我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的需求分析

 　　摘 要：我國(guó)正在加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，顯著的特點(diǎn)就是推動(dòng)新能源裝機(jī)快速發(fā)展。但隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的不斷增加，其出力的隨機(jī)波動(dòng)性給電力系統(tǒng)的功率平衡帶來(lái)了巨大的調(diào)峰壓力，也成為制約高比例新能源消納的主要因素;同時(shí)，由于新能源等電力電子設(shè)備的弱支撐性，高比例新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定也面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合新能源并網(wǎng)分布特點(diǎn)及其快速增長(zhǎng)帶來(lái)的調(diào)節(jié)需求，提出了增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力配置儲(chǔ)能的分析原則;結(jié)合特高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行需求，分析了儲(chǔ)能提升特高壓電網(wǎng)安全性方面的作用，在受端電網(wǎng)內(nèi)配置GW級(jí)(數(shù)百萬(wàn)千瓦)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站，參與電網(wǎng)頻率安全控制，能有效應(yīng)對(duì)功率不平衡量的沖擊、減少系統(tǒng)頻率跌落的幅度、改善頻率恢復(fù)特性、保障系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。綜合分析表明，推動(dòng)GW級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用，構(gòu)建更加靈活高效的電力系統(tǒng)，既能有效促進(jìn)新能源健康發(fā)展和高效利用，也可有力保障含高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電化學(xué)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的試點(diǎn)應(yīng)用取得了大量經(jīng)驗(yàn)，為下一步大規(guī)模應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：新能源;電化學(xué)儲(chǔ)能;安全穩(wěn)定

　　大力發(fā)展新能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展，是推動(dòng)我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的要求，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。但隨著新能源裝機(jī)規(guī)模不斷增加，其波動(dòng)性和間歇性增加了電源側(cè)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，加之直流等非同步電源占比不斷提升，導(dǎo)致維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足，系統(tǒng)穩(wěn)定水平明顯下降。如何提升電力系統(tǒng)靈活性，保障新能源高效消納和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)成為政府和社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能作為一種調(diào)節(jié)速度快、布置靈活、建設(shè)周期短的調(diào)節(jié)資源日益受到人們的關(guān)注和重視[]。推動(dòng)GW級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能建設(shè)應(yīng)用，構(gòu)建更加靈活高效的電力系統(tǒng)，是保障“十四五”以及未來(lái)新能源健康發(fā)展和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必然要求[]。本文所研究的大規(guī)模儲(chǔ)能指的是技術(shù)上的電化學(xué)儲(chǔ)能，所提及的儲(chǔ)能電站指的工程上的電化學(xué)儲(chǔ)能電站。

　　1 新能源健康發(fā)展和高效利用對(duì)儲(chǔ)能的需求

　　1.1 大規(guī)模新能源并網(wǎng)運(yùn)行給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)

　　我國(guó)清潔能源資源與用電負(fù)荷呈逆向分布特點(diǎn)。我國(guó)西部、北部地區(qū)擁有80%以上陸地風(fēng)能、60%以上太陽(yáng)能和70%以上水能資源，而全國(guó)70%的負(fù)荷集中在中、東部地區(qū)，必須借助大電網(wǎng)，構(gòu)建大市場(chǎng)，在全國(guó)范圍內(nèi)消納新能源。截至2019年底，風(fēng)電裝機(jī)仍主要集中在“三北”地區(qū)，累計(jì)裝機(jī)容量1.46億千瓦，占全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的70%。河北、山西、內(nèi)蒙古、江蘇、山東、甘肅、寧夏、新疆等8個(gè)省區(qū)裝機(jī)容量超過(guò)1000萬(wàn)千瓦。其中，內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)超過(guò)3000萬(wàn)千瓦，新疆、河北風(fēng)電裝機(jī)超過(guò)1500萬(wàn)千瓦。

　　新能源在總裝機(jī)中的占比約21%，已成為我國(guó)第二大電源。在一些地區(qū)已成為第一大電源，如甘肅、青海等省。按照2025年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到18%測(cè)算，2025年末風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模要較目前還要增長(zhǎng)一倍以上，日內(nèi)新增功率波動(dòng)最大超過(guò)2億千瓦，電力系統(tǒng)電力電量在空間和時(shí)間上的平衡難度大幅增加。規(guī)模化儲(chǔ)能可為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的調(diào)峰手段以及靈活、可靠、快速的頻率調(diào)節(jié)和慣量支撐手段，有效降低新能源棄電率和系統(tǒng)頻率越限和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，要保持新能源的高效消納和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，配置一定比例的儲(chǔ)能勢(shì)在必行。

　　1.2 儲(chǔ)能配置需求分析

　　以提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力為目標(biāo)開(kāi)展配置儲(chǔ)能分析計(jì)算，應(yīng)包括功率配置分析計(jì)算、能量配置分析計(jì)算、安全穩(wěn)定校核和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的功率應(yīng)選取滿足累積概率要求的新能源受阻功率和負(fù)荷限電功率最大值;配置儲(chǔ)能的能量應(yīng)選取滿足新能源利用率和負(fù)荷平抑量要求所需消減的單次充/放電電量最大值。電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，充分考慮系統(tǒng)中新能源資源特性及常規(guī)電源、已建儲(chǔ)能、需求響應(yīng)資源等系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)能力。電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能分析計(jì)算所需數(shù)據(jù)應(yīng)包括時(shí)序數(shù)據(jù)和非時(shí)序數(shù)據(jù)。時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)包括開(kāi)機(jī)方式、負(fù)荷、新能源發(fā)電功率、徑流式水電功率等，時(shí)間分辨率不應(yīng)小于60 min，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不應(yīng)小于1年;非時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)包括常規(guī)電源、已建儲(chǔ)能、需求響應(yīng)資源等系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的性能參數(shù)及規(guī)劃的電源并網(wǎng)容量數(shù)據(jù)?？紤]負(fù)荷適度增長(zhǎng)，抽水蓄能和火電靈活性改造等因素，初步測(cè)算表明，到“十四五”末，需要建設(shè)20 GW以上電化學(xué)儲(chǔ)能電站。

　　2 大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)儲(chǔ)能的需求

　　2.1 特高壓電網(wǎng)過(guò)渡期面臨的問(wèn)題

　　我國(guó)一次能源與負(fù)荷呈逆向分布的客觀現(xiàn)狀以及風(fēng)電大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)的方式，客觀上需要長(zhǎng)距離大功率輸送才能把西部綠色的新能源送到中東部的負(fù)荷中心，特高壓直流輸電為解決這一矛盾提供了一種有效手段。經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)，目前在運(yùn)特高壓直流11條，設(shè)計(jì)輸電容量9860萬(wàn)千瓦，單回最大輸送容量1200萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于吉林、甘肅全省的用電負(fù)荷。隨著大容量直流、高比例新能源的發(fā)展，我國(guó)電源、電網(wǎng)格局都發(fā)生了重大變化。以低慣量、弱支撐為特征的新能源機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增加，跨區(qū)輸送的大容量直流替代了受端電網(wǎng)的部分常規(guī)電源，導(dǎo)致電網(wǎng)中傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組占比逐漸降低，同步電網(wǎng)的慣量支撐和一次調(diào)頻能力不斷下降，頻率的支撐和調(diào)節(jié)能力難以應(yīng)對(duì)大容量直流閉鎖造成的功率不平衡量沖擊，造成頻率跌落深度增大，頻率恢復(fù)困難，系統(tǒng)安全穩(wěn)定受到威脅。在跨大區(qū)交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，跨區(qū)直流的閉鎖還可能引發(fā)大區(qū)間交流聯(lián)絡(luò)線上的大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移，造成跨區(qū)同步互聯(lián)電網(wǎng)之間的失穩(wěn)和解列事故。2015年9月19日錦蘇特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖，引起華東電網(wǎng)瞬時(shí)損失功率490萬(wàn)千瓦(設(shè)計(jì)容量720萬(wàn)千瓦)，當(dāng)日負(fù)荷水平1.5億千瓦，網(wǎng)內(nèi)開(kāi)機(jī)容量1.7億千瓦，由于其他電源一次調(diào)頻能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低跌至49.56 Hz，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。

　　2.2 儲(chǔ)能提升特高壓電網(wǎng)安全性方面的作用

　　電網(wǎng)格局與電源結(jié)構(gòu)的重大改變，使電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性不斷惡化。新形態(tài)下電網(wǎng)安全防御，需要在數(shù)百毫秒內(nèi)快速抑制數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)千瓦有功能量對(duì)系統(tǒng)的沖擊，迫切需要在電力系統(tǒng)內(nèi)增加更為靈活、可靠和快速的大規(guī)模有功調(diào)節(jié)資源。而大規(guī)模儲(chǔ)能為解決這一問(wèn)題提供了可能。電化學(xué)儲(chǔ)能可在數(shù)百毫秒實(shí)現(xiàn)從滿充到滿放，以鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，滿充至滿放轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)1秒，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的有功功率調(diào)節(jié)響應(yīng)，是傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)節(jié)性能的50倍以上。初步研究表明，在受端電網(wǎng)內(nèi)配置GW級(jí)(數(shù)百萬(wàn)千瓦)的電化學(xué)儲(chǔ)能，并使其參與到電網(wǎng)頻率安全控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱頻控系統(tǒng))中，可作為頻控制系統(tǒng)中原有的切泵(抽水狀態(tài)的抽蓄機(jī)組)、精準(zhǔn)切負(fù)荷等頻控措施的替代或互補(bǔ)解決方案，能有效減少功率不平衡量的沖擊，保障系統(tǒng)頻率安全;或使在受端配置的數(shù)百萬(wàn)千瓦電化學(xué)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)功率源的虛擬慣量控制與一次調(diào)頻控制，在頻率跌落和恢復(fù)期間迅速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化率與偏差量，提供快速的有功功率支撐，也可以有效減少系統(tǒng)頻率跌落的幅度、改善頻率恢復(fù)特性、保障系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。在功角暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題比較突出的跨區(qū)交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)內(nèi)，配置GW級(jí)(數(shù)百萬(wàn)千瓦)的儲(chǔ)能，并使其參與到電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，立即響應(yīng)大直流閉鎖事件，快速放電進(jìn)行緊急功率支撐，則可以等效替代切負(fù)荷安全穩(wěn)定控制措施，釋放跨區(qū)直流和交流聯(lián)絡(luò)線的輸電能力。

　　3 GW級(jí)儲(chǔ)能電站建設(shè)條件基本成熟

　　3.1 具有一定的工程建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

　　截至2019年底，我國(guó)新增電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)63.69萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到171萬(wàn)千瓦，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電及用電各環(huán)節(jié)，成效明顯。我國(guó)開(kāi)展了大容量?jī)?chǔ)能提升新能源并網(wǎng)友好性、儲(chǔ)能機(jī)組二次調(diào)頻、大容量?jī)?chǔ)能電站調(diào)峰等多樣性示范工程，包括：國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程，配置了23 MW/89 MW·h規(guī)模的儲(chǔ)能電站，可提升了風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)友好性;江蘇儲(chǔ)能電站，其規(guī)模為101 MW/202 MW·h，可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、緊急功率支撐等電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用功能;山西部分火電廠配置9 MW儲(chǔ)能電站，可提升火電調(diào)頻能力等。

　　3.2 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性快速提升

　　近幾年，儲(chǔ)能電池技術(shù)的快速發(fā)展大幅提升了電池安全性、循環(huán)壽命和能量密度等。與此同時(shí)，應(yīng)用成本也得到明顯下降。以鋰電池為例，其能量密度比5年前提高了近1倍，循環(huán)壽命增長(zhǎng)了1倍以上，應(yīng)用成本更是降低了70%。就鋰電池與鉛炭電池而言，無(wú)論在電池本體還是系統(tǒng)集成等方面，其核心技術(shù)已達(dá)或超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平。

　　3.3 具有較為完善的電化學(xué)儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)體系

　　我國(guó)已研究形成了涵蓋基礎(chǔ)通用、規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備及試驗(yàn)、施工及驗(yàn)收、并網(wǎng)及檢測(cè)、運(yùn)行及維護(hù)等6個(gè)方面的電化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系，已制定發(fā)布11項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，9項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和15項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

　　4 結(jié)論

　　(1)在我國(guó)建設(shè)GW級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站不僅是新能源發(fā)展和高效消納的需要，也是保障未來(lái)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，具有必然性和可行性。對(duì)于踐行我國(guó)綠色發(fā)展理念，帶動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)儲(chǔ)能核心技術(shù)自主創(chuàng)新，落實(shí)“四個(gè)革命，一個(gè)合作”國(guó)家能源安全發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

　　(2)應(yīng)結(jié)合新能源新增容量及布局特點(diǎn)，深入開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能配置容量研究，增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保障新能源利用率保持在合理水平。同時(shí)，要結(jié)合特高壓電網(wǎng)特點(diǎn)及電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)支撐需要，合理布局大容量?jī)?chǔ)能，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

　　(3)電化學(xué)儲(chǔ)能已經(jīng)在電力系統(tǒng)有多種應(yīng)用，電池本體、集成技術(shù)、協(xié)調(diào)運(yùn)行等方面取得了大量經(jīng)驗(yàn)，并形成了標(biāo)準(zhǔn)體系，為下一步更大規(guī)模的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　引用本文： 裴哲義,范高鋒,秦曉輝.我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的需求分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(05):1562-1565.

　　PEI Zheyi,FAN Gaofeng,QIN Xiaohui.Demand analysis of large scale energy storage in China’s power system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1562-1565.

　　第一作者：裴哲義(1963—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水電及新能源、儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行控制管理和研究，E-mail：pei-zheyi@sgcc.com.cn;

　　通訊作者：范高鋒，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事新能源和儲(chǔ)能方面的調(diào)度運(yùn)行管理，E-mail：fan-gaofeng@sgcc.com.cn。

　　儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 　 作者： 裴哲義等