中國儲能網(wǎng)訊：隨著新能源裝機規(guī)模持續(xù)擴大，電力系統(tǒng)對深度調(diào)峰和快速響應(yīng)能力的需求不斷增強，火電機組在系統(tǒng)中的功能定位和運行方式面臨重塑。圍繞高比例新能源條件下火電如何發(fā)揮靈活性支撐作用，本文系統(tǒng)梳理了德國在火電深調(diào)能力與電源爬坡性能提升方面的實踐，重點分析其在技術(shù)路徑、調(diào)節(jié)資源配置以及市場機制安排等方面的總體特征。研究認(rèn)為，德國通過將火電靈活性納入系統(tǒng)調(diào)節(jié)框架，并與多元調(diào)節(jié)資源和市場機制協(xié)同推進(jìn)，在新能源占比較高條件下維持了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。相關(guān)經(jīng)驗有助于深化對火電靈活性作用機理的認(rèn)識，可為我國在新能源持續(xù)發(fā)展的背景下優(yōu)化電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力建設(shè)提供參考。
一、德國火電靈活性提升的總體路徑與主要成效
在能源轉(zhuǎn)型持續(xù)深化背景下，德國電力系統(tǒng)運行特征的變化，決定了火電必須由傳統(tǒng)基荷電源轉(zhuǎn)向以靈活性為核心的功能定位。隨著核電逐步退出、風(fēng)電和光伏裝機規(guī)模快速增長（如圖1），德國電力系統(tǒng)由以穩(wěn)定供給為主的運行形態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿哳l、大幅波動為主要特征的運行形態(tài)（如圖2）。在新能源出力快速變化、負(fù)荷不確定性增強的條件下，傳統(tǒng)以基荷運行為主的火電機組難以適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求，火電功能定位調(diào)整成為能源轉(zhuǎn)型過程中必須直面的核心問題。
圖1 德國火電和可再生能源發(fā)電裝機情況
圖2 德國2024年各季度典型日發(fā)電量
圍繞火電功能定位的轉(zhuǎn)變，德國系統(tǒng)推進(jìn)以靈活性為導(dǎo)向的火電發(fā)展路徑。在應(yīng)對新能源快速發(fā)展的過程中，德國并未將火電簡單視為被替代對象，而是將其明確定位為承擔(dān)深度調(diào)峰、快速爬坡和備用支撐的重要靈活性電源。一方面，通過持續(xù)開展技術(shù)改造，使火電機組能夠在更低負(fù)荷、更快變化條件下安全穩(wěn)定運行；另一方面，通過優(yōu)化調(diào)度方式和運行策略，引導(dǎo)火電更多參與新能源波動調(diào)節(jié)，而非長期維持高負(fù)荷運行狀態(tài)。
在上述路徑推進(jìn)下，德國火電靈活性水平顯著提升，成為支撐高比例新能源系統(tǒng)平穩(wěn)運行的重要基礎(chǔ)。從運行成效看，德國火電機組最小技術(shù)出力持續(xù)降低，負(fù)荷爬坡和啟停響應(yīng)能力顯著提升，機組運行方式更加貼合新能源出力特征。在新能源滲透率超過60%的條件下，德國仍能夠依托火電靈活性支撐系統(tǒng)平衡，棄風(fēng)棄光水平維持在較低區(qū)間，電力系統(tǒng)整體運行保持安全穩(wěn)定。
二、火電深調(diào)能力與爬坡性能提升的關(guān)鍵實現(xiàn)路徑
目前，德國的大部分褐煤電廠最小出力可降低至額定功率的30%～45%，配合電儲熱裝置可將運行等效調(diào)峰深度提升至7.0%、8.7%。德國的硬煤機組具備良好的快速啟停能力，可通過頻繁啟停支撐電網(wǎng)調(diào)峰，其調(diào)峰深度可至額定功率的25%～40%。除此之外，采用深調(diào)技術(shù)改進(jìn)后的電站在爬坡速率、啟動時間等性能指標(biāo)方面，均實現(xiàn)了較為顯著的提升（如表1）。
表 1 火電深調(diào)技術(shù)的改進(jìn)效果
德國火電深調(diào)能力和爬坡性能的提升，首先依賴于系統(tǒng)化、成套化的機組技術(shù)改造。針對低負(fù)荷運行時燃燒不穩(wěn)定、環(huán)保約束增強和效率下降等問題，德國圍繞鍋爐、汽輪機和控制系統(tǒng)開展多環(huán)節(jié)改造，重點提升機組在非額定工況下的安全性和可控性。通過低負(fù)荷穩(wěn)燃、寬負(fù)荷脫硝、汽輪機通流優(yōu)化等措施，為火電深調(diào)運行奠定工程基礎(chǔ)。
隨著技術(shù)改造持續(xù)推進(jìn)，德國火電機組運行區(qū)間和動態(tài)響應(yīng)能力得到明顯拓展。褐煤和硬煤機組最小技術(shù)出力逐步降低，使火電能夠在新能源高出力時段主動壓降出力，為新能源消納騰挪空間；同時，通過優(yōu)化控制邏輯和關(guān)鍵設(shè)備性能，機組負(fù)荷爬坡速率顯著提升，能夠在新能源出力快速上升或下降時及時補償系統(tǒng)功率缺口，降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)險。
圍繞運行剛性較強的環(huán)節(jié)，德國同步推進(jìn)啟停加速和熱電解耦改造，進(jìn)一步釋放火電調(diào)節(jié)潛力。通過材料熱應(yīng)力控制優(yōu)化、旁路系統(tǒng)改造和啟?？刂撇呗哉{(diào)整，火電機組冷啟和熱啟時間明顯縮短，使機組能夠更加頻繁參與日內(nèi)調(diào)節(jié)和現(xiàn)貨市場運行。針對熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”的約束，德國通過配置蓄熱裝置、電鍋爐等方式，實現(xiàn)供熱與發(fā)電的靈活解耦，進(jìn)一步擴大火電可調(diào)節(jié)空間。
三、多元調(diào)節(jié)資源與市場機制對火電靈活性建設(shè)的支撐作用
德國火電靈活性能力的持續(xù)發(fā)揮，建立在多元調(diào)節(jié)資源協(xié)同支撐的系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。在火電機組自身改造的同時，德國推進(jìn)抽水蓄能、電化學(xué)儲能和蓄熱裝置建設(shè)，用于承擔(dān)快速調(diào)節(jié)和短時平衡任務(wù)。其中，抽水蓄能主要發(fā)揮日內(nèi)調(diào)峰和備用作用，電化學(xué)儲能側(cè)重快速響應(yīng)和調(diào)頻支撐，蓄熱裝置則有效緩解熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行剛性，多類資源協(xié)同運行，顯著降低了單一火電機組的調(diào)節(jié)強度。
在更大范圍內(nèi)，德國通過高度互聯(lián)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建跨區(qū)域平衡機制分擔(dān)新能源波動壓力。依托與周邊國家的跨國互聯(lián)，德國能夠在新能源出力過剩時向外輸出電力，在出力不足時快速獲得外部支撐，從而在更大空間尺度上平抑新能源出力波動。這種區(qū)域協(xié)同機制，為火電深調(diào)運行創(chuàng)造了更為寬松的系統(tǒng)環(huán)境。
在制度層面，市場機制通過清晰的價格信號，為火電靈活性建設(shè)提供持續(xù)激勵。在現(xiàn)貨市場中，新能源高出力時段頻繁出現(xiàn)低價甚至負(fù)電價，倒逼火電機組主動壓降出力；而在新能源出力快速回落、系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求集中的時段，電價顯著上升，使具備快速爬坡和啟停能力的機組獲得更高收益。同時，輔助服務(wù)市場對調(diào)頻和備用實行分級補償，調(diào)節(jié)能力越強、響應(yīng)速度越快，獲得的市場回報越高。市場機制將靈活性能力直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟收益，形成推動火電持續(xù)開展靈活性改造的內(nèi)生動力。
圖3和4為2025年3月18日至22日德國各類電源出力功率、跨國交換電量的變化趨勢，以及德國電力現(xiàn)貨市場日前交易價格、輔助市場電能量價格。其中，日前價格與新能源出力，尤其是光伏出力呈現(xiàn)緊密的負(fù)相關(guān)性，而在新能源出力快速爬坡與下降的上午7時至8時、下午16時至18時，日前市場收益達(dá)到高峰，該時段燃?xì)鈾C組、抽蓄機組頂峰出力，以爭取更大的現(xiàn)貨市場收益。而在21日至22日大部分時段以及20日中午光伏出力高峰階段，火電機組僅基于供熱需求和啟停限制，保持較低限度出力。此外，調(diào)頻市場中能量結(jié)算價格可以達(dá)到現(xiàn)貨市場的28倍左右，尤其在每日上午光伏爬坡時期對反向調(diào)節(jié)能力，以及在晚間22點后電網(wǎng)整體負(fù)荷快速下降時期，對正向調(diào)節(jié)能力的需求，為具備快速調(diào)節(jié)能力的機組提供更多的收益機會。
圖3 德國電網(wǎng)2025年3月18日至22日運行情況實例
圖4 德國電力市場2025年3月18日至22日運行情況實例
四、思考和政策啟示
整體而言，德國在推進(jìn)火電靈活性建設(shè)過程中，依托的是高度互聯(lián)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、較為成熟的電力市場體系以及相對完善的調(diào)節(jié)資源配置條件。而我國電力系統(tǒng)在資源稟賦、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷形態(tài)和市場發(fā)展階段等方面呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異。因此，德國經(jīng)驗更有助于揭示火電靈活性建設(shè)的一般規(guī)律和關(guān)鍵影響因素，而不宜作為具體路徑或指標(biāo)的直接參照。
從系統(tǒng)層面看，德國經(jīng)驗表明，火電靈活性建設(shè)是關(guān)于功能定位的系統(tǒng)性問題。德國并未以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求所有火電機組達(dá)到相同的調(diào)節(jié)水平，而是根據(jù)運行需要，使火電在不同時間尺度和運行場景下承擔(dān)差異化調(diào)節(jié)功能。這一做法提示，在國內(nèi)推進(jìn)火電靈活化改造過程中，有必要避免以個別技術(shù)指標(biāo)作為普遍約束條件，而應(yīng)結(jié)合區(qū)域新能源滲透水平、負(fù)荷波動特征和調(diào)節(jié)資源配置狀況，綜合判斷火電在系統(tǒng)中的實際調(diào)節(jié)需求和合理承擔(dān)邊界。
從資源協(xié)同角度看，德國火電靈活性能力的有效發(fā)揮，與多元調(diào)節(jié)資源的協(xié)同配置密切相關(guān)。德國火電深調(diào)和快速響應(yīng)能力并非孤立存在，而是抽水蓄能、儲能、蓄熱裝置及區(qū)域互聯(lián)等多種資源共同作用的結(jié)果。在多類資源共同參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的條件下，火電機組得以在相對可控的運行強度下發(fā)揮靈活性作用。對我國而言，在新能源快速增長而調(diào)節(jié)資源配置相對不足的地區(qū)，如過度依賴火電承擔(dān)主要調(diào)節(jié)任務(wù)，可能增加運行風(fēng)險并抬升系統(tǒng)成本。因此，火電靈活性改造更需要放在整體調(diào)節(jié)體系中加以考量，而非單獨強調(diào)其技術(shù)潛力。
從機制條件看，德國經(jīng)驗表明，火電靈活性在系統(tǒng)運行中能夠持續(xù)發(fā)揮作用，與電力市場運行方式存在較為明顯的相關(guān)性。在德國電力系統(tǒng)中，現(xiàn)貨市場和輔助服務(wù)市場通過價格形成機制和結(jié)算安排，使不同時段、不同類型的調(diào)節(jié)行為在收益上呈現(xiàn)出差異，從而對機組運行方式產(chǎn)生引導(dǎo)作用。這種機制并不直接決定技術(shù)改造是否發(fā)生，但在一定程度上為靈活性能力的運行和價值體現(xiàn)提供了相對明確的制度環(huán)境。結(jié)合我國實際情況，電力市場建設(shè)仍處于持續(xù)推進(jìn)過程中，各地區(qū)在市場形態(tài)、規(guī)則完整性和價格信號強度等方面存在差異。因此，靈活性價值的體現(xiàn)方式需要與電力市場發(fā)展階段相適應(yīng)，在制度設(shè)計上應(yīng)更加注重漸進(jìn)性和協(xié)調(diào)性，避免因機制安排與系統(tǒng)條件不匹配而削弱政策效果。
