可再生能源正在為世界提供日益增多的清潔電力，然而，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)還不能完全應(yīng)對風(fēng)電和光伏大規(guī)模接入帶來的波動性和不確定性。日益增多的風(fēng)電、光伏等可再生能源接入，給世界和中國的電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。從負(fù)荷側(cè)、電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)多措并舉，提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，破解新能源消納難題，已經(jīng)成為中國電力發(fā)展的大趨勢。

韓小琪，電力規(guī)劃設(shè)計總院規(guī)劃研究部副主任(主持工作)，教授級高工，主要從事電力規(guī)劃、電力項(xiàng)目評審、行業(yè)政策研究、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究和管理工作。主要參加、主持和牽頭完成過北京、京津唐、華北電網(wǎng)“十一五”、“十二五”規(guī)劃，華北電網(wǎng)風(fēng)電消納規(guī)劃，全國重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)電輸電系統(tǒng)規(guī)劃，國家“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃研究，國家“十三五”電力規(guī)劃研究，“十三五”風(fēng)電和光伏電力輸送與消納規(guī)劃研究，全國電力體制改革評估，電力現(xiàn)貨市場運(yùn)營與結(jié)算系統(tǒng)功能規(guī)范及大綱編制，火電年度預(yù)警、大型火電基地外送、火電靈活性、電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提升、清潔能源消納、可再生能源配額制等行業(yè)政策研究，風(fēng)電接入電力系統(tǒng)國標(biāo)、行標(biāo)編寫，電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系修編等工作。

為緩解能源危機(jī)和減輕環(huán)保壓力，中國政府對于低碳綠色發(fā)展做出多項(xiàng)重要承諾:2020年單位GDP二氧化碳排放量較2015年下降18%;2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)到15%，2030年達(dá)到20%;2030年左右使二氧化碳排放達(dá)到峰值，并爭取盡早實(shí)現(xiàn)。有鑒于此，風(fēng)電、光伏等可再生新能源在中國得以充分地開發(fā)利用。

“十二五”期間，中國風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量年均增速分別為34.29%和168.67%，兩者的裝機(jī)規(guī)模分別達(dá)到1.31億千瓦和0.42億千瓦，預(yù)計到“十三五”末期風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模將分別達(dá)到2.1和1.1億千瓦，均居世界第一位;新能源總發(fā)電量也已位居世界第一。

與此同時，當(dāng)前中國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性欠缺、電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式較為僵化等現(xiàn)實(shí)造成了系統(tǒng)難以完全適應(yīng)新形勢要求，大型機(jī)組難以發(fā)揮節(jié)能高效的優(yōu)勢，部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和棄水問題，區(qū)域用電、用熱矛盾突出。就此，《電力設(shè)備管理》雜志對電力規(guī)劃設(shè)計總院規(guī)劃研究部副主任韓小琪進(jìn)行了專訪。

火電靈活性改造之前世今生

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，清潔替代和電能替代理念的推行，可再生能源得以快速發(fā)展。預(yù)計中國202，2030年一次能源消費(fèi)總量分別不超過50、60億噸標(biāo)煤，其中非化石能源分別約7.5和12億噸標(biāo)煤。

與此同時，風(fēng)電、光伏等可再生新能源的大規(guī)模發(fā)展使電力系統(tǒng)面臨的變化性和不確定性顯著增加，其快速響應(yīng)功率變化、維持電力供需平衡的能力，即電力系統(tǒng)靈活性日益受到關(guān)注。而新能源的大規(guī)模并網(wǎng)正嚴(yán)重加劇電力系統(tǒng)運(yùn)行面臨的變化性和不確定性程度，從而給電力系統(tǒng)的有功平衡帶來巨大挑戰(zhàn)。

有鑒于電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力已經(jīng)成為當(dāng)前中國電力發(fā)展的最大瓶頸，此項(xiàng)工作也日益得到了電力行業(yè)與政府部門的高度重視。

“電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的提升起始于火電靈活性改造。在進(jìn)行電力十三五規(guī)劃研究的時候，應(yīng)對風(fēng)電、光伏發(fā)電的規(guī)劃規(guī)模目標(biāo)的消納，而且隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，用電負(fù)荷峰谷差將不斷增大，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程對北方熱電聯(lián)產(chǎn)的需求增加，國家能源局電力司的領(lǐng)導(dǎo)便已經(jīng)意識到了系統(tǒng)調(diào)峰問題。

“因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電力系統(tǒng)都是可控的，這個問題并不突出;但在新能源的比例越來越大之后，整個系統(tǒng)的調(diào)峰能力就有問題了，因?yàn)樾履茉窗l(fā)電是波動性和不可控的，這就需要可控的電源為其提供調(diào)峰能力。對此。電力司要求我們對調(diào)峰問題進(jìn)行專題研究，首要目標(biāo)便是一直承擔(dān)著調(diào)峰主力的火電。”

韓小琪就此指出，除新能源外，從國家既有的電力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來看，可控電源中，煤電是大多數(shù)，此外依次是水電、核電和少量的燃?xì)獍l(fā)電。

“就水電而言，大庫容水電和抽水蓄電的可控性較強(qiáng)，但大多集中于中東部與南方地區(qū)，北方僅青海省有大庫容水電，且抽水蓄電也很少。抽水蓄是一個較好地發(fā)展模式，十三五期間抽蓄電站開6000萬千瓦，投產(chǎn)1700萬千瓦左右。但抽蓄站址資源有限且建設(shè)周期較長，十三五期間開工建設(shè)的抽水蓄能將主要在十三五以后發(fā)揮作用。與此相對應(yīng)的是新能源基本都是在北方、尤其是三北地區(qū)，因此十三五期間水電對于新能源的調(diào)節(jié)作用很小。”

“核電本來就少，整體規(guī)模也不大，而且大部分建于東南部沿海地區(qū)，在北方僅遼寧有核電站;而最為重要的是，雖然國際上有國家使用核電進(jìn)行調(diào)峰，但我國從來沒有進(jìn)行過嘗試，安全性如何也無法保證。”

他說:“氣電在北方基本屬于熱電聯(lián)產(chǎn)，承擔(dān)有冬季供暖任務(wù)，因此并不具備很強(qiáng)的調(diào)峰能力，此外高企的成本也是制約其大規(guī)模發(fā)展的重要因素。”

“就效果而言，氣電調(diào)峰效果良好，建設(shè)周期也僅為二到三年，從新增的角度來說比較現(xiàn)實(shí)，但其建設(shè)及運(yùn)營成本很高;水電則受綜合條件所制約，發(fā)展空間有限。但火電靈活性改造與抽水蓄能和燃?xì)庹{(diào)峰機(jī)組的建設(shè)并不矛盾，十三五期間也將力推這兩種調(diào)峰機(jī)組的建設(shè)。”

事實(shí)上，正是由于這種種原因，對新能源的調(diào)峰重?fù)?dān)最終還是落在了火電的身上。

不過，火電的發(fā)展也并非完全沒有問題:首先是北方冬季供熱時火電也是供熱源，而要供熱就不能停止發(fā)電，因此其調(diào)峰能力受限;其次中國的火電機(jī)組設(shè)計有別于西方，煤機(jī)旁路系統(tǒng)設(shè)計是30%、而西方是100%。

經(jīng)過十幾年的持續(xù)改造，丹麥、德國的火電機(jī)組中，純凝機(jī)組的最小技術(shù)出力可達(dá)到額定容量的25%、最低的可達(dá)到20%，在供暖期熱電機(jī)組的最小技術(shù)出力可達(dá)到額定容量的30%、最低的可達(dá)10%。相對于中國，兩者最小技術(shù)出力分別是40%和70%，差距十分明顯。

對此韓小琪解釋稱，之所以出現(xiàn)如此地設(shè)計理念與技術(shù)差異，根本地原因在于國情的不同。“和國外火電機(jī)組不同，我國長期以來處于電力短缺的困境，所有的設(shè)計都是圍繞如何實(shí)現(xiàn)最大效率地發(fā)電，電力調(diào)峰的需求也就是近些年才開始進(jìn)入視野，因此即便已在著手構(gòu)建煤機(jī)的靈活性，但也還是存在很多地技術(shù)性制約。”

有鑒于此，在十三五規(guī)劃研究的后期，電力規(guī)劃設(shè)計總院開始尋找問題的解決辦法，最終發(fā)現(xiàn)丹麥與德國在相關(guān)領(lǐng)城的技術(shù)引領(lǐng)全球，其各種技術(shù)指標(biāo)正是中國想要達(dá)到的理想效果。

由此，在國家能源局的支持下，電力規(guī)劃設(shè)計總院(國家電力規(guī)劃研究中心)連橫合縱，承擔(dān)起了鏈接?xùn)|西方技術(shù)橋梁的重責(zé):“在新能源大發(fā)展的背景下，從經(jīng)濟(jì)以及綜合考慮的角度來看，火電調(diào)峰都是中國在當(dāng)前以及未來可預(yù)見的一段時期內(nèi)最為可行的唯一選擇。”

2016年1月14日，應(yīng)電力規(guī)劃設(shè)計總院的申請，國家能源局復(fù)函(《國家能源局關(guān)于同意建立提升中國火電靈活性協(xié)作平臺的復(fù)函》[國能電力(2016)11號])，同意電力規(guī)劃設(shè)計總院牽頭籌建火電靈活性提升協(xié)作平臺，組織國內(nèi)外火電運(yùn)行靈活性相關(guān)技術(shù)合作交流、研究制定我國火電運(yùn)行靈活性升級改造技術(shù)路線、牽頭國外先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)推廣和標(biāo)準(zhǔn)化工作、研究相關(guān)政策和價格機(jī)制，并協(xié)助國家能源局開展國內(nèi)火電靈活性改造示范試點(diǎn)工作。

2016年3月，第一次促進(jìn)火電靈活性國際技術(shù)交流會議隆重召開，會上首次提出火電靈活性的兩個部分:一是運(yùn)行靈活性，提高已有火電機(jī)組(包括純凝與熱電)的調(diào)峰幅度、爬坡能力以及啟停速度，為消納更多波動性可再生能源，靈活參與電力市場創(chuàng)造條件;二是燃料靈活性，利用已有的火電設(shè)備，摻燒/混燒秸稈、木屑等生物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的清潔利用，減少大氣污染。

此次會議也初次提出了中國的火電運(yùn)行靈活性改造的技術(shù)目標(biāo)，但意料之外、情理之中的是，這個目標(biāo)卻并沒有采用為大家所推崇備至地丹麥、德國最高標(biāo)準(zhǔn)，而是一個近乎腰斬地“居中值”。

就此韓小琪坦言，這是由中國火電設(shè)備的現(xiàn)狀和規(guī)模化改造的經(jīng)濟(jì)性所決定的:“這個目標(biāo)是在性價比可接受的前提下、通過努力可以達(dá)到和實(shí)現(xiàn)的，如果初期就采用高標(biāo)準(zhǔn)，會不利于整體工作的推進(jìn)。”

他說:“通過實(shí)施火電機(jī)組靈活性改造，一般情況下熱電機(jī)組可增加20%額定容量的調(diào)峰能力，供熱期最小技術(shù)出力率達(dá)到40～50%，儲熱系統(tǒng)具備5-7小時的運(yùn)行能力;純凝機(jī)組一般可增加15～20%額定容量的調(diào)峰能力，部分改造條件較好的電廠爭取達(dá)到國際先進(jìn)水平，在不投油助燃、純凝工況下，機(jī)組最小技術(shù)出力率達(dá)到20～25%。”

此后，國家能源局于2016年6月28日發(fā)布《關(guān)于下達(dá)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知》，明確為加快能源技術(shù)創(chuàng)新，挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力，提升我國火電運(yùn)行靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力，在各地方和發(fā)電集團(tuán)所報建議試點(diǎn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，經(jīng)委托電力規(guī)劃設(shè)計總院比選，綜合考慮項(xiàng)目業(yè)主、所在地區(qū)、機(jī)組類型、機(jī)組容量等因素，確定丹東電廠等16個項(xiàng)目為提升火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目。

事實(shí)上，火電機(jī)組運(yùn)行靈活性改造將是“十三五”期間破解新能源消納難題的最重要舉措。研究表明，對熱電靈活性改造的全社會收益成本比在2～3之間，經(jīng)濟(jì)性明顯高于新建調(diào)峰氣電等措施。

“火電靈活性改造的原則有三點(diǎn):一是效率。火電深度調(diào)峰將引起煤耗的顯著上升，應(yīng)根據(jù)新能源消納需求確定合理的火電機(jī)組調(diào)峰深度;二是排放。靈活性改造會降低機(jī)組運(yùn)行溫度，對脫硫、脫硝的影響是否符合環(huán)保要求;三是壽命。就是對機(jī)組的負(fù)面影響要降到最小。根據(jù)丹麥、美國和德國等國經(jīng)驗(yàn)，通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，靈活運(yùn)行對機(jī)組壽命的影響是可控的。”

韓小琪指出，火電靈活性提升的實(shí)施須從物理層(設(shè)施改善)、市場層(市場化建設(shè))以及運(yùn)行層(調(diào)度運(yùn)行)三方面著手，發(fā)揮火電的靈活調(diào)節(jié)潛力。

“物理層完善調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)火電靈活性的最大化利用，建立激勵火電靈活性提升的市場機(jī)制試點(diǎn)先行，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，明確技術(shù)路線后推廣;市場層完善調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)火電靈活性的最大化利用，建立激勵火電靈活性提升的市場機(jī)制;運(yùn)行層完善調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)火電靈活性的最大化利用。”

據(jù)介紹，東北是中國最早為火電靈活性改造提供機(jī)制保障的地區(qū)，也是最早開始大規(guī)模實(shí)施火電靈活性改造的地區(qū)，早在2014年國家能源局東北監(jiān)管局便已經(jīng)推動成立了東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，其原因正是在于東北電網(wǎng)水電、純凝機(jī)組等可調(diào)峰電源稀缺，而調(diào)峰困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行最突出的問題。

“東北區(qū)域建立市場化調(diào)峰機(jī)制的出發(fā)點(diǎn)在于解決電網(wǎng)調(diào)峰矛盾，提升東北電力能源整體效率。首先是顯著提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，減小電網(wǎng)低谷調(diào)峰壓力和運(yùn)行風(fēng)險，優(yōu)化電力電量平衡其次是大幅提高電網(wǎng)消納風(fēng)電、核電能力，最大限度地利用清潔能源，減少化石能源消耗，促進(jìn)大氣污染防治;再次是通過提升電網(wǎng)調(diào)峰能力，大幅緩解冬季熱、電之間矛盾，為東北電力系統(tǒng)保供電、保供熱、保民生工作打下基礎(chǔ)。”

東北的火電靈活性改造效果十分明顯，黑龍江、吉林、遼寧三省的棄風(fēng)率，從2016年的最高值32%、53%、19%逐年降低，2017年分別是14%、21%、8%，2018年第一季度更是降低到了8.5%、8.1%、2.4%。

在東北的帶動下，山東、山西、甘肅、新疆、福建等地也都先后建設(shè)了符合各地實(shí)際情況、各具特色的電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場，相關(guān)的火電靈活性改造工作也在持續(xù)的推進(jìn)中

就此韓小琪強(qiáng)調(diào)，電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場是一個創(chuàng)新性的機(jī)制，彌補(bǔ)了電力現(xiàn)貨市場建立與完善前的空窗期，不僅具有鮮明地中國特色，而且也切實(shí)滿足了當(dāng)下的客觀需求:“運(yùn)行三年多來，在全國各地都取得了豐碩地成果。”