或摔倒，會(huì)通過(guò)綁繩拉回一致，而直流系統(tǒng)雖然與交流系統(tǒng)存在功率交互，但并沒(méi)有形成強(qiáng)耦合關(guān)系，無(wú)法成為電力系統(tǒng)功角和頻率穩(wěn)定的平衡器。從電壓角度來(lái)說(shuō)，短路電流是衡量電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)（無(wú)功突變?cè)斐傻碾娫醋兓c短路電流成反比），直流系統(tǒng)并不能提供短路電流，反而需要交流電網(wǎng)提供電壓支撐，其電壓耐受能力也較低，電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)容易發(fā)生脫網(wǎng)等問(wèn)題，對(duì)電壓起到反向調(diào)節(jié)作用。
上述第一個(gè)問(wèn)題已受到廣泛重視，被大部分人視為解決新能源發(fā)展的核心問(wèn)題，也催生了電化學(xué)儲(chǔ)能、虛擬電廠、電動(dòng)汽車有序充電等技術(shù)的發(fā)展。個(gè)人預(yù)計(jì)到2030年，常規(guī)電源裝機(jī)容量仍會(huì)略高于最大負(fù)荷，也略高于新能源裝機(jī)，通過(guò)調(diào)峰手段的有效組合，并建立合適的市場(chǎng)機(jī)制，全網(wǎng)發(fā)用電平衡仍具有一定的基礎(chǔ)。而對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，隨著直流系統(tǒng)比例越來(lái)越大，對(duì)于交流系統(tǒng)頻率、電壓和慣量的考驗(yàn)，將是對(duì)電力系統(tǒng)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而且這個(gè)危機(jī)的腳步越來(lái)越近，這可能是新能源大規(guī)模發(fā)展面臨的更加本質(zhì)的問(wèn)題。提升新能源與電網(wǎng)的協(xié)同勢(shì)在必行，新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中，對(duì)新能源的電壓和頻率耐受能力，一次調(diào)頻、電壓調(diào)節(jié)能力提出了要求，也要求新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較高的地區(qū)，新能源場(chǎng)站應(yīng)提供必要慣量與短路容量支撐。按照導(dǎo)則要求，重構(gòu)新能源與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系，將是需要更多專業(yè)研究和技術(shù)創(chuàng)新的問(wèn)題。
02
新能源發(fā)展的約束邊界
隨著新能源比例快速攀升，電力系統(tǒng)原有安全邊界被打破，新能源發(fā)展已從電站建設(shè)擴(kuò)展到系統(tǒng)性問(wèn)題，亟需系統(tǒng)性的研究方法和思維。借鑒專業(yè)的電力系統(tǒng)理論，將新能源發(fā)展歸納為：在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、社會(huì)經(jīng)濟(jì)承受能力、電力市場(chǎng)環(huán)境等約束邊界內(nèi)，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)展最優(yōu)解的問(wèn)題，下面僅根據(jù)個(gè)人淺薄的知識(shí)，試圖搭建一個(gè)粗淺且不全面的框架。
（一）電力系統(tǒng)約束
從電力系統(tǒng)客觀規(guī)律出發(fā)，新能源需滿足的約束大致可以分為以下幾大類：
1.全網(wǎng)發(fā)用電平衡
盡管儲(chǔ)能等技術(shù)飛速發(fā)展，但發(fā)用電平衡仍是電力系統(tǒng)最重要的規(guī)律。發(fā)用電平衡包括有功和無(wú)功的平衡，而有功具有全局特性，更被人廣泛認(rèn)知，由于有功平衡是頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件，所以隱含著頻率穩(wěn)定要求。
2.潮流平衡
電網(wǎng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須滿足潮流平衡的原則，特定電源、負(fù)荷和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，電力系統(tǒng)潮流具有可行解，是討論電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。在高比例新能源接入狀態(tài)下，滿足潮流可解才具有可行性。
3.輸電斷面穩(wěn)定限額
輸電斷面（包括線路通道、變壓器等原件）最大輸送容量受原件載流量、送受端電網(wǎng)強(qiáng)度等因素影響，在核定穩(wěn)定限額的時(shí)候，需要綜合考慮《導(dǎo)則》中各種故障情況下，滿足功角、頻率、電壓穩(wěn)定的限制，是反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要約束。輸電斷面穩(wěn)定限額約束是影響重點(diǎn)地區(qū)新能源上馬的重要原因。
4.并網(wǎng)點(diǎn)承受能力
表現(xiàn)為并網(wǎng)點(diǎn)電壓范圍和新能源短路容量要求。給定并網(wǎng)點(diǎn)正常電壓范圍，新能源耐受電壓水平處于并網(wǎng)點(diǎn)電壓范圍內(nèi)，不因?yàn)殡妷哼^(guò)高或過(guò)低造成脫網(wǎng)。新能源場(chǎng)站短路比衡量并網(wǎng)點(diǎn)短路容量與接入的新能源容量之比，短路比過(guò)低，表明交流電網(wǎng)強(qiáng)度不足以支持新能源接入，發(fā)生電壓波動(dòng)甚至小擾動(dòng)情況下，會(huì)發(fā)生電壓失穩(wěn)。
5.機(jī)組限額
包括機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)速率：機(jī)組有功（無(wú)功）出力上下限體現(xiàn)了電源的調(diào)節(jié)（調(diào)相或進(jìn)相）范圍，反映了機(jī)組對(duì)于全網(wǎng)發(fā)用電平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)的總能力。機(jī)組的調(diào)節(jié)速率（爬坡速率），反映機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)要求，維持發(fā)用電平衡的動(dòng)態(tài)特性。機(jī)組爬坡速率不足，將導(dǎo)致頻率的臨時(shí)性波動(dòng)。
上述電力系統(tǒng)約束條件中，1、2條屬于等式約束，3、4、5條屬于不等式約束，彼此之間存在較強(qiáng)聯(lián)系。不等式約束邊界即將被突破時(shí)，如果校正控制不及時(shí)，不等式約束被突破后可能對(duì)等式約束進(jìn)行破壞。如機(jī)組調(diào)節(jié)能力或機(jī)組爬坡速率不足，達(dá)到機(jī)組限額極值，將對(duì)發(fā)用電平衡造成影響。而如果聯(lián)絡(luò)線容量越限，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路潮流約束進(jìn)而影響機(jī)組出力，需要進(jìn)行分區(qū)平衡，在電力市場(chǎng)環(huán)境下將造成阻塞盈余等問(wèn)題。整體來(lái)看，等式約束被破壞將造成全局影響，需要采取緊急控制措施，如發(fā)電不足采取限電、切負(fù)荷，發(fā)電過(guò)剩進(jìn)行棄風(fēng)棄光，聯(lián)絡(luò)線潮流越限采取分區(qū)控制等措施。
（二）政策及市場(chǎng)約束
6.棄風(fēng)棄光比例
近年來(lái)，通過(guò)多方努力，棄風(fēng)棄光率降低，但隨著新能源建設(shè)加快，5%的棄風(fēng)棄光率雖然能保障新能源業(yè)主權(quán)益，但也限制了電網(wǎng)企業(yè)和地方政府接受增量項(xiàng)目的積極性。
7.市場(chǎng)規(guī)律
建立健全的現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng)，有利于激活電力系統(tǒng)中間的靈活性資源，公允的市場(chǎng)環(huán)境下，棄風(fēng)、棄光或高電價(jià)也可以作為電力電量平衡的可選解，發(fā)用電平衡手段更加豐富，有利于接入更多的新能源。但參與市場(chǎng)給新能源又帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，表現(xiàn)為電價(jià)和電量難以保障，特別是如果引入偏差考核，新能源場(chǎng)站需要在儲(chǔ)能等方面進(jìn)行額外投資，其經(jīng)濟(jì)性受到一定沖擊。
8.全社會(huì)碳排放強(qiáng)度
碳排放約束是碳達(dá)峰、碳中和的整體性約束，逐步完善碳配額基礎(chǔ)上，碳資產(chǎn)價(jià)值將逐步提升，有效促進(jìn)新能源經(jīng)濟(jì)效益的提升。
9.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用能成本
由于我國(guó)以高耗能、低附加值的產(chǎn)業(yè)為主，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)完成較好調(diào)整之前，我國(guó)的能源轉(zhuǎn)型始終要滿足低能源成本約束，不管是建立輔助服務(wù)市場(chǎng)，還是建立碳市場(chǎng)，都將傳導(dǎo)至終端用戶。如果國(guó)家仍要求終端用能成本只降不升，那么輔助服務(wù)市場(chǎng)也好、碳市場(chǎng)也罷，也只能是在電費(fèi)收入上切份額。
03
策略及啟示
通過(guò)上述分析，新能源發(fā)展面臨的問(wèn)題可以抽象為高維非線性空間求最優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)可以是新能源裝機(jī)最大，也可以是新能源發(fā)電成本最優(yōu)，視具體情況而定。新能源并網(wǎng)規(guī)模日益加大，電網(wǎng)安全裕度快速下降，如何用經(jīng)濟(jì)、可行的手段擴(kuò)大新能源發(fā)展的約束邊界，是完成30/60目標(biāo)亟需破解的問(wèn)題。雖然很多問(wèn)題仍無(wú)確切答案，但仍可以形成以下思路：
1.形成更廣泛的共識(shí)。新能源發(fā)展是大勢(shì)所趨，但清晰的發(fā)展路徑仍是見(jiàn)仁見(jiàn)智，由于專業(yè)分工不同，對(duì)于新能源與電網(wǎng)協(xié)同的問(wèn)題，不同主體都有一葉障目不見(jiàn)泰山之感；同時(shí)由于利益主體多元，很多客觀規(guī)律有意無(wú)意中被忽視。當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)和電力體制同時(shí)發(fā)生深刻變化，需要設(shè)備企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府協(xié)同一致，形成系統(tǒng)意識(shí)和安全穩(wěn)定意識(shí)，就新能源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、涉網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)信息共享達(dá)成廣泛共識(shí)，搭建新能源健康發(fā)展的社會(huì)環(huán)境。
2.以更靈活的市場(chǎng)手段促進(jìn)新能源消納。強(qiáng)制性控制棄風(fēng)棄光比例雖然有利于既有電站的消納，但限制了電網(wǎng)企業(yè)和地方政府接受增量項(xiàng)目的積極性，也不利于新能源資源價(jià)值的開(kāi)發(fā)。隨著各地降低新能源保障小時(shí)數(shù)，新能源廣泛參與中長(zhǎng)期交易、現(xiàn)貨市場(chǎng)交易是大趨勢(shì)。盡快完善現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制并擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)其價(jià)格發(fā)現(xiàn)作用，與中長(zhǎng)期交易風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避作用相結(jié)合，新能源才能真正進(jìn)入平價(jià)的快車道。
3.以更開(kāi)放的視野看待電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題。電網(wǎng)調(diào)峰手段多種多樣，以新能源強(qiáng)制配儲(chǔ)能的方式，也許能快速提升新能源的調(diào)節(jié)性能，也能快速培育和壯大電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)，但容易造成資源錯(cuò)配，造成新能源發(fā)電成本高企。長(zhǎng)期來(lái)看，利用輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng)促進(jìn)虛擬電廠、火電靈活性改造等靈活性資源盤活；同時(shí)在市場(chǎng)環(huán)境下將新能源電站納入偏差考核，促進(jìn)新能源電站通過(guò)配置儲(chǔ)能設(shè)備、加強(qiáng)出力預(yù)測(cè)或開(kāi)展發(fā)電權(quán)交易進(jìn)行自我平衡，更有利于降低新能源發(fā)電的系統(tǒng)平衡成本。
4.能源價(jià)格市場(chǎng)化，倒逼能源轉(zhuǎn)型。客觀尊重能源轉(zhuǎn)型需要付出成本的事實(shí)，國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)研究成果均表明，新能源比例提升，將導(dǎo)致零售價(jià)格的上升。建立輔助服務(wù)市場(chǎng)、碳市場(chǎng)并形成良性循環(huán)，需要向用戶側(cè)進(jìn)行成本疏導(dǎo)，以往在發(fā)電企業(yè)之間的“零和游戲”沒(méi)有出路，打破能源價(jià)格政策限制，形成市場(chǎng)化的能源順價(jià)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)展的重要條件。
5.開(kāi)展新能源與電網(wǎng)適應(yīng)性改造和技術(shù)研發(fā)。電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和開(kāi)機(jī)組合，挖掘電力系統(tǒng)的安全裕度，提升新能源接入容量，同時(shí)完善并出臺(tái)新能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定細(xì)則。新能源企業(yè)充分重視并網(wǎng)安全，統(tǒng)籌安排對(duì)既有電站的涉網(wǎng)改造，加強(qiáng)新建電站并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)管理。設(shè)備和技術(shù)企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，形成提升新能源慣量、短路容量、有功和無(wú)功支撐的整體解決方案，降低新能源并網(wǎng)的技術(shù)成本。
