构建“新型电力系统”与容量充足性⸺基于需求高峰时刻可得发电资源的实证分析二O二二年六月卓尔德环境研究中心能源与清洁空气研究中心Powersystemadequacyand“NewPowerSystem”developmentinChina出版机构卓尔德环境研究中⼼（Draworld）从事能源与环境政策、规划与项⽬评估的应⽤研究与咨询机构。机构拥有并维护能源—经济—⽓候综合评价模型（DERC-IAM，多区域经济模型）与我国电⼒结构模拟模型（DERC-P，⼩时分辨率电⼒平衡），作为核⼼⼯作⼯具。⽬前主要从事我国与世界⽓候政策及其互动、钢铁深度减排及其我国维度，以及能源系统数字化等⼯作。www.draworld.org能源与清洁空⽓研究中⼼（CREA）能源与清洁空⽓研究中⼼是⼀家独⽴研究机构，专注于研究空⽓污染的变化趋势、成因、公众健康影响以及相关解决⽅案。全球每年⾄少有300万⼈死于化⽯燃料燃烧导致的空⽓污染。现代清洁能源技术的快速发展已经成为提升空⽓质量、保障公众健康的关键。通过科学的数据、研究和证据，研究中⼼致⼒于⽀持全世界范围的政府、企业及倡议组织推动清洁能源与清洁空⽓。我们相信，⾼效的研究和沟通是相关政策、投资决定和倡导⾏动的成功关键。www.energyandcleanair.org构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性1执⾏摘要碳排放总量与强度，是电⼒部⻔结构变化的重要约束因素。我国已于2020年承诺在2030年前实现碳排放达到峰值，并在2060年前实现碳中和。⽓候减排⻓远与最终⽬标已经明确。如何⾼效推动经济与能源系统转型，成为接下来的关键问题。众多能源与⽓候情景的模拟表明：电⼒部⻔是减排技术选择最多，且减排成本已经实现有效降低的部⻔，应⾸先实现深度脱碳直⾄（近）零排放。电⼒系统供应充⾜性与安全可靠，⼀直是电⼒部⻔进化的约束性前提。2020-2021年，世界各地发⽣了多起较⾼等级的电⼒事故，包括美国得克萨斯州寒潮低温天⽓下的持续停电、欧洲电⽹的短时解列、我国多地间歇性停电或者拉闸限电等。如何在⽇益增多的极端天⽓下保证电⼒系统在所有时间尺度上的容量充⾜性（capacityadequacy）成为政府与公众普遍关⼼的话题。2021年-2022年，也是我国电⼒系统建设⽬标快速进化的时期。深化电⼒体制改⾰，构建以新能源为主体的新型电⼒系统（2021年3⽉15⽇），推进电⽹体制改⾰（2021年10⽉24⽇），加快建设全国统⼀电⼒市场体系（2022年1⽉28⽇),提升新型电⼒系统对⾼⽐例可再⽣能源的适应能⼒(2022年6⽉1⽇）等⽬标与预期不断确⽴，表明了旧有系统的不可持续。如何更有经济效率的提升系统供应保障能⼒，是⼀⼤关切。基于这些背景，我们围绕“系统容量充⾜性”对2020-2021年⼀系列电⼒事故进⾏描述分析，并阐述了我们理解中的“新型电⼒系统”要义；基于可得的发电资源与预计的最⼤需求（对应“平衡困难时刻”）的⽐较，评估了华东夏季、华中冬季的容量充⾜性。我们开展了如下具体⼯作：●【描述解析】对美国得州、我国湖南和江⻄、欧洲电⽹解列事故进⾏解读，得出关于系统充⾜性、各个电源⻆⾊以及如何理解“出⼒不及预期”现象的若⼲看法。●【汇总分析】基于⽬前电⼒系统的调度运⾏范式，描述我国电⼒运⾏效率提升（⽐如省间/区域“互济”）的体制机制障碍。特别是粗尺度调度、僵直外送等因素，为“新型电⼒系统”构建提供⽅向性洞⻅。●【华东案例研究——2021年夏季评估】对华东各省以及整体的容量充⾜性（可得资源/预计需求）进⾏评估，分析各类电源资源的贡献。考虑电⼒需求的不确定性，分析可能的极端情况。●【华中案例研究——2021年冬季评估】基于华东案例类似⽅法论，评估充⾜性⽔平，并分析如何通过更灵活的电⽹运⾏与投资，减少冗余机组需求，满⾜极端⽓候条件下的电⼒需求。●【总结与建议】根据以上描述、分析、汇总与充⾜性可能形势分析，总结我国实现远期电⼒部⻔零排放的关键挑战与改⾰政策建议。报告的主要结论包括：●华东评估表明：如果将系统平衡区从省级扩⼤到区域，相⽐⽬前的调度⽅式，可以⼀次性避免新建超过3000万千瓦可控电源（占现在总装机8%），节省约900亿元⼈⺠币的基建投资。更⼤地理范围平滑需求之后的总体平衡下，该地区充⾜性5年内不存在问题。即使在各构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性2种不利条件（需求超出预期、外来电更多宕机、光伏出⼒不理想）下也可保持稳健。⽽要实现这⼀效果，关键的“软”措施在于电⽹运⾏的灵活性——特别是跨区灵活性的提⾼。反之，部分省份独⽴平衡可能有压⼒。●华中评估表明：各省发电资源总体充⾜。通过⼤范围的电⽹灵活运⾏，可以减少⼤部分新增电源需求。由于部分省份的需求⾼峰⽇益出现在冬季，各省互补性更强，更⼤范围的平衡可以节省11%的新增装机需求。●上⻢新的燃煤发电机组，缺乏⽓候与经济理性。如果新增煤电，影响电⼒系统的碳排放轨迹，或需要配套⽬前前景仍⾼度不确定的碳捕集、利⽤与封存（CCUS）。额外负荷的持续时间很短，这不是需要运⾏4000⼩时乃⾄更⾼才具有经济性的煤电机组的⻆⾊。●新型电⼒系统应该是⾼度灵活和智能的。需要逐年监测评估充⾜性并提⾼透明度。要更具经济效率地保证充⾜性，需要更多地投资500kV及以下的电⽹加强，为更⼤区域电⼒平衡与统⼀市场建设奠定物理设施基础。报告特别提示，系统容量充⾜性与可靠性评估，并不包含燃料短缺造成的⻛险。这是另外⼀个问题——能源市场可靠程度。这种⻛险在现实中是⼴泛存在的，特别是运输较为困难、贸易形式还不灵活的天然⽓。2021年下半年到2022年上半年，世界能源供需形势紧张为⼈关注，再次提示了提⾼整个系统弹性（resilience）的重要性。世界范围来看，朝向更多⻛电和光伏的能源转型是否削弱了能源系统这⽅⾯的表现，需要进⼀步的审慎分析。但是⽬前可以明确的是：如果没有在电⼒系统中占⽐11-12%的⻛电和光伏，我国2021年因煤炭短缺⽽导致的多地限电，其情况只会⽐实际发⽣的更加严重。因此，进⼀步的能源转型是充分地解决燃料价格波动⻛险的“药⽅”。也正因为如此，这⼀短期事件⽆法给“放缓能源转型”的建议提供逻辑与⼼理依据。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性3⽬录出版机构1卓尔德环境研究中⼼（Draworld）1能源与清洁空⽓研究中⼼（CREA）1执⾏摘要2⽬录4术语6致谢与声明7第⼀章停电事故解析81.1频发的极端⽓候需要电⼒系统有更强应对能⼒81.2环境⽬标对于区域电⼒建设的约束101.3“迎峰度夏”与调度系统11第⼆章构建新型电⼒系统122.1电⼒系统可靠、可负担与可持续的共同追求122.2系统充⾜性衡量指标132.3通过优化调度⽽⾮扩增实现电⼒系统充裕可靠142.3.1现⾏序贯决策调度简述152.3.2提升电⼒系统平衡颗粒度152.3.3扩⼤电⼒系统平衡的地理范围，减少扩增162.3.4依靠经济调度实现系统平衡172.4系统充裕性与灵活性是两个问题172.5能源转型是拉闸限电的最终解决“药⽅”，⽽不是原因18第三章华东夏季容量充⾜性评估193.1华东是电⼒负荷中⼼193.2⻛电光伏均具有显著保证容量213.3华东夏季部分省份独⽴平衡有压⼒22第四章华中冬季容量充⾜性评估254.1华中省份负荷互补性更强254.2华中各省冬季发电资源总体充⾜264.3区域平衡节省11%的装机资源28第五章总结与建议295.1更⼤范围平衡系统收益明显295.2新增煤电缺乏⽓候与经济理性29构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性45.3新型电⼒系统建设的短期建议30附录：报告⽅法论与数据来源311.系统备⽤率公式312.各省8760⼩时负荷曲线313.电⼒部⻔2020装机容量314.跨省区500kV及以上联络线31构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性5术语内容英⽂解释容量充⾜性Capacityadequacy电⼒系统存在⾜够的可⽤发电能⼒资源，以满⾜所有时刻的需求。能源转型EnergyTransition能源系统的结构变化，主要是可再⽣能源对化⽯能源的替代，以及其相关的技术、经济、政策与政治问题。预计最⼤需求Projectedpeakdemand某⼀概率⽔平下的系统尖峰需求(kW)。电⼒系统灵活性Systemflexibility系统⾯临各种不确定性仍旧保持平衡的能⼒。在⻛光份额不断增加的背景下，通常聚焦化⽯机组的启停时间、爬坡速率以及最⼩出⼒三个指标。平衡颗粒度Balanceresolution/granularity系统离散开机组合安排中细节⽔平的衡量，⽐如基于天、⼩时、15分钟还是5分钟间隔确定机组的出⼒⽔平。经济效率Economicefficiency经济中的每⼀种稀缺资源在⽣产者和消费者之间的使⽤和分配都能产⽣最⼤的经济产出和对消费者的福利。只考虑供给侧，等价于利润最⼤化/成本最⼩化；只考虑消费侧，等价于福利剩余最⼤化。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性6致谢与声明本报告由卓尔德（Draworld）与CREA中⼼团队共同完成。主要贡献作者包括：张树伟，报告结构设计、全稿统筹与第2、3、4、5章部分撰写；董连赛，报告内容整合与⽂字统筹，章节1.2、2.3等撰写，英⽂稿统筹；殷光治，华中/华东数据收集、制图与第3、4章节撰写;银朔，信息收集与第1章素材整理；毕云⻘，信息材料汇总与⽂字校核。乔瑾、陈雪婉等在数据信息、图表制作、⽂字编辑、专家意⻅咨询等⽅⾯提供了必要的⽀持。项⽬研究报告初稿征求了电⼒、可再⽣能源相关⾏业若⼲专家的意⻅并进⾏了修改。特别感谢国家电投集团战略规划部李鹏对本报告的审阅与校核。项⽬研究得到能源与清洁空⽓研究中⼼（CREA）的⼤⼒⽀持。感谢⾸席分析师LauriMyllyvirta先⽣与总监NandikeshSivalingam先⽣、沈昕⼀⼥⼠的贡献与协调。感谢独⽴咨询专家徐腾⻜⼥⼠在公共沟通与中外对话姚喆⼥⼠在政策简报（Policybrief）中的技术⽀持。项⽬研究过程中，我们得到了以下同事在⻅解与信息⽅⾯的⽆私分享或者协助。特此表示感谢:陈⼤宇，华能技术经济研究院，原国家电监会市场监管司赵紫原，《中国能源报》专业记者构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性7第⼀章停电事故解析1.1频发的极端⽓候需要电⼒系统有更强应对能⼒⽓候变化导致极端⽓象的出现将变得更加频繁。⽆论是极端⾼温还是寒潮，短期内的电⼒需求波动均会考验电⼒系统的承载能⼒。在过去的⼀年⾥，世界各地发⽣了多起停电事故或限电事件，本节将选取部分事件以阐述各国电⼒系统应对极端天⽓的表现及反思。2021年2⽉中旬，美国得州拉闸限电⻓达⼀周时间；事故的原因在当年11⽉最终事故调查报告披露之后已基本清晰1。主因是燃料短缺，供给不畅；进⼀步的原因则是天⽓寒冷造成需求暴涨，以及主要能源基础设施抗低温能⼒不⾜共同造成。由于燃料短缺，天然⽓机组出⼒⼤幅低于铭牌容量，其他机组的出⼒也有所下降。事实上，早在2020年9⽉3⽇，在由德州能源公司（TexasRE）和得州电⼒可靠性委员会（ERCOT）举办的第九届冬季发电机⽓象研讨会上，发电运营商和电⼚介绍了他们在近期的极端天⽓事件中的经验，并涵盖了经验教训、最佳做法和可靠性改进的讨论2。在此次危机发⽣之前，ERCOT的容量备⽤预计是15.5%3。这在正常情况下并不低。但极端⼩概率恶劣天⽓事件还是发⽣了。同时，极端天⽓下德州电⼒系统出⼒能⼒减少的巨⼤程度也超过之前的预期。2021年1⽉8⽇，南欧与中⻄欧电⽹出现短时间解列，导致20万户家庭失去电⼒供应。事故起源于克罗地亚的设备故障问题。⼀变电站⺟线设备故障，造成其他电⽹部分过载，从⽽电⽹解开，电⼒传输断掉。更进⼀步的原因仍是天⽓原因。彼时，南欧正处于宗教节⽇假期期间，天⽓温和、电⼒需求低；⽽中⻄欧地区则因天⽓寒冷导致电⼒需求⾼。它们之间的电⽹断⾯潮流（功率在线路上的分布）相⽐平时的情况要⼤很多。事故时刻，克罗地亚⺟线耦合器（Busbarcouplertrip）跳闸，造成短时（20s）频率超标准波动。2020年年底到2021年1⽉中旬期间，我国的湖南、江⻄相继实施有序⽤电或限电。湖南省⻓沙市部分⼯商业企业被要求削减负荷或“错峰”⽣产，同时规定办公场所在⽩天“原则上不开空调”。当时我国发展与改⾰委员会的解释包括：⼯业⽤电的快速增⻓；极寒天⽓增加负荷需要；外受电受限和机组故障4。这种解释是全国地理尺度的。2020年12⽉14⽇、16⽇、30⽇和2021年1⽉7⽇，全国最⾼调度负荷连续4次创出历史4http://www.xinhuanet.com/2020-12/17/c_1126874945.htm3https://www.spglobal.com/platts/en/market-insights/latest-news/electric-power/121620-ercot-sees-155-reserve-margin-up-from-2020s-126-down-from-may-forecast2https://www.ercot.com/calendar/event?id=15953505200771联邦能源监管署在2021年11⽉发布了最终事故调查报告。https://www.ferc.gov/media/february-2021-cold-weather-outages-texas-and-south-central-united-states-ferc-nerc-and构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性8新⾼，特别是1⽉7⽇晚⾼峰负荷达到了11.9亿千瓦、⽇发电量259.7亿千瓦时5。这些信息表明：2020年底负荷还是低于2021年1⽉的，为何需要有序⽤电仍不⾜够清楚。基于公开材料，我们对以上事故发⽣的原因做如下的描述性总结。表1-12020-2021多地电⼒事故原因描述性汇总美国得州停电欧洲电⽹解列我国湖南我国江⻄容量不⾜++++（机组故障）未知燃料不⾜+++-+（需要保障电煤）未知需求增⻓⾼过之前预期+++++++++⻛光出⼒低于常态下预期+未知+不明确其他因素居⺠采暖需求⼤幅增加系统电源分布不均，空间布局不合理省间交换不灵活，市场割裂省间交换不灵活，市场割裂来源：作者根据各种来源材料汇总分析。“+”表示构成相关因素；“-“表示这个因素⽆关。特别说明：这⼀对事故原因的描述性说明，仅为理解事故是如何发⽣之⽤。它并不具有事故责任的划分含义。⼀个基本逻辑：各个电源单独都并不对整体系统的安全性负有先⼊为主的责任。这⼀整体可靠性实现，需要通过机制设计，不同机组互相补充来实现。5https://m.thepaper.cn/wifiKey_detail.jsp?contid=11607229&from=wifiKey构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性9⽓候变化在全球导致的极端天⽓有不断增加的趋势。美国国家环境信息中⼼的统计显示6：2020年，美国遭受了22次重⼤⾃然灾害，⽽1980-2020年的年平均值是7次。2021年6⽉底-7⽉初，北美地区经历了⼀场持续⼀周的热浪，覆盖很少经历极端⾼温的⼤城市，⽐如美国的波特兰、⻄雅图和加拿⼤的温哥华。在加拿⼤的哥伦⽐亚地区，有180起野⽕的记录，最⾼⽓温接近50℃，是有历史记录以来的最⾼温度。2021年8⽉11⽇，意⼤利⻄⻄⾥岛的城市录得48.8℃的⾼温，可能打破了欧洲有史以来的⾼温记录。我国传统上多旱少⾬的北⽅地区，夏季的⾬⽔天⽓似乎越来越多。2021年夏季河南、⼭⻄等地都出现了严重的洪涝灾害。在频发的极端天⽓下，短时激增的⽤电需求和更⾼的设备故障⻛险，将是未来电⼒系统必然要⾯对的考验，也会侧⾯反映系统平衡者的资源调配能⼒。1.2环境⽬标对于区域电⼒建设的约束我国已承诺在2030年之前达到⼆氧化碳排放峰值，并且到2060年实现碳中和。作为该承诺的⼀部分，我国将在⼗四五期间“严格限制煤炭消费量的增⻓”，并在⼗五五期间“逐步减少”煤炭消费量。另外，⽣态环境治理也在积极影响能源⾏业的产业格局。例如，在《⼤⽓污染防治⾏动计划》和《打赢蓝天保卫战三年⾏动计划》的指导下，2013年以来关停落后煤电机组超1亿千瓦；2019年我国清洁能源消费⽐重达23.4%，相应地，煤电在电⼒总装机中的⽐重也在下降7。在现有调度格局下，多个省份通常希望通过扩⼤本省内的电源来满⾜系统充裕性，但对于煤电的惯性依赖通常让电源扩充建设⽆法兼顾不同⽬标。2021年9⽉开始，多起停电事故（⼤部分是燃料短缺问题）营造出了电⼒供应短缺的假象，也给了煤电⾏业继续扩张的借⼝——在2022年前六周就有⾄少7.3吉瓦（GW）的新增产能被审批部⻔核准8。在⽣态环境⽬标约束的背景下，煤电通常是“产业结构优化”、“淘汰过剩产能”的重点⽬标。官⽅发布指令停建缓建煤电项⽬已有诸多先例9,10。在⼀些煤电退役路径的研究中，⼤⽓污染、⼆氧化碳排放和⽔污染通常也是决定煤电退役优先级的制约因素之⼀11。11AHighAmbitionCoalPhaseoutinChina:FeasibleStrategiesthroughaComprehensivePlant-by-PlantAssessment,CenterforGlobalSustainability,UniversityofMaryland.https://cgs.umd.edu/research-impact/publications/high-ambition-coal-phaseout-china-feasible-strategies-through10《神华等近百个煤电项⽬缓建停建》.2017年8⽉.http://www.jlnyxx.com/nyzl/2017/0815/6315.html9《能源局关于取消⼀批不具备核准建设条件煤电项⽬的通知》.2016年9⽉.http://www.gov.cn/xinwen/2016-09/24/content_5111479.htm8《繁荣与衰落2022》.GlobalEnergyMonitor.2022年4⽉发布.https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/04/BoomAndBustCoalPlants_2022_English.pdf7http://www.nea.gov.cn/2021-01/29/c_139707466.htm6https://www.ncdc.noaa.gov/billions/构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性10单纯依靠增加发电设备——特别是增加燃煤电⼚来提供系统充裕性的做法，⽆法满⾜未来碳减排时期的电⼒建设规划需要兼顾的各种⽬标。随着化⽯能源在能源系统中的占⽐持续减少，能够适应这种结构性变⾰的电⼒系统也将是推动能源转型，进⽽保障巴黎协定⽬标顺利实现的必要条件。1.3“迎峰度夏”与调度系统2021年7⽉中旬，国家发改委发布了《关于做好2021年能源迎峰度夏⼯作的通知》（发改运⾏〔2021〕1058号），绸缪预期中7⽉底到8⽉中下旬⾼温天⽓下的电⼒尖峰需求。相⽐之前年份的通知（2013；2014；2019），这次通知20次提到了煤炭相关的供应保障能⼒。这显示了政府决策部⻔的重⼤关切。但是，与之前⽂件词频显示信息类似的是，这些通知基本是“系统如何保持平衡”的技术性要求——特别包括如何“千⽅百计”扩⼤供应以及压缩需求（有序⽤电）。⼀⽅⾯，该通知中缺乏解决⽅案排序标准的考量，因此该⽅案⽆法确定“谁先谁后”的解决⽅案优先级。另⼀⽅⾯，在过去的年份中亦多次有类似通知发布，说明能源系统迎峰度夏是个出现概率较⾼的调度需求，但现有电⼒系统却⽆法⾃⾏满⾜，这才需要发改委需要通过政府⽂件和会议等形式来进⾏重复性的⼈为⼲预。必须明确的是：实现迎峰度夏时期的供给需求平衡，不应该是个不择⼿段需要满⾜的⽬标。只有全⾯提升调度运⾏⽔平，才是有效率与可持续解决问题的治本之策。这也是我国提出“建设新型电⼒系统”⽬标的由来。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性11第⼆章构建新型电⼒系统2.1电⼒系统可靠、可负担与可持续的共同追求电⼒与⼀般商品的显著不同，是消费侧需要维持⼀个连续供应⽽不能中断。在储能尚未⼤规模普及的情况下，这只能依靠⼀个随时保持平衡供给出⼒的系统去满⾜。电⼒系统的微观现实是任何时刻，系统的供给资源都要满⾜消费者的需求。⽽消费者通常缺乏弹性，并不会主动“脱⽹”。因此，我们需要特别关注⼀些需求⾼峰时刻的发电资源充⾜性。因此，容量充裕度/充⾜性（capacityadequacy）是本报告讨论的核⼼内容。因此，对于电⼒系统⽽⾔，电⼒千瓦（kW）与电能千瓦时（kWh）都是有意义的。后者是总的发电量/⽤电量的⽔平，反映整个经济体⼀段时间内（⽐如全年）对电能的需求。前者是电⼒功率，反映在更⼩时间尺度电⼒系统满⾜变动需求负荷的能⼒。电⼒在年内的波动是普遍存在的，最⼤负荷与最⼩负荷的差别，是负荷变动程度的衡量。我国2020年前后，最⼤负荷总体在10亿千瓦左右，出现在夏季⽤电⾼峰或冬季采暖⾼峰。⽽最⼩负荷在5亿千瓦，出现在春节除夕夜等特殊时刻。任何⼀个电⼒系统管理的基本⽬标，是实现可靠、可负担的起与可持续的电⼒供应。这三者如果存在着得失平衡，可以称之为“Trilemma”（能源三元悖论），但是在某些情况下，我们也可以证明：有⼀些⽅⾯的改进，是可以同时促进这三⽅⾯的进步，⽐如需求侧响应。⽽有些⽅⾯的变化，可以以某个维度较⼩的退步，换取另外维度更⼤的进步，也是⼀种理性的选择。保证电能质量与持续可靠供电是所有国家电⼒系统的基本要求，构成电⼒系统优化运⾏的约束。电⼒系统的各个环节存在着各种程度不同的不确定性，⽐如需求预测误差、机组意外宕机、电⽹线路故障、电源出⼒偏差等。这要求系统必须保有⼀定⽔平的备⽤电源，供系统的运营者调度，以保障系统平衡稳定可靠⽬标。要为电⼒消费者提供有竞争⼒的电⼒、降低电⼒成本、服务经济发展，要求电⼒系统不断提升运⾏与投资的经济效率。各个国家基于理论⽅法论、价值观以及历史沿⾰路径依赖，形成了⾮常多样化的电⼒系统形态，特别是在系统运营者跟其他各个主体的责任界⾯划分以及不同主体如何互动⽅⾯。欧美同时具有管制体系——⼚⽹⼀体系统，以及放松管制体系——市场化体系。它们的透明度较⾼。对于市场化体系，不同时间尺度上市场的嵌套叠加（图2-1），构成实时系统平衡的基础。理论上，实时市场的价格通常是最重要的。因为它对应于供需平衡的真实价格，为其他远期价格提供合理预期与结算参照系。本章内我们⾸先梳理了衡量系统充⾜性的指标，然后对我国的系统运⾏与调度范式进⾏概括。之后通过参考对⽐部分欧美国家的电⼒调度模式，对我国调度运⾏范式的现状进⾏适宜性评价，并分析它对供给充⾜性的相关影响。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性12图2-1多时间层次的交易市场来源：ErikEla,UVIGworkshop,https://www.esig.energy/event/2017-forecasting-workshop/2.2系统充⾜性衡量指标发电充⾜性（generationadequacy）评估是电⼒系统安全要求的重要部分。电⼒系统的需求在随时变化。最⼤需求时刻也要求具有充⾜的发电资源来满⾜。因此，系统充⾜性可以⽤预计系统尖峰需求（projectedpeakdemand）与发电资源（generation）可得性的⽐较来衡量12。我国《电⼒系统安全导则》（GB38755-2019）明确规定：为保证电⼒系统运⾏的稳定性，维持电⼒系统频率、电压的正常⽔平，系统应有⾜够的静态稳定储备和有功功率、⽆功功率备⽤容量。备⽤容量应分配合理，并有必要的调节⼿段。此为系统充⾜性要求。对于何为⾜够、何为合理必要，安全导则并没有给出具体界定。但我国的电⼒系统运⾏规范对此有明确的规定。⽐如《SDJ161-1985中华⼈⺠共和国⽔利电⼒部电⼒系统设计技术规程》以及后续的技术导则与标准，通常规定系统总备⽤（包括负荷备⽤、事故备⽤与检修备⽤三类）不低于20%。2020年发布的GB/T38969-2020《电⼒系统技术导则》规定，系统备⽤容量为最⼤负荷的2%～5%，事故备⽤容量为最⼤负荷的10%，不⼩于系统⼀台最⼤机组或馈⼊最⼤容量直流的单级容量。2022年国家发改委最新发布，从6⽉1⽇起开始实施的《电⼒可靠性管理办法(暂⾏)》2022年第50号令重申了这⼀要求13。13https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/fzggwl/202204/t20220424_1322795.html12⼀般⽽⾔，总负荷统计包括电⼚的⾃⽤电与电⽹线损；净负荷不含⾃⽤电部分。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性13这类似于北美可靠性委员会（NERC，负责监督各个电⼒系统的容量充⾜性）确定的“ResourceAdequacy”(RA)reliabilitycriteria（资源充⾜性）指标。⼀⽅⾯，这个标准不能过⾼，造成不必要的资产闲置浪费；另⼀⽅⾯，也不能过低，否则会导致备⽤频繁耗尽出现拉闸限电。⽐如，在2020/2021年的冬季，美国PJM市场按照最有可能出现的负荷预测，保有48%的计划容量备⽤；在可能出现的极端峰值需求情况下，容量备⽤率降为31%；若考虑到典型的受迫停机率和极端条件下的设备宕机，备⽤率将进⼀步下降为17%14。当然，由于我国电⼒⾏业从过去的装机严重不⾜迅速在2005年之后转为装机过剩，这⽅⾯的规则并没有适宜的现实条件去严格执⾏。在实际系统运⾏与规划中通常采⽤经验原则，由系统运营商公司主导并确定。另外，这⼀⻓期系统可靠性指标，通常都不包含燃料短缺造成的⻛险，⽽这种⻛险在现实中也是⼴泛存在的。以北美为例，因为局部⽹络的阻塞，天然⽓价格在冬天经常会上涨⼏⼗倍甚⾄上百倍；⽽我国更是存在巨⼤的天然⽓峰⾕差，⼯业⽤⽓需要在供给紧张的时候给居⺠⽤⽓“让路”。近两年新冠疫情下物流与⽣产体系的困难增加，更加使得燃料供给的可靠性变得脆弱，加⼤了需求与供给出现“硬缺⼝”的可能性。2.3通过优化调度⽽⾮扩增实现电⼒系统充裕可靠电⼒系统的存储能⼒⾮常有限，因此必须保证各个时间尺度上的系统注⼊（供给）与引出（消费）的平衡。这种平衡在所有电⽹中都是必要的，以保持稳定和安全的供应。在⼀年8760⼩时之中，系统在最⾼负荷时刻仍保持容量充⾜，是基本的技术与安全要求。理论上来讲，总有某些时刻“⻛也不刮、也没有⼀丝太阳”。因此，系统的可控装机能够基本覆盖最⼤负荷，是未来电⼒系统运⾏与规划的必要约束。对电⼒系统充⾜性要求的考虑不⾜已经出现在实际体系中。如2019年11⽉的新闻报道显示15，“过去蒙⻄电⽹是将⻛电、光伏负荷预测折算10%计⼊电⼒平衡，近年来，为了更多消纳，⻛电、光伏负荷预测已经折算90%计⼊电⼒平衡，在这⼀电⼒平衡模型下，关停了⼤量的煤电机组，导致⽓象因素作⽤下，⻛电、光伏停⽌出⼒，托底的在运煤电机组⼜爬坡能⼒不⾜，进⽽导致电⼒⽤户间歇式限电”。这种⽅法论存在缺陷。⻛电、光伏作为由天⽓决定出⼒的电源，其统计特性是⼤部分时间（⽐如80%）的出⼒，低于其额定出⼒的50%。折算90%计⼊系统，必然导致在⼤部分时候都需要应对实际出⼒的不⾜。充⾜性与否是个系统整体问题。各个电源单独都并不对整体系统的安全性负有先⼊为主的责任。这⼀整体可靠性的实现，需要通过机制设计，不同机组互相补充实现的。这其中需要考虑各种不确定的因素，包括不断增加的需求，机组意外宕机的⻛险，天⽓的变化是否存在“⿊天鹅”事件等。我们需要的是对整体的系统充⾜性进⾏评估，⽽不是⽤完美标准去模糊评价某个机组或某类电源的“能⼒”。15https://www.cctd.com.cn/show-19-196018-1.html14https://www.nerc.com/pa/RAPA/ra/Reliability%20Assessments%20DL/NERC_WRA_2020_2021.pdf构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性142.3.1现⾏序贯决策调度简述同我国的政府科层体系类似，我国的电⼒调度体系分为5级。电⽹调度基本原则是“统⼀调度，分级管理，分层控制”。具体⽽⾔，按照《电⽹调度管理条例》（2011年修订版）16，调度机构分为五级：国家调度机构，跨省、⾃治区、直辖市调度机构，省、⾃治区、直辖市级调度机构，省辖市级调度机构，以及县级调度机构（下⽂分别简称国调、区调、省调、市调或县调）。下级调度机构必须服从上级调度机构的调度。调度机构调度管辖范围内的发电⼚、变电站的运⾏值班单位，必须服从该级调度机构的调度。在电⽹调度的基本原则中，“分级管理”是容易理解的，即上⼀级调度对下⼀级具有⾏政优先权与决定权。区调需要遵守国调制定的计划（所谓“边界条件”），区调制定的计划省调需要遵守，市调与县调需要接受省调的指挥。⽽“分层控制”意味着电⼚根据其位置与电压等级，接受不同级别调度的指挥。⽐如三峡电站出⼒属于国调计划范围；区调可以直接制定某些电⼚计划，⽐如⼤唐秦岭电⼚17；⽽省调主要负责省内其他电⼚调度与整个省份的实时平衡。可以讲事实上，我国的电⼒调度是多层级的，并不“统⼀”——由⼀个主体去负责总体系统的平衡。操作层⾯可⾏起⻅，时间上是上级调度⾸先确定联络线计划与⼤电⼚出⼒分配计划，然后下级调度在遵守这些“前提”的基础上做省内安排。所以，这⼀流程变成了“序贯决策”（sequentialdecision）。特别的，国调与区调虽然通常机构名称中包含“调度”，但他们并不负责任何具体区域的平衡责任，⽽仅是⼀个计划制定机构。当然，现实中的职权与⻆⾊划分也可能有例外。⽐如南⽅电⽹属于独⽴调度机构，并不⾪属所谓的“国家调度中⼼”；有时不同调度之间的计划也会有限迭代更新，⽐如⽢肃的电⼒外送，即“增量现货”，基于计划安排基础上做微调；华东电⽹在2015年之后也曾经建⽴区域级的系统旋转备⽤共享机制18。2.3.2提升电⼒系统平衡颗粒度基于“科层制”的体制安排与遵守“序贯决策”原则的调度机制，层层汇报逐级确认的体系必然耗费时间，从⽽导致⽆法做到快速响应，造成短期规则与市场的缺失。电⼒系统想要实现“⼜短⼜快”运⾏必然是困难的。特别地，省间以及跨区联路线，⼤部分并不是服务于“互联”的（interconnection）⽬的，⽽只是输电功能（transmission）。⼀般⽽⾔，在更⼤范围、更短尺度内平衡电⼒系统的需求与供给，集合不同的出⼒与需求特性，将更有效率的发挥电⽹的“平滑”效应19，因⽽有效降低对短时运⾏与⻓期备⽤资源的需求。由于我国在调度原则上存在诸多“边界条件”约束，只能实施分省粗颗粒度调度，开机组合计划⼤致按照星期安排20（图2-2）。显然，⽆论是极端天⽓导致的需求激增，还是燃料短缺导致的供应疲软，按照星期20https://globalchange.mit.edu/sites/default/files/Davidson_PhD_2018.pdf，基于作者在东北与内蒙古的访谈。19Smoothingeffect，指不同地区共同的最⼤负荷，因为其⾮同时性，⼩于各个地区的最⼤负荷之和。18http://www.gov.cn/xinwen/2016-06/14/content_5082060.htm17https://mpower.in-en.com/html/power-2402758.shtml16http://www.gov.cn/gongbao/content/2011/content_1860843.htm构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性15安排的开机组合计划都与系统的随时变动⽆法匹配。美国各区域的电⼒市场以及我国正在试点的电⼒市场，均陆续提供⽇前（提前1天）以及实时（每隔数分钟或⼏⼩时）的交易精度。通过基于每个更短时刻的边际成本来确定开机组合的经济调度原则，提供充分有效的⾃动化解决⽅案（⻅下⽂2.4节）。2.3.3扩⼤电⼒系统平衡的地理范围，减少扩增现⾏的序贯决策调度在实际操作中通常也⽆法做到⽹间“互济”。电⽹调度和规划”各⾃为政“通常就意味着各地需要扩张更多备⽤电源。相⽐⽽⾔，欧美的调度实体基本是某个区域的唯⼀系统平衡负责者。⽐如，美国竞争性开放电⼒系统中有7个地区电⼒市场与调度运营商（Independentsystemoperators，ISO），欧洲各国有超过50个调度系统运营商（TransmissionSystemOperator，TSO），德国有4个系统运营商TSO，但是并不存在类似美国国家调度中⼼、欧盟调度中⼼以及德国国家调度中⼼这样的机构。这种嵌套在具体地理区域之上的机构是没有必要的。类似的，ISO作为唯⼀的区域调度实体，其调度范围通常都横跨州界（⻅图2-2）21。⽐如上⽂提到的PJM市场，调度范围包含了东海岸等13个州；加州ISO（CAISO）的调度范围也实际上包括了内华达州的⼀部分。图2-2美国电⼒交易市场分布来源：美国联邦能源管理委员会（USFERC）相⽐欧美居⺠商业需求更⼤的⽤电结构，我国电⼒系统的峰⾕差并不⼤22。基于2020年的各区域负荷曲线计算，我国电⼒市场总体电源的等价满负荷运⾏⼩时数在6000⼩时甚⾄更⾼的⽔平。⽽新型电⼒系统要适应⻛电和光伏出⼒的快速变化，需要⼀个更快更短更⼤的系统平衡与市场交易体系。22⽐如：我国⻄北省份的负荷与⻛光出⼒曲线，⻅https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/893165021https://www.ferc.gov/electric-power-markets构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性16因此，更好的解决⽅案是建⽴并做实区域调度中⼼职能，逐步提升事实上“省为边界”的平衡到区域层⾯。通过⽹状电⽹构建，形成更⼤的平衡地理范围与市场边界。图2-3外送计划（红⾊曲线）先于本地平衡制定2.3.4依靠经济调度实现系统平衡实施基于边际成本排序的经济调度——系统成本最⼩化调度，改善⽬前的序贯决策调度的局⾯。经济调度是根据运营成本（亦称“短期边际成本”或“可变成本”）把每个可⽤的发电机组进⾏排序，根据发电机的运营成本的“优先次序”，调度中⼼优先使⽤成本最低的发电机23。这对应于整个系统的发电成本最⼩化。电⼒市场的建设也在助推经济调度的运⾏范式。发改委近期发布的《加快建设全国统⼀电⼒市场体系的指导意⻅》也提到“做好市场化交易与调度运⾏的⾼效衔接”24。2.4系统充裕性与灵活性是两个问题由于与公众⽣活息息相关，关于系统可靠性事故、拉闸限电、能源转型问题等话题在2021-2022年引发了我国社会各个⽅⾯的⼴泛讨论。这些讨论提升了能源与⽓候问题的公众关注度，出现了诸多的解读、理解与说法。但是也不乏误导性的内容。⽐如：由于我国电⼒系统的调度颗粒度不⾜，缺乏竞争机制确定机组的市场份额，系统充⾜性与系统灵活性问题经常在公众讨论中混为⼀谈25。笔者认为我们必须明确：⼆者完全是不同维度的要求。前者是系25⽐如：https://news.bjx.com.cn/html/20210315/1141804.shtml。它认定事故发⽣的原因在于“系统灵活性不⾜”。24https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202201/t20220128_1313653.html?code=&state=12323https://www.raponline.org/wp-content/uploads/2017/02/rap-dupuy-li-china-dispatch-reform-ets-2016-december.pdf构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性17统的可得资源是否能够保障实时需求的问题；后者指的是可控机组的出⼒需要在多⼤范围、速率与频次上调节，以实现系统平衡的问题。但是，关于东北2021年下半年停电中出现的“居⺠拉闸、未提前通知、晚上景观灯不停26、直流外送不停”特征，我们猜测这四个“极端”操作”与系统的灵活性严重不⾜相关。如果出于节约煤炭的⽬的，晚上应该可以关闭景观灯降低需求，以进⼀步关停煤电机组以节约燃料。但问题是晚上关停煤电机组，由于⽬前的煤电机组爬坡能⼒慢、以及启停需要时间过⻓等原因，因此采⽤晚上开启景观灯的⽅式来消耗机组夜间产⽣的过量煤电。这是煤电机组灵活性不⾜，最⼩出⼒⽔平过⾼的问题。社会⼴泛讨论的跨区特权僵直外送电27问题，即并不考虑送电端与⽤电端的电⼒供需动态，在本地电⼒供给严重不⾜情况下仍在持续外送也是⼀个明显的灵活性问题。虽然本报告主要研讨系统充裕性的相关问题，但也希望在此重申：提⾼系统充裕性⽆法解决系统灵活性的短缺。提⾼系统灵活性同样是电⼒系统⾰新的重要⼀环。2.5能源转型是拉闸限电的最终解决“药⽅”，⽽不是原因2021年下半年到年底世界能源供需形势紧张、价格暴涨为⼈关注，实际上是再次向我们提示了提⾼整个系统弹性（resilience）的重要性。从世界范围来看，朝向更多⻛光能源的能源转型是否削弱了能源系统这⽅⾯的表现，需要进⼀步审慎的基于数据的分析。但是⽬前可以明确的是：我国的拉闸限电，如果没有全国接近12%的⻛电、光伏，那么情况只会更加严重。本次拉闸限电问题的主要原因是煤炭价格⾼涨，资源供应紧张。主要地区的信息都显示：⽕电企业⼤⾯积亏损，发电积极性不⾼，停机检修机组明显增多28。整体系统的可⽤电⼒容量因为燃料问题出现了明显的不⾜。能源转型是最终解决这⼀问题的药⽅。本报告希望从如何确保系统充⾜性的视⻆贡献于这⼀话题。2021年3⽉15⽇召开的中央财经委员会第九次会议强调29：“⼗四五”期间，要深化电⼒体制改⾰，构建以新能源为主体的新型电⼒系统”。3⽉30⽇30，国家能源局⾸次在国务院新闻发布会场合界定“新型电⼒系统”，强调“推进电⼒市场建设和体制机制创新，构建新型电⼒系统的市场体系”，突出系统安全可靠、灵活调节、系统效率以及技术能⼒四⼤关切。这⼀政策取向与⽬标设定有望成为未来⼀段时间电⼒系统⼯作的聚焦点。30http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/44687/45175/zy45179/Document/1701277/1701277.htm29http://www.xinhuanet.com/politics/leaders/2021-03/15/c_1127214324.htm28http://m.stdaily.com/index/yaowen/2021-09/29/content_1223000.shtml27张树伟.从调度范式看拉闸限电.https://power.in-en.com/html/power-2381158.shtml26https://www.kk-news.cc/zh-cn/news-politics/1d9e83.html构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性18第三章华东夏季容量充⾜性评估我们结合华东（本章）与华中（下⼀章）的案例对系统充裕性进⾏研究，主要关注年度尺度——也就是全年的发电资源要覆盖所有时间的需求，特别是需求最⼤的“困难”时刻。由于我国的电⽹数据透明度较低，这⼀评估主要为理解我们⾯临的问题示意所⽤。3.1华东是电⼒负荷中⼼华东是我国的经济中⼼，电⼒负荷⼤。华东电⽹从地理范围上，包括上海、江苏、浙江、安徽、福建四省⼀市，是我国的重要经济中⼼，⼈⼝占全国1/5，年GDP约占全国1/4。2020年华东⽤电量接近1.8万亿kWh，占全国¼。2020年夏季最⾼负荷出现在8⽉14⽇，达到3.12亿kW31。表3-1华东地区2020年分省装机（万千瓦）上海江苏浙江安徽福建华东⽔电0265117147413313240⽕电24501007963585561347827925核电054991108712331⻛电8215471864124862713太阳能1371684151713702024909电源合计266914124101417816636941119来源：卓尔德根据中电联统计快报整理。华东地区⼀直是电⽹与电⼒流格局中的“受电端”。到2020年底，华东电⽹在运跨区直流11条，外来电容量接近7000万千瓦。华东区域内存在“皖电东送”安排，定位安徽为送电端、上海为受电端。31https://shoudian.bjx.com.cn/html/20201123/1117332.shtml构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性19图3-1华东作为受电区的跨区线路安排（截⽌2020年）32注：安徽是传统“皖电东送”的起始地。其部分本地电源定位为⻓三⻆、特别是上海使⽤。此处考虑其净外来电部分。华东地区的最⼤负荷⼀般出现在夏季。这也意味着，“迎峰度夏”是系统平衡最为困难的时刻。由于不同地区负荷特性略有不同，其夏季⽤电⾼峰出现的时间略有区别。华东地区整体，其夏季⽤电⾼峰通常出现在7⽉中旬-8⽉下旬之间33。其中，处于最南端的福建出现的最早，在7⽉24⽇；⽽⻓三⻆地区⽐较接近，普遍在8⽉中旬；浙江夏末⾼温天⽓较多，最⼤负荷出现在8⽉25⽇。在各个省份中相对最晚。根据2018年具有代表性的负荷曲线34估计，整个地区的负荷⾼峰相当于各个省⾼峰⽤电之和的92%左右。也就是说：如果以满⾜最⼤负荷为⽬标进⾏装机，基于⽬前的负荷特性，以区域为平衡区来进⾏系统运⾏要⽐各个省分别平衡（⽬前的情况）减少8%左右的物理装机。342020年负荷曲线尚不可得。2019年从天⽓情况看，与2020年存在较⼤差异，并且公开负荷资料不充分。33https://shoudian.bjx.com.cn/html/20201123/1117332.shtml。32作者根据公开资料整理，包括但不限于：https://www.sohu.com/a/389377057_823256构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性20图3-2区域最⼤负荷⽔平低于各地区最⼤负荷之和来源：卓尔德环境研究中⼼根据发改委公布2018年各省负荷曲线整理3.2⻛电光伏均具有显著保证容量波动性是⼀种特点，它并不是不确定性。光伏只在出太阳的时候才发电，因此是随着⽇出⽇落以及有⽆云团⽽⾼度波动的，但是这很“确定”，并不意味着不确定性。需要结合更短尺度的“预测”来消除⼤部分的不确定性。不确定的部分只是那部分⽆法提前预知的“预测误差”。保证容量（capacitycredit)衡量系统⾼峰⽤电时刻以及机组出⼒的⼀致性特性，类似欧美国家有效荷承载⼒（ELCC）的概念35。⽐如，如果负荷⾼峰是中午，那也是太阳最充⾜出⼒最⼤的时刻，光伏的保证出⼒可以达到60%，甚⾄更⼤。如果负荷⾼峰是冬季的傍晚，在我国的很多地区，也是刮⻛⽐较厉害的时候，⻛电的出⼒可以达到50%。对于⼀个给定的系统，通过实际8760⼩时运⾏的统计分析，或者电源特性的仿真分析，可以得出各个电源的保证容量抑或需求承载能⼒。这是⼀个典型的电⼒⼯程学问题——在“⿊天鹅”事件没有发⽣的情况下很科学准确。但是，任何的结果，很难在时间与空间范围上做普适推⼴，成为⼀个普遍的规律。因为它受各种系统变化因素，⽽不仅仅是⻛光⾃身出⼒特性的影响。⽐如，光伏不多的时候，需求⾼峰还在中午，继续增加光伏不会⼤幅降低其保证容量。但是⼀旦（净）负荷（总负荷减去光伏）变成傍晚以后最⾼，那么新增光伏的容量贡献将⽴即⼤幅跌落，直到接近于零（意味着再增加光伏也不会贡献于需求最⼤需求时刻）。35https://blog.ucsusa.org/mark-specht/elcc-explained-the-critical-renewable-energy-concept-youve-never-heard-of/构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性21基于⽬前的电⼒结构现状与需求特性，⻛电与光伏均具有明显的保证容量。我们对江苏省的8760⼩时的负荷与出⼒曲线的评估显示：夏季⽤电峰值（⽐如8⽉中下旬的那⼀周）时刻，光伏的出⼒可以占到额定容量的60%，⽽⻛电也有30%。图3-3江苏省2018年负荷与⻛光保证容量的统计规律来源：卓尔德环境研究中⼼根据发改委公布2018年各省负荷曲线绘制，负荷数据来⾃发改委资料；⻛光出⼒信息来⾃https://www.renewables.ninja/3.3华东夏季部分省份独⽴平衡有压⼒在常态情况（normalcondition）下，外来电正常供应，⻛电与光伏都保有其统计规律上的保证容量。这种情况下，系统的充⾜程度是最⼤的。我们考虑各种不同程度的不确定性，依次是：本地可控装机；⻛电与光伏的保证容量出⼒；以及外来电的容量⽀撑贡献。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性22图3-4不同条件下的系统充⾜性——分省平衡与区域平衡来源：作者基于收集的电源容量、电⽹传输线以及负荷信息计算。本地可控装机加上外来电，以及光伏与⻛电的贡献，华东每个地区都可以保证充⾜的备⽤率⽔平。基于2020-2021年的最⼤需求预计与可得电源，图3-4给出了分省的评估以及总体的情况。总体上，按照整体华东地区⼀体化调度的安排，相⽐系统可能的最⼤负荷，系统在2021年有望保持30%以上的充⾜性。各个省在正常情况下也可以保证，虽然浙江处在临界点。上海与浙江存在本地负荷⼩于最⼤需求的情况。从本地可控装机来看，浙江与上海⽆法满⾜整体需求。如果外来电⼤⽐例宕机，叠加本地光伏出⼒不理想，那么这两个地区系统备⽤很可能⼤幅下降，当然仍然会⾼于预期的最⼤需求，320-330GW。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性23图3-5华东地区区域平衡下的系统资源及其不确定性更⼤区域的平衡可以减少8%的冗余装机。华东电⽹内各省经济发展⽔平和电价差异不⼤，新增订⽴的⽕电标杆价差为3分/kWh左右，显示了这个市场的各省情况⽐较均⼀。从最⼤负荷出现的时间来看，也⽐较集中。由于区域电⼒负荷规模⼤，绝对量⽽⾔，这相当于减少3000万千瓦左右的装机。如果按照单位千瓦成本最⼩的天然⽓⼤循环（2800元/千瓦）来计算，等价于节省超过900亿元固定资产投资。总体⽽⾔，这⼀区域具有充⾜的已建成系统发电资源。容量充⾜性普遍⾼于20%。在更⼤不确定情况下，更⼤范围平衡也⼤体稳健。2020年开始，在需求温和增⻓、新增电源与外来电持续建成的情况下，若⼲年内不增加任何可控化⽯电源也可以保证系统充⾜性。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性24第四章华中冬季容量充⾜性评估4.1华中省份负荷互补性更强华中电⽹处于我国中部。从地理范围上，包括湖北、湖南、河南、江⻄四省，传统上是电⼒外送区域，是三峡（湖北）以及众多⽔电发电资源所在地。湖南与江⻄的地理与⽓候特点，有时冬季的负荷并不低于夏季。四川与重庆同属华中电⽹⾏政权限。它们原来通过两条500kV交流联络线与华中联⽹。⽬前改成渝鄂直流联⽹，因此属于独⽴区域电⽹，并在本案例分析的范围内。表4-1华中地区2020年分省装机（万千瓦）湖北湖南河南江⻄华中⽔电375715814086606405煤电331622697068245515108核电00000⻛电50266915185103200太阳能69839111757763039电源合计8273490910169440127752来源：卓尔德根据中电联统计快报整理。全年来看，华中电⽹同时受⼊与送出电⼒。华中地区最近⼏年也建设了⼏条从⻄南⽔电以及⻄北的受电通道。整体上，湖北的三峡与葛洲坝⽔电持续外送，⽽其他省份维持净受⼊电⼒状态。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性25图4-1华中跨区线路送⼊与送出安排（截⽌2020年）来源：作者根据公开资料整理，包括但不限于：https://www.sohu.com/a/389377057_823256由于不同地区负荷特性差别更⼤，其⽤电⾼峰出现的时间有所区别。华中地区，其夏季⽤电⾼峰通常出现在7⽉-8⽉上旬之间36。但是全年的⽤电⾼峰湖南、江⻄有可能出现在冬季。华中各个地区的互补性更强。这也预示了更⼤范围平衡运⾏相⽐华东地区具备更⼤收益。根据2018年的负荷曲线37估计，整个地区的负荷⾼峰相当于各个省⾼峰⽤电之和的约89%。也就是说：如果以满⾜最⼤负荷为⽬标进⾏装机，基于⽬前的负荷特性，以区域为平衡区来进⾏系统运⾏要⽐各个省分别平衡（⽬前的情况）减少11%左右的物理装机。这同时意味着：更⼤范围的平衡运⾏，使得整个负荷曲线冬夏季更加平衡，可以有效的提⾼各种机组的利⽤率，降低度电成本。4.2华中各省冬季发电资源总体充⾜同华东地区的评估类似，这⾥我们根据各种资源进⾏贡献率评估，覆盖本地可控装机；⻛电与光伏的保证容量出⼒；以及外来电的容量⽀撑贡献。372020年负荷曲线尚不可得。2019年从天⽓情况看，⽐较特殊，与2020年存在较⼤差异。36https://shoudian.bjx.com.cn/html/20201123/1117332.shtml构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性26图4-2三种条件下的系统充⾜性——分省平衡与区域平衡来源：作者基于收集的电源容量、500kV以上联络线以及负荷信息计算。正常情况下，华中地区过剩程度更⼤，普遍超过30%。这主要来源于本地各种装机的丰富性，即使考虑到湖北的装机容量有相当部分是外送⽬的。从本地装机来看，湖南，江⻄本地可控电源装机不⾜。如果外来电出现N-2以上的宕机，叠加本地光伏出⼒不理想，那么这两个地区很可能系统备⽤耗尽。如果⻛电能够提供⼀定的容量⽀持，那么本地紧张情况将缓解。从历史统计来看，这种低可能性不能完全排除。解决系统充⾜性问题，不能靠基荷煤电。任何的解决⽅案都必须进⾏成本效益（efficiency）与成本有效性（cost-effective）分析以保证所选⽅案的充分理性。额外负荷的持续时间很短，这不是需要运⾏4000⼩时乃⾄更⾼才具有经济性的煤电机组的⻆⾊。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性274.3区域平衡节省11%的装机资源在华中地区，由于负荷特性更加互补，更⼤平衡范围将发挥相⽐华东更⼤的作⽤，节省11%的冗余装机，短期内可以不⽤增加任何可控电源。按照天然⽓单循环机组计算，这相当于节省超过450亿元冗余装机投资。华中地区有⼀个特别的细节，是上述测算未考虑的。除了上述跨区500kV外送的部分外，本地属地的机组历史上还有是“定位”为其他地区服务的。⽐如鲤⻥江电⼚38，是华中电⽹最南端的电源⽀撑点，始建于上世纪50年代中期，历经四期扩建。过去，鲤⻥江电⼚扩建投产后，主要送电⼴东。它在2022年初正式回归湖南电⽹，为本地充⾜性进⼀步提供了容量贡献。38http://hn.people.com.cn/n2/2022/0116/c336521-35097688.html。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性28第五章总结与建议5.1更⼤范围平衡系统收益明显在更⼤范围、更短尺度平衡电⼒系统的需求与供给，集合不同的出⼒与需求特性，将更有效率地发挥电⽹互济功能，有效降低对新增发电与备⽤资源的需求。在华东地区，这⼀区域具有充⾜的已建成系统资源，可以保证短期不增加任何可控化⽯电源也可以保证系统充⾜性。更⼤区域的平衡，潜在地可以减少8%的冗余装机。由于区域电⼒负荷规模⼤，绝对量⽽⾔，这相当于减少3000万千瓦左右的装机，按照新增投资成本最低的天然⽓单循环机组（2800元/千瓦）计算，相当于⼀次性节省超过900亿元。在华中地区，这⼀“更⼤平衡范围”将发挥更⼤的作⽤，节省11%的冗余装机，短期内可以不⽤增加任何可控电源。按照天然⽓单循环机组同样计算，相当于节省超过450亿元冗余装机投资。当然，要实现这⼀更⼤平衡范围要求，需要投资加密⼀些联络线39，以及相应的调度平衡⾃动化技术、监管治理体系的补充，以及定价体系的本质性改变。5.2新增煤电缺乏⽓候与经济理性能源部⻔需要在2050年左右完全脱碳是⼀个基本的结论。我国在2060年前实现碳中和是⼀场“⻢拉松”，它不可能通过在最后阶段的“冲刺”实现，⽽必须以可接受的成本（效率），在满⾜能源平衡、安全与其他各种约束，以及对各个社会主体保持公平前提下，渐进式地实现。⼀个⼴泛涉及经济、财政、产业、就业、创新与社会政策的政策框架，才能使我国稳健地拥抱能源转型与最终碳中和。⾜够低等碳排放强度是未来我国电⼒系统的重要约束。排放强度最⼤、经济价值最低的煤炭与煤电要么⾸先被淘汰，要么应当加装碳回收装置。⽽碳回收技术应⽤在经过了20年的研究与开发、示范后，仍旧没有规模化的充分证明。电⼒部⻔需要制定碳排放强度下降的阶段性⽬标。过去的能源与⽓候情景的研究充分表明：电⼒部⻔是减排技术选择最多、且减排成本已经实现有效降低的部⻔，应该⾸先实现深度脱碳直⾄（近）零排放。⽬前，在我国电⼒⽣产结构中，煤电排放强度在900gCO2/kWh，⽽整体电⼒排放强度在550gCO2/kWh。政府需要制定到2050年从这⼀⽔平逐渐下降到接近于零的路线图及其实现这⼀路径的政策⼯具。未来我国的电⼒结构，需要⼤⽐例的可再⽣能源加上⼤容量、低利⽤率的天然⽓单循环发电，以及满⾜季节调节需求的电源。由于⻛光的波动性，其总装机会⾼出最⼤负荷很多倍，才能实现⾼发电⽐重。弥补“⻛不刮、⽆光照”情况下的电⼒供应，需要的不是年运⾏⼩时数⾜够⾼才有经济性的煤电，⽽是投资成本更⼩的技术，如需求侧响应与天然⽓单循环机组等。这对于电⼒技术与发电结构具有很强的含义。⽐如核电，只有⾜够⼩型化、模块化（⽐如“⾼温⽓冷堆”）才具有前景；⻓远看，天然⽓还可以⼴泛地来源于电解⽔制氢之后的“甲烷化”（PowertoX技术系统与应⽤），解决煤电彻底退出之后的剩余排放问题。39这⼀投资，因为地理区域之间“相邻”，其需要的线路⻓度⾮常有限，投资总额不⼤。构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性295.3新型电⼒系统建设的短期建议逐年监测评估系统充⾜性并提⾼透明度。类似欧洲输电协调联盟（UnionfortheCo-ordinationofTransmissionofElectricity,UCTE）40与北美可靠性委员会41的做法，建议我国政府监管部⻔（国家能源局市场监管司等）就系统充⾜性透明度问题开展专项监管，要求系统调度机构须逐年编制并公开系统充⾜性回顾报告，以及系统充⾜性展望报告。⽬前，最新的2022年《电⼒可靠性管理办法（暂⾏）》业已明确了回顾性报告的要求（第50条），需要就第51条“定期发布电⼒可靠性指标“做具体安排。更多地投资加强500kV及以下的电⽹建设，为更⼤区域电⼒平衡与统⼀市场建设奠定物理设施基础。这在既有基础设施⽐较薄弱的华中地区尤其重要。同时，要对电⼒的⽣产与使⽤更多的进⾏统⼀市场安排，消除各种“特供电”（⽐如省间市场）割裂市场。这系于整个社会对于系统运⾏以及应该如何运⾏更⾼⽔平的认识。41https://www.nerc.com/pa/RAPA/ra/Pages/default.aspx40https://www.ucte.org/_library/systemadequacy/saf/UCTE_System_Adequacy_Methodology.pdf；https://www.entsoe.eu/outlooks/midterm构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性30附录：报告⽅法论与数据来源1.系统备⽤率公式根据《电⼒系统设计技术规程》，系统的备⽤率定义为：其中，K——电⼒系统的备⽤率；Ny——电⼒系统的贡献装机容量(kW)，通常以“需求⾼峰时刻的电源出⼒”来测算。Pm——电⼒系统的最⼤负荷(kW)，即预计的最⼤需求。2.各省8760⼩时负荷曲线出于组织电⼒中⻓期交易的需要，发改委近⼏年开始公布分省负荷曲线。其中2018年的全年曲线42分辨率较⾼，可以精确到天甚⾄⼩时；2019年曲线43，时间分辨率有所下降。部分地区只能精确到⽉。另外，新冠疫情的初步影响已经在2019年显现，可以视为异常值。鉴于此，本报告采⽤2018年8760⼩时负荷特性（loadprofile）作为典型负荷曲线测算依据。3.电⼒部⻔2020装机容量根据《中电联电⼒统计快报》2020年版整理不同电源类型的装机情况，对应各个地区2020年底的装机总量与结构现状。4.跨省区500kV及以上联络线根据公开资料整理，主要500kV以上跨省跨区线路如下：43https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202012/t20201202_1252094.html42http://www.gov.cn/xinwen/2019-12/30/content_5465088.htm构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性31编号落点区域⽹线路名称别名电压等级设计容量起点终点投产⽇期备注直流（D）/交流（A）1华东雁淮直流晋北-南京±800800⼭⻄雁⻔关江苏淮安17年6⽉D2华东灵绍直流灵州-绍兴±800800宁夏灵州浙江绍兴17年6⽉D3华东吉泉直流准东-华东±11001200新疆昌吉安徽古泉19年9⽉D4华东复奉直流±800640四川宜宾上海奉贤10年7⽉向家坝⽔电站D5华东锦苏直流±800720四川裕隆江苏同⾥12年12⽉锦屏⽔电站D6华东宾⾦直流±800800四川双⻰浙江浙⻄14年7⽉溪洛渡⽔电站D7华东⻰政直流±500300湖北⻰泉江苏政平02年12⽉三峡外送D8华东葛南直流±500120湖北葛洲坝上海南桥89年9⽉葛洲坝⽔电外送D9华东宜华直流±500300湖北宜昌上海华新06年11⽉三峡外送D10华东林枫直流±500300湖北团林上海枫泾11年3⽉三峡外送D11华东锡泰直流±8001000内蒙古锡盟江苏泰州17年10⽉D12南⽅江城直流±500300湖北江陵⼴东鹅城03年10⽉三峡外送D13华中天中直流哈郑直流±800800新疆哈密河南中州14年1⽉D14华中祁韶直流酒泉-湖南±800800⽢肃祁连湖南韶⼭17年6⽉D15华中雅中直流±800800四川雅安江⻄抚州2021年底D合计96801华中⻓治-南阳-荆⻔1000500⼭⻄⻓治湖北荆⻔12年11⽉A2华中⾟洹线500河北⾟安河南洹安03年11⽉冷备⽤A3华东阳城电⼚500⼭⻄阳城江苏淮阴三回500kVA来源：作者根据公开资料整理，包括但不限于：https://www.sohu.com/a/389377057_823256构建“新型电⼒系统”与容量充⾜性32