本文摘要：摘要：在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，德國是當之無愧的先行者，其可再生能源發(fā)電比例已超過50%，同時依然是電力供應最安全、最穩(wěn)定的經(jīng)濟體之一。在我國碳達峰、碳中和國家戰(zhàn)略的引領下，未來接入上海電網(wǎng)的可再生能源將大幅提高，如何在新形勢下保障電力供應安全是上海建設
摘要：在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，德國是當之無愧的先行者，其可再生能源發(fā)電比例已超過50%，同時依然是電力供應最安全、最穩(wěn)定的經(jīng)濟體之一。在我國“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略的引領下，未來接入上海電網(wǎng)的可再生能源將大幅提高，如何在新形勢下保障電力供應安全是上海建設具有國際影響力大都市過程中的必答題�？偨Y(jié)德國在能源轉(zhuǎn)型過程中電力系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗，對比分析上海電力系統(tǒng)的發(fā)展特點，提出了在能源轉(zhuǎn)型過程中保障上海電力供應安全的相關建議。
關鍵詞：可再生能源;德國;發(fā)電;轉(zhuǎn)型;電力安全;保障
前言
在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，德國曾經(jīng)被視為激進者，高比例可再生能源發(fā)展目標讓反對者對電力供應的安全穩(wěn)定性深表憂慮。如今，德國已成長為可再生能源發(fā)電比例超過50%的環(huán)保先鋒，同時依然是電力供應最安全、最穩(wěn)定的經(jīng)濟體之一。
2021年12月15日，德國新任總理朔爾茨在其上任后的首份政府報告中，將2030年可再生能源發(fā)電比例目標從之前設定的65%提高到80%，再一次震驚世界。德國在能源轉(zhuǎn)型方面如此大刀闊斧，固然有政治原因，但冗余的常規(guī)電源1、堅強的跨國電網(wǎng)、完善的電力市場才是德國電力安全性領跑世界的深層原因。
能源方向評職知識：可再生能源利用技術論文好發(fā)表嗎
在我國“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略的引領下，未來接入上海電網(wǎng)的可再生能源將大幅提高，如何在新形勢下保障電力供應安全是上海建設具有國際影響力大都市過程中的必答題。課題組總結(jié)德國能源轉(zhuǎn)型中電力系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗，對比分析上海電力系統(tǒng)的發(fā)展特點，提出了在能源轉(zhuǎn)型過程中保障上海市電力安全穩(wěn)定供應的相關建議。
1德國經(jīng)驗：內(nèi)外并舉保障常規(guī)電源足量供應
德國從本世紀初開始能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略以來，以風電和光伏為主力的可再生能源裝機量快速提升�？稍偕茉窗l(fā)電量在電能消費中的占比從2000年的6%上升到2020年的46%。盡管具有間歇性和不確定性的可再生能源發(fā)電比例一直在上升，德國仍然是世界上電力供應最可靠的國家之一。電網(wǎng)終端用戶平均停電時間呈逐年減少趨勢，2020年用戶平均停電時間僅10.73min，在歐盟國家中位列第二，僅次于瑞士，遠超美國、加拿大的最好紀錄。德國在能源轉(zhuǎn)型的過程中，電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電可靠性未受到負面影響，背后的原因主要有以下三個方面。
1.1常規(guī)電源提供托底保障
1)以煤電、氣電為代表的常規(guī)電源提供了充足的電力冗余雖然新能源裝機已占德國電力裝機的一半以上，但常規(guī)電源裝機總量未有減少，并可滿足德國最大電力負荷需求。2020年德國最高電力負荷約8000萬kW，總裝機規(guī)模約2.2億kW，系統(tǒng)備用率高達170%。水電、生物質(zhì)發(fā)電、核電、煤電及燃油、燃氣發(fā)電等常規(guī)電源裝機容量約1億kW，即使風電、光伏發(fā)電在負荷高峰時段出現(xiàn)低功率現(xiàn)象，整個系統(tǒng)仍然能夠提供足量的電力供應。
2)常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力強德國風電、光伏發(fā)電出現(xiàn)波動時，抽水蓄能、燃氣發(fā)電、燃煤發(fā)電甚至核電均參與調(diào)節(jié)。承擔調(diào)峰主力的燃煤發(fā)電調(diào)節(jié)能力極強，大部分硬煤電廠2可向下調(diào)節(jié)到最高出力的10%，褐煤電廠經(jīng)過改造后可向下調(diào)節(jié)到最高出力的40%左右。靈活性電源很好地保障了電力的穩(wěn)定供應。
3)擬關停燃煤機組提供安全備用電服務為了確保在特殊情況和出現(xiàn)突發(fā)事件時的供應安全，德國于2016年建立了安全備用電機制。安全備用電容量由燃煤電廠退市進程中計劃關停的發(fā)電廠提供。在其它措施用盡的前提下，這些電廠必須根據(jù)輸電網(wǎng)運行商的請求，在10到11天的時間內(nèi)投產(chǎn)發(fā)電。目前，德國有8臺發(fā)電機組可提供270萬kW的安全備用電，占燃煤發(fā)電裝機容量的6%。
1.2跨國電網(wǎng)提供堅強支撐
德國電網(wǎng)位于歐洲大陸的中心，與周圍國家的電網(wǎng)聯(lián)系非常緊密。目前，德國電網(wǎng)通過28條380～400kV和31條220～285kV的輸電線路與瑞典、丹麥、法國、荷蘭等10多個國家的電網(wǎng)互聯(lián)，跨國輸電能力達到2700萬kW，占系統(tǒng)最高負荷的1/3。歐洲各國發(fā)電結(jié)構(gòu)差異很大，跨國電力交易需求高，為德國可再生能源消納提供了條件。例如，法國是核電第一大國，核電占總發(fā)電量比重超過70%;荷蘭天然氣儲備豐富，燃氣發(fā)電占比超過50%;瑞典水力資源豐富，水電占40%。
當?shù)聡稍偕茉窗l(fā)電較高時，可以將多余電力出口至鄰國電網(wǎng)。例如，2020年2月9日早晨，出口電力達到1500萬kW，相當于近半數(shù)的風、光發(fā)電被輸送到了其他國家。當?shù)聡稍偕茉窗l(fā)電不足時，可以通過電力進口保障供應。例如2020年2月27日傍晚，太陽接近下山后光伏幾乎無出力，風力發(fā)電也僅有600萬kW。在本國常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力用盡后仍無法滿足全部負荷的情況下，德國從鄰國電網(wǎng)進口了850萬kW電力，成功保障了供應安全。
1.3電力市場提供價格激勵
1)德國電力現(xiàn)貨市場的出清價格調(diào)節(jié)機制使得常規(guī)電源更有動力根據(jù)風光發(fā)電調(diào)節(jié)出力由于德國風光發(fā)電的邊際成本在近幾年已經(jīng)低于煤炭和天然氣發(fā)電，電力現(xiàn)貨市場的價格往往與當時清潔能源發(fā)電量的盈余程度成反比。當可再生能源出力高時，現(xiàn)貨市場價格下降，售電盈利減少，水電、煤電、燃氣發(fā)電等各類常規(guī)電源就會盡可能壓低出力。而當風光發(fā)電出力不足，現(xiàn)貨市場價格大幅上漲，刺激各類常規(guī)電源盡最大能力發(fā)電。
2)受市場價格機制刺激，建設靈活性電源的積極性增強以2020年9月為例，電價曲線在一天內(nèi)有非常明顯的峰谷差，最高位和最低位平均相差約20～30歐元/MWh(折合人民幣約144～216元/MWh)。靈活性電源得益于其快速響應能力，能夠在電價低時盡量減少出力，電價高時盡快增加出力，達成較好的盈利。因此，投資主體建設靈活性電源的積極性大大增強，同時常規(guī)電源機組也會產(chǎn)生較大意愿進行靈活性改造。
1.4存在問題值得注意的是，雖然在可再生能源迅猛發(fā)展的同時，德國電力市場出清電價穩(wěn)中有降，但終端銷售電價持續(xù)上漲。德國居民電價在過去20年上漲了78%，2020年居民電價34.3歐分/kWh(約合人民幣2.47元/kWh)，比歐洲平均水平高出50%。
最主要的原因是銷售電價中可再生能源分攤費持續(xù)上漲，從2004年的0.0051歐元/kWh(約合人民幣0.039元/kWh)上漲到2020年的6.756歐分/kWh(約合人民幣0.5元/kWh)，占居民電價的20%。隨著可再生能源發(fā)電占比的進一步提高，包括電網(wǎng)擴建在內(nèi)的電力投資極有可能促使電價繼續(xù)上漲。長此以往，不僅德國的營商環(huán)境將遭受負面影響，家庭和企業(yè)的經(jīng)濟負擔也會過重。
2上海特點：系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力仍有提升空間
受城市資源空間限制，上海本地風電、光伏發(fā)展相對緩慢，目前消納的可再生能源主要為外來水電。2020年消納可再生能源電量占全社會用電量比重達36%，在我國東部地區(qū)排名第一。其中近90%來自市外水電，其余10%來自本地風電、光伏和生物質(zhì)發(fā)電。
由于市外水電大部分不參與調(diào)峰，造成水電汛期用電負荷低谷時段電網(wǎng)調(diào)峰困難，即使本地火電機組采用最小開機方式，仍存在約100萬~200萬kW的調(diào)峰缺口，只能通過與安徽等周邊省份進行電量置換勉強解決。未來隨著本地風電、光伏的大規(guī)模開發(fā)，不可控電源的比例大幅上升，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行將面臨更大的挑戰(zhàn)。
2.1常規(guī)電源占比高但調(diào)節(jié)能力未充分釋放
1)常規(guī)電源占比高，但備用率遠低于德國上海是典型的受端電網(wǎng)，電力供應由本地電源(約占60%)和市外來電(約占40%)共同保障。本地電源中90%以上為煤電、燃機等常規(guī)電源，市外來電則全部為水電、核電等常規(guī)電源。按照電力供應能力3900萬kW(考慮高峰時期燃機出力受阻)、最高負荷3400萬kW計算，備用率僅為15%，大幅低于德國的170%。
2)常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力遠未釋放市外來電中占比近60%的西南水電和核電不參與調(diào)節(jié)，本地電源中自備電廠不參與調(diào)節(jié)，熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)節(jié)能力受供熱負荷限制。雖然近年來通過運行管理優(yōu)化，所有30萬kW級以上公用電廠燃煤機組均實現(xiàn)了60%的調(diào)峰能力，但總體來看與德國硬煤電廠的90%調(diào)峰能力相比仍有不小差距。
2.2跨省電網(wǎng)受電能力強但互濟能力未充分發(fā)揮
1)上海電網(wǎng)位于華東電網(wǎng)末端，對外形成“五交四直”的受電通道格局交流方面，通過2回1000kV和3回500kV輸電線路與華東電網(wǎng)相連。直流方面，通過1回±800kV輸電線路與西南電網(wǎng)聯(lián)絡，通過3回±800kV輸電線路與華中電網(wǎng)聯(lián)絡�？缡‰娋W(wǎng)總體受電能力達到2100萬kW，目前仍有約400萬kW通道能力未用足。
2)華東區(qū)域各省市發(fā)用電結(jié)構(gòu)相似度高，電價水平差距不大，導致開展省間電力交易的主動性不足目前，上海的跨省電力交換以完成受電計劃為主。直流方面，全部落實國家計劃，全額消納區(qū)外可再生能源;交流方面，主要落實皖電東送、秦山核電、華東統(tǒng)配電等計劃分電。少量的省間余缺互濟為基于行政指令的保障性措施，僅在秋季汛期上海電網(wǎng)調(diào)峰困難、極端天氣下供電能力不足等特殊條件下發(fā)揮作用。
2.3市場化交易機制不成熟，靈活性資源缺乏價格激勵
上海的電力生產(chǎn)和交易仍以行政指令為主，市場化交易電量占全社會用電量比例不超過10%。在以常規(guī)電源為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，計劃模式有力保障了上海的電力供應安全。但隨著風光等間歇性可再生能源占比不斷提高，原有模式將越來越無法滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的需求。
1)促進新能源消納的市場機制還未建立，影響調(diào)節(jié)性資源的靈活調(diào)配風光可再生能源的間歇性和波動性巨大，需要通過市場在短時間內(nèi)大規(guī)模調(diào)配調(diào)節(jié)性資源以實現(xiàn)電力實時平衡。
2)電價對調(diào)節(jié)性資源的激勵作用未充分釋放常規(guī)機組參與調(diào)峰、調(diào)頻、系統(tǒng)備用等輔助服務的價值未能與收益直接掛鉤，抽水蓄能、新型儲能等價格形成機制未理順，導致常規(guī)機組參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的動力不足，投資主體新建靈活性資源的積極性不高。
3上海應對高比例可再生能源的啟示
在“碳達峰、碳中和”國家戰(zhàn)略的引領下，未來上海將大力發(fā)展風電、光伏等波動性可再生能源，應妥善處理市內(nèi)外不同資源間的互補、協(xié)調(diào)、替代關系，在確保電力供應安全的前提下，推動新能源大規(guī)模、高比例、高質(zhì)量發(fā)展。
3.1發(fā)揮常規(guī)電源托底保障作用將常規(guī)機組規(guī)模控制在合理水平，確保安全托底的能力。盡量保持燃煤機組總量不減少，適當提高燃氣機組裝機規(guī)模。大力推進火電機組靈活性改造，力爭公用電廠燃煤機組調(diào)峰能力達到80%，引導自備電廠參與調(diào)峰。利用退役煤機建立戰(zhàn)略備用機組機制，石洞口一廠、外高橋一廠、吳涇等擬等容量替代老舊機組和寶鋼自備電廠，根據(jù)場址和電網(wǎng)等情況選擇部分機組“關而不拆”，發(fā)揮極端情況下的戰(zhàn)略備用作用。
3.2發(fā)揮區(qū)域合作互濟互保作用加強區(qū)域電源共建合作，建議與核電廠址資源豐富的福建加強合作，布局大型核電基地，爭取更多常規(guī)電源供應;與抽蓄資源豐富的安徽、浙江合作開發(fā)抽水蓄能電站，爭取更多靈活調(diào)節(jié)資源。加強區(qū)域調(diào)峰能力建設，在現(xiàn)有以余缺調(diào)劑為主的省際調(diào)峰互濟模式基礎上，不斷擴展調(diào)峰資源的共享范圍和利用方式，逐步推行全網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰。加強對外聯(lián)絡通道建設，推進新增特高壓入滬通道，優(yōu)化與江蘇、浙江的聯(lián)網(wǎng)通道，進一步提高上海電網(wǎng)的受電能力。
3.3發(fā)揮電力市場資源配置作用
研究建立促進新能源消納的市場機制，逐步完善輔助服務市場，引導煤電、氣電等常規(guī)電源，以及儲能、電動汽車等新型市場主體積極參與調(diào)峰、調(diào)頻、應急備用等輔助服務，加強對新能源消納的支撐。完善與現(xiàn)貨市場配套的電價機制，提高各類靈活性資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的積極性。應對新能源大規(guī)模發(fā)展帶來的系統(tǒng)成本上升問題，保持合理電價水平。推動建立以節(jié)約能源為導向的電價機制，推動能源轉(zhuǎn)型和節(jié)能提效。
作者：蘭莉
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