深度 | 新型电力系统下的煤电调峰定位

随着国家“双碳”目标的深入推进，新能源在电力系统中所占比例持续增加，而在我国能源安全稳定供应方面起重要作用的煤电占比逐渐降低，煤电在调度中的作用发生根本性改变，将从主力电源向基础保障性和系统调节性电源转型。

（来源：电联新媒  作者：杨彪 等）

未来新型电力系统建设要立足我国能源资源禀赋，考虑到新能源出力的间歇性与波动性，如何发挥煤电在能源转型进程中的基础保障和系统调节作用，促进煤电与新能源的协调发展，对于增强系统调节能力、保障电力可靠供应与推进绿色低碳发展具有重大意义。

煤电调峰技术发展现状

煤炭是我国最为重要的基础能源，也是我国自主保障能力最强的能源。煤电调峰可维持有功功率平衡，保证系统频率稳定，调整各类发电机组出力以适应用电负荷的波动。

火电机组的调峰能力主要取决于对高低负荷的适应能力，其调峰幅度定义为机组的最小出力与最大出力之比。深度调峰是受电网负荷峰谷差较大影响，而导致各火电厂降出力，发电机组超过基本调峰范围进行调峰的一种运行方式，一般深度调峰的负荷率多为40%～30%。在规定时间内，火电机组能够安全、平稳、高效地升降负荷，降至的负荷越低，机组的深度调峰能力越强。

近年来，为充分挖掘火电深度调峰能力，国内外已广泛开展火电机组灵活性改造。火电机组的运行灵活性主要指标包括调峰幅度、爬坡速率及启停时间等，核心目标是充分响应电力系统的波动性变化，实现降低最小出力、快速启停、快速升降负荷。国外火电机组深度调峰技术发展国外对火电机组灵活性改造主要采用热电解耦技术，其中以储热装置的研究与应用较为广泛，主要方法是运用储热技术开发和利用储热锅炉及储热式设备，建立灵活机动的中小型储热电站点。目前常见的储能蓄热技术主要有蒸汽蓄热技术、熔盐蓄热技术、相变材料蓄热技术及固体材料蓄热技术等。

丹麦、德国等北欧国家由于供暖周期长，常用热电解耦技术即可满足机组深度调峰。从欧洲发达国家在风能、太阳能、生物质能、二氧化碳的捕获和储存等增加新能源占比和新能源领域技术发展的经验来看，通过开展火电机组灵活性改造可以消纳更多的新能源。

国内火电机组深度调峰技术发展多年来，我国火电机组深度调峰技术获得长足发展。2011年，内蒙古京隆发电有限责任公司对两台600兆瓦火电机组进行深度调峰试验，单机负荷能够在210兆瓦（额定负荷的35%）下实现稳定燃烧；2012年，东北某电厂对600兆瓦火电锅炉机组进行低负荷运行试验研究，机组负荷最低可以降到229兆瓦（额定负荷34.82%）；2015年，大唐三门峡发电公司对两台600兆瓦火电机组进行深度调峰试验，可实现双机最低负荷350兆瓦（额定负荷30%）下稳定运行。

2016年以来，在国家政策大力支持下，火电机组灵活性改造迈上新台阶。2016年，华能丹东电厂对300兆瓦亚临界机组进行深度调峰试验，实现了机组在30%负荷下的安全稳定运行；2017年9月，辽宁大连庄河发电厂1、2号机组实现深度调峰至30%（180兆瓦）负荷运行；2017年11月，辽宁东方发电公司1号机组采用低压缸零出力灵活性改造方案，实现机组负荷在26%～100%范围内灵活调整；2019年6月，广西北海电厂1、2号机组实现快速调频，同时投用微油时锅炉最低可带90兆瓦（30%）负荷稳定运行；2021年4月，鹤淇电厂1、2号机组，开展了30%深调工况下的调压、进相试验，取得一系列进展。

新型电力系统对煤电调峰的要求

随着“弱支撑性”的新能源发电的主体地位日益凸显，具有“强支撑性”的传统火电机组出力空间受限，涉网性能所依据的系统、设计和运行边界条件发生了巨大变化。一方面，采用电力电子变流设备的新能源和直流输电大规模并网，极大改变了电力系统电压稳定特性，暂态过程的时间尺度更小、非线性特征更强；另一方面，具有强暂态电压支撑和强过载能力的同步发电机被新能源发电大量替代，动态无功电源大幅缺失，电网呈现“空心化”，核心区域的单一交流故障就可能引发全局性电压失稳，电力系统的无功需求将急剧上升，电压稳定面临巨大挑战。现有调峰技术难以减少大比例新能源消纳对电网带来的安全和稳定风险，主要表现在以下五个方面：

一是深度调峰火电机组调压特性评估指标和方法难以扩展到新型电力系统中，电网调峰资源需求与深度调峰机组涉网性能的安全指标亟需建立健全，探索和制定深度调峰安全边界条件。

二是在深度调峰工况下，一次调频性能迅速下降，缺乏电力系统稳定分析的深度调峰机组调速模型，无法完成深度调峰工况下的电网一次调频安全特性分析，电网频率安全受到严重威胁。

三是考虑到新能源出力的间歇性，电力系统发用电平衡在发电容量有效性方面面临巨大的挑战，亟需研究构建有效容量评估能力，以及与容量有效性相匹配的结算方式，激励包括新能源和传统煤电在内的各类主体提升自身发电容量的可用性，实现多资源综合可用容量的提升。

四是煤电等传统电源存在收益激励不足的客观现状，亟需通过多类型资源调节能力的成本特性与回报机制开展研究，建立包括传统煤电在内的各类调节主体价值回报方式，激励多类型资源实现多时间尺度波动性的综合平衡调节能力提升。

五是随着新能源占比的不断提高，一方面，统筹协调发电侧、负荷侧各种灵活性调节资源，提高电力系统的新能源消纳水平与整体调节能力是目前的难点问题；另一方面，未考虑煤电的减量替代、定位转型，缺乏对以新能源为主体的新型电力系统下的煤电与新型资源协调优化调度的针对性研究。因此，亟需开展电网调峰资源需求与涉网性能评价研究，解决电网调峰需求与设备安全、电网运行稳定之间的协调问题，在保障电网运行本质安全的前提下，最大限度支撑新能源接入。

煤电与灵活性资源协调优化

针对煤电的转型定位与电力绿色低碳发展要求，需要研究煤电与新型资源协调优化调度关键技术。电力系统灵活性资源优化配置的目的是能够调用足够的灵活性资源，来匹配可再生能源和负荷的变化带来的净负荷波动，同时兼顾系统的经济性，需要综合考虑不同的运行状况得到灵活性资源优化配置的方案。

未来新型电力系统建设要立足我国能源资源禀赋。习近平总书记指出：“建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。”《煤炭清洁高效利用攻关方案》中提出，要“研究煤电机组、抽水蓄能、储能、新能源发电、大型耗能企业等多类型资源跨时空互补优化调度技术，研究计及多资源平衡能力的电力辅助服务与容量市场机制和交易运营技术，研发面向新型电力系统的煤电与新能源综合调节和优化运行系统并开展验证。”

未来，煤电功能逐步转向调节与支撑，传统的电力规划优化方法及单一电能量市场不再适用，需要研究科学有效的煤电与新能源协同规划关键技术，考虑煤电、抽水蓄能、储能在爬坡率、功率水平和电量等方面的约束，建立各类可调节资源的数学模型，依据不同资源之间存在的特性差异，如时间、空间、有功出力、技术水平等，从可靠性、稳定性、经济性等多个方面出发，提出不同时间尺度和不同调控场景下多类型资源互补调控能力的评价方法，从指令响应速度、出力维持时间等多个方面评估多类型资源互补系统的调控能力。

充分发挥煤电、水电、储能、绿氢等各类资源的调节能力，保障电力平衡与可靠供应，促进煤电等多资源协同绿色低碳发展。提出覆盖煤电、储能、新能源、电制氢等多类型资源跨时空互补优化方法，建立与电能量市场相衔接的容量、辅助服务等支撑机制，研发煤电与新能源综合调节和优化运行系统，保障电力平衡与可靠供应，助力构建以大型风光电基地为基础、以周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。

在煤电与新能源协同规划研究中，传统电源规划考虑在经济成本最小的条件下确定系统最优的发电投资组合，在电力系统低碳化转型的背景下，还应将二氧化碳排放带来的影响纳入规划模型，深入挖掘煤电在新能源并网、联网外送、系统备用、多能协同等方面的多维价值。从运行策略、协同技术、市场机制等角度构建“双碳”背景下煤电与新能源协同规划模型和能量-容量市场机制，制定科学有序的煤电与新能源高效利用与规划方案。

随着新能源渗透率的不断提升，极端天气和季节性供需不平衡对电力系统的安全运行提出了严峻挑战，传统的电力充裕性评估方法在对高比例新能源电力系统电源实际发电能力的评估方面略显不足，无法兼容构建新型电力系统发展背景下不同时间尺度的灵活性需求，常规煤电、应急备用煤电、储能、新能源、需求侧等不同类型灵活资源调节能力与不同时间尺度充裕性需求的匹配机理尚需理清。

总结与建议

新能源电力波动大、间歇性强，在大规模、低成本储能技术成熟应用之前，适当比例的煤电可为电力系统的稳定运行提供足够的转动惯量，平抑大比例新能源发电并网带来的波动，保障电网系统的安全。电力系统需要火力发电尤其是煤电充分发挥“兜底保障”的重要作用。在新型电力系统建设背景下，现有技术未考虑煤电的减量替代、由传统电源向调节支撑主体电源的转型和新型调节资源的协调优化问题，煤电可在新型电力系统中发挥关键作用。

一是开展火电机组深度调峰改造的试点工程。我国现役火电机组在设计阶段基本均未考虑深度调峰工况，随着高比例新能源的不断加入，深度调峰和快速升降负荷时的运行工况严重偏离设计工况，导致运行过程中调峰能力比较差。深度调峰常态化以后，大量设备运行在非正常工况，对机组安全性、环保性和经济性的影响不可忽视，需要投入更多的研究工作。

二是进一步研究电网中各类电源和负荷的出力特性。深入挖掘煤电、风电、光伏、水电、储能、电制氢等不同类型资源在不同时间尺度、不同空间尺度的互补特性，促进不同资源在不同调度时序间的优化配置，提升平衡资源的时空分布合理性，以降低源端不确定性，提高电源整体灵活可控能力。

三是煤电要积极转变角色，由传统提供电力、电量的主体性电源，向提供可靠电力、调峰调频能力的基础性电源转变，积极参与调峰、调频、调压、备用等辅助服务，提升电力系统对新能源发电的消纳能力，将更多的电量市场让给低碳电力。

四是为实现“双碳”目标，需要全局统筹优化能源消费侧与生产侧的转型时序关系与实施路径，并配套推动低碳技术的普及应用。针对能源战略的制定有必要发展下一代评估推演关键技术，以重构能源发展战略分析理念和方法的整体框架，以适应能源革命带来的高度复杂性和不确定性新局面。“双碳”目标下，实现复杂能源系统的多部门、多目标、多阶段的全局优化，制定合理的分部门碳排放达峰路径，提出我国中长期煤炭清洁高效利用发展路径和时空布局，是目前亟待解决的问题。

（本文由国网能源研究院有限公司青年英才工程项目“基于复杂网络理论的数字新基建运行模型构建与评估研究”资助。）