新型电力系统展望（调峰的魔力之手）

人类活动造成了二氧化碳等温室气体排放量不断增高，引起冰川融化、海平面上升、极端天气频发等一系列气候灾害，气候变化已成为人类面临的全球性问题。为解决这一问题，我国提出了“碳达峰、碳中和”目标。

实现“双碳”目标，能源是“主战场”，电力是“主力军”。2020年电力行业二氧化碳排放量占我国能源消费行业二氧化碳排放总量的42.5%左右，电力行业碳减排进度很大程度上代表着“双碳”目标实现的进度，这就迫切要求我国构建以新能源为主体新型电力系统。

构建以新能源为主体的新型电力系统意味着风电、光伏为主的新能源未来将作为电力生产的主体能源。新型电力系统的建设无疑有利于减少碳排放、推动经济发展，然而想要完成这个目标却不是一件容易的事。风能和太阳能具有随机性、间歇性和波动性的特点，这就要求新型电力系统要能够适应电源的剧烈波动，在这一背景下，开展电力系统调峰改造、为构建新型电力系统保驾护航势在必行。

图1 风电、光伏发电示例（图片来源网络）

电力系统调峰：构建新型电力系统的重要推动力量

从电力资源的产生到千家万户用电，需要经过一个过程，包括发电、升压变电、输电、降压变电、配电和用电几个主要环节，它们共同组成了电力系统。电力系统中的输电、变电和配电环节共同组成电网。通常，由发电端的发电机组产生的电能经过升压变电流入电网，通过输电环节到达接近用电端的一定距离后再经变电站降压，然后通过配电环节将电能按需求分配，最终输送到用户端，从而点亮千家万户，驱动工业生产。

图2 一个基本的电力系统图

由于电是电荷定向移动产生的，能量不能以电的形式存储，电力系统的发输用电往往同时进行，即用电端要多少电量，电网就应该输送多少电量，发电端就要发出多少电量。但是，用电端在不同时间的用电量是不同的，即用电负荷在不断变化，有时多、有时少，电网作为电能输运的通道，难以应付这种波动。

为了避免这种负荷波动给电网带来的冲击，确保电力系统的安全稳定运行，有几个方面的手段：可以控制“上网”的电源，让发电端产生的电量实时符合用电端需求；可以在电力系统中建立储能装置，像是“蓄水池”一样，将多余的电能转化为其他形式能量储存起来；还可以优化电力调度、开展微电网建设；或者在用户侧增加灵活需求响应。

图3 一天中电力系统用电负荷变化

在以火力发电、核电和水电为主要发电端的电力系统中，通过发电端机组的调控，以及电网中增加的“蓄水池”，适应用电端的波动，是行之有效的方案：在电网总体的调度下，根据电网的要求，每个发电厂增加、降低发电量，每个“蓄水池”释放、储存电能，调节用电高峰和用电低谷，共同满足用电需求、维护电网的安全稳定。这一过程就称为电力系统调峰。

图5 典型的储能装置：北京十三陵水库抽水蓄能电站（真正的“蓄水池”）（图片来源网络）

新能源大规模发展将对电力系统调峰带来巨大挑战。我们要构建的新型电力系统，将大比例接纳太阳能、风能等新能源进入电网。中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信在《双碳目标下我国能源电力系统发展前景和关键技术》一文中预测：基于我国的能源电力发展需求，预估到2060年风能、光伏发电量将达到11.9万亿kWh，占我国总发电量69.2%。

高比例新能源发电对于构建低碳社会、实现“碳中和”目标来说是必要的，但却给电网带来新的“不稳定因素”——太阳能、风能等新能源具有很大的随机性、间歇性和波动性：有光才有电、有风才有电。这些特性会引起发电不稳定、负荷不匹配、电网受冲击等问题。例如，我国的电网设计容许的波动通常不超过15%，这也意味着如果某地新能源发电容量所占比例超过这一份额，那么发电量的不稳定有可能造成电网的崩溃。

仅仅是用户端的波动，就已经让电力系统全部动员起来了，如果发电端也大幅度波动，电网将难以支撑。这就要求电力系统大幅度提高调峰能力，例如，通过使其他电源能够在新能源无法发电时迅速向电网供电，在新能源能够发电时迅速暂停供电，从而让新能源波动的影响在电网中“消失”，使电网保持稳定。

调峰电源：电力系统调峰的根基

“调峰”扮演着未来电力系统安全保障者的角色。提高系统调峰能力可以从电源端、电网和用户端多方面着手，其中电源端的调峰可以从源头上“削峰填谷”，保障规模大，是解决风光消纳、电网波动性问题的重要手段。根据北欧等新能源发电比例较高地区的电力系统调峰经验，要保障电网的安全稳定运行，灵活调峰电源装机容量至少要达到总装机容量的10％～15％，而美国、西班牙、德国的调峰电源装机量占比甚至达到了49%、34%、18%（目前，三国对应的可再生能源在一次能源消费中的占比分别为17.0％、17.5％、8.6％）。

燃汽轮机发电是比较理想的调峰电源，它是指利用天然气燃烧获得的高温高压气体直接推动轮机做功、发电的发电方式。它具有快速响应电网调度信号、高效燃烧释放能量并发电、广泛适应不同的用电端负荷等优点，美欧等国家的调峰电源，绝大部分都是燃机轮机发电机组。然而，我国天然气储备量很少，无法满足燃气轮机调峰机组的用气量需求，如此大的能源消费主体，从能源安全的角度，也不大可能通过进口天然气满足需求。为此，我们已经兴建了大量的抽水蓄能电站，在用电负荷低时，将富余的电能转化为水的重力势能；在用电负荷高时将水从高处释放，推动轮机做功发电，从而实现调峰。不过，抽水蓄能电站对水资源量要求较高，有明显的区域限制。

图5 燃气轮机发电厂示例（图片来源网络）

综合来看，燃气轮机发电机组和抽水蓄能电站作为调峰电源存在一些优势，但仍不能完全满足我国调峰需求，需要寻求另外调峰电源。

煤电机组：参与电力系统调峰的主力

目前我国灵活电源的装机容量仅达到6%。鉴于我国的能源资源禀赋，燃煤发电作为当前的主力能源，未来的保障能源，始终担负着用电端波动带来的电网调峰任务，并正在承担新能源电力并网波动的调峰任务。而未来，也将通过技术突破和改造升级，在新型电力系统中担负更大的调峰任务。

当然煤电机组参与调峰同样存在一些问题。不同于燃气轮机发电，燃煤发电燃烧煤炭这种固体燃料，并且需要依赖做功工质将煤炭燃烧释放的能量传递给汽轮机驱动发电机。当前机组参与调峰的方式主要为低负荷运行，在过低的负荷下运行会导致炉膛温度降低、燃烧不稳定，还会导致烟气污染物净化设备偏离运行条件，影响环保指标。此外，如何保证调峰响应速度的同时，兼顾火力发电的经济性，也存在一些问题。可见，火电机组要承担更大比例的调峰任务，还需要克服大量困难。

图6 燃煤发电基本流程

为了解决煤电机组调峰运行中面临的难题，中科院积极响应国家“双碳”目标，在2021年10月，布局启动了“煤炭清洁燃烧与低碳利用”先导专项，其中的一个重点任务就是突破燃煤发电灵活调峰等关键技术。中科院工程热物理研究所在该项目的支持下，正在开展“燃煤锅炉灵活调峰技术与示范”的工作，充分挖掘和提升煤电深度灵活调峰能力潜力与快速变负荷能力，为促进我国能源结构低碳转型保驾护航。

结语

“构建以新能源为主体的新型电力系统”是实现“双碳”目标的重要举措。如何在低碳的同时，保障能源供应、支持经济社会发展，这是一个系统工程，需要全社会的力量共同努力。从我国实际情况出发，利用煤电机组参与调峰，是当前阶段解决新能源并网发电引起电网波动问题的必由之路，我们也相信，通过攻克技术难题、推动技术的进步，最终完成新型电力系统的构建。

当然，或许明天，我们人类掌握了可控核聚变，能源不再成为制约人类发展的问题，那么，包括火力发电在内的一些电源，也将功成身退。让我们一起朝着明天努力，踏实走好今天的每一步。

作者：王宏帅、李百航、欧阳子区

来源：中国科学院工程热物理研究所