摘 要：我國正在加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系，顯著的特點就是推動新能源裝機快速發(fā)展。但隨著新能源裝機規(guī)模的不斷增加，其出力的隨機波動性給電力系統(tǒng)的功率平衡帶來了巨大的調峰壓力，也成為制約高比例新能源消納的主要因素；同時，由于新能源等電力電子設備的弱支撐性，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)。本文結合新能源并網分布特點及其快速增長帶來的調節(jié)需求，提出了增強電力系統(tǒng)調節(jié)能力配置儲能的分析原則；結合特高壓電網安全運行需求，分析了儲能提升特高壓電網安全性方面的作用，在受端電網內配置GW級（數百萬千瓦）的電化學儲能電站，參與電網頻率安全控制，能有效應對功率不平衡量的沖擊、減少系統(tǒng)頻率跌落的幅度、改善頻率恢復特性、保障系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。綜合分析表明，推動GW級電化學儲能應用，構建更加靈活高效的電力系統(tǒng)，既能有效促進新能源健康發(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備的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。電化學儲能在電力系統(tǒng)中的試點應用取得了大量經驗，為下一步大規(guī)模應用奠定了良好的基礎。
關鍵詞：新能源；電化學儲能；安全穩(wěn)定
大力發(fā)展新能源、優(yōu)化能源結構、實現清潔低碳發(fā)展，是推動我國能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效能源體系的要求，也是我國經濟社會轉型發(fā)展的需要。但隨著新能源裝機規(guī)模不斷增加，其波動性和間歇性增加了電源側調峰、調頻壓力，加之直流等非同步電源占比不斷提升，導致維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的轉動慣量不足，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)定運行，已經成為政府和社會各界關注的焦點。電化學儲能作為一種調節(jié)速度快、布置靈活、建設周期短的調節(jié)資源日益受到人們的關注和重視[]。推動GW級電化學儲能建設應用，構建更加靈活高效的電力系統(tǒng)，是保障“十四五”以及未來新能源健康發(fā)展和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必然要求[]。本文所研究的大規(guī)模儲能指的是技術上的電化學儲能，所提及的儲能電站指的工程上的電化學儲能電站。
1 新能源健康發(fā)展和高效利用對儲能的需求
1.1 大規(guī)模新能源并網運行給電力系統(tǒng)運行帶來的挑戰(zhàn)
我國清潔能源資源與用電負荷呈逆向分布特點。我國西部、北部地區(qū)擁有80%以上陸地風能、60%以上太陽能和70%以上水能資源，而全國70%的負荷集中在中、東部地區(qū)，必須借助大電網，構建大市場，在全國范圍內消納新能源。截至2019年底，風電裝機仍主要集中在“三北”地區(qū)，累計裝機容量1.46億千瓦，占全國風電裝機的70%。河北、山西、內蒙古、江蘇、山東、甘肅、寧夏、新疆等8個省區(qū)裝機容量超過1000萬千瓦。其中，內蒙古風電裝機超過3000萬千瓦，新疆、河北風電裝機超過1500萬千瓦。
新能源在總裝機中的占比約21%，已成為我國第二大電源。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比重達到18%測算，2025年末風電和太陽能發(fā)電裝機規(guī)模要較目前還要增長一倍以上，日內新增功率波動最大超過2億千瓦，電力系統(tǒng)電力電量在空間和時間上的平衡難度大幅增加。規(guī)模化儲能可為系統(tǒng)提供強大的調峰手段以及靈活、可靠、快速的頻率調節(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)風險。因此，要保持新能源的高效消納和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，配置一定比例的儲能勢在必行。
1.2 儲能配置需求分析
以提升系統(tǒng)調節(jié)能力為目標開展配置儲能分析計算，應包括功率配置分析計算、能量配置分析計算、安全穩(wěn)定校核和經濟性評價等環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)配置儲能的功率應選取滿足累積概率要求的新能源受阻功率和負荷限電功率最大值；配置儲能的能量應選取滿足新能源利用率和負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)配置儲能分析計算應結合電力系統(tǒng)運行特性，充分考慮系統(tǒng)中新能源資源特性及常規(guī)電源、已建儲能、需求響應資源等系統(tǒng)調節(jié)資源的調節(jié)能力。電力系統(tǒng)配置儲能分析計算所需數據應包括時序數據和非時序數據。時序數據應包括開機方式、負荷、新能源發(fā)電功率、徑流式水電功率等，時間分辨率不應小于60 min，數據長度不應小于1年；非時序數據應包括常規(guī)電源、已建儲能、需求響應資源等系統(tǒng)調節(jié)資源的性能參數及規(guī)劃的電源并網容量數據?？紤]負荷適度增長，抽水蓄能和火電靈活性改造等因素，初步測算表明，到“十四五”末，需要建設20 GW以上電化學儲能電站。
2 大電網安全穩(wěn)定運行對儲能的需求
2.1 特高壓電網過渡期面臨的問題
我國一次能源與負荷呈逆向分布的客觀現狀以及風電大規(guī)模集中開發(fā)的方式，客觀上需要長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。經過幾年的建設，目前在運特高壓直流11條，設計輸電容量9860萬千瓦，單回最大輸送容量1200萬千瓦，相當于吉林、甘肅全省的用電負荷。隨著大容量直流、高比例新能源的發(fā)展，我國電源、電網格局都發(fā)生了重大變化。以低慣量、弱支撐為特征的新能源機組在電網中的比例不斷增加，跨區(qū)輸送的大容量直流替代了受端電網的部分常規(guī)電源，導致電網中傳統(tǒng)的同步發(fā)電機組占比逐漸降低，同步電網的慣量支撐和一次調頻能力不斷下降，頻率的支撐和調節(jié)能力難以應對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)電網中，跨區(qū)直流的閉鎖還可能引發(fā)大區(qū)間交流聯(lián)絡線上的大規(guī)模潮流轉移，造成跨區(qū)同步互聯(lián)電網之間的失穩(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，引起華東電網瞬時損失功率490萬千瓦（設計容量720萬千瓦），當日負荷水平1.5億千瓦，網內開機容量1.7億千瓦，由于其他電源一次調頻能力不足，導致系統(tǒng)頻率最低跌至49.56 Hz，對電網運行帶來嚴重影響。
2.2 儲能提升特高壓電網安全性方面的作用
電網格局與電源結構的重大改變，使電網安全穩(wěn)定特性不斷惡化。新形態(tài)下電網安全防御，需要在數百毫秒內快速抑制數百萬乃至上千萬千瓦有功能量對系統(tǒng)的沖擊，迫切需要在電力系統(tǒng)內增加更為靈活、可靠和快速的大規(guī)模有功調節(jié)資源。而大規(guī)模儲能為解決這一問題提供了可能。電化學儲能可在數百毫秒實現從滿充到滿放，以鋰離子電池儲能系統(tǒng)為例，滿充至滿放轉換時間不超過1秒，可實現毫秒級的有功功率調節(jié)響應，是傳統(tǒng)火電機組調節(jié)性能的50倍以上。初步研究表明，在受端電網內配置GW級（數百萬千瓦）的電化學儲能，并使其參與到電網頻率安全控制系統(tǒng)（以下簡稱頻控系統(tǒng)）中，可作為頻控制系統(tǒng)中原有的切泵（抽水狀態(tài)的抽蓄機組）、精準切負荷等頻控措施的替代或互補解決方案，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百萬千瓦電化學儲能實現功率源的虛擬慣量控制與一次調頻控制，在頻率跌落和恢復期間迅速響應系統(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、改善頻率恢復特性、保障系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。在功角暫態(tài)穩(wěn)定問題比較突出的跨區(qū)交直流混聯(lián)受端電網內，配置GW級（數百萬千瓦）的儲能，并使其參與到電網安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，立即響應大直流閉鎖事件，快速放電進行緊急功率支撐，則可以等效替代切負荷安全穩(wěn)定控制措施，釋放跨區(qū)直流和交流聯(lián)絡線的輸電能力。
3 GW級儲能電站建設條件基本成熟
3.1 具有一定的工程建設及運行經驗
截至2019年底，我國新增電化學儲能裝機63.69萬千瓦，累計裝機規(guī)模達到171萬千瓦，已廣泛應用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電及用電各環(huán)節(jié)，成效明顯。我國開展了大容量儲能提升新能源并網友好性、儲能機組二次調頻、大容量儲能電站調峰等多樣性示范工程，包括：國家風光儲輸示范工程，配置了23 MW/89 MW·h規(guī)模的儲能電站，可提升了風光互補并網友好性；江蘇儲能電站，其規(guī)模為101 MW/202 MW·h，可實現調峰、調頻、調壓、緊急功率支撐等電網側應用功能；山西部分火電廠配置9 MW儲能電站，可提升火電調頻能力等。
3.2 電化學儲能技術經濟性快速提升
近幾年，儲能電池技術的快速發(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，應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)壽命增長了1倍以上，應用成本更是降低了70%。就鋰電池與鉛炭電池而言，無論在電池本體還是系統(tǒng)集成等方面，其核心技術已達或超過國際先進水平。
3.3 具有較為完善的電化學儲能并網運行標準體系
我國已研究形成了涵蓋基礎通用、規(guī)劃設計、設備及試驗、施工及驗收、并網及檢測、運行及維護等6個方面的電化學標準體系，已制定發(fā)布11項國家標準，9項行業(yè)標準和15項團體標準。
4 結論
（1）在我國建設GW級電化學儲能電站不僅是新能源發(fā)展和高效消納的需要，也是保障未來大電網安全穩(wěn)定運行的需要，具有必然性和可行性。對于踐行我國綠色發(fā)展理念，帶動儲能產業(yè)發(fā)展，推進儲能核心技術自主創(chuàng)新，落實“四個革命，一個合作”國家能源安全發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。
（2）應結合新能源新增容量及布局特點，深入開展電化學儲能配置容量研究，增強電力系統(tǒng)調節(jié)能力，保障新能源利用率保持在合理水平。同時，要結合特高壓電網特點及電力系統(tǒng)動態(tài)支撐需要，合理布局大容量儲能，保障電網安全運行。
（3）電化學儲能已經在電力系統(tǒng)有多種應用，電池本體、集成技術、協(xié)調運行等方面取得了大量經驗，并形成了標準體系，為下一步更大規(guī)模的應用奠定了堅實的基礎。
引用本文： 裴哲義,范高鋒,秦曉輝.我國電力系統(tǒng)對大規(guī)模儲能的需求分析[J].儲能科學與技術,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，教授級高級工程師，從事水電及新能源、儲能并網運行控制管理和研究，E-mail：pei-zheyi@sgcc.com.cn；
通訊作者：范高鋒，博士，教授級高級工程師，從事新能源和儲能方面的調度運行管理，E-mail：fan-gaofeng@sgcc.com.cn。
