中國儲能網(wǎng)訊：隨著國家“雙碳”目標的深入推進，新能源在電力系統(tǒng)中所占比例持續(xù)增加，而在我國能源安全穩(wěn)定供應方面起重要作用的煤電占比逐漸降低，煤電在調(diào)度中的作用發(fā)生根本性改變，將從主力電源向基礎保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型。
未來新型電力系統(tǒng)建設要立足我國能源資源稟賦，考慮到新能源出力的間歇性與波動性，如何發(fā)揮煤電在能源轉(zhuǎn)型進程中的基礎保障和系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用，促進煤電與新能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，對于增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、保障電力可靠供應與推進綠色低碳發(fā)展具有重大意義。
煤電調(diào)峰技術發(fā)展現(xiàn)狀
煤炭是我國最為重要的基礎能源，也是我國自主保障能力最強的能源。煤電調(diào)峰可維持有功功率平衡，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，調(diào)整各類發(fā)電機組出力以適應用電負荷的波動。
火電機組的調(diào)峰能力主要取決于對高低負荷的適應能力，其調(diào)峰幅度定義為機組的最小出力與最大出力之比。深度調(diào)峰是受電網(wǎng)負荷峰谷差較大影響，而導致各火電廠降出力，發(fā)電機組超過基本調(diào)峰范圍進行調(diào)峰的一種運行方式，一般深度調(diào)峰的負荷率多為40%～30%。在規(guī)定時間內(nèi)，火電機組能夠安全、平穩(wěn)、高效地升降負荷，降至的負荷越低，機組的深度調(diào)峰能力越強。
近年來，為充分挖掘火電深度調(diào)峰能力，國內(nèi)外已廣泛開展火電機組靈活性改造?；痣姍C組的運行靈活性主要指標包括調(diào)峰幅度、爬坡速率及啟停時間等，核心目標是充分響應電力系統(tǒng)的波動性變化，實現(xiàn)降低最小出力、快速啟停、快速升降負荷。
國外火電機組深度調(diào)峰技術發(fā)展
國外對火電機組靈活性改造主要采用熱電解耦技術，其中以儲熱裝置的研究與應用較為廣泛，主要方法是運用儲熱技術開發(fā)和利用儲熱鍋爐及儲熱式設備，建立靈活機動的中小型儲熱電站點。目前常見的儲能蓄熱技術主要有蒸汽蓄熱技術、熔鹽蓄熱技術、相變材料蓄熱技術及固體材料蓄熱技術等。
丹麥、德國等北歐國家由于供暖周期長，常用熱電解耦技術即可滿足機組深度調(diào)峰。從歐洲發(fā)達國家在風能、太陽能、生物質(zhì)能、二氧化碳的捕獲和儲存等增加新能源占比和新能源領域技術發(fā)展的經(jīng)驗來看，通過開展火電機組靈活性改造可以消納更多的新能源。
國內(nèi)火電機組深度調(diào)峰技術發(fā)展
多年來，我國火電機組深度調(diào)峰技術獲得長足發(fā)展。2011年，內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責任公司對兩臺600兆瓦火電機組進行深度調(diào)峰試驗，單機負荷能夠在210兆瓦（額定負荷的35%）下實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒；2012年，東北某電廠對600兆瓦火電鍋爐機組進行低負荷運行試驗研究，機組負荷最低可以降到229兆瓦（額定負荷34.82%）；2015年，大唐三門峽發(fā)電公司對兩臺600兆瓦火電機組進行深度調(diào)峰試驗，可實現(xiàn)雙機最低負荷350兆瓦（額定負荷30%）下穩(wěn)定運行。
2016年以來，在國家政策大力支持下，火電機組靈活性改造邁上新臺階。2016年，華能丹東電廠對300兆瓦亞臨界機組進行深度調(diào)峰試驗，實現(xiàn)了機組在30%負荷下的安全穩(wěn)定運行；2017年9月，遼寧大連莊河發(fā)電廠1、2號機組實現(xiàn)深度調(diào)峰至30%（180兆瓦）負荷運行；2017年11月，遼寧東方發(fā)電公司1號機組采用低壓缸零出力靈活性改造方案，實現(xiàn)機組負荷在26%～100%范圍內(nèi)靈活調(diào)整；2019年6月，廣西北海電廠1、2號機組實現(xiàn)快速調(diào)頻，同時投用微油時鍋爐最低可帶90兆瓦（30%）負荷穩(wěn)定運行；2021年4月，鶴淇電廠1、2號機組，開展了30%深調(diào)工況下的調(diào)壓、進相試驗，取得一系列進展。
新型電力系統(tǒng)對煤電調(diào)峰的要求
隨著“弱支撐性”的新能源發(fā)電的主體地位日益凸顯，具有“強支撐性”的傳統(tǒng)火電機組出力空間受限，涉網(wǎng)性能所依據(jù)的系統(tǒng)、設計和運行邊界條件發(fā)生了巨大變化。一方面，采用電力電子變流設備的新能源和直流輸電大規(guī)模并網(wǎng)，極大改變了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定特性，暫態(tài)過程的時間尺度更小、非線性特征更強；另一方面，具有強暫態(tài)電壓支撐和強過載能力的同步發(fā)電機被新能源發(fā)電大量替代，動態(tài)無功電源大幅缺失，電網(wǎng)呈現(xiàn)“空心化”，核心區(qū)域的單一交流故障就可能引發(fā)全局性電壓失穩(wěn)，電力系統(tǒng)的無功需求將急劇上升，電壓穩(wěn)定面臨巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有調(diào)峰技術難以減少大比例新能源消納對電網(wǎng)帶來的安全和穩(wěn)定風險，主要表現(xiàn)在以下五個方面：
一是深度調(diào)峰火電機組調(diào)壓特性評估指標和方法難以擴展到新型電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)調(diào)峰資源需求與深度調(diào)峰機組涉網(wǎng)性能的安全指標亟需建立健全，探索和制定深度調(diào)峰安全邊界條件。
二是在深度調(diào)峰工況下，一次調(diào)頻性能迅速下降，缺乏電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的深度調(diào)峰機組調(diào)速模型，無法完成深度調(diào)峰工況下的電網(wǎng)一次調(diào)頻安全特性分析，電網(wǎng)頻率安全受到嚴重威脅。
三是考慮到新能源出力的間歇性，電力系統(tǒng)發(fā)用電平衡在發(fā)電容量有效性方面面臨巨大的挑戰(zhàn)，亟需研究構(gòu)建有效容量評估能力，以及與容量有效性相匹配的結(jié)算方式，激勵包括新能源和傳統(tǒng)煤電在內(nèi)的各類主體提升自身發(fā)電容量的可用性，實現(xiàn)多資源綜合可用容量的提升。
四是煤電等傳統(tǒng)電源存在收益激勵不足的客觀現(xiàn)狀，亟需通過多類型資源調(diào)節(jié)能力的成本特性與回報機制開展研究，建立包括傳統(tǒng)煤電在內(nèi)的各類調(diào)節(jié)主體價值回報方式，激勵多類型資源實現(xiàn)多時間尺度波動性的綜合平衡調(diào)節(jié)能力提升。
五是隨著新能源占比的不斷提高，一方面，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)電側(cè)、負荷側(cè)各種靈活性調(diào)節(jié)資源，提高電力系統(tǒng)的新能源消納水平與整體調(diào)節(jié)能力是目前的難點問題；另一方面，未考慮煤電的減量替代、定位轉(zhuǎn)型，缺乏對以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)下的煤電與新型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的針對性研究。因此，亟需開展電網(wǎng)調(diào)峰資源需求與涉網(wǎng)性能評價研究，解決電網(wǎng)調(diào)峰需求與設備安全、電網(wǎng)運行穩(wěn)定之間的協(xié)調(diào)問題，在保障電網(wǎng)運行本質(zhì)安全的前提下，最大限度支撐新能源接入。
煤電與靈活性資源協(xié)調(diào)優(yōu)化
針對煤電的轉(zhuǎn)型定位與電力綠色低碳發(fā)展要求，需要研究煤電與新型資源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度關鍵技術。電力系統(tǒng)靈活性資源優(yōu)化配置的目的是能夠調(diào)用足夠的靈活性資源，來匹配可再生能源和負荷的變化帶來的凈負荷波動，同時兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟性，需要綜合考慮不同的運行狀況得到靈活性資源優(yōu)化配置的方案。
未來新型電力系統(tǒng)建設要立足我國能源資源稟賦。習近平總書記指出，“要加大力度規(guī)劃建設以大型風光電基地為基礎、以其周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系?！薄睹禾壳鍧嵏咝Ю霉リP方案》中提出，要“研究煤電機組、抽水蓄能、儲能、新能源發(fā)電、大型耗能企業(yè)等多類型資源跨時空互補優(yōu)化調(diào)度技術，研究計及多資源平衡能力的電力輔助服務與容量市場機制和交易運營技術，研發(fā)面向新型電力系統(tǒng)的煤電與新能源綜合調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行系統(tǒng)并開展驗證。”
未來，煤電功能逐步轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與支撐，傳統(tǒng)的電力規(guī)劃優(yōu)化方法及單一電能量市場不再適用，需要研究科學有效的煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃關鍵技術，考慮煤電、抽水蓄能、儲能在爬坡率、功率水平和電量等方面的約束，建立各類可調(diào)節(jié)資源的數(shù)學模型，依據(jù)不同資源之間存在的特性差異，如時間、空間、有功出力、技術水平等，從可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等多個方面出發(fā)，提出不同時間尺度和不同調(diào)控場景下多類型資源互補調(diào)控能力的評價方法，從指令響應速度、出力維持時間等多個方面評估多類型資源互補系統(tǒng)的調(diào)控能力。
充分發(fā)揮煤電、水電、儲能、綠氫等各類資源的調(diào)節(jié)能力，保障電力平衡與可靠供應，促進煤電等多資源協(xié)同綠色低碳發(fā)展。提出覆蓋煤電、儲能、新能源、電制氫等多類型資源跨時空互補優(yōu)化方法，建立與電能量市場相銜接的容量、輔助服務等支撐機制，研發(fā)煤電與新能源綜合調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行系統(tǒng)，保障電力平衡與可靠供應，助力構(gòu)建以大型風光電基地為基礎、以周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。
在煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃研究中，傳統(tǒng)電源規(guī)劃考慮在經(jīng)濟成本最小的條件下確定系統(tǒng)最優(yōu)的發(fā)電投資組合，在電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的背景下，還應將二氧化碳排放帶來的影響納入規(guī)劃模型，深入挖掘煤電在新能源并網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)外送、系統(tǒng)備用、多能協(xié)同等方面的多維價值。從運行策略、協(xié)同技術、市場機制等角度構(gòu)建“雙碳”背景下煤電與新能源協(xié)同規(guī)劃模型和能量-容量市場機制，制定科學有序的煤電與新能源高效利用與規(guī)劃方案。
隨著新能源滲透率的不斷提升，極端天氣和季節(jié)性供需不平衡對電力系統(tǒng)的安全運行提出了嚴峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電力充裕性評估方法在對高比例新能源電力系統(tǒng)電源實際發(fā)電能力的評估方面略顯不足，無法兼容構(gòu)建新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下不同時間尺度的靈活性需求，常規(guī)煤電、應急備用煤電、儲能、新能源、需求側(cè)等不同類型靈活資源調(diào)節(jié)能力與不同時間尺度充裕性需求的匹配機理尚需理清。
總結(jié)與建議
新能源電力波動大、間歇性強，在大規(guī)模、低成本儲能技術成熟應用之前，適當比例的煤電可為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供足夠的轉(zhuǎn)動慣量，平抑大比例新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來的波動，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。電力系統(tǒng)需要火力發(fā)電尤其是煤電充分發(fā)揮“兜底保障”的重要作用。在新型電力系統(tǒng)建設背景下，現(xiàn)有技術未考慮煤電的減量替代、由傳統(tǒng)電源向調(diào)節(jié)支撐主體電源的轉(zhuǎn)型和新型調(diào)節(jié)資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，煤電可在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用。
一是開展火電機組深度調(diào)峰改造的試點工程。我國現(xiàn)役火電機組在設計階段基本均未考慮深度調(diào)峰工況，隨著高比例新能源的不斷加入，深度調(diào)峰和快速升降負荷時的運行工況嚴重偏離設計工況，導致運行過程中調(diào)峰能力比較差。深度調(diào)峰常態(tài)化以后，大量設備運行在非正常工況，對機組安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的影響不可忽視，需要投入更多的研究工作。
二是進一步研究電網(wǎng)中各類電源和負荷的出力特性。深入挖掘煤電、風電、光伏、水電、儲能、電制氫等不同類型資源在不同時間尺度、不同空間尺度的互補特性，促進不同資源在不同調(diào)度時序間的優(yōu)化配置，提升平衡資源的時空分布合理性，以降低源端不確定性，提高電源整體靈活可控能力。
三是煤電要積極轉(zhuǎn)變角色，由傳統(tǒng)提供電力、電量的主體性電源，向提供可靠電力、調(diào)峰調(diào)頻能力的基礎性電源轉(zhuǎn)變，積極參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務，提升電力系統(tǒng)對新能源發(fā)電的消納能力，將更多的電量市場讓給低碳電力。
四是為實現(xiàn)“雙碳”目標，需要全局統(tǒng)籌優(yōu)化能源消費側(cè)與生產(chǎn)側(cè)的轉(zhuǎn)型時序關系與實施路徑，并配套推動低碳技術的普及應用。針對能源戰(zhàn)略的制定有必要發(fā)展下一代評估推演關鍵技術，以重構(gòu)能源發(fā)展戰(zhàn)略分析理念和方法的整體框架，以適應能源革命帶來的高度復雜性和不確定性新局面?！半p碳”目標下，實現(xiàn)復雜能源系統(tǒng)的多部門、多目標、多階段的全局優(yōu)化，制定合理的分部門碳排放達峰路徑，提出我國中長期煤炭清潔高效利用發(fā)展路徑和時空布局，是目前亟待解決的問題。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年06期，作者楊彪、王光達、張琛供職于國網(wǎng)能源研究院有限公司
