考虑气候风险的电力系统保供能力提升路径与机制研究报告摘要

2021年10月 专题报告 考虑气候风险的电力系统保供能力提升路径与机制研究 报告摘要 中国电力圆桌项目课题组 2023年7月 电力圆桌项目 电力可持续发展圆桌(简称电力圆桌)项目于2015年9月启动，旨在紧扣应对气候变化、调整能源结构的国家战略，邀请业内专家和各利益方参与，共同探讨中国电力部门低碳转型的路径和策略。通过建立一个广泛听取各方意见的平台机制，电力圆桌将各方关心的、有争议的、目前决策困难的关键问题提交到平台讨论，选出核心问题委托智库开展高质量研究，并将研究成果和政策建议提交到平台征求意见，从而支持相关政策的制定和落地，推动中国电力行业的改革和可持续发展，提高电力行业节能减排、应对气候变化的能力。 项目课题组 北京绿源碳和科技有限公司（BeijingGreenEnergy&CarbonNeutralityTechnologyCo.,Ltd）是由华北电力大学国家大学科技园平台孵化的科技创新企业。公司以“推动能源绿色发展，助力碳中和目标实现”为创新理念，服务于能源领域尤其是电力行业相关科技需求，紧紧围绕我国碳达峰碳中和目标，致力于能源技术创新研究和开发，创建了能源转型决策支撑平台，为能源电力行业绿色低碳转型提供高质量技术支持和咨询服务。 自然资源保护协会（NRDC）是一家国际公益环保组织，成立于1970年。NRDC拥有700多名员工，以科学、法律、政策方面的专家为主力。NRDC自上个世纪九十年代起在中国开展环保工作，中国项目现有成员40多名。NRDC主要通过开展政策研究，介绍和展示最佳实践，以及提供专业支持等方式，促进中国的绿色发展、循环发展和低碳发展。NRDC在北京市公安局注册并设立北京代表处，业务主管部门为国家林业和草原局。更多信息，请访问：www.nrdc.cn。 考虑气候风险的电力系统保供能力提升路径与机制研究 报告摘要 EnhancingPowerSystemAdequacyConsideringClimateRisk:PathwaysandMechanisms ExecutiveSummary 课题负责人：袁家海 课题研究人员：张浩楠、张凯、牟琪林、彭可欣2023年7月 目录 前言01 研究说明03 电力系统气候风险识别与场景设定05 1.典型气候场景下青海省电力系统可靠性分析09 1.1青海省典型气候风险场景构建09 1.2青海省2025年电力生产运行模拟与可靠性分析12 1.3极寒天气冲击下青海省电力保供组合措施13 2.典型气候场景下广东省电力系统可靠性分析15 2.1广东省典型气候风险场景构建15 2.2广东省2025年电力生产运行模拟与可靠性分析18 2.3极高温天气冲击下广东省电力保供组合措施19 3.气候风险下电力系统保供能力提升路径21 3.1多元提升系统保供调节能力21 3.2深挖需求侧保供响应能力22 3.3充分挖掘区域资源互济能力22 3.4发挥可再生能源主体责任提升保供能力23 3.5建立气候风险预警和事故响应机制24 4.提升电力系统保供能力的市场机制设计25 4.1辅助服务机制促进系统灵活性资源发展25 4.2容量机制保障长期电力供给安全26 4.3需求响应保供机制满足基础保供要求26 4.4省间应急电力交易机制提供电力支援28 4.5电力市场保供的综合价格机制28 研究结论30 政策建议32 参考文献35 前言 新型电力系统的建设是以电源侧可再生能源的高比例并网和需求侧多样化资源的大规模接入为特征，电力安全保供面临着系统结构转型和气候风险事件频发的双重压力。从2018年的东部省市夏季结构性尖峰电力缺口、2020年的湖南与江西寒潮大范围缺电，到 2022年的四川高温干旱严重电力电量双缺，气候风险引发的电力安全事态不断升级，电力安全保供的重要性被提升到了新的高度，业内开始重新审视和冷静思考气候风险下新型电力系统的发展策略。 2022年，生态环境部等17部门联合印发了《国家适应气候变化战略2035》，提出 到2035年，全社会适应气候变化能力显著提升，气候适应型社会基本建成。为助力我国新型电力系统适应气候风险、提升安全保供能力，自然资源保护协会（NRDC）联合北京绿源碳和科技有限公司开展了气候风险下电力系统保供能力提升路径与机制的研究。 考虑到极端天气事件发生频率增多、波及范围增广、对新型电力系统的影响程度加深，本报告将电力安全面临的气候风险界定为，在某地区出现的历史上较为罕见、发生概率逐渐上升、引发电力供需严重失衡的高温、极寒、暴雨、干旱等极端天气状况。此类气候风险通常会导致长时间无风、无光、无水、高负荷等非常规情况，而对电力系统造成物理性不可逆损害、短时难以恢复的灾害性气候风险不在本课题的研究范畴内。 传统电力系统的火电占比高，依靠自身的稳定可靠、风险抗性高的优势，应对外部性气候风险的不可抗力通常采取“抵御”的措施。相比之下，新型电力系统的源、荷两侧的 气候敏感性和脆弱性特征逐渐显现，物理意义上的“抵御”能力明显不足，其应对策略需转向“适应”气候风险。 基于上述背景，报告从新型电力系统气候适应性的视角，聚焦气候风险对中长期电能量平衡的影响，探讨气候风险下新型电力系统平稳转型和高效保供的有效策略。 研究说明 因无法大范围改变外部性环境状况，新型电力系统的安全保供要采取“适应”而非“对抗”气候风险的理念，实现生物学中“适应性进化”的发展模式。基于此，本报告将采取以下研究思路。 首先，分析电力系统源、荷资源与外部性气候环境的关系，例如雨雪、阴天、大风、高温、严寒等对发电、用电环节造成负面影响的气候风险，识别与界定气候风险要素和典型场景。 其次，选取我国西部和东部典型省份代表，青海省和广东省，根据地区自然气候特征，模拟以极寒/高温为核心特征的多种气候场景，利用电力生产运行优化工具，量化不同气候场景下青海省和广东省2025年电力系统的安全保供运行特性，从经济性的角度探讨电力保供组合方案，并设计电力系统保供能力提升路径。 再次，在场景模拟结果的基础上，结合我国电力市场化改革和应急保障制度，探讨以“价格”体系为核心的电力市场保供体系，形成“双层四极”的电力保供综合架构。 最后，从资源规划、保供理念、监测预警、区域发展、多主体协作等层面，为我国新型电力系统提升气候适应性和安全保供能力提出政策建议。 图1气候风险视角下新型电力系统安全保供能力评估框架 电力系统气候风险识别与场景设定 （1）气候与用电负荷 气温与电力负荷之间存在密切的相关性，尤其是高温或严寒天气会导致空调、采暖等设备用电负荷明显上涨，且区别于正常天气时的日间用电高峰状况。极端气温期间用电高峰更加符合民生用电的习惯，在5:00~7:00清晨起床和17:00~20:00下班回家的两个时段用电负荷显著上涨。图2是以2020年吉林省冬季典型日正常天气和极寒天气下负荷需求 为例，最大用电负荷上涨30%左右。 1800 1600 1400 1200 1000 / 800 600 400 200 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0 图2典型日极端天气条件下负荷变化情况 （2）气候与可再生能源发电 可再生能源发电的最大特征是“靠天吃饭”。 风电机组的出力特性与风速密切相关，而风速受天气影响很大。不同天气情况下某地区典型日风电出力特性（标幺值）曲线变化如图3所示，可以看出，风电的出力波动幅度范围较大：在正常和大风状况下，风电出力的峰谷差可以达到额定功率的60%；当出现小风状况时，风电出力会降至额定功率的20%以下，显著拉低电力供应能力。例如，2021 年7月，受副热带高压带来多日高温无风影响，东北地区风力发电出力不足装机容量的0.1%。 1 0.9 0.8 0.7 /pu 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0:00 0:45 1:30 2:15 3:00 3:45 4:30 5:15 6:00 6:45 7:30 8:15 9:00 9:45 10:30 11:15 12:00 12:45 13:30 14:15 15:00 15:45 16:30 17:15 18:00 18:45 19:30 20:15 21:00 21:45 22:30 23:15 0 图3极端天气条件下风电出力变化情况 光伏发电机组出力主要由光照强度决定，而光照强度与天气的阴晴和温度有密切关系。光伏机组受天气阴晴影响的出力曲线变化如图4a所示：多云、阴雨和雪天会不同程度地影响光伏发电出力，积雪时光伏出力水平还会进一步下降。光伏机组受温度影响的出力曲线变化如图4b所示：高温会导致光伏组件的温度升高，超出一定温度时光伏发电效率会下降；一般的低温条件对光伏出力影响较低，但可能伴随着的大风和暴雪会影响光伏组件的抗载荷能力，且光伏组件有受到破坏和损伤的可能性，这些都将削弱极低温下的光伏出力。例如，2022年6月广东一光伏电站因暴雨被淹；2022年4月，内蒙古通辽市一光伏电站遭受极端天气暴雪而发生垮塌。 a. b. 11 0.80.8 /pu /pu 0.60.6 0.40.4 0.20.2 0:00 1:45 3:30 5:15 7:00 8:45 10:30 12:15 14:00 15:45 17:30 19:15 21:00 22:45 0:00 1:45 3:30 5:15 7:00 8:45 10:30 12:15 14:00 15:45 17:30 19:15 21:00 22:45 00 图4典型日光伏机组受天气影响的出力变化情况 水力发电机组出力主要受到温度和降水的影响，与天气和气候密切相关。气候变化造成流域降水减少、蒸发增加以及冰川消退等使得径流枯竭，直接减少水电可用的径流资源；极端气象气候事件增多，加剧了径流资源分布的不均衡，使得洪峰弃水和枯期缺水状况严重，影响水电发电出力、设施安全及供电保证率。如2022年夏季四川地区出现持续性极端晴热高温天气，导致作为该地区主要电源的水电站发电能力严重不足。 （3）电力系统气候风险场景设定 基于“源-荷”气候相关性分析，重点考虑温度、风速和云雨情况的程度差异，报告共设定十四种典型气候场景类型，用于量化分析不同气候风险下新能源出力和用电负荷的变化，具体分类如表1所示。 表1气候风险场景描述 气候类型 风速 云雨情况 温度 气候类型 风速 云雨情况 温度 Ⅰ 大 阴雨 正常 Ⅷ 中 阴雨 正常 Ⅱ大晴天正常Ⅸ中多云正常 Ⅲ 大 多云 正常 Ⅹ 小风（无风） 晴天 极高温 极低 Ⅳ大晴天 温 Ⅺ小风（无风）多云极高温 气候类型 风速 云雨情况 温度 气候类型 风速 云雨情况 温度 Ⅴ 大 多云 极低温 Ⅻ 小风（无风） 阴雨 正常 极低 Ⅵ大雪天 温 XIII小风（无风）晴天正常 Ⅶ 中 晴天 正常 XIV 小风（无风） 多云 正常 本报告以中国当前季节性气温变化为主因导致的电力安全事件（迎峰度夏、迎峰度冬）为基础，选取西北区域的极寒天气和南方地区的高温天气，同时考虑风速和云雨情况的程度差异，设定风险冲击力度不同的气候场景，评估电力系统各类资源受气候风险的影响程度，而作为对比参照的常规情景则是地区的气温、风速和云雨情况均表现为同时期的正常水平。 1 典型气候场景下青海省电力系统可靠性分析 青海省是以水风光等可再生能源为主、以火电作为主要灵活性调节电源的西部电力送出省份；其位处低纬度高海拔地区，在冬季易出现极寒天气。以青海省为例，可以直观体现高比例可再生能源电力系统在以极寒为核心特征的气候场景下面临的保供挑战。 1.1青海省典型气候风险场景构建 本报告基于2025年青海省电力规划结果（见表2），选取青海省冬季最大负荷日所在月进行“源荷”