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《太陽能》《太陽能學報》

  創刊于1980年,

  中國科協主管

  中國可再生能源學會主辦

《太陽能》雜志社有限公司出版

《太陽能》雜志:

  Solar Energy

  CN11-1660/TK  ISSN 1003-0417

  國內發行2-165  國外發行Q286

《太陽能學報》:

  Acta Energiae Solaris Sinica

  CN11-2082/TK  ISSN 0254-0096

  國內發行2-165  國外發行Q286

详细内容

陳皓勇:碳中和目標下電力系統和電力市場轉型

        來源:中國電力企業管理  作者:陳皓勇

        

        世界經濟的快速發展,推動了世界能源消費的不斷增長。近年來,由于人類對化石能源的過度開采和使用,化石能源走向枯竭,同時大量碳排放導致溫室效應日益加重。為應對能源危機和全球變暖,世界各國紛紛作出承諾,將加強對清潔能源的開發,降低二氧化碳排放量。碳中和是指個體或系統在一定時間內,直接或者間接回收的碳氧化物量大于或等于其所排放的碳氧化物量,即碳氧化物的靜排放量小于或者等于零。碳中和聯盟(Carbon Neutrality Coalition,CNC)的國家和地區作為碳中和社會的探索先驅者,通過制定法律或政策以盡早實現《巴黎協定》的碳中和目標。中國國家主席習近平在9月22日召開的第七十五屆聯合國大會一般性辯論上表示:“中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和!

        

        隨著工業生產及交通行業的電氣化程度增高,電力能源在終端能源消費的占比日益增大,電力行業在節能減排上承擔主要責任。為實現碳中和目標,電力系統需要在發電側對能源結構進行改革,淘汰或改造已存碳排放量高的化石能源熱發電機組,加大對水能、核能、風能、太陽能等清潔能源的投資和開發。自21世紀以來,風能、太陽能、生物質能等無污染、可再生、環境友好的新能源吸引了各國研究人員對其開采和發電技術的研究,其中風能、太陽能尤甚。自然界蘊含豐富的風能和太陽能,開采潛能足以滿足未來人類對能源的需求。對新能源的開發在一定程度上降低了世界碳排放量的增長速度,但是短時間內仍無法彌補人類對能源需求快速上漲所造成的碳排放增長。對火力發電機組的改造是另一條節能減排的渠道,通過對燃料所產生的二氧化碳進行回收和封存,可以實現發電機組整體的碳零排放。

        

        清潔能源的大量開發以及舊煤電機組的淘汰推動傳統電力系統能源結構向碳中和電力系統發展的同時,也面臨著一些社會、經濟和技術難題。特別是風能、太陽能發電屬于不可控發電,具有極強的隨機性,使得在電力系統規劃和運行中的功率平衡問題呈現概率化。另外,風力、光伏發電機組通過電力電子設備并入電網,電力系統穩定分析和控制趨向復雜化。而火力發電機組的改造則需要有大量資金投入,相關技術難題也還沒有被完全攻克。

        

        碳中和目標下的電力系統規劃運行

        

        碳中和電力系統指的是在電力生產中,使用水能、核能、風能、太陽能、生物質能等清潔能源作為能量來源,或者使用裝有碳捕捉和封存裝置的燃氣發電機組,實現生產過程的碳氧化物靜排放量為零甚至為負值,同時所產生的電力在質和量上要求能夠滿足電力用戶的需求。相比傳統電力系統只考慮電力用戶的需求,碳中和電力系統在環境保護、能源可持續性上有了更高的要求。

        

        碳中和電力系統與100%可再生能源電力系統有一些區別。在能源結構上,碳中和電力系統以核能、水能、化石能源(如裝有“碳捕集、利用與封存”裝置,即CCUS裝置的火電機組)以及風能和太陽能為主,強調的是無碳排放;100%可再生能源電力系統則是以水能、風能、太陽能、生物質能和地熱能為主,強調的是能量來源的可持續性。100%可再生能源電力系統需要對當前電力系統中裝機占比最大的化石能源發電機組全部進行替換,因而實現起來非常困難。相對來說,碳中和電力系統則比較容易實現,許多國家制定了時間表來完成對碳中和電力系統的構建。然而,碳中和電力系統在規劃和運行方面,也將面臨諸多難題。

        

        碳中和電力系統的規劃問題

        

        碳中和電力系統的電源規劃內容包括現有化石能源發電機組的淘汰和改造規劃、配備CCUS裝置的化石能源發電機組擴展規劃和清潔能源發電機組的擴展規劃等。通過對各種發電裝置的協調規劃,以實現碳中和電力系統碳氧化物零排放的核心目標,同時維持系統慣性水平來保證系統有足夠的安全穩定裕度,以及有足夠的靈活性資源為碳中和電力系統運行提供輔助服務,并盡可能減少總投資費用。碳中和電力系統含有多種清潔能源,在進行電源規劃時需要考慮到的約束也將更復雜。風電、光伏發電出力具有極強的不確定性,在進行電源投資規劃決策時要確保系統的發電資源能適應各種風力、光伏出力場景。

        

        碳中和電力系統中高比例隨機性、間歇性能源并網,電網線路中潮流大小甚至方向變化頻繁,在進行電網規劃時需要考慮隨機性對電網規劃決策方案的影響,提高電網魯棒性。在輸電網規劃方面,需要考慮不確定性的影響以及電網的形態和安全性。目前已有許多研究采用隨機優化、魯棒優化等方法處理輸電網規劃中的隨機性,以獲得適應性更強、經濟性更高的輸電網規劃方案。在電網形態上,由于源荷分布的高度不平衡,遠距離輸電需求量增大。高壓直流輸電技術日益成熟,未來碳中和電力系統的輸電網將呈現出交直流混聯的形態,由于輸電設備的電力電子化程度高,對輸電網的擴展規劃需要考慮交流線路、直流線路相協調的問題。

        

        在配電網規劃方面,需要考慮各種分布式能源的并網運行特性和出力隨機性,以及配電網的安全性。在碳中和電力系統的配電系統中,小規模清潔能源發電裝置、儲能及電動車以分布式能源形式接入,需求側響應措施的實施,以及源、荷兩端的強不確定性,都會對配電網規劃決策產生影響。

        

        碳中和電力系統的運行問題

        

        高比例新能源的并入給電力系統引入高度不確定性的同時,也淘汰了大部分同步發電機組,后者是安全穩定的重要控制手段。此外,新能源通過逆變器并入電網,系統的電力電子化程度高,增加了系統失穩的風險。發電調度是系統運行最主要的任務,它承擔了系統供電、用電功率的實時平衡工作。碳中和電力系統中新能源滲透率高,且發電成本低。在保證滿足系統負荷及安全穩定運行的前提下,應盡可能多地消納新能源,有效節省系統的運行成本。碳中和電力系統中,包含有氣、水、儲能等多種靈活性資源。為應對風、光等新能源出力的不確定性,系統還需要有足夠的旋轉備用。綜合考慮各種靈活性資源的運行特性,協調安排各類靈活性資源預留的上下備用量,使發電和風險成本降到最低。設備檢修安排是系統保持安全可靠運行必不可少的工作。碳中和電力系統中源、網、荷的設備類型均呈現多且雜的形勢,給電氣設備檢修時間安排增添了難度。

        

        在碳中和電力系統中,大量同步發電機組被新能源發電機組所替代,系統往往會處于低慣性狀態,頻率調節能力不足、阻尼特性差,大大提高了頻率穩定控制的難度。2019年8月9月英國出現的大停電事故就是由頻率失穩所引發。事實上英國2019年風能、太陽能裝機占比僅33%,而碳中和電力系統中風能、太陽能裝機占比會遠高于此,因此需進一步研究新能源對于系統慣性、頻率、電壓的支撐作用并研發相關設備。

        

        碳中和目標下的電力市場體制機制

        

        電力市場體制機制改革的目的歸根到底還是更有效地支撐電力系統的規劃運行。在碳中和目標下的電力系統中,隨著以光伏和風電為代表的間歇性可再生能源發電比例逐步升高、各種類型儲能的成本逐漸降低、智能電表的普及和需求側響應的引入,世界各國的電力市場都面臨著更新換代。歐盟在2016年12月公布的新電力市場設計方案中指出,“當今能源市場規則是為了滿足過去以傳統火力發電和沒有需求側響應的能源系統而設計的!泵绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇以2014年發布的報告也明確指出,雖然美國各ISO在可再生能源大規模接入條件下對電力市場規則進行了持續的改進,但仍然難以確定各種改進措施是否能維持電力市場穩定、高效的運作。近期美國能源部與各大電力市場ISO/RTO的爭論將電力市場結構、價格形成機制等進一步改革問題推向公眾視野。美國能源部指出,當前的電力市場設計方案可能難以滿足未來市場演變帶來的挑戰。如果具有近零邊際成本的波動性可再生能源實現高比例并網,將拉低電力批發價格,給傳統基荷及非基荷電廠特別是燃煤電廠和核電廠帶來虧損,迫使燃煤電廠和核電廠過早退役,威脅到電網的安全可靠性。因此,電力市場運營商需要識別、定義不同的電力資源,并設計適合不同屬性電力資源的定價和補償機制,從而提高電力系統的可靠性和彈性。

        

        深入研究體現多種不同價值的電能商品價格形成機制

        

        傳統電力市場中電能商品的價值相對來說比較簡單,主要包括電能量價值(體現于現貨與遠期合同產品)、容量價值(體現于容量市場)和安全穩定價值(體現于輔助服務)。電源和負荷實時平衡是電力系統安全穩定運行的基本條件,在碳中和電力系統中,由于風、光等新能源的大量接入,在電源側引入大量的隨機性和波動性,給電網的調度運行帶來諸多困難,也是電能商品價值更加趨于多樣化,特別是靈活性也已成為業內所關注的新焦點。因此,應在衡量電能商品價值時考慮功率曲線在時間維度的形狀和不同電能商品的靈活性品質,并設計合理的價格形成機制。

        

        由于電能難以大量儲存,發用功率需要實時平衡,從對電力系統調度運行和功率平衡的影響,筆者認為電能商品品質應從(波動性、可控性、隨機性)3個維度進行衡量(見表)。其中波動性指功率相對于自身容量的變化幅度;可控性指將功率在一定范圍內自由調節的難易程度;隨機性與可控性有一定的關聯,隨機性大的電源或負荷一定難于控制,而隨機性小的電源或負荷可能易控(可靈活調節的資源),也可能難控(功率相對固定的資源)。對當前各類常見供方(電廠)所生產和需方(負荷)所消費的電能商品品質可以給出表中所示的排級。注意這里是對電能商品的品質進行排級,而非給電源或負荷“貼標簽”,僅按一般情況依照電能商品品質高低對電源和負荷進行大致分類,而具體情況需要具體分析。例如,如果品質一般的煤電經過靈活性改造,可升級為高品質的調峰電源。需要說明的是,電能商品品質是從保證電力系統發用功率平衡的角度來定義的,因此對于電能商品的供方(生產者)和需方(消費者),商品品質的價值內涵是不同的。從定價原則來講,對于供方,電能商品品質越高,定價越高;對于需方,電能商品品質越高,定價越低(即價格越優惠),甚至可以享受負電價。也就是說,供方所生產的低品質電能商品(如風電)可以較低價提供需方的高品質電能商品消費(如需求側響應),反之亦然。

        

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        建立靈活性資源及新型輔助服務交易機制

        

        對于發電機組,靈活性的提升主要體現在:深度調峰(降低最小技術出力)、快速啟停、增強爬坡能力(即提高加減負荷速度)。對于熱電機組,熱電解耦也是增強靈活性的方式。

        

        在美國加州電力市場(CAISO)和中部大陸電力市場(MISO),建立了靈活爬坡產品(Flexible Ramping Product)交易,取得了良好的效果。如圖所示,深藍色曲線表示預測凈負荷(FNL),即系統總負荷減去可再生能源發電出力。由于新能源功率預測的不確定性,取概率為95%的置信區間,最大預測凈負荷可增加至(FNL+),其中包括了向上不確定性UU;而最小預測凈負荷可減小至(FNL-),其中包括了向下不確定性DU。在第t時段采購靈活爬坡產品,要覆蓋從t到t+1時段的凈負荷增長/減少,則需采購的向上靈活爬坡產品為FRU(t)=FNL(t+1)+UU(t+1)-FNL(t),需采購的向下靈活爬坡產品為FRD(t)=FNL(t+1)+DU(t+1)-FNL(t)。靈活爬坡產品與能量(現貨)及備用聯合出清,與實時備用類似,基于機會成本確定出清價。

        

        我國在實踐中總結出來的深度調峰定價方式值得肯定。該定價方式首先在東北電力輔助服務市場建立,并且在全國推廣。作為國家電力體制改革專項試點,東北地區自2017年1月啟動以來成效顯著,深入挖掘了電網調峰潛力,促進了風電、核電等清潔能源消納,顯著提高了電網安全運行水平和供熱可靠性。東北調峰服務市場體現公平、自愿的原則,并實現全電網調峰成本最低。根據火電機組調峰深度的不同,采用“階梯式”補償及分攤機制,按照非線性比例“多減多得、少減多罰”的原則加大獎罰力度,以激勵發電企業加大提供調峰服務的意愿。調峰服務分為基本(無償)調峰服務及有償調峰服務(針對靈活性供方);菊{峰服務指機組調峰率小于等于48%(可根據實際情況,在征得監管機構同意后進行調整)時所提供的輔助服務;有償調峰服務指機組調峰率大于48%或按調度要求進行啟停調峰所提供的服務。發電企業須在日前提交有償調峰服務報價,對報價設置區間限制,通過報價的高低來確定次日各電廠提供有償調峰服務的先后順序。由于火電機組參與深度調峰有必要進行穩燃技術改造,可能需要增加發電成本,這種降低發電功率反而增加成本的情況是無法通過現貨價格來真實反映的。對于調峰服務費用分攤方式,東北調峰輔助服務市場首次引入“階梯式”分攤機制。作為靈活性資源市場化交易的初步嘗試,深度調峰服務市場算是成功的,但也存在一些缺陷,特別是人為指定的參數太多、補償費用過高,需要在實踐中進一步深入研究和改進。

        

        在碳中和目標下,社會對電能的需求不斷增長,電網容量不斷擴大,用電結構亦發生變化,各大電網的峰谷差日趨增大,電網目前的調峰能力和調峰需求之間的矛盾愈發尖銳,低谷時缺乏調峰手段的問題將更為突出。隨著電力市場化改革的深入以及波動性可再生能源的增多,將使煤電機組逐步由提供電力、電量的主體性電源,向提供可靠電力、調峰調頻能力的基礎性電源轉變。結合電力系統調節能力提升工程,充分發揮火電靈活性改造在提高系統調峰能力和促進新能源消納方面的重要作用,從而提升機組靈活性,及時響應電網調控,將有利于推進碳中和電力系統建設。此外,國內外現有輔助服務市場的交易品種不包括一次調頻(一般作為強制提供的基本輔助服務)和慣性,美國德州、澳大利亞等電力市場在積極討論將慣性納入輔助服務品種的可能性。在碳中和目標下,有必要深入研究我國建立一次調頻和慣性輔助服務市場機制的可行性,建立相應的市場機制并開展市場運營實踐。

        

        建立電力市場和碳排放權交易市場的協調機制

        

        隨著全球對“氣候危機”的不斷關注,碳排放權己經成為繼石油等大宗商品之后又一新的價值符號,對于碳中和目標的實現意義重大!毒┒甲h定書》為碳交易奠定了國際法律基礎,它不僅以法規的形式限制了相關國家溫室氣體的排放量,更從市場角度催生出以二氧化碳排放權為主要交易對象的碳交易市場!毒┒甲h定書》確定了三種碳交易機制,賦予碳排放權商品屬性。三種機制包括:排放貿易機制(ET)、聯合履行機制(JI)和清潔發展機制(CDM)。中國作為全球最大的發展中國家,主要開展在CDM機制下的項目開發,并成為CDM項目最多的國家之一。CDM機制對從事清潔能源項目的企業機構來說,多了一個融資和技術改造的途徑。通過參與該機制引進外資與節能減排技術能夠促進我國環保事業發展,同時項目業主可以通過在碳交易市場出售彌補其實施碳減排所增加的成本。此外,凡中國境內所有減少的溫室氣體排放,都可以按照《京都議定書》中的CDM機制轉變成有價商品向發達國家出售。

        

        2011年,按照“十二五”規劃綱要關于“逐步建立碳排放交易市場”的要求,我國在北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東及深圳7個省市啟動了碳排放權交易試點工作。經過幾年的試點,效果顯著。試點范圍企業履約率保持較高水平,形成了要素完善、特點突出、初具規模的地方碳市場。相關企業的碳排放總量和強度實現“雙下降”,顯示出碳市場以較低成本控制碳排放的良好效果。各試點在體系的設計和運行方面積累了豐富的經驗,并從實踐上比較和驗證了各種不同政策設計的適用性,為建設全國統一的碳市場積累了經驗。當前,正在穩步推進全國統一的碳排放權交易市場建設,碳排放權期貨交易也正在醞釀中。

        

        北京環境交易所在2009年建立了中國第一個CDM信息服務平臺,使CDM市場的賣家更方便找到買家,發揮著價格發現和降低交易成本的作用;北京環境交易所還與紐約泛歐證券交易集團旗下的BlueNext交易所聯合在中國設立碳交易平臺,使中國的碳交易平臺與國際接軌。中國第一個自愿碳減排標準“熊貓標準”于2009年由北京環境交易所開發并頒布,并在同年實現了國內第一單自愿減排業務——北京奧運會期間出行所產生的8026萬噸碳減排指標交易。

        

        在碳中和目標下,應建立電力市場和碳排放權交易市場的協調機制。參照歐盟碳交易機制EU-ETS的經驗,全國統一碳排放權交易市場建立之初有可能在配額設置上比較寬松,也可能采取免費分配的方式發放配額。雖然從碳市場自身建設的角度講這樣做具有一定的合理性,但也要防范與電力市場機制產生相互抵消的負效應,即由于碳價過低而影響深化電力體制改革對于節能減排的要求。因此,在確定碳市場配額及其分配方式時需要與電力體制改革相關主管部門加強溝通和協調,形成最佳政策組合。全國碳市場體系形成后,電力行業作為主要碳排放行業應該率先發揮碳市場的調節作用,電力市場改革也應有助于這個目標的實現。從國外碳市場發展進程可以發現,從事碳交易的電力企業的碳成本將會通過電價向下游企業(包括最終消費者)傳導,但對于這種傳導又要有所約束,因此電價形成機制的設計應合理考慮碳成本。在全面推進電價改革時,應考慮與全國碳市場價格的交互影響,形成電價與碳價的良性互動并確保碳市場對碳排放的有效調節。

        

        本文刊載于《中國電力企業管理》2020年10期,作者供職于華南理工大學電力經濟與電力市場研究所

        

        原標題:陳皓勇:碳中和目標下的電力系統和電力市場轉型

        


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