人類活動造成了二氧化碳等溫室氣體排放量不斷增高，引起冰川融化、海平面上升、極端天氣頻發等一系列氣候災害，氣候變化已成為人類面臨的全球性問題。為解決這一問題，我國提出了“碳達峰、碳中和”目標。

實現“雙碳”目標，能源是“主戰場”，電力是“主力軍”。2020年電力行業二氧化碳排放量占我國能源消費行業二氧化碳排放總量的42.5%左右，電力行業碳減排進度很大程度上代表著“雙碳”目標實現的進度，這就迫切要求我國構建以新能源為主體新型電力系統。

構建以新能源為主體的新型電力系統意味著風電、光伏為主的新能源未來將作為電力生產的主體能源。新型電力系統的建設無疑有利于減少碳排放、推動經濟發展，然而想要完成這個目標卻不是一件容易的事。風能和太陽能具有隨機性、間歇性和波動性的特點，這就要求新型電力系統要能夠適應電源的劇烈波動，在這一背景下，開展電力系統調峰改造、為構建新型電力系統保駕護航勢在必行。



電力系統調峰：構建新型電力系統的重要推動力量

從電力資源的產生到千家萬戶用電，需要經過一個過程，包括發電、升壓變電、輸電、降壓變電、配電和用電幾個主要環節，它們共同組成了電力系統。電力系統中的輸電、變電和配電環節共同組成電網。通常，由發電端的發電機組產生的電能經過升壓變電流入電網，通過輸電環節到達接近用電端的一定距離后再經變電站降壓，然后通過配電環節將電能按需求分配，最終輸送到用戶端，從而點亮千家萬戶，驅動工業生產。

由于電是電荷定向移動產生的，能量不能以電的形式存儲，電力系統的發輸用電往往同時進行，即用電端要多少電量，電網就應該輸送多少電量，發電端就要發出多少電量。但是，用電端在不同時間的用電量是不同的，即用電負荷在不斷變化，有時多、有時少，電網作為電能輸運的通道，難以應付這種波動。

為了避免這種負荷波動給電網帶來的沖擊，確保電力系統的安全穩定運行，有幾個方面的手段：可以控制“上網”的電源，讓發電端產生的電量實時符合用電端需求；可以在電力系統中建立儲能裝置，像是“蓄水池”一樣，將多余的電能轉化為其他形式能量儲存起來；還可以優化電力調度、開展微電網建設；或者在用戶側增加靈活需求響應。



在以火力發電、核電和水電為主要發電端的電力系統中，通過發電端機組的調控，以及電網中增加的“蓄水池”，適應用電端的波動，是行之有效的方案：在電網總體的調度下，根據電網的要求，每個發電廠增加、降低發電量，每個“蓄水池”釋放、儲存電能，調節用電高峰和用電低谷，共同滿足用電需求、維護電網的安全穩定。這一過程就稱為電力系統調峰。

新能源大規模發展將對電力系統調峰帶來巨大挑戰。我們要構建的新型電力系統，將大比例接納太陽能、風能等新能源進入電網。中國科學院院士、中國電力科學研究院名譽院長周孝信在《雙碳目標下我國能源電力系統發展前景和關鍵技術》一文中預測：基于我國的能源電力發展需求，預估到2060年風能、光伏發電量將達到11.9萬億kWh，占我國總發電量69.2%。

高比例新能源發電對于構建低碳社會、實現“碳中和”目標來說是必要的，但卻給電網帶來新的“不穩定因素”——太陽能、風能等新能源具有很大的隨機性、間歇性和波動性：有光才有電、有風才有電。這些特性會引起發電不穩定、負荷不匹配、電網受沖擊等問題。例如，我國的電網設計容許的波動通常不超過15%，這也意味著如果某地新能源發電容量所占比例超過這一份額，那么發電量的不穩定有可能造成電網的崩潰。

僅僅是用戶端的波動，就已經讓電力系統全部動員起來了，如果發電端也大幅度波動，電網將難以支撐。這就要求電力系統大幅度提高調峰能力，例如，通過使其他電源能夠在新能源無法發電時迅速向電網供電，在新能源能夠發電時迅速暫停供電，從而讓新能源波動的影響在電網中“消失”，使電網保持穩定。

調峰電源：電力系統調峰的根基

“調峰”扮演著未來電力系統安全保障者的角色。提高系統調峰能力可以從電源端、電網和用戶端多方面著手，其中電源端的調峰可以從源頭上“削峰填谷”，保障規模大，是解決風光消納、電網波動性問題的重要手段。根據北歐等新能源發電比例較高地區的電力系統調峰經驗，要保障電網的安全穩定運行，靈活調峰電源裝機容量至少要達到總裝機容量的10％～15％，而美國、西班牙、德國的調峰電源裝機量占比甚至達到了49%、34%、18%（目前，三國對應的可再生能源在一次能源消費中的占比分別為17.0％、17.5％、8.6％）。

燃汽輪機發電是比較理想的調峰電源，它是指利用天然氣燃燒獲得的高溫高壓氣體直接推動輪機做功、發電的發電方式。它具有快速響應電網調度信號、高效燃燒釋放能量并發電、廣泛適應不同的用電端負荷等優點，美歐等國家的調峰電源，絕大部分都是燃機輪機發電機組。然而，我國天然氣儲備量很少，無法滿足燃氣輪機調峰機組的用氣量需求，如此大的能源消費主體，從能源安全的角度，也不大可能通過進口天然氣滿足需求。為此，我們已經興建了大量的抽水蓄能電站，在用電負荷低時，將富余的電能轉化為水的重力勢能；在用電負荷高時將水從高處釋放，推動輪機做功發電，從而實現調峰。不過，抽水蓄能電站對水資源量要求較高，有明顯的區域限制。

綜合來看，燃氣輪機發電機組和抽水蓄能電站作為調峰電源存在一些優勢，但仍不能完全滿足我國調峰需求，需要尋求另外調峰電源。

煤電機組：參與電力系統調峰的主力

目前我國靈活電源的裝機容量僅達到6%。鑒于我國的能源資源稟賦，燃煤發電作為當前的主力能源，未來的保障能源，始終擔負著用電端波動帶來的電網調峰任務，并正在承擔新能源電力并網波動的調峰任務。而未來，也將通過技術突破和改造升級，在新型電力系統中擔負更大的調峰任務。

當然煤電機組參與調峰同樣存在一些問題。不同于燃氣輪機發電，燃煤發電燃燒煤炭這種固體燃料，并且需要依賴做功工質將煤炭燃燒釋放的能量傳遞給汽輪機驅動發電機。當前機組參與調峰的方式主要為低負荷運行，在過低的負荷下運行會導致爐膛溫度降低、燃燒不穩定，還會導致煙氣污染物凈化設備偏離運行條件，影響環保指標。此外，如何保證調峰響應速度的同時，兼顧火力發電的經濟性，也存在一些問題。可見，火電機組要承擔更大比例的調峰任務，還需要克服大量困難。

為了解決煤電機組調峰運行中面臨的難題，中科院積極響應國家“雙碳”目標，在2021年10月，布局啟動了“煤炭清潔燃燒與低碳利用”先導專項，其中的一個重點任務就是突破燃煤發電靈活調峰等關鍵技術。中科院工程熱物理研究所在該項目的支持下，正在開展“燃煤鍋爐靈活調峰技術與示范”的工作，充分挖掘和提升煤電深度靈活調峰能力潛力與快速變負荷能力，為促進我國能源結構低碳轉型保駕護航。

結語

“構建以新能源為主體的新型電力系統”是實現“雙碳”目標的重要舉措。如何在低碳的同時，保障能源供應、支持經濟社會發展，這是一個系統工程，需要全社會的力量共同努力。從我國實際情況出發，利用煤電機組參與調峰，是當前階段解決新能源并網發電引起電網波動問題的必由之路，我們也相信，通過攻克技術難題、推動技術的進步，最終完成新型電力系統的構建。

當然，或許明天，我們人類掌握了可控核聚變，能源不再成為制約人類發展的問題，那么，包括火力發電在內的一些電源，也將功成身退。讓我們一起朝著明天努力，踏實走好今天的每一步。




作者：王宏帥李百航歐陽子區 來源：中國科學院工程熱物理研究所 責任編輯：jianping