深度报告|电力增长零碳化（2020–2030）：中国实现碳中和的必经之路

3. 使用非水可再生能源和其他非火电资源来提供频率

控制服务

包括中国在内的许多国家，非水可再生能源提供一次频率调 节已成为一种常见要求，但中国目前仍依赖火电厂提供二次 频率调节（也称为自动发电控制服务）。然而，在其他国家，逆 变器或管理系统的变化现在已经使非水可再生能源能够提供 自动发电控制。例如，美国科罗拉多州的Xcel Energy公司现 在要求风机具备自动发电控制能力，而在该公司运营的地区 内，有三分之二的风电场已经具备了这种能力。电厂的经验还表明，光伏电站可以通过结合使用智能逆变器和先进的控制策略来提供自动发电控制。CAISO已对此进行了测试，并证明是可行的。

飞轮和电池储能也可以提供调频服务：事实上，它们对频率控 制信号的响应速度比传统的火电机组快17倍。因此，使用电池 进行频率控制越来越普遍：

• 在澳大利亚，电池储能目前可提供6秒、60秒和300秒调频 服务。2017年12月和2018年1月澳大利亚发生的两次发电机 组脱网事件中，电池快速响应显著缩短了恢复时间。

• 在美国，联邦电力监管委员会从2013年起允许与电网相连 的电池可作为小型发电机组提供电力供应服务。到2015 年，PJM、CAISO、纽约独立系统运营商（NYISO）、中部电力 系统运营商（MISO）和新英格兰电力系统运营商（ISONE） 地区的调频市场均在使用电池储能。 同时，在德克萨斯州ERCOT市场中，一些满足分时计量和遥 测等特定要求的工业负荷可以作为受控负荷资源（CSR）提供 调频服务。

4.提高系统惯量监控并应用新的监控方式

系统惯量的监测和预测越准确，对惯量资源的需求就越低。 因此，德克萨斯州ERCOT开发了一种惯量监测工具，它可以计 算所有在线同步发电机的总惯量贡献，并通过循环滚动方式 预测未来七天的惯量情况。然后，系统操作人员可以在必要时 调度同步发电机来增加惯量，进而降低对额外惯量的需要。

此外，系统惯量还可以通过非火电资源提供，例如：

• 同步调相机或同步补偿器

• 带有旋转设备的储能，如飞轮储能 •

光热发电（CSP）

• 具备能提供该功能逆变器的风机、太阳能光伏和电池

• 需求侧旋转机械

电压控制

电压控制有时会被认为是非水可再生能源比例上升的潜在挑战，但技术解决方案已经存在。其中，无功功率和电压谐波是 需要解决的两大问题：

• 无功功率必须立即得到局部补偿，以保持功率因数在允许 的范围内。与其他国家类似，中国对非水可再生能源的功率 因数的要求在-0.95 至 +0.95之间。这可以通过部署静止无 功补偿器（SVC）、静止无功发生器（SVG）、静止同步补偿 器（STATCOM）或晶闸管控制串联电容器（TCSC）等设备 来实现。

• 电压需要保持在安全范围内，以确保系统的稳定性。谐波 不可避免地会影响电压的稳定性。应采用滤波器处理电压 中的谐波，提高电能质量。 因此，应在非水可再生能源电源侧和电网侧部署电压控制装 置。即使是在非水可再生能源比例非常高的情景下，也将会有 充足的资源来提供电压控制。

因此，应在非水可再生能源电源侧和电网侧部署电压控制装 置。即使是在非水可再生能源比例非常高的情景下，也将会有充足的资源来提供电压控制。

故障穿越

短期电压变化是电力系统中常见现象，如果系统突然失去一台发电机组，这种变化会被放大。在系统恢复正常之前，发电 机组必须具备穿越电压扰动的能力，这一点至关重要。非水可 再生能源发电机组的耐受电压范围常常比传统的火电机组要窄，更容易脱网，一旦脱网，电压波动将进一步增加，甚至导 致连锁故障。

然而，这种危险可以通过要求非水可再生能源机组配备高电 压穿越（HVRT）能力来规避。对于现有电厂来说，这可以通过 改造逆变器来实现。因此，大多数发达国家现在都在其电网 规范中明确了高电压穿越要求。图15展示了一些案例。

中国自2012年起实施低电压穿越（LVRT）改造，系统的可靠性 得到了显著提高。虽然当前也已经制定了严格的高电压穿越标 准，但是该标准尚未作为现有非水可再生能源机组并网的强 制性要求。

因此，对现有电厂进行改造以满足高电压穿越标准，以及对所 有未来的非水可再生能源机组落实这些标准，应该是目前的首要任务。

高压直流输电的利用

中国拥有丰富的太阳能和风能资源，但其中一些与主要负荷 中心的距离非常遥远。高压/特高压输电线路能够将可再生电 力远距离传输到负荷中心，而高压直流传输在远距离送电上 的成本优势更明显。因此，高压直流线路在中国广泛部署，对 支持偏远地区非水可再生能源发展发挥了关键作用。

仅靠非水可再生能源自身并不能保证高压直流输电的高效和 稳定运行，因此在某些情况下，可能需要在可再生能源电厂周 边建设火电厂，以便在非水可再生能源出力较低时，可以用火电来“填满线路”。

不过，对于此类火电厂的实际需求其实远小于当前的假设，并 将随着其他可行方案的出现而继续下降：

• 高压直流线路并不需要以固定的功率运行，目前中国部署 的主要高压直流输电形式——基于电网换相整流器高压直 流输电——在运行时要求技术利用率必须高于最小值，而 该数值通常仅为铭牌容量的10%。因此，并不存在需要火电机组“填满线路”的技术需求。低于100%的利用率显然 会增加每度电的传输成本，但考虑到偏远地区非水可再生 能源具备的显著成本优势，即使高压直流线路没有得到充 分利用，其开发也仍具备经济可行性。此外，风能和光伏组 合打捆可以提高平均利用率，且随着时间的推移，储能（如 电池或氢能）成本的下降将创造出新的替代方式来稳定并 提高输电线路的平均利用率。因此，尽管现有火电装机在 将利用率保持在10%以上方面可以发挥有益的作用，但没有必要通过新建煤电投资来匹配大规模非水可再生能源项目投资。

• “换相失败”的技术挑战也可以在以非水可再生能源为主的 电力系统中得到解决。扰动会增加直流电流并导致电力传 输的暂时中断，这时就会出现换相失败。目前，火电机组为 系统提供调节和惯量，以降低任何换相失败时的瞬态传输 中断的影响。但是，在高比例非水可再生能源系统中，适用 于提供频率调节和电压调节的同一套技术解决方案（例如， 同步调相机、电池储能、非火电的转动惯量提供者和无功功 率补偿器等）也可以降低换相失败的影响。

• 此外，现在的新一代电压源换流器高压直流输电（VSC – HVDC）技术能够提供很好的电压调节能力，消除了换相失 败风险，并简化了对发电和用电省份的技术要求。虽然这会 造成容量下降产生经济性损失，但在许多地区仍可确保偏 远地区非水可再生能源发电和高压直流输电的经济性，特 别是可进行VSC-HVDC技术改造的现有线路。

总而言之，高压直流输电的所有技术挑战都可以得到解决，且 不需要任何新增煤电装机来匹配非水可再生能源的投资。 综上所述，只要中国实施必要的政策以鼓励创新解决方案， 那些可能阻碍非水可再生能源比例增长至远高于目前水平的 技术性管理问题就会得以解决。剩下的问题是，如何在一个 高比例非水可再生能源电力系统中，确保电力在一年中的每 一天、每一小时的供需平衡。本报告的下一章节就将讨论这个问题。

4.时-日-季节电力供需平衡可实现

非水可再生能源在有太阳照射和有风的时候发电，但这些资 源并不总与用电负荷形态相匹配。这就给当前以火电和水电 为主的电力系统带来了巨大的平衡挑战。

然而，在全球许多国家/地区的非水可再生能源发电比例都已 超过了图2中国2030零碳投资情景中所示的28%。例如，非水 可再生能源在德国和西班牙电力系统中的占比已经分别达到 了33%和37%。许多国家都规划到2030年实现零碳电力占全 年总发电量的50%以上，甚至超过70%，并在之后的10-20年 里将零碳电力比例增加到接近100%，其中非水可再生能源的 比例将高达80%（图16）。

本章节总结了全球多个国家的经验，并讨论了如何将这些经 验运用于中国的具体情况中。其结论是明确的，即中国完全可 以实现图2所示的非水可再生能源发电量占比达到28%的目 标，并且未来最终实现零碳的电力系统总成本将不会高于，甚 至可能低于当前以化石燃料为主的系统成本。

全球经验

图16展示的这些计划显示，各国都有信心通过兼具技术性和 经济性的解决方案，来满足短期和长期供需变化产生的不同 灵活性需求。对于目前常见的可再生能源渗透率水平（20%- 30%），大部分问题是可以通过现有火电（燃气或燃煤）更灵 活的运行来解决的。但随着可再生能源比例进一步增加，则需 要更多元的解决方案。

（1）日内供需平衡 在大多数国家，由于工厂和办公室的大量用能需求，系统对电 力的需求常在中午或下午早些时候达到峰值，而在凌晨前后 几小时下降到低谷。因此，即使在可再生能源增长之前，系统 也必须灵活地应对这种用电需求的变化，而这主要是通过改 变燃煤或燃气电厂的出力来实现的。

在某种程度上，可再生能源的增长有可能减小这种日内灵活 性的挑战，因为光伏发电量在白天更高，正好与此时的高需求 相吻合。但在光伏发电占比很大的电力系统，往往会在傍晚时 候出现对非光伏资源需求的突然增加，这是因为光伏发电在 这段时间迅速下降，但用电需求下降的速度慢很多。

每日风力发电的状态随地方天气条件变化而波动更大；在一 些地区（但不是所有地区），风力发电往往在夜间更高，而且在一些面临气旋和反气旋天气系统交替的地区，每天和每周风力发电量形态的波动都比光伏更大。

在当前常见的可再生能源渗透率水平下，这些日内灵活性挑战 可以轻易地通过灵活运行燃气或燃煤电厂来解决。在美国加 利福尼亚州，为了平衡光伏发电，燃气发电的出力在一天中不 断变化，在傍晚的时候迅速增加，在晚上7-9点左右时达到气 电供应峰值（图17）。

在德国，天然气、硬煤和褐煤发电量的变化可满足灵活性的 需要。虽然天然气是最灵活的发电资源——图19显示了燃气 出力在一周内的变化形态，从最低的1.6GW到最高的9.9GW （最大峰谷差等于峰值容量的84%），但硬煤出力也在1.4GW 到6.5GW之间波动（79%），甚至褐煤发电功率也在3.5GW到 12.0GW间波动（71%）（图18）。

随着可再生能源比例的提高，系统对灵活性的需求也会增加。 在燃气发电装机占比高的国家，仍有很多调峰燃气电厂可以 满足这一增长的灵活性要求。但其他灵活性资源也将发挥越 来越大的作用，并且在某些情况下，更具经济性。尤其是在提 供日内灵活性方面：

抽水蓄能可能会发挥越来越重要的作用。如图18所示，德 国已经使用少量抽水蓄能来满足在早晨光伏出力较低时快 速增高的用电需求，并在下午晚些时候弥补光伏发电的迅 速下降。

• 电池价格的大幅下跌（在过去10年里下降了85%）使电池储 能成为了一种经济性越来越高的选择，一些美国电网纷纷 取消了与燃气调峰电厂的合约，转而支持可再生能源发电 加电池储能的方案。考虑到成本的进一步下降（图19），电 池的使用将会在2030年前持续扩大，并在此后随着非水可 再生能源比例升高而迅速增长。

• 需求侧管理在平衡可再生能源供应和电力需求的短时偏差 方面也具有巨大潜力，如果部署得当，将是最具经济性的 灵活性资源。在一天的时间尺度内，主要存在三类需求侧 资源：

• 住宅供暖电气化后，可通过智能温控或微型储能技术实 现该部分负荷调节。

• 电动汽车可以通过调节充电时间，或作为储能资源向电 网供电来实现巨大需求调节潜力。如果2050年全球使 用中的电动汽车数量达到15亿辆，每辆车配备50kWh电 池，这将能够提供750亿千瓦时储能容量，即使在全球年 耗电量从当前的27万亿千瓦时增长到90万亿千瓦时的情 况下，也相当于全球日用电量的30%。