观察 | 多重挑战，考验新型电力系统承压能力

来源：中国电业与能源 时间：2023-11-17 09:11

记者 余璇

　　近年来，我国电力低碳转型取得了阶段性成果，以风、光为代表的可再生能源发电实现跨越式发展，为新型电力系统建设打下了良好基础。

　　在“双碳”目标引领下，我国持续推进新型电力系统建设，但随着可再生能源高比例并网及多元化资源大规模接入，系统性风险显著增大；同时，全球极端气候事件频发，新型电力系统构建面临多重压力。

安全成为绿色低碳发展首要命题

　　当下，全球气候变化不断加剧，以季节性极端气温、区域性干旱洪涝为代表的极端气候事件频发，导致国内外大规模停电事故屡见不鲜，极端气候已成为诱发全球电力安全事故的主要因素之一。

　　聚焦国内，电力安全保障的重要性也同样被提升到了新高度。在极端气候风险加剧和新型电力系统资源结构特性变化双重影响下，安全成为我国电力绿色低碳发展的重中之重。

　　“在新能源占比越来越高的新型电力系统下，电力保供形势与气候条件的关系越来越密切。因此，开展极端气候风险与电力保供问题研究是非常必要的。”国家电网有限公司三级顾问蒋莉萍指出。

　　那么应该如何深入理解气候风险这一关键词？据介绍，从广义概念来看，气候风险是气候系统变化对自然生态系统和人类社会经济系统造成负面影响的可能性，包括极端天气、灾害性事件等。从电力系统视角来看，气候风险可以界定为在某地区出现的历史上较为罕见、发生概率逐渐上升、引发电力供需严重失衡的高温、极寒、暴雨、干旱等极端天气状况。

　　据了解，当前，我国电力系统面临多重气候风险。可再生能源发电出力受风速、光照、温度和水文等气象因素的影响，呈现弱可靠性；终端用户的温控负荷对气温变化非常敏感，已成为抬高全年最大用电负荷的主要因素；气候风险的不确定性影响在新型电力系统源、荷两侧叠加表现出强耦合作用的特点，进一步造成电力供需失衡。

　　“区域性高温干旱、大范围寒潮、雾霾、沙尘、台风、暴雨等极端天气事件通过影响可再生能源发电出力，破坏能源基础设施，进而影响能源电力安全。”国家气候中心副研究员王阳认为，当下极为关键的是要通过研究提升对风、光、水等可再生能源发电规律性的认识。

　　“极端天气频发对于能源系统、电力系统影响非常显著。”自然资源保护协会（NRDC）清洁电力高级顾问王万兴表示，国家提出建设新型电力系统，要求是清洁低碳、安全高效。随着供需发生变化，电力保供被提到了非常重要的位置，因此我们亟须对气候风险和电力保供开展深入研究。

　　“在保障能源安全的前提下，逐步实现新能源的替代和传统化石能源比重的降低，是我们面临的重大课题。”自然资源保护协会（NRDC）北京代表处首席代表张洁清指出，构建以新能源为主体的新型电力系统，需要打破传统的能源不可能三角，实现电力系统的安全、经济、低碳。

极端气候对用电负荷、新能源出力产生综合性影响

　　数据显示，入夏以来全国日调度发电量三创历史新高，最高达到301.71亿千瓦时，较去年峰值高出15.11亿千瓦时；全国最高用电负荷两创历史新高，最高达到13.39亿千瓦，较去年峰值高出4950万千瓦。分地区看，华北、华东、南方、西北4个区域电网以及浙江、福建、广东等14个省级电网最高用电负荷创历史新高累计达50多次。

　　“气温与电力负荷之间存在密切的相关性，尤其是高温或严寒天气会导致空调、采暖等设备用电负荷明显上涨，且区别于正常天气时的日间用电高峰状况，极端气温期间用电高峰更加符合民生用电的习惯。”《考虑气候风险的电力系统保供能力提升路径与机制研究》（以下简称“报告”）如是指出。

　　“我国电力需求增长重心由二产高耗能行业向三产和居民用电转移，对气温的敏感度加强。”华北电力大学（保定）经济管理系讲师张浩楠称，目前用电负荷曲线呈现尖峰短时化、双峰常态化、季节波动性的特点，电力系统平衡难度加大。

　　针对极端气候带来的负荷波动和尖峰化等问题，进行“源荷—气候”相关性分析尤为重要，将为新型电力系统的建设提供科学依据，以适应极端气候风险，确保电力系统的安全稳定运行。

　　此外，相较于煤电、气电等传统可控电源，极端气候对“靠天吃饭”的可再生能源发电出力的影响更加显著。

　　报告认为，风电机组的出力特性与风速密切相关，而风速受天气影响很大。光伏发电机组出力主要由光照强度决定，而光照强度与天气的阴晴和温度有密切关系。气候变化造成流域降水减少、蒸发增加以及冰川消退等使得径流枯竭，直接减少水电可用的径流资源；极端气象气候事件增多，加剧了径流资源分布的不均衡，使得洪峰弃水和枯期缺水状况严重，影响水电发电出力、设施安全及供电保证率。

　　“极端气候对供给侧的影响主要体现在水、风、光等可再生能源。”张浩楠介绍，温度、风速、光照强度和水文条件等气候因素通常会关联出现，如极高温天气往往伴随少风或无风、强光照和干旱，极低温往往伴随低光照（阴雨或暴雪）等，对可再生能源发电会产生综合性影响。

　　此次报告选取了以高比例可再生能源为主的电力送端大省青海，以及以火电为主的电力受端大省广东作为典型案例。通过量化青海极寒与广东高温的气候场景，模拟两地2025年电力系统的安全保供运行特性，从经济性的角度探讨了电力保供组合方案。

　　报告显示，在以极寒和高温为核心特征的气候场景下，将出现用电负荷大幅上涨、电源总体供电能力下降的现象，超出了电力系统的常态化保供能力范围。在不考虑需求侧管理措施和应急调整输电计划的情况下，青海和广东的电力缺口可分别达到全网最大负荷的40%和10%以上。

　　在气候风险冲击下，可再生能源为主的电力系统主要面临长时间的资源充裕度不足和灵活性不足的问题，火电为主的电力系统主要面临的是负荷尖峰时段资源充裕度不足的问题。各地区需要按照电力供需紧张形势和资源条件制定针对性方案，把调动需求侧资源、释放可调节负荷潜力作为实现电力系统供需平衡的关键优先选项。

适应气候风险关键在于统筹源网荷储多环节资源

　　“当前我国正处于新型电力系统的加速转型期，首先要明确的是，在无法改变外部性环境特征的情况下，‘适应’而非‘对抗’气候风险是新型电力系统安全保供的基本理念。”张浩楠认为。

　　简而言之，传统电力系统的火电占比高，依靠自身的稳定可靠、风险抗性高的优势，应对外部性气候风险的不可抗力通常采取“抵御”的措施。相比之下，新型电力系统的源、荷两侧的气候敏感性和脆弱性特征逐渐显现，物理意义上的“抵御”能力明显不足，其应对策略需转向“适应”气候风险。

　　“电力系统在应对灾害性气候方面应加强事后重建能力，而在应对极端气候方面需要调整电力行业的生产方式，提升系统的适应能力，发展可再生能源，并开发调节性资源。”中电联计划财务部计划处处长张卫东认为，电力系统非常复杂，从某些角度看是非常脆弱的系统。在“双碳”目标背景下，电力系统将成为能源系统的基础和枢纽。

　　据介绍，新型电力系统适应气候风险的关键基础是统筹源网荷储多环节资源，发挥各自长处、补足相应短板、形成气候场景保供合力，兼顾低碳减排和安全保供需求，探索符合新型电力系统发展理念的气候风险适应性转型路径，经济合理地调动电力系统供需两侧资源的保供能力，在社会经济可承受范围内解决时段性、区域性的供需失衡问题。

　　“在我国可再生能源将成为主体电源的背景下，建立气候韧性的电力系统，需要在规划建设新型能源体系的总体架构下，依靠源网荷储纵向协同以及与其他用能系统的横向协同。”蒋莉萍表示。

　　报告认为，重视多类型调节资源的组合发展，通过灵活火电、储能、虚拟电厂等的协同部署，低成本、高效率地提升新型电力系统保供能力。加快建设分钟级快速响应资源、小时级深度可控资源和长时级备用供应资源三个服务时长区间等级的保供调节资源架构。气候风险冲击下，保障电力安全的分钟级快速响应可以由抽水蓄能、电化学储能、自动发电控制（AGC）机组等来满足，小时级深度可控的响应资源包括灵活火电、可调节水电、光热、跨省跨区电力、虚拟电厂、需求响应中的非必需用电（如大工业用户停产限产）等，而长时的应急备用资源的可选项主要有备用火电、氢气储能、跨区电力（从未受极端天气影响的地区输送的电力）等。

　　极端气候场景下，可再生能源有效出力被大幅削减，电力系统普遍面临结构性缺电挑战。这种情况下，可再生能源如何在新型电力系统建设中发挥电力保供的主体责任？

　　蒋莉萍指出，就提升可再生能源发电的保供能力而言，一是需要提升其发电出力的可预测性和可调度性；二是要加强对项目发展与建设的科学合理布局；三是要结合气候方面的研究，更准确地把握各种时间尺度下的风光出力特性、规律，并纳入国家预警预报体系，通过建立更好的协同机制，发挥可再生能源的保供作用。

　　“在电源侧，通过风光水储一体化提升可再生能源的保供能力，提供较为稳定的出力曲线；在需求侧，挖掘多样化的用能主体在冷热电一体化方面的潜力，平缓负荷曲线并提升灵活调节能力。”自然资源保护协会（NRDC）清洁电力项目副主任刘明明认为，此外，源网荷储一体化、扩大资源配置范围、实现跨区域协同等手段，都是待挖掘和实践的有效保供路径。

　　对此，报告建议，在西部地区，以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风光基地仍将是新能源开发的主要形式，需完善配套清洁高效煤电和特高压输变电线路建设，提升新能源外送消纳能力，强化区域电力互济的能力。同时要提升新能源发电的可调性和可控性，通过提高预测精度、配置储能、联合调度运行等手段，输出较为稳定的电力流，提升新能源的“等效”可靠性。在东部南部沿海地区，推进海上新能源和分布式电源发展，实现“发电于民”“藏电于民”，以提高负荷侧自身发用电韧性的方式，形成点状支撑网络来提升电力可靠供应能力。作为电力主体之一，分布式电源要承担相应的系统平衡责任，完善配电网建设付费大电网平衡服务，建设配套储能抵消对电网调度压力的弊端、同时反向贡献系统调节服务，塑造双赢格局。

市场机制是电力安全保供不可或缺的一环

　　谈及电力安全保供，市场机制同样是不可或缺的关键一环。

　　“电力市场发挥保供作用的核心是‘价格’体系，依靠经济激励来调动源网荷储资源的保供积极性。”张浩楠表示。

　　记者了解到，目前我国电力市场保供体系是围绕价格展开的“双层四极”架构，其中，现货电能量市场的分时电价是体系的基础和核心，实现第一层级的保供工作；从辅助服务、容量、需求侧和省间互济4个角度进行机制延伸和完善，在第二层级补足现货价格在引导保供资源方面的短板，发挥市场价格工具和兜底保供电价在气候风险冲击下的资源引导作用。

　　报告显示，新型电力系统安全保供市场机制设计要以电能量市场为基础，逐步完善辅助服务市场、容量市场、需求侧市场和省间电力交易市场的价格机制、保供服务品种、市场范围等内容，从短期平衡、长期充裕度、保供压力削减、应急资源调度4个方面，以经济可行的方式提升电力系统在气候风险场景下的快速响应、容量备用、分级切负荷、外来支援电力等保供能力。

　　张浩楠认为，现货电能量市场、辅助服务市场、容量机制、需求响应机制、省间应急电力交易机制的衔接与协同，对各类电力资源供需平衡贡献进行有效定位和合理定价，发挥市场价格工具和兜底保供电价在极端气候风险冲击下的资源引导作用。

　　根据我国电力市场架构内在逻辑，不难看出，从短期视角来看，“能涨能跌”的现货电能量价格是引导电力资源调节供需状况的首要工具，可以实现电力保供的第一阶段工作。

　　此外，记者了解到，在现货市场价格信号变化的过程中，辅助服务市场的合理定价要能够反映电力供需状况发生巨大变化时为维持大电网稳定而提供的灵活调节服务的价值，引导存量资源提升灵活性、激励灵活性增量资源进入市场，使得电力系统能够顺利过渡到新的供需平衡阶段；容量机制则是作为反映电力资源可靠性价值的有效工具，可以弥补短期内现货市场边际价格出清不能覆盖机组固定成本的缺陷，激励可靠电力资源在供需紧张时提供有效容量支撑；负荷分级响应价格补偿机制是在现货市场分时电价达到上限、仍有电力缺口的情况下发挥保供激励作用；在开发本地保供资源之外，可以发挥我国能源电力网络的大范围配置资源的优势，利用省间电力交易的价格信号寻求电力支援，其关键在于送受两端保供资源的匹配度和电价差水平。

　　对此报告建议，协调电力保供的配套政策与多元机制体系，形成适配新型电力系统运行特性的规划—市场—应急协同机制。以提升新型电力系统气候适应性为导向，加快辅助服务机制完善，激发电力资源的灵活调节潜力和多元化部署规模；出台专门的气候风险电力保供短期补贴扶持和贷款支持政策，结合容量补偿、需求响应激励、省间应急电力交易等市场化手段，引导电力资源的保供积极性；完善分布式发电市场化机制，鼓励负荷侧资源“自给自足、分担风险”；按照“市场调动、行政保底”的策略，完善事前、事中和事后的快速响应、应急抢险、恢复重建等全方位处置方案。

　　解读国家最新发布的《关于深化电力体制改革加快构建新型电力系统的指导意见》，蒋莉萍认为，当前深化电力体制改革的关键点聚焦在4个方面：构建技术中性、多元、充分体现价值贡献的电力市场机制；形成广泛参与、充分竞争的市场格局；建立市场行为受严格监管的电力市场环境；明确主体保供责任，并通过行业管理规则进行规范。

　　责任编辑：江蓬新

　　校对：许艳