碳達峰與碳中和是國家戰(zhàn)略、全球共識。我國提出“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，彰顯大國應(yīng)對氣候變化的擔(dān)當(dāng)，也是推進國內(nèi)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、構(gòu)建人類命運共同體的關(guān)鍵。

今年3月15日，習(xí)近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議，對推動碳達峰、碳中和作出全面動員和系統(tǒng)部署，并明確指出要著力構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是一項系統(tǒng)工程，將重新構(gòu)建電力生產(chǎn)、消費、儲運格局，將改變不同能源主體的功能定位，改變電網(wǎng)調(diào)度運行模式和商業(yè)模式，將形成源網(wǎng)荷儲一體化的新商業(yè)形態(tài)。

當(dāng)前，新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建正在凝聚更廣泛的行業(yè)共識。本期封面文章，《能源》雜志探路新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建路徑，探究系統(tǒng)性變革下的困境和解決方案，并分別以甘肅和德國為樣本呈現(xiàn)高比例可再生能源系統(tǒng)的運行生態(tài)。

新能源發(fā)電向第一電源轉(zhuǎn)身

新能源與煤電之間是共生、互補，而絕不是替代關(guān)系。這種關(guān)系可能未來還將延續(xù)很長一段時間。

我國當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)均以煤電為主體構(gòu)建，在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，煤電面臨著加速由基本電源、主力電源向支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變。

從當(dāng)前的能源裝機結(jié)構(gòu)看，煤電無論是裝機比例，還是發(fā)電量比例，都占據(jù)著絕對的主導(dǎo)地位。“十三五”期間，煤電發(fā)電量占比保持60%以上，煤電裝機占比在50%左右。壓減煤電是建設(shè)新型電力系統(tǒng)繞不開的話題。

新能源向第一電源轉(zhuǎn)身

在以新能源為主體的電力系統(tǒng)中，新能源裝機占比、發(fā)電量占比將大幅提升。

根據(jù)落基山研究所(RMI)、能源轉(zhuǎn)型委員會(ETC)《電力增長零碳化(2020-2030)：中國實現(xiàn)碳中和的必經(jīng)之路》預(yù)測，2030年中國全社會用電量至少達到10萬億千瓦時，風(fēng)光發(fā)電量為2.5萬億千瓦時;風(fēng)電和光伏裝機分別為8.7億千瓦和8.54億千瓦。

按照2030年煤電裝機10億千瓦、4000小時年發(fā)電量測算，2030年煤電發(fā)電量占比仍會在40%左右。

考慮當(dāng)前太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能、氫能和水能等非化石能源的技術(shù)經(jīng)濟性、資源稟賦，風(fēng)電、光伏是未來新型電力系統(tǒng)主要的生產(chǎn)主體。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織的研究認為，2025年中國電源總裝機達到29.5億千瓦，其中清潔能源裝機17億千瓦，占比57.5%。2030年、2050年、2060年，中國清潔能源裝機將分別增至25.7億、68.7億、76.8億千瓦，分別占比67.5%、92%和96%，實現(xiàn)能源生產(chǎn)體系全面轉(zhuǎn)型。對于煤電而言，我國煤電總量應(yīng)控制在2025年達到峰值，2050年電力系統(tǒng)要實現(xiàn)近零排放，2060年煤電完全退出。

另一個不可忽視的問題是，隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的權(quán)重增加，風(fēng)電、光伏總裝機的規(guī)模可能要遠遠高于用電負荷。卓爾德(北京)環(huán)境研究與咨詢中心首席能源經(jīng)濟師張樹偉認為，如果新能源發(fā)電量占比超過60%，電力系統(tǒng)總裝機至少是最高負荷的4倍以上。”

國家電網(wǎng)能源研究院新能源與統(tǒng)計研究所所長李瓊慧認為，基于風(fēng)電、太陽能的波動性、間歇性，高比例新能源系統(tǒng)對靈活調(diào)節(jié)資源需求激增。燃煤機組靈活性改造、燃氣機組、抽水蓄能、電化學(xué)儲能、大電網(wǎng)跨區(qū)輸電通道、用戶側(cè)可中斷可調(diào)節(jié)負荷和氫能等將承擔(dān)重要的調(diào)節(jié)功能。其中，新型儲能在發(fā)展?jié)摿?、調(diào)節(jié)特性、響應(yīng)時間、利用靈活性等方面都具有一定優(yōu)勢。同時，新能源開始步入高比例時代，需要承擔(dān)類似于傳統(tǒng)電源的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的責(zé)任與義務(wù)。

風(fēng)光與煤電互補，而非替代

最近兩年，中國、歐洲、美國連續(xù)發(fā)生極端天氣造成的電力短缺現(xiàn)象。2020年冬季，中國部分地區(qū)出現(xiàn)電力短缺;2021年2月，美國得克薩斯州因極寒天氣發(fā)生電力短缺。除此外，2020年8月，美國加州也發(fā)生由于連續(xù)酷熱造成的電力短缺;2021年第一季度德國遭遇寒流天氣，電力現(xiàn)貨度電價格飆升至百歐元，電價漲至四年來最高。

面對突發(fā)狀況的出現(xiàn)，新能源無法支撐電力系統(tǒng)，需要電力系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的互濟來解圍。這樣的狀況在高新能源占比的甘肅也曾發(fā)生。

國家電網(wǎng)甘肅省電力公司工作人員介紹，“當(dāng)時，我們?nèi)涨邦A(yù)測第二天新能源出力可以達到500~600萬千瓦。但第二天風(fēng)力突然改變，新能源實際出力只有50萬千瓦左右。這對于全網(wǎng)1500萬千瓦的用電負荷而言，相當(dāng)于失去了1/3負荷供給。”

由于沒有足夠的可調(diào)節(jié)電源，電力短缺已經(jīng)無法在甘肅省內(nèi)解決。最終，甘肅省電力公司通過向國調(diào)申請降低直流外送、西北電網(wǎng)緊急向甘肅送電等方式，度過了這一天的危機。

可見，電網(wǎng)中新能源占比越高，越需要省間互濟支援，更大甚至全國范圍內(nèi)互濟顯得尤為重要。風(fēng)光與煤電是互補關(guān)系，絕非替代關(guān)系。

以甘肅酒泉至湖南±800kv特高壓直流輸工程為例，其配套電源規(guī)模高達1580萬千瓦，其中風(fēng)電700萬千瓦、光伏發(fā)電280萬千瓦，同時需要600萬千瓦的燃煤火電配套才能運行。其中，甘肅電投常樂電廠4×100萬千瓦項目是甘肅首個百萬千瓦級的調(diào)峰火電工程，也是“千萬千瓦”級酒泉風(fēng)電光電基地、特高壓工程的配套火電項目。由于特高壓對電壓波動敏感，在特高壓的運行過程中需要配備大功率煤電機組作為調(diào)峰電源。