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得州停电对我国电力系统改革发展的启示

北极星电力网新闻中心  来源:能源杂志  作者:冷喜武  2021/3/17 14:49:03  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 停电 能源转型 电改

北极星火力发电网讯:2021年2月中旬,受极端寒冷天气影响,美国得克萨斯州发生大规模停电事故,大约400万户居民在零下十几度的寒潮里无电可用。导致此次得州大规模断电的直接原因是极端气候引发的电网供需失衡:一方面,居民为了抵御严寒需要加开电热取暖,电力需求急剧上升;另一方面,极低气温导致油气输油管道冻结、涡轮机结冰、老旧的煤电机组故障频发,得州电网主要依赖的天然气、风电等发电来源中断,供电能力受限严重,同时高度独立的电网结构特性使其无法通过跨区互济获取外部支援。

(来源:微信公众号“能源杂志”  ID:energymagazine  作者:冷喜武)

值得注意的是,此次寒潮并非毫无预警的意外事件,事实上针对冬季寒冷可能诱发发电装置停运的隐患,得克萨斯州电力可靠性委员会(ECROT)曾向经营区内发电商发出过预警,但当风暴来袭,得州依旧无法摆脱轮流停电和电价飞涨的命运。

被誉为美国“能源之都”、石油和天然气资源蕴藏十分丰富的得州缘何在此次寒潮的席卷中如此不堪一击,部分美国政客及利益相关媒体将其归咎于新能源发电的“不可靠”,“绿色能源失败”的言论一时甚嚣尘上。尽管此次事故的确暴露了高比例新能源系统在抵御极端气候条件方面的天然缺陷,但由此产生抵制清洁能源发展的想法实为因噎废食。近些年极端气候现象频发,恰说明全球应对气候变化的紧迫性,推动能源结构转型本就是大势所趋;美国重返《巴黎协定》,我国提出“2030碳达峰、2060碳中和”新目标,这些举措都表明大国为应对气候变化的决心,进一步开发利用绿色清洁能源、推动大规模可再生能源接入势在必行。

在此背景下,为了不让美国得州大停电事件在中国重演,不使“十四五”规划成为“缺电规划”,本文从四个方面对我国未来电网发展提出了20条建议,在完善资源价格形成机制,建立健全绿色低碳循环发展经济体系,统筹制定“2030碳达峰”行动方案,使发展建立在高效利用资源、严格保护生态环境、有效控制温室气体排放的基础上,力求推动我国绿色发展迈上新台阶。

合理的电源电网结构保障电力可靠供应

随着对新能源开发的不断推进,我国未来电源结构发展必将以新能源大规模接入为主,但从此次得州事件和近些年国内外多次大规模停电事故来看,“双高”系统的安全稳定运行问题确已成为亟待各国解决的共性问题。

在此次事件中,极端天气对新能源发电的影响备受关注,但同时应该看到,常规天然气电源在极端气候下也具有脆弱性。根据ERCOT最新公布的信息,得州电网总装机容量约1.08亿千瓦,燃气占比47.5%,风电占比28.8%,燃煤占比12.5%,光伏占比5.67%,核电占比4.73%。寒潮来袭后,风电机组因桨叶覆冰脱网400万千瓦,燃气机组也因气井减产、输气管道冰堵或冻裂出现非计划停运近2600万千瓦,煤电机组也无法正常运行。

现阶段能源结构的转型并不意味着可再生能源装机和煤电装机之间是非此即彼的关系,相反惟有构建多元化的电能供给体系才能最大程度地保障极端情形下的电力可靠供应。必须规划各类电源有序开发,在促进新能源发展的同时,合理兼顾常规电源及灵活调节电源的发展规模和布局,推动我国电网发展“清洁低碳”和“安全高效”双轨并行。

得州电网的高度独立性为其风电的快速发展创造了有利条件,但却在此次寒潮风暴中将其推入了孤立无援的境地。在我国,建设全国互联的统一大电网为全网平衡奠定了坚实的物理基础,以2021年初寒潮时期为例,国家电网组织跨省跨区输送电力达8399万千瓦,占全网负荷的14.8%,有力保障了全网电力的有序供应。未来我国电网的规模还将持续扩大、电网特性也将日益复杂,资源禀赋决定了必须坚持“全国一张网”,充分挖掘跨省跨区输电通道送电能力,保障高比例新能源电力系统的安全稳定运行。

关于电力系统规划建设阶段的政策导向,具体建议如下:

第一,大力发展风力与太阳能发电。截至2020年底,我国风电、光伏装机分别达到2.81亿千瓦、2.53亿千瓦,占比超过20%,发电量占比达到11%。未来风电与光伏将持续作为我国电能供应的主力军,应尽可能地安排多发电量,间歇性发电出力的特点,政策上可不纳入发电出力总体平衡的简单类比装机容量,用风电、光伏稀释全电量碳占比。

第二,义无反顾开发水电。据统计,中国常规能源(其中水力资源为可再生能源、按技术可开发量使用100年计算)的剩余可采总储量水利资源占比仅次于煤炭,占据十分重要的战略地位。水电在实现非化石能源发展目标中起着举足轻重的作用,开发水力资源发展水电,是我国调整能源结构、发展低碳能源、节能减排、保护生态的有效途径。

第三,量力而行发展核电与燃气发电。核能是安全、经济、高效的清洁能源,是人类应对气候变化的重要能源选择。核电作为清洁低碳基荷电源,有利于改善能源与负荷分布的空间结构,但从2011年福岛核事故来看,对于核电站和核废料存储方案安全性的担忧依旧是未来核电发展迈不过去的坎,核电将明显受到核技术发展程度的制约。天然气发电因其燃料具有低碳特性而被列入清洁能源范畴,是我国多元电力供应的重要组成部分,具有能源转换效率高、排放污染小的特点,但天然气具有国际供应的依赖性和脆弱性,未来应将其作为确保天然气采掘、传输、存储的蓄水池,提升其发电调节能力弱化其发电量作用。

第四,全面推行煤电等容量旧机组换新机组,适当新增煤电装机。减煤量不等于减煤机,此次得州大停电事件充分反映了系统备用容量应对极端气候现象的重要性,煤机能够为电网提供经济、可靠的容量备用,是重要的应急电源储备,对风电、光伏的发展起着关键支撑作用。应在全国用电量同比增长的同时保持可调节煤电装机比例不降低,同时对老旧机组进行耐寒、耐高温等升级改造,确保煤电的基础设施建设。

第五,加快建设国家级特高压交直流混联大电网,形成南北互济、东西互补的电网格局。未来风光发电作为实现碳中和的主要途径,必须解决其间歇性和波动性给系统稳定带来的问题,目前业界普遍认为储能和大电网建设是解决以上问题的有效途径,但考虑到现阶段大规模储能的技术尚不成熟,经济性问题也亟待解决,加强大电网建设仍将是助力风光发展的必要手段。加之大电网所具备的跨区互济能力对于电力系统应急的重要性,大电网的优势愈发明显。必须加快推动重点工程项目核准建设,如“十三五”补强工程闽粤直流联网等工程。

多措并举加强系统支撑与调节能力建设

此次得州大停电事故同样暴露出高比例新能源电力系统在保证电力电量平衡和频率电压支撑调节能力方面的不足。根据ERCOT发布的第一份事故报告,系统出力的快速下降引发了频率跌落,甩负荷装置切掉了更多负荷,停电规模进一步扩大。新能源发电具有天然的随机性、间歇性和波动性,在负荷适应上又具有反调峰特性;同时新能源机组的转动惯量减少降低了系统的频率鲁棒性,电压和频率支撑能力也存在缺陷。

关于电力系统平衡与支撑调节,具体建议如下:

首先,优先消纳风力、太阳能发电量。促进风光消纳是助力实现碳中和的基础,现有国家相关标准对新能源机组一次调频调压性能未做要求,应研究风电、光伏电站参与系统调频调压,而不是全面通过火电、水电机组作为可调机组,支撑电网电压、频率稳定。

其次,加大调节性综合利用水力发电。抽水蓄能电站是现代电网中不可缺少、优选的调峰电源,具有调峰填谷双重功能,抽水蓄能电站具有反应迅速、运行灵活、启停方便的特点。应完善抽水蓄能电价形成和容量电费分摊机制,加快抽水蓄能电站建设、推动梯级水电站加装水泵实现抽水蓄能功能、促进抽水蓄能电站和水电厂具备调相运行能力。

再次,支撑核能、天然气发电。尽管根据设计核电厂有一定的调峰能力,但由于我国目前建成投运的核电均在经济较发达地区,人口密度较高,为保证核电厂安全运行,我国目前投运的核电均以带基荷运行为主,在少数极端情形可让核电机组通过降功率运行的方式参与调峰。燃机具有启停方便、响应速度快的特点,调峰能力和跟踪负荷的性能高于火电厂,但其经济性相比火电机组仍存在较大差异,目前天然气发电仍受制于气源等基础设施建设的不完善,随着未来天然气供应渠道的多元化,气电发展的经济性、竞争性有望提升,气电可在沿海、峰谷差较大的电网中扮演效率高、排放小、灵活性强的电源角色,实现与风电、光伏等新能源的协同发展。

第四,火力发电从技术上仅仅是安全稳定运行的保障和电力供应安全的托底,应“增容减量”。推进火电机组改造为调相机运行、新能源广泛加装分布式调相机、实现火电机组灵活性改造等措施,加强电力系统的支撑与调节能力建设。

最后,储能建设速度不宜揠苗助长。储能具有反应速度快、精度高的特点,可以在系统调节里发挥一定作用。但从目前的技术看,电化学储能的绝对存储能力远低于电网需求,运行寿命也比抽水蓄能低了足足10倍之多,投资储能电站的成本也相对较高。未来储能发挥作用的能力有多大,取决于相关技术发展和成本水平。

优化电力市场化改革的体制机制设计

得州被认为是美国电力市场化程度最高的地方,而此次大规模轮停期间,批发电价一度飙升至平时的100倍,尽管短时的供需失衡导致电价畸形显而易见,但关乎电力市场的深层次原因更值得我们去挖掘。

众所周知,得州电力市场采用单纯电能量(Energyonly)市场稀缺电价机制,是罕见的只有买卖电的能量市场,没有容量市场。根据得州电力批发市场的运作方式,公用事业公司对投资备用电源的激励措施非常少,基于成本的考虑发电企业不得不放弃用于应对紧急缺电的备用电源,转而选择在可用供应不足时收取过高的价格。在面临极端天气、极端社会事件的情况下,容量市场的缺位将系统安全置于险境。

以上种种充分说明以经济性优先的市场设计理念缺乏对系统整体供应安全的统筹考虑,难以有效引导长期投资。现阶段我国正不断推进电力市场化改革,应充分吸收国际同行的经验与教训,研究完善适应市场化改革的电力供应兜底保障机制,有效引导电源在容量市场的投资和建设,确保电价水平总体稳定。

关于电力市场设计与运行,具体建议如下:

一是风光全电量参与市场化交易,全面推进补贴退坡。随着风电、光伏规模化发展和技术快速进步,在资源优良、建设成本低、投资和市场条件好的地区,已基本具备与燃煤标杆上网电价平价的条件,推动风光发电无补贴平价上网已具备时机。要健全完善管理政策,加大竞争配置力度,以市场化手段促进新能源消纳。

二是加大峰谷价差,运用价格信号鼓励电力削峰填谷。加大峰谷价差可引导用户增加谷段用电负荷,降低尖峰时段用电负荷,削峰填谷,平抑峰谷差,减轻发电侧调峰压力。需求侧灵活调节是应对电力紧缺的有效手段,建议采用市场化手段积极培育需求侧响应这一新型灵活性调节资源,调高电力系统运行弹性。

三是将火电的定位由常规电源整体转变为电力系统调节电源,在电力市场各个交易品类中提升火电灵活调节价格,同时补偿火电作为调节电源的闲置成本。

四是市场化补贴其它调峰手段,引导核电参与调峰辅助服务交易。尽管核电参与调峰存在诸多风险和经济性问题,但随着大规模风光接入,电网的调峰压力持续增大,装机占比逐渐增加的核电终将无法在调峰任务中缺位。应及早研究核电用于调峰的运作机制,加大对核电调峰的考核、补偿力度,提高核电参与电网调峰的积极性;完善电力辅助服务补偿(市场)机制,实现电力辅助服务补偿力度科学化,破解核电参与调峰难的困境。大力推进源网荷储协调调控能力建设。

加强科研攻关,注重大众科普和舆论引导

此次得州大规模轮流限电事故引发各界广泛关注,结合近年来全球多起由极端气候等自然灾害引起的停电缺电事件,对于是否应该鼓励推进新能源大规模并网的质疑声此起彼伏。电网作为能源生产的核心配置平台,是关系民生福祉的公众事业,业界及相关学者应直面质疑,找准矛盾根源,深入剖析每次事故发生的原因,从中汲取经验教训。及时以报告的形式向公众还原事故真相,以缓解事故引发的焦虑情绪。对于高比例新能源电力系统的规划应建立在理论基础之上,针对争议性问题提出的观点需进行充分讨论。

关于学术研究和科普舆论引导,具体建议如下:

一是ΔP(动量变化)的极端重要性。任何一次大停电都不是巨大缺额引发,5%的缺额就会引发巨大社会灾难和舆论响应。以得州停电事件为例,间歇性风光电源极寒无风也是主要风险,风能和太阳能发电只占得州电力的20%左右,这次关键时刻基本全部停机,问题就严重了。

二是淡化装机数据的使用和宣传,简单堆砌间歇性风电、光伏装机容量既不科学也无实际意义,应研究和使用装机有效容量和发电量承担全份额占比的统计和宣传方法。

三是要向公众科普不同能源的特点及缺陷,避免盲目乐观。此次问题主要出在美国似乎运行最纯熟的天然气体系上。作为亚热带地区的得州,缺乏预防控制天然气冰堵的意识,在早已发出的大寒潮预警中,缺乏天然气湿度控制去除设备,也缺乏预防管道冰堵的监控措施。最终导致在寒潮中,天然气管网被冰堵中断。而中国天然气关键时刻的供应比之加州更加脆弱,公众应该对此享有知情权。低碳环保的间歇性风电、光伏是要我们付出比之常规能源更多的用电成本的。

四是不要污名化火电。2020年,得州风力发电首次超过煤电,而在全美,煤电在总发电中的占比降至24%。长期以来,狂飙突进的风电挤掉了作为“压舱石”的煤电,得州不仅毫无警惕,反而盲目乐观——该州的项目开发商甚至建议未来接入电网的新一代发电设施中,风能、太阳能以及大容量储能电池要占到95%。不过,此次大停电后,相信得州乃至全美对新能源发展会有更加客观、清醒的认识。不应人为划分出来局部区域成为全部新能源运行的绿色电网,而罔顾其他相邻电网常规电源为之正负备用的事实。

五是必须坚持统一调度、分级管理。面对危机,没有统一、互联的大电网,就无法有效应对跨区域支援。

六是电力市场只能作为调节手段,不是保障,更不是兜底保证供应的灵丹妙药。此次得州完全遵循“市场经济”,导致一方面极度缺电,一方面价格奇高。我国的体制无法承受如此剧烈的电价波动,中国电力市场化改革必须考虑公开、公平、效率和普遍服务的平衡。

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