核心提示 隨著我國能源結(jié)構(gòu)加快轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)中新能源裝機(jī)占比將進(jìn)一步增大，電力系統(tǒng)對靈活性調(diào)節(jié)電源的需求將明顯增加。探索靈活性資源配置新模式，是助力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的必要手段之一。抽水蓄能與電化學(xué)儲能聯(lián)合配置的模式在國際上也備受關(guān)注。
今年9月，國際水電協(xié)會(huì)（IHA）主辦的第八屆世界水電大會(huì)設(shè)置了主題為“水電與電池一站式解決方案”的線上直播邊會(huì)，國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司在會(huì)上提出抽水蓄能和電化學(xué)儲能聯(lián)合配置運(yùn)行模式。未來，二者協(xié)同運(yùn)行在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，將對系統(tǒng)靈活性的提升起到重要支撐作用，也可進(jìn)一步提升清潔能源的消納水平。
新型電力系統(tǒng)加快構(gòu)建，對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提出新要求
近年來，我國能源體系逐步向清潔低碳、安全高效的方向轉(zhuǎn)型，新能源在電力系統(tǒng)中的規(guī)模日益增大。隨著我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出和新型電力系統(tǒng)加快構(gòu)建，新能源將進(jìn)入高速發(fā)展期。
新能源具有較強(qiáng)的間歇性和隨機(jī)性。新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大對電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力也提出了更高要求。2020年，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)新能源利用率為97.1%，同比提高0.3個(gè)百分點(diǎn)，但局部地區(qū)仍存在一定的新能源消納問題。未來，隨著新能源裝機(jī)占比的不斷提高，因電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足引發(fā)的消納問題將更為突出。同時(shí)，新能源出力存在較大的不確定性，無法成為長時(shí)間穩(wěn)定供電的電力來源，并且為電力系統(tǒng)提供備用容量的能力也較為有限，因而電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將面臨重大挑戰(zhàn)。
10月24日發(fā)布的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》提出，加快推進(jìn)抽水蓄能和新型儲能規(guī)模化應(yīng)用。抽水蓄能作為電力系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)電源，一直承擔(dān)著保障大電網(wǎng)安全和促進(jìn)新能源消納的重要任務(wù)。近年來，新型儲能中裝機(jī)容量占比最高的電化學(xué)儲能在電網(wǎng)中的規(guī)模穩(wěn)步增長，技術(shù)也逐步成熟。目前，我國抽水蓄能和電化學(xué)儲能的總規(guī)模已占到儲能總?cè)萘康?0%以上。
在新型電力系統(tǒng)中，抽水蓄能和電化學(xué)儲能都是重要的調(diào)節(jié)資源。抽水蓄能電站利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電，通過此種工作模式對電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來調(diào)節(jié)能力更好的變速機(jī)組將得到廣泛應(yīng)用。抽水蓄能具有容量大、經(jīng)濟(jì)性好、使用壽命長等優(yōu)勢，但建設(shè)周期較長，對選址的要求較高，受地理?xiàng)l件約束較大。
電化學(xué)儲能通過化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放。目前較常見的電化學(xué)儲能電池類型主要有鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池等。截至2020年，我國已投運(yùn)的電化學(xué)儲能裝機(jī)容量超300萬千瓦。與抽水蓄能相比，電化學(xué)儲能布置較為靈活，建設(shè)周期較短，且響應(yīng)速度較快，一般可以達(dá)到秒級響應(yīng)。但電化學(xué)儲能目前成本較高，因此配置規(guī)模一般較小。同時(shí)，電化學(xué)儲能因電池部分為高能物質(zhì)部件，其安全性也與抽水蓄能存在一定差距，亟須進(jìn)一步完善安全標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)本體安全性能提升相關(guān)研究，以實(shí)現(xiàn)未來長足發(fā)展。
抽水蓄能與電化學(xué)儲能協(xié)同配置有何優(yōu)勢
不難看出，抽水蓄能和電化學(xué)儲能在技術(shù)方面存在一定的互補(bǔ)性。在新型電力系統(tǒng)中，如果能將抽水蓄能與電化學(xué)儲能協(xié)同配置，可以提升調(diào)節(jié)電源容量、減少碳排放等，達(dá)到“1+1>2”的效果。
●提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力
抽水蓄能在電力系統(tǒng)中一般有六大功能：調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)。電化學(xué)儲能與抽水蓄能協(xié)同運(yùn)行，可利用電化學(xué)儲能的快速響應(yīng)特性提升整體的調(diào)節(jié)性能。例如，在系統(tǒng)發(fā)生頻率波動(dòng)時(shí)，電化學(xué)儲能響應(yīng)速度較快，可以立即響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)頻，對頻率起到快速支撐的作用，防止系統(tǒng)頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學(xué)儲能的容量較小，無法長時(shí)間維持充電或放電狀態(tài)，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應(yīng)后進(jìn)行較長時(shí)間的持續(xù)功率支撐，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。此外，在調(diào)峰、調(diào)相、系統(tǒng)備用等方面，二者協(xié)同運(yùn)行也可以發(fā)揮更大作用。
●優(yōu)化調(diào)節(jié)電源容量配置
抽水蓄能與電化學(xué)儲能在調(diào)節(jié)能力、響應(yīng)速度、建設(shè)條件、建設(shè)規(guī)模等方面具有一定互補(bǔ)性。針對電力系統(tǒng)不同的調(diào)節(jié)需求，兩種調(diào)節(jié)電源的協(xié)同配置可以優(yōu)化調(diào)節(jié)電源的容量規(guī)模，避免冗余配置、資源浪費(fèi)。另外，隨著電力市場建設(shè)的逐步完善，抽水蓄能和電化學(xué)儲能協(xié)同配置，可參與多種電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并獲得經(jīng)濟(jì)收益。
●減少碳排放
現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)很大程度上依賴常規(guī)火電機(jī)組。新能源裝機(jī)占比的不斷提升可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足。這在一定程度上也會(huì)制約新能源的發(fā)展。因此，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要開發(fā)清潔低碳的調(diào)節(jié)電源，如抽水蓄能和電化學(xué)儲能等。二者協(xié)同運(yùn)行可為新能源電源接入創(chuàng)造更有利的系統(tǒng)環(huán)境，還能起到降低碳排放的作用。
抽水蓄能與電化學(xué)儲能協(xié)同配置需要哪些關(guān)鍵技術(shù)
●容量配置技術(shù)
在考慮抽水蓄能和電化學(xué)儲能協(xié)同配置時(shí)，需要研究配置何種類型的電化學(xué)儲能，以及二者的容量關(guān)系。因此，必須先明確區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求，包括新能源消納情況、負(fù)荷峰谷差情況、系統(tǒng)頻率/電壓波動(dòng)情況等，針對不同的調(diào)節(jié)需求，選擇合適的儲能類型。之后結(jié)合對調(diào)節(jié)需求的量化分析結(jié)果，確定電化學(xué)儲能和抽水蓄能的容量配置關(guān)系。重點(diǎn)要綜合考慮多種因素，如市場政策情況、電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行情況等。同時(shí)，電力系統(tǒng)往往存在多種調(diào)節(jié)需求，確定多目標(biāo)需求下的容量優(yōu)化配置方案，也是二者協(xié)同配置的關(guān)鍵。
●接入技術(shù)
受地理?xiàng)l件等因素限制，目前抽水蓄能電站的選址存在一定的局限性。而電化學(xué)儲能的布置相對靈活，需要考慮其接入點(diǎn)位置對于調(diào)節(jié)效果的影響。對于電化學(xué)儲能，除了集中接入的方式外，還可以考慮分散接入方式，這將使接入點(diǎn)的選擇較為復(fù)雜。同時(shí)，未來如果建設(shè)部分對建設(shè)條件要求相對寬松的小型抽水蓄能電站，抽水蓄能的接入點(diǎn)選擇也將成為一個(gè)新的研究方向。
●協(xié)同運(yùn)行技術(shù)
在實(shí)際應(yīng)用中，針對電網(wǎng)不同的調(diào)節(jié)需求，需要對抽水蓄能和電化學(xué)儲能制訂相對應(yīng)的協(xié)同運(yùn)行策略。這一過程中要考慮多種影響因素，如抽水蓄能電站的庫容約束、電化學(xué)儲能的容量約束等。例如，二者協(xié)同調(diào)峰時(shí)，需結(jié)合調(diào)峰缺口的持續(xù)時(shí)間、調(diào)峰缺口的大小，安排合理的協(xié)同運(yùn)行策略。同時(shí)，由于抽水蓄能、電化學(xué)儲能和常規(guī)火電機(jī)組相比，都具有響應(yīng)速度較快、轉(zhuǎn)換工作模式較靈活等特點(diǎn)，也需要確定靈活性更高的調(diào)度控制方式，以更好地發(fā)揮二者的調(diào)節(jié)性能。
隨著技術(shù)及相關(guān)政策機(jī)制的不斷完善，抽水蓄能和電化學(xué)儲能協(xié)同配置將有助于提升電網(wǎng)的調(diào)節(jié)性能，實(shí)現(xiàn)新能源電源友好接入，對構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用。
（作者單位：國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司）
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