國家能源局在《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》（以下簡稱《藍(lán)皮書》）中指出：“新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標(biāo)，以高比例新能源供給消納體系建設(shè)為主線任務(wù)，以源網(wǎng)荷儲多向協(xié)同、靈活互動為堅(jiān)強(qiáng)支撐，以堅(jiān)強(qiáng)、智能、柔性電網(wǎng)為樞紐平臺，以技術(shù)創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新為基礎(chǔ)保障的新時(shí)代電力系統(tǒng)。”新型電力系統(tǒng)下，高比例新能源是核心問題，“源網(wǎng)荷儲、靈活互動”本質(zhì)上是要解決新能源的波動性、隨機(jī)性問題。在電力系統(tǒng)發(fā)展的百余年歷史中，其實(shí)也是一直在利用儲能應(yīng)對用電負(fù)荷的波動性，火電廠的煤場、水電廠的水庫都是儲能設(shè)施，只是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)年代根本無需刻意強(qiáng)調(diào)其儲能屬性。在新型電力系統(tǒng)下，火電的發(fā)電量未來要被新能源替代，但新能源不能承接火電的靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷波動性的作用，其自身發(fā)電能力還受限于自然氣象條件，存在很大不確定性，進(jìn)一步導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足。近年來，源網(wǎng)荷儲各類靈活性調(diào)節(jié)資源百花齊放，其實(shí)質(zhì)基本都屬于廣義范疇的儲能，也就是“泛儲能”，其目的均是為了替代火電的靈活調(diào)節(jié)作用。目前應(yīng)用最為廣泛的儲能措施是抽水蓄能及電化學(xué)儲能，但這兩類儲能無論是在容量上還是成本上都還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠根本替代火電靈活調(diào)節(jié)能力的程度。儲能不等于儲電，儲電不等于電化學(xué)。本文將以東北電網(wǎng)為例，分析截至2030年碳達(dá)峰前，東北電網(wǎng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)對系統(tǒng)靈活調(diào)峰資源的需求及各類靈活調(diào)峰資源效用的比較，提出現(xiàn)階段各類靈活調(diào)峰資源的合理利用次序及市場化建議。
新型電力系統(tǒng)下的東北電網(wǎng)靈活調(diào)峰需求與挑戰(zhàn)
研究調(diào)峰需求的前提是有足夠的保供電源
新能源發(fā)電靠天吃飯不可控，在電力保供方面能夠發(fā)揮的作用十分有限，如2021年迎峰度夏期間，東北電網(wǎng)全網(wǎng)風(fēng)電總出力曾出現(xiàn)3.4萬千瓦的極低值，不足全網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量的千分之一。對于電力系統(tǒng)運(yùn)行而言，保證在負(fù)荷高峰時(shí)刻可靠的電力供應(yīng)是首要任務(wù)，因此系統(tǒng)內(nèi)首先要有足夠容量的可靠電源（火電、核電、氣電）保證基本的電力供應(yīng)，這也是研究系統(tǒng)調(diào)峰資源容量需求的前提和基礎(chǔ)。
2030年東北電網(wǎng)靈活調(diào)峰資源需求基準(zhǔn)分析
據(jù)預(yù)測，2030年東北全網(wǎng)電源裝機(jī)容量達(dá)到3.63億千瓦，其中火電、核電、水電、抽蓄、風(fēng)電、光伏、儲能裝機(jī)容量分別達(dá)到1.2億千瓦、0.083億千瓦、0.136億千瓦、0.146億千瓦、1.37億千瓦、0.7億千瓦和0.001億千瓦；2030年東北電網(wǎng)全社會最大負(fù)荷將達(dá)到11730萬千瓦，全社會用電量將達(dá)到7436億千瓦時(shí)。若考慮東北全網(wǎng)1.2億火電機(jī)組的平均調(diào)峰深度為35%，其他一些邊界條件不一一贅述，測算2030年東北全網(wǎng)新能源消納率為83.6%左右（此數(shù)據(jù)不代表確定性結(jié)論，僅僅為后文分析提供一個(gè)比較基準(zhǔn)）。
2030年東北電網(wǎng)靈活調(diào)峰資源需求靈敏度分析
在上述83.6%的新能源消納基準(zhǔn)基礎(chǔ)上，若要求新能源消納率達(dá)到90%，分別采用調(diào)整火電機(jī)組平均調(diào)峰深度、配置抽水時(shí)長4小時(shí)的抽蓄電站、配置放電容量2小時(shí)的電化學(xué)儲能三種措施，考察每種措施的靈敏度。
考慮火電機(jī)組平均調(diào)峰深度分別下降2%、5%、10%，即全網(wǎng)火電機(jī)組平均調(diào)峰深度分別達(dá)到33%（增加深調(diào)峰容量240萬千瓦）、30%（增加深調(diào)峰容量600萬千瓦）、25%（增加深調(diào)峰容量1200萬千瓦），則東北全網(wǎng)新能源消納率由83.6%分別提升至84.5%、86.6%、89.6%；折算下來，在增加調(diào)峰深度的三個(gè)區(qū)間內(nèi)，每增加240萬千瓦深調(diào)峰容量，新能源消納率平均增加0.9、1.4、1.2個(gè)百分點(diǎn)。
考慮抽蓄電站容量（抽水時(shí)長按4小時(shí)考慮）分別增加1200萬千瓦、2400萬千瓦、3600萬千瓦、4800萬千瓦，2030年東北全網(wǎng)新能源消納率由83.6%分別提升至87.1%、88.8%、89.5%和90%；折算下來，抽蓄容量每增加1200萬千瓦，新能源消納率平均增加3.5、1.7、0.7、0.5個(gè)百分點(diǎn)。
考慮電化學(xué)儲能容量（充電時(shí)長按2小時(shí)考慮）分別增加1200萬千瓦、2400萬千瓦、3600萬千瓦、4800萬千瓦和6000萬千瓦，2030年東北全網(wǎng)新能源消納率由83.6%分別提升至85.9%、87%、87.9%、88.5%和89%；折算下來，電化學(xué)儲能容量每增加1200萬千瓦，新能源消納率平均增加2.3、1.1、0.9、0.6、0.5個(gè)百分點(diǎn)。
由上述仿真測算可以看出，隨著系統(tǒng)內(nèi)抽蓄及電化學(xué)儲能容量配置的增加，其對于提高新能源消納存在邊際效益遞減的現(xiàn)象。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因在于當(dāng)新能源裝機(jī)容量達(dá)到一定高比例的情況下，容易出現(xiàn)新能源大發(fā)、抽蓄（電化學(xué)儲能）抽水滿庫容（或充電滿容量）后沒有時(shí)間發(fā)電的情況；反之，在抽蓄（電化學(xué)儲能）應(yīng)用于電力高峰時(shí)刻保供電工況，也存在完全放電后沒有時(shí)間抽水（或充電）的情況。由于電化學(xué)儲能配置容量更低（只有2小時(shí)），邊際效益遞減現(xiàn)象更為明顯，反而火電加大深調(diào)峰可以等效顯現(xiàn)長周期儲能效果，邊際效益遞減現(xiàn)象并不明顯。從結(jié)果看，同樣是新能源利用率從83.6%提升至90%左右，增加1200萬千瓦火電深調(diào)峰能力和增加4800萬千瓦×4小時(shí)抽水蓄能，以及增加6000萬千瓦×2小時(shí)電化學(xué)儲能的作用基本相同，但后兩者成本將會顯著提高。
新能源大規(guī)模發(fā)展將對電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來巨大挑戰(zhàn)
目前，尚不存在同時(shí)滿足清潔、廉價(jià)、穩(wěn)定特點(diǎn)的替代能源來取代化石能源的支撐作用。新能源發(fā)電本身的隨機(jī)性、波動性、間歇性特點(diǎn)，客觀要求其發(fā)電必須輔以足夠容量的靈活性調(diào)峰資源，以共同形成穩(wěn)定的電力，而當(dāng)前的各類靈活性調(diào)峰資源均無法滿足新能源大規(guī)模發(fā)展所帶來的系統(tǒng)調(diào)峰需求，其主要存在以下幾個(gè)方面的突出問題：
一是目前的抽水蓄能及各類新型儲能設(shè)施均為日內(nèi)短周期靈活調(diào)峰資源，存在系統(tǒng)定位不清晰、商業(yè)模式不清晰、容量不足、建設(shè)成本難以回收等眾多問題。日內(nèi)調(diào)節(jié)型調(diào)峰資源不可避免地存在前述隨建設(shè)容量增加而邊際效益遞減的問題。以目前的日調(diào)節(jié)型電儲能設(shè)備解決高比例新能源消納問題，將面臨“建得起的儲能容量不夠用，夠用的儲能容量建不起”的困境。
二是目前尚不存在同時(shí)具備清潔低碳、成本低、大容量、長周期等能夠完全替代常規(guī)電源長周期調(diào)節(jié)作用的儲能電源。無論是從電力保供、高效促進(jìn)新能源消納、系統(tǒng)暫態(tài)無功電壓支撐還是慣量頻率支撐來看，目前常規(guī)火電機(jī)組的重要作用還是不能簡單替代、一關(guān)了之。
三是當(dāng)前新能源的發(fā)電成本在逐步降低，但是電力系統(tǒng)為了最大程度消納新能源而產(chǎn)生的調(diào)節(jié)成本不應(yīng)該被忽視，目前新能源雖已實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，但并不等于平價(jià)消納，要保證新能源高消納率所需要配套的靈活調(diào)峰電源建設(shè)成本、新能源配套電網(wǎng)送出工程及大電網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)建設(shè)成本、新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)成本均不應(yīng)忽視。因此，系統(tǒng)內(nèi)新能源裝機(jī)容量與新能源合理消納利用率之間應(yīng)該有一個(gè)合理的平衡點(diǎn)，同理，新能源合理消納利用率與相應(yīng)的配套儲能容量之間也要有一個(gè)合理的平衡點(diǎn)。只有保證新能源裝機(jī)容量、配套儲能容量及消納利用率維持在合理平衡范圍之內(nèi)，才能促進(jìn)新能源健康、可持續(xù)發(fā)展。
泛儲能各類靈活調(diào)峰資源優(yōu)缺點(diǎn)分析
新型電力系統(tǒng)下，各類靈活調(diào)峰資源將扮演安全保障的重要角色。提高系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力可以從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)多方面著手，甚至是跨領(lǐng)域在整個(gè)互聯(lián)能源系統(tǒng)的全維度內(nèi)尋找低成本、高效率的靈活調(diào)峰資源，這里再次強(qiáng)調(diào)泛儲能的概念。下面對幾類目前可以大規(guī)模工程化應(yīng)用的靈活調(diào)峰資源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。
抽水蓄能/各種類型新型儲能電站
抽水蓄能及各類新型儲能設(shè)施均屬于“無源型電源”，其對于提高電力系統(tǒng)電源調(diào)節(jié)能力主要體現(xiàn)在兩方面：一是通過自身的充電、發(fā)電實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰搬運(yùn)新能源電量，直接減少新能源棄電；二是通過減少火電開機(jī)降低全網(wǎng)火電最小出力與發(fā)電量，間接為新能源釋放發(fā)電市場空間。但在新能源比重高到一定程度后，目前日內(nèi)調(diào)節(jié)型的抽水蓄能及各類新型儲能均存在隨著儲能容量增加、調(diào)峰邊際效益遞減的現(xiàn)象。另外，抽水蓄能還存在一個(gè)投資大、建設(shè)周期長、市場機(jī)會把握敏感度差的問題。
虛擬調(diào)峰電廠
虛擬調(diào)峰電廠主要是基于靈活性負(fù)荷需求側(cè)的創(chuàng)新管理模式，其主要通過信息控制技術(shù)，將海量的靈活電力資源（受控負(fù)荷、分布式清潔電源、儲能等）聚合成一個(gè)整體，拓展電力系統(tǒng)靈活資源的來源，作為一個(gè)特別的“調(diào)峰電廠”參與電力系統(tǒng)運(yùn)行，可發(fā)揮與常規(guī)電廠等效的調(diào)峰等功能。目前，國內(nèi)已有部分省份初步構(gòu)建虛擬調(diào)峰電廠，冀北電網(wǎng)通過接入蓄熱式電鍋爐、可調(diào)節(jié)工商業(yè)等11類資源，構(gòu)建虛擬調(diào)峰電廠容量約16萬千瓦，可調(diào)容量約4萬千瓦；上海電網(wǎng)開展“虛擬電廠”規(guī)?；?ldquo;填谷”響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單次最大提升負(fù)荷34.03萬千瓦。虛擬電廠最大的優(yōu)勢在于充分利用存量的可中斷負(fù)荷，基本沒有一次設(shè)備投入，主要投入在于二次的通信及自動化控制，投資少、見效快，市場機(jī)會把握靈敏。主要缺點(diǎn)在于電力用戶的主營業(yè)務(wù)對其用電負(fù)荷可調(diào)節(jié)空間、時(shí)間的限制較大，參與虛擬電廠的收益率過低影響用戶參與意愿，收益率過高影響虛擬電廠的市場競爭力。
燃?xì)庹{(diào)峰電站
燃?xì)庹{(diào)峰電站發(fā)電具備的快速功率響應(yīng)、高效燃燒釋放能量等優(yōu)點(diǎn)，使其在電力負(fù)荷尖峰時(shí)刻能夠承擔(dān)電力保供作用，是很好的調(diào)峰電源。但受到天然氣氣源的限制，我國天然氣儲備量較少，很大程度依賴進(jìn)口，一方面影響能源獨(dú)立性；另一方面導(dǎo)致天然氣價(jià)格較高，使天然氣發(fā)電調(diào)峰還不能夠大范圍推廣。
提高火電靈活性
目前，煤電仍以占比不到五成的裝機(jī)，生產(chǎn)了約六成的電量，支撐了超七成的高峰負(fù)荷需求，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，煤電既要發(fā)揮供電兜底保障作用，又要不斷減少自身碳排放水平，還要提升自身靈活性，輔助高比例新能源健康發(fā)展。
2021年10月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《全國煤電機(jī)組改造升級實(shí)施方案》，設(shè)置了煤電“三改聯(lián)動”的時(shí)間表和路線圖。“三改聯(lián)動”就是針對煤電機(jī)組進(jìn)行的三種技術(shù)改造：節(jié)能降碳改造是為了讓煤電機(jī)組降低度電煤耗和二氧化碳排放；供熱改造是為了實(shí)現(xiàn)對低效率、高排放的分散小鍋爐的替代；靈活性改造是為了新能源消納釋放更多的電量空間，并幫助電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中“十四五”期間計(jì)劃完成煤電靈活性改造2億千瓦，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力3000萬~4000萬千瓦。
煤電靈活性改造的主要優(yōu)勢在于成本相對各類電儲能設(shè)施而言較低，容量大、調(diào)節(jié)周期長，除調(diào)峰作用外仍能保留備用、調(diào)頻、調(diào)壓等必要的輔助服務(wù)功能。主要缺點(diǎn)在于即便經(jīng)過節(jié)能降碳改造仍然存在一定的碳排放，如果額外引入碳捕獲利用與封存技術(shù)（CCUS）徹底解決碳排放問題，成本又過于高昂。
現(xiàn)階段各類靈活調(diào)峰資源合理利用次序及市場化建議
基于上述對當(dāng)前電力系統(tǒng)內(nèi)的靈活性調(diào)峰電源的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，最終總結(jié)出現(xiàn)階段各類靈活性調(diào)峰資源的合理利用順序如圖所示。
這個(gè)合理利用次序是基于不同靈活調(diào)峰資源的成本排序給出的，其目標(biāo)是以最低社會成本消納新能源。而在這些建設(shè)靈活調(diào)峰資源的正向措施外，還應(yīng)該同步考慮新能源合理?xiàng)夒姷姆聪虼胧?。正反向措施都可以放在降低社會成本這個(gè)大目標(biāo)下一并考量，而最好的自然平衡的辦法就是建立一個(gè)合理的市場化體系，讓市場在資源配置中起決定性作用。
這里強(qiáng)調(diào)的完善市場體系，至少應(yīng)該包含電能量市場、輔助服務(wù)市場、容量市場這三方面最重要的市場。電能量市場包含中長期電力市場及現(xiàn)貨市場，其主要目的是通過市場價(jià)格信號引導(dǎo)并平衡電能量的供需關(guān)系。容量市場的主要目的是通過價(jià)格信號引導(dǎo)中長期調(diào)峰電源等基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展建設(shè)，解決比如抽水蓄能、火電靈活性改造等調(diào)峰資源的合理建設(shè)規(guī)模及成本疏導(dǎo)問題。調(diào)峰輔助服務(wù)市場起源于中國電力市場剛剛起步，遠(yuǎn)未成體系而電網(wǎng)調(diào)峰矛盾又迫在眉睫的特定歷史時(shí)期，以一種特殊的市場形式解決了計(jì)劃到完善市場間過渡期的一些尖銳矛盾。隨著未來電力現(xiàn)貨市場、容量市場的建設(shè)，調(diào)峰輔助服務(wù)市場可以考慮在適當(dāng)時(shí)機(jī)退出歷史舞臺，以解決目前現(xiàn)貨市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場一些很難協(xié)調(diào)的問題，輔助服務(wù)市場體系也將回歸主要維護(hù)新型電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的本質(zhì)目標(biāo)。
遠(yuǎn)景展望
2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)前的現(xiàn)階段，新型電力系統(tǒng)建設(shè)仍要圍繞成熟的、規(guī)?；墓こ添?xiàng)目開展。幾年內(nèi)尚不足以由量變引發(fā)質(zhì)變。從中長期來看，要真正實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)，必然要依靠革命意義的技術(shù)突破且實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒐こ袒牡统杀緫?yīng)用；必然要解決長周期、大容量、低成本的清潔儲能問題。目前來看，值得關(guān)注的技術(shù)路線包括但不限于：基于清潔能源制氫再轉(zhuǎn)化為方便儲存運(yùn)輸?shù)募状肌⒁喊钡纫后w燃料；受控核聚變；電化學(xué)儲能等技術(shù)出現(xiàn)革命性技術(shù)突破，能夠?qū)崿F(xiàn)超大規(guī)模、超低成本制造與應(yīng)用。
原標(biāo)題：新型電力系統(tǒng)下泛儲能靈活調(diào)峰資源效用分析
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