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隨著新能源裝機比例不斷提升，用戶側(cè)電氣化率提高、用能結(jié)構(gòu)變化以及新型用電主體的豐富，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)已成為長期發(fā)展趨勢。新能源將逐漸替代傳統(tǒng)火電成為主要的能源供應主體，而傳統(tǒng)火電在電力系統(tǒng)中的角色將由電量提供者，逐步向調(diào)頻、備用、容量服務提供者轉(zhuǎn)變。這個轉(zhuǎn)型過程既需要火電靈活性改造的技術(shù)性支持，更需要完善的電力市場機制保駕護航。

新型電力系統(tǒng)下

靈活調(diào)節(jié)資源成為剛需

新型電力系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)的最大特征是高比例清潔能源。與傳統(tǒng)能源相比，新能源發(fā)電的隨機性、波動性、間歇性為電力系統(tǒng)帶來了新的運行挑戰(zhàn)。根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年底我國風電、太陽能發(fā)電裝機容量約635吉瓦，占比達到26.7%，而發(fā)電量占比約為11.7%。目前，世界上還沒有任何一個孤立的電力系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長時間尺度內(nèi)新能源發(fā)電量滲透率超過50%，這足以說明高比例新能源消納問題仍然是一個難題。

新能源對電力系統(tǒng)運行帶來三重挑戰(zhàn)：

一是長周期運行可靠性挑戰(zhàn)下，電力系統(tǒng)需要穩(wěn)定輸出的基荷電源。風電、光伏等新能源發(fā)電具有“靠天吃飯”的特點，出力具有明顯的季節(jié)性和周期性特點，不確定性較強。在傳統(tǒng)機組逐漸退役的情況下，新能源若因天氣原因連續(xù)多周、多日發(fā)電不足，將導致電力系統(tǒng)長時間發(fā)電不足，進而出現(xiàn)系統(tǒng)性缺電，容易引發(fā)大停電事故。特別是近年來極端天氣頻發(fā)，新能源風機可能受低溫影響導致葉片冷凍、覆冰，無法正常發(fā)電，給電力系統(tǒng)可靠供電帶來較大的運行挑戰(zhàn)。2021年3月22~25日，德國風電持續(xù)出力不足8吉瓦（總裝機超過60吉瓦，容量利用率僅為13%），導致德國最大供電缺口超過11吉瓦，需要從歐洲其他國家進口電力，否則將出現(xiàn)缺電。

二是短周期時間尺度內(nèi)，新能源發(fā)電的波動性要求電力系統(tǒng)具備更多的靈活性資源。在日以內(nèi)時間尺度內(nèi)，為保證發(fā)電與用電的實時平衡，需要由其他具備調(diào)節(jié)能力的靈活性資源，來調(diào)節(jié)新能源波動引發(fā)的電力系統(tǒng)功率不平衡。以美國為例，由于光伏發(fā)電占比較高，美國加州電力系統(tǒng)在晚高峰時段3小時內(nèi)大約需要增加13吉瓦的快速爬坡能力，約占整個加州最大負荷的50%。與海外相比，我國氣電等靈活性資源相對匱乏，未來需要重點推動火電靈活性改造，發(fā)展抽水蓄能、新型儲能等靈活性資源以應對這一挑戰(zhàn)。根據(jù)我們的初步測算，到2025年火電靈活性改造、抽水蓄能、新型儲能占靈活性資源比例分別達到35%、15%、6%，而到2030年，這一比例分別達到28%、17%、18%，火電靈活性仍在靈活調(diào)節(jié)資源中占據(jù)重要地位。

三是新能源電力電子設備帶來超短周期電網(wǎng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電設備通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，或?qū)⑸羁谈淖冸娋W(wǎng)運行特性。電力電子設備的電壓頻率特性與傳統(tǒng)電源的同步發(fā)電機有較大差異，開關(guān)元器件（IGBT、晶閘管等）的動作會給電網(wǎng)造成瞬時的毫秒級、秒級運行挑戰(zhàn)，包括故障連鎖脫網(wǎng)、電能質(zhì)量降低、低轉(zhuǎn)動慣量等一系列問題。2019年8月9日，英國發(fā)生大停電事件，主要原因之一就是新能源并網(wǎng)導致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量減小，當英國國家電網(wǎng)出現(xiàn)了近100萬千瓦功率缺口后，系統(tǒng)頻率迅速從50赫茲跌落至48.8赫茲，觸發(fā)了新能源的防孤島保護，引起新能源大面積脫網(wǎng)，從而進一步擴大了有功功率缺口，最終導致大面積停電事故。

火電角色從電量主體

向多元主體轉(zhuǎn)變

新型電力系統(tǒng)下火電兼具保供、調(diào)峰和系統(tǒng)穩(wěn)定多重角色。

一是火電在我國能源轉(zhuǎn)型過渡期仍然發(fā)揮電力保供“壓艙石”作用。2020年以來，我國電力供給逐步走出過剩局面，局部地區(qū)出現(xiàn)供電緊張的情況，發(fā)生原因多為煤價居高、清潔能源短時發(fā)電下降以及火電投資逐年萎縮帶來的尖峰電力裝機不足等。因此，在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型過程中，隨著新能源大規(guī)模接入，仍需保證足夠的火電機組裝機規(guī)模，在電力供需失衡的特殊情況下發(fā)揮火電的兜底保障作用。

二是火電靈活性改造是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)下新能源消納的最佳調(diào)峰選項之一。從總量來看，火電靈活性改造有望在“十四五”期間釋放主要的調(diào)節(jié)能力?？紤]到抽水蓄能建設周期較長、新型儲能收益機制暫未明確，我們認為“十四五”期間靈活性資源建設或以火電為主導。根據(jù)中電聯(lián)、國家電網(wǎng)等預測，預計“十四五”期間我國將新增1.5億千瓦火電機組裝機，同時《全國煤電機組改造升級實施方案》提出將對2億千瓦的存量煤電機組完成靈活性改造（增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力3000~4000萬千瓦）。從成本來看，與抽水蓄能和新型儲能相比，對現(xiàn)有火電機組展開靈活性改造仍然是最具經(jīng)濟性的一種方式。根據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計，火電靈活性改造釋放單位千瓦調(diào)峰容量的投資成本約為500~1500元/千瓦，而抽水蓄能、電化學儲能則約為2500~3000元/千瓦（考慮抽水蓄能單位千瓦裝機釋放雙倍調(diào)節(jié)能力）。

三是火電機組的機電特性為電力系統(tǒng)穩(wěn)定和平衡貢獻重要支撐。火電采用同步發(fā)電機技術(shù)，可以根據(jù)電網(wǎng)的頻率、電壓情況瞬時調(diào)整其有功和無功功率輸出，在維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及故障穿越能力方面，較風電和光伏具有顯著的優(yōu)勢。此外，火力同步發(fā)電機還可以提供真實的轉(zhuǎn)子機械慣性，抵御電力系統(tǒng)中發(fā)生的擾動，這是新能源發(fā)電設備所不具備的特性。因此，新型電力系統(tǒng)中仍需維持一定比例的同步電機，保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。

完善的電力市場體系

是實現(xiàn)火電角色轉(zhuǎn)變的重要抓手

當前，火電靈活性改造主要受以下幾方面因素影響：

一是缺少市場化激勵，火電主動改造意愿不足?！笆濉逼陂g火電靈活性改造規(guī)模不及預期，主要是由于市場機制不健全導致經(jīng)濟激勵缺失。由于火電供熱期與新能源矛盾突出，此前東北地區(qū)已開展火電機組大規(guī)模靈活性改造，其他地區(qū)部分火電企業(yè)為獲取新能源項目開發(fā)指標進行了靈活性改造，但大規(guī)模改造尚未啟動。從激勵機制來看，絕大多數(shù)省區(qū)雖已建立深度調(diào)峰市場，但仍然以發(fā)電側(cè)“零和博弈”為主，即由新能源和不具備調(diào)節(jié)能力的電源承擔火電調(diào)峰的費用，尚未向用戶側(cè)進行疏導。這樣限制了輔助服務市場規(guī)模和品種的多樣性，導致火電靈活性所提供的多樣化服務難以獲得合理經(jīng)濟補償，不足以彌補機組低負荷下的運行成本等。

二是靈活性改造對火電運行的安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)生一定影響。為使機組釋放更多調(diào)節(jié)能力，深度調(diào)峰狀態(tài)下鍋爐燃燒工況遠低于設計的最低穩(wěn)定運行負荷，機組可能面臨滅火停爐、使用壽命縮短、脫硝不充分等一系列運行風險。經(jīng)濟性方面，在深度調(diào)峰狀態(tài)下，火電機組出力減少時的單位煤耗顯著上升，發(fā)電成本大幅上漲。此外，火電靈活性改造存在低負荷穩(wěn)燃、汽輪機、鍋爐、蓄熱等多條技術(shù)路線，目前改造方案仍然是“一廠一策”，尚未形成可大規(guī)模復制的經(jīng)驗。

三是受煤炭價格影響，近年來火電企業(yè)虧損至現(xiàn)金流，難以同時承擔布局新能源轉(zhuǎn)型的資本開支和火電靈活性改造的成本。2021年煤炭價格持續(xù)保持高位，而電價漲幅受限，導致火電企業(yè)普遍陷入大面積虧損。我們根據(jù)火電上市企業(yè)發(fā)布的2021年公告統(tǒng)計，多家火電企業(yè)屬于歸母虧損情況。此外，根據(jù)上市公司披露的新能源發(fā)展規(guī)劃目標，我們測算火電企業(yè)新能源轉(zhuǎn)型年均資金需求平均值接近300億元。而傳統(tǒng)火電企業(yè)投資資金來源以發(fā)債為主，當前杠桿率維持較高水平，債務融資或遭遇一定瓶頸。因此，火電企業(yè)依靠目前資金能力開展靈活性改造或面臨一定困難。

促進火電靈活性改造的政策建議

長期來看，火電角色將逐步由電量供應主體向調(diào)頻、備用、容量服務提供者轉(zhuǎn)變，收益模式將由傳統(tǒng)計劃模式下的電量電價，向市場化的“容量電價+調(diào)節(jié)電價+電量電價”模式轉(zhuǎn)變?！笆奈濉逼陂g，火電靈活性改造仍是當前最具經(jīng)濟性、可規(guī)?；l(fā)展的調(diào)峰手段，是提升新能源消納能力的重要抓手。隨著電力市場體系不斷完善，中長期交易、現(xiàn)貨交易、輔助服務交易、容量補償?shù)榷嘀貦C制協(xié)調(diào)發(fā)展，我們認為未來火電的收益模式將逐漸多元，靈活性改造動力將顯著提升。為此，提出如下建議：

一是建議加快推進電力現(xiàn)貨市場建設。隨著新能源比例不斷攀升，我們認為電力現(xiàn)貨市場應在新型電力系統(tǒng)和全國統(tǒng)一電力市場體系中扮演更加重要的角色。一方面，現(xiàn)貨交易頻次高、交易周期短，更適應新能源波動性、難以預測等特點；另一方面，現(xiàn)貨交易形成分時價格信號，可以引導火電參與靈活調(diào)節(jié)，在電力供應緊張價高時多發(fā)電，保障高峰時期電力供應，在電力供應寬松價低時少發(fā)電，為新能源發(fā)電騰挪消納空間。此外，建議合理設置電力現(xiàn)貨市場價格上下限，充分兼顧終端電力用戶的價格承受能力以及對靈活調(diào)節(jié)電源的經(jīng)濟激勵作用。

二是建議完善輔助服務市場機制。從國外經(jīng)驗來看，調(diào)頻、備用是最主要的輔助服務品種，而調(diào)峰則主要通過電力現(xiàn)貨市場實現(xiàn)。以德國為例，2020年一次、二次和分鐘備用費用總計1.5億歐元。首先，建議進一步完善輔助服務品種，積極探索引入爬坡、系統(tǒng)慣性、快速調(diào)頻等新型輔助服務交易品種。其次，建立健全輔助服務成本分攤與利益共享機制，進一步推動輔助服務費用向用戶側(cè)疏導，為火電機組在輔助服務市場獲得收益創(chuàng)造良好的市場條件。最終通過市場發(fā)現(xiàn)輔助服務價格、拓寬火電營收渠道，進而激發(fā)火電在調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓以及提供系統(tǒng)容量支撐和轉(zhuǎn)動慣量等方面發(fā)揮作用的積極性。

三是建議加快探索容量補償電價機制。未來，火電機組在電力系統(tǒng)中的電量角色將逐步被新能源替代，利用小時數(shù)面臨下滑趨勢，但將持續(xù)為系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)和容量支撐。國外電力市場普遍采用容量市場、稀缺定價、戰(zhàn)略備用等機制鼓勵電力系統(tǒng)所必要的電源投資。我國可以結(jié)合國情實際，探索對火電機組的容量補償機制，激勵常規(guī)火電投資建設、引導火電企業(yè)靈活性改造，以保障新型電力系統(tǒng)下的發(fā)電容量充裕度、調(diào)節(jié)能力和運行安全，促進“雙碳”目標的實現(xiàn)。