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摘要：本文对碳中和目标下的电力行业发展问题开展了研究。首先分析了电力行业在碳中和中的地位和作用。然后分析了碳中和模式下，电力系统的运行模式，最后从规划和运行两个方面，分析了碳中和模式下电力行业发展问题。
关键词： 碳中和；电力行业
1 引言
2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。中国成为全球主要排放国里首个设定碳中和目标期限的发展中国家，这也是中国在《巴黎协定》承诺的基础上，在碳排放达峰时间和长期碳中和问题上设立的更高目标[2]。中国2060碳中和目标的宣布，必将对电力行业未来40年的发展带来深刻而巨大的影响。
2 电力行业是碳中和的重点行业
首先，电力是最大的碳排放行业。2019年全社会发电量73253亿千瓦时，其中火电发电量为50450亿千瓦时，折合二氧化碳排放大约50亿吨，占全国碳排放总量的51%。电力行业不仅是能源供给大户，同时还是能源消耗大户。电网企业的网损和发电企业的厂用电合计占到全社会用电量百分之十以上，电力行业不但在生产过程中产生了碳排放，自身电力消耗也引发了相当一部分碳排放。因此，如何实现电力行业碳减排将是实现碳中和的关键因素之一[3]。
其次，电力资产较为集中，易于整体考虑政策。2020年全国火电总装机11亿千瓦，90%以上的火电资产属于国有资产，其中五大电力集团（华能、大唐、华电、国电投和国家能源）火电总装机达5.6亿千瓦，占比51%。国有企业有高度的社会责任感，落实国家政策和要求从不打折扣。全国输电网资产集中在国网、南网、内蒙古电力公司三个电网公司，输电网长期保持统一运行、统一调度，优化网络运行的空间较大。电力企业资产集中的特点，容易实现政策上、技术上的集中处理，相较其他行业有着天然的优势。
第三，电力行业技术和资金条件较好。实现碳达峰需要新技术投入和大量资金支持。国有电力企业的研究机构长期关注能源转型，很好地把握了新的发电技术成果和技术发展方向，储备了大量用于能源转型的各类技术，拥有碳中和相关技术的专业化研究队伍，相对于行业外的技术专家，实操能力更强，对转型的痛点和各种设想的可行性认识更为深刻。电力企业有着雄厚的资金积累和支持，这些都为碳中和的实现提供了坚强的物质基础。
此外，电力行业属于社会基础行业，事关千家万户。目前电力行业开始转型，逐步建设电力现货市场，由市场决定的电力价格可以实现用户侧引导，促进节能技术的投入使用。由此可以看出，电力行业将首先开始碳中和工作，实现用户侧引导，可实现社会生产和人民生活习惯的改变，逐渐带动其他行业形成合力，实现全社会在碳中和方面的和谐共振。
3碳中和模式下电力系统运行模式
碳中和电力系统指的是在电力生产中，使用水能、核能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源作为能量来源，或者使用装有碳捕捉和封存装置的燃气发电机组，实现生产过程的碳氧化物静排放量为零甚至为负值，同时所产生的电力在质和量上要求能够满足电力用户的需求。相比传统电力系统只考虑电力用户的需求，碳中和电力系统在环境保护、能源可持续性上有了更高的要求。碳中和电力系统与100%可再生能源电力系统有一些区别。在能源结构上，碳中和电力系统以核能、水能、化石能源（如装有“碳捕集、利用与封存”装置，即CCUS装置的火电机组）以及风能和太阳能为主，强调的是无碳排放；100%可再生能源电力系统则是以水能、风能、太阳能、生物质能和地热能为主，强调的是能量来源的可持续性。100%可再生能源电力系统需要对当前电力系统中装机占比最大的化石能源发电机组全部进行替换，因而实现起来非常困难。
相对来说，碳中和电力系统则比较容易实现，许多国家制定了时间表来完成对碳中和电力系统的构建。然而，碳中和电力系统在规划和运行方面，也将面临诸多难题。
4 碳中和模式下电力行业发展问题分析
4.1 规划问题
碳中和电力系统的电源规划内容包括现有化石能源发电机组的淘汰和改造规划、配备CCUS装置的化石能源发电机组扩展规划和清洁能源发电机组的扩展规划等。通过对各种发电装置的协调规划，以实现碳中和电力系统碳氧化物零排放的核心目标，同时维持系统惯性水平来保证系统有足够的安全稳定裕度，以及有足够的灵活性资源为碳中和电力系统运行提供辅助服务，并尽可能减少总投资费用。碳中和电力系统含有多种清洁能源，在进行电源规划时需要考虑到的约束也将更复杂。风电、光伏发电出力具有极强的不确定性，在进行电源投资规划决策时要确保系统的发电资源能适应各种风力、光伏出力场景。
碳中和电力系统中高比例随机性、间歇性能源并网，电网线路中潮流大小甚至方向变化频繁，在进行电网规划时需要考虑随机性对电网规划决策方案的影响，提高电网鲁棒性。在输电网规划方面，需要考虑不确定性的影响以及电网的形态和安全性。目前已有许多研究采用随机优化、鲁棒优化等方法处理输电网规划中的随机性，以获得适应性更强、经济性更高的输电网规划方案。在电网形态上，由于源荷分布的高度不平衡，远距离输电需求量增大。高压直流输电技术日益成熟，未来碳中和电力系统的输电网将呈现出交直流混联的形态，由于输电设备的电力电子化程度高，对输电网的扩展规划需要考虑交流线路、直流线路相协调的问题。
4.2 运行问题
高比例新能源的并入给电力系统引入高度不确定性的同时，也淘汰了大部分同步发电机组，后者是安全稳定的重要控制手段。此外，新能源通过逆变器并入电网，系统的电力电子化程度高，增加了系统失稳的风险。发电调度是系统运行最主要的任务，它承担了系统供电、用电功率的实时平衡工作。碳中和电力系统中新能源渗透率高，且发电成本低。在保证满足系统负荷及安全稳定运行的前提下，应尽可能多地消纳新能源，有效节省系统的运行成本。碳中和电力系统中，包含有气、水、储能等多种灵活性资源。为应对风、光等新能源出力的不确定性，系统还需要有足够的旋转备用。综合考虑各种灵活性资源的运行特性，协调安排各类灵活性资源预留的上下备用量，使发电和风险成本降到最低。设备检修安排是系统保持安全可靠运行必不可少的工作。碳中和电力系统中源、网、荷的设备类型均呈现多且杂的形势，给电气设备检修时间安排增添了难度。在碳中和电力系统中，大量同步发电机组被新能源发电机组所替代，系统往往会处于低惯性状态，频率调节能力不足、阻尼特性差，大大提高了频率稳定控制的难度。2019年8月9月英国出现的大停电事故就是由频率失稳所引发。事实上英国2019年风能、太阳能装机占比仅33%，而碳中和电力系统中风能、太阳能装机占比会远高于此，因此需进一步研究新能源对于系统惯性、频率、电压的支撑作用并研发相关设备。
5 结论
“30•60目标”刚刚提出，电力行业的发展实施方式和技术障碍都是根据目前技术水平所提出，上述分析判断都很初步，存在一定的局限性。但是，市场体制建设和电源电网技术水平的提高，却必须从现在开始着手，才能不阻碍碳达峰、碳中和目标的实现。
6 参考文献
[1] 赵慧. "十四五"电力发展路径:电力新基建朝哪儿发力[J]. 民生周刊, 2020, No.320(23):48-49.
[2] 葛维. 新能源发展背景下电力市场开拓过程中电力营销问题分析[J]. 中外企业家, 2020, No.669(07):253-253.
[3] 黄薇, 黄晨宏, 李树青. 中国碳市场发展及电力行业参与策略分析[J]. 能源与环境, 2020, No.158(01):4-5.