中國儲能網(wǎng)訊：電力系統(tǒng)靈活性近年來受到越來越多的關(guān)注，成為一個熱點話題。碳達峰、碳中和目標(biāo)下，電力系統(tǒng)將向適應(yīng)大規(guī)模高比例新能源方向演進，變得更加清潔、低碳的同時，也迎來源、荷兩端隨機化新特性所帶來的諸多難題。
一方面，隨著經(jīng)濟社會向高質(zhì)量發(fā)展階段邁進，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電占比不斷攀升，負荷“尖峰化”“季節(jié)性”特性顯著，負荷側(cè)大量分布式能源接入導(dǎo)致源、荷界限模糊，給電力供應(yīng)增加了挑戰(zhàn)。另一方面，風(fēng)光發(fā)電固有的間歇性和隨機性導(dǎo)致供應(yīng)端的穩(wěn)定性和可控性降低，疊加枯水期水電出力受阻，易引發(fā)高比例可再生能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性缺電。
近年來，極端天氣頻發(fā)，更是加速了供需兩端的特性變化，加劇了供需矛盾，使得系統(tǒng)同時面臨新能源消納和電力安全供應(yīng)的雙重挑戰(zhàn)。這就要求電力系統(tǒng)能夠以更加靈活的形態(tài)運行，滿足各種場景下的供需平衡，保障電力安全穩(wěn)定供應(yīng)，提升新能源利用水平。
“24%”目標(biāo)明確?
受制于靈活性資源短缺和市場機制不夠完善，我國電力系統(tǒng)靈活性充裕度水平明顯較低，導(dǎo)致過去較長時期存在新能源消納難題。近些年，由于新能源發(fā)電消納保障措施的實施和靈活性資源投入的加大，新能源消納難題有所緩解。隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷提升，未來，電力穩(wěn)定可靠供應(yīng)面臨的挑戰(zhàn)不斷增多，尤其是極端天氣下可能會導(dǎo)致新能源出力不足，增加了系統(tǒng)電力供應(yīng)短缺的風(fēng)險。若不加以重視和提升，未來我國新型電力系統(tǒng)靈活性困境將進一步加劇，屆時靈活性不足將從制約新能源消納的經(jīng)濟性問題擴展至威脅系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟性的雙重問題。
“十三五”期間，雖然電力系統(tǒng)靈活性得到了一定重視，但靈活性資源的開發(fā)利用進度遠不及預(yù)期。中國電力企業(yè)聯(lián)合會的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年年底，煤電靈活性改造只完成5775萬千瓦，僅為目標(biāo)改造容量的1/4。國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年年底，煤電靈活性改造規(guī)模超過1億千瓦，但占比仍不到煤電總裝機容量的1/10。天然氣發(fā)電、抽水蓄能、新型儲能等靈活性資源的開發(fā)利用水平同樣不足，截至2021年年底，全國天然氣發(fā)電裝機容量為1.08億千瓦、抽水蓄能裝機容量為3639萬千瓦、新型儲能裝機容量為570萬千瓦。目前，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)需求側(cè)響應(yīng)能力達到2990萬千瓦，約占最大用電負荷的3%。
面對我國電力系統(tǒng)靈活性整體不足的困境，《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》提出要全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性；《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出“到2025年，靈活調(diào)節(jié)電源占比達到24%左右，電力需求側(cè)響應(yīng)能力達到最大用電負荷的3%～5%”的明確目標(biāo)。據(jù)調(diào)查，截至2020年年底，全國靈活性電源裝機容量或為1.32億～4.07億千瓦，為完成“24%”的目標(biāo)，需要5年內(nèi)新增3.13億～5.88億千瓦靈活性電源，實現(xiàn)該目標(biāo)并非易事。
科學(xué)組合，優(yōu)勢互補
在以煤電為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，可再生能源比例較低且負荷特性相對穩(wěn)定，源、荷兩端供需不確定性和波動性較弱，依靠增加可控電源裝機的方式能夠保障電力系統(tǒng)供需平衡和安全穩(wěn)定運行。但隨著集中式和分布式新能源大規(guī)模并網(wǎng)，源、荷兩端呈現(xiàn)高度不確定性，電力系統(tǒng)有功功率不平衡時電力供需兩端相互匹配調(diào)節(jié)的速率需求及幅度需求都明顯增加，需要更為靈活地調(diào)節(jié)發(fā)電出力或用電需求，以滿足供需平衡。
電力系統(tǒng)靈活性按照調(diào)節(jié)方式的不同可分為供給和需求的向上和向下靈活性。供給向上靈活性和需求向下靈活性分別通過電源提高出力和需求側(cè)資源降低需求來實現(xiàn)，側(cè)重于保障電力供應(yīng)安全；供給向下靈活性和需求向上靈活性與之相反，主要通過電源減少出力和需求側(cè)增加需求來實現(xiàn)，側(cè)重于提升新能源利用率。由于系統(tǒng)供需起始狀態(tài)所跨的時間尺度和調(diào)節(jié)持續(xù)時間不同，靈活性需求還表現(xiàn)出短、中、長等不同尺度的時間特性。
電源側(cè)靈活性資源主要包括煤電靈活性改造、熱電解耦、天然氣發(fā)電、常規(guī)水電等；負荷側(cè)靈活性主要通過需求響應(yīng)、電動汽車車網(wǎng)協(xié)同等方式提供；抽水蓄能、新型儲能、儲氫等長短時儲能是十分重要的儲能側(cè)靈活性資源；而電網(wǎng)側(cè)靈活性則主要通過電網(wǎng)互聯(lián)互濟實現(xiàn)靈活性資源在更大時空范圍內(nèi)的調(diào)配。上述各類資源提供靈活性的技術(shù)特點存在明顯差異，經(jīng)濟成本也各不相同。例如，煤電靈活性改造的成本為125元/千瓦左右，成本優(yōu)勢明顯，但受限于較弱的調(diào)節(jié)速率，難以滿足新能源發(fā)電對于短時功率調(diào)節(jié)的需求；抽水蓄能的單位投資成本為6300～7200元/千瓦，雖然成本略高，但對于短、中、長時間尺度的靈活性需求都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
源、網(wǎng)、荷、儲各類靈活性資源存在優(yōu)勢互補，多種資源的科學(xué)組合能夠吸收各靈活性資源的優(yōu)勢，揚長避短，兼顧靈活性提升效果和經(jīng)濟性。因此，應(yīng)注重多元提升手段，充分挖掘源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)靈活性資源，實現(xiàn)各類靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展和有序銜接，促進電力系統(tǒng)靈活性的持續(xù)穩(wěn)定提升。
立足國情，有序推進
煤電靈活性改造依然是近中期電力系統(tǒng)靈活性提升的主要手段?！笆奈濉睍r期，煤電可通過加裝儲熱裝置以及對鍋爐和汽輪機本體進行改造，實現(xiàn)“熱電解耦”和降低最小出力，一方面加速煤電轉(zhuǎn)型，參與輔助服務(wù)市場，由電量型電源向電力型電源轉(zhuǎn)變；另一方面，煤電可為新能源發(fā)電“讓路”，促進新能源消納?！笆逦濉睍r期，煤電靈活性改造進程放緩，但仍是主要的靈活性資源?！笆濉睍r期，煤電裝機容量遞減，在新能源高比例并網(wǎng)的情況下，煤電主要承擔(dān)靈活性調(diào)節(jié)的任務(wù)。
預(yù)計在“十四五”和“十五五”時期，儲能仍處于發(fā)展階段，抽水蓄能配合常規(guī)水電在發(fā)電側(cè)持續(xù)發(fā)力，電化學(xué)儲能發(fā)展日趨成熟，氫儲能等長時儲能發(fā)展起步?！笆濉睍r期，由于新能源裝機占比不斷提高，電力系統(tǒng)長時間尺度的靈活性需求要求儲能具備持續(xù)出力能力，因此長時儲能快速發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)跨天、跨周乃至跨季節(jié)調(diào)節(jié)。
近中期，需求側(cè)靈活性資源在系統(tǒng)平衡中發(fā)揮的作用逐漸擴大，大工業(yè)用戶需求響應(yīng)和公用交通車網(wǎng)協(xié)同積極參與電力輔助服務(wù)市場，但受制于市場機制完善程度和智能設(shè)備的普及度，發(fā)展規(guī)模有限。“十六五”之后，需求側(cè)靈活性資源作用明顯，更大范圍的電動汽車參與需求響應(yīng)，車網(wǎng)協(xié)同范圍進一步擴大，分布式電源與微電網(wǎng)結(jié)合，加上負荷聚合商積極參與市場，電力系統(tǒng)的靈活性將大幅提高。
除積極推動源、荷、儲側(cè)各類靈活性資源的發(fā)展，還應(yīng)重視電網(wǎng)建設(shè)，不斷完善市場機制。成熟的電網(wǎng)互聯(lián)互濟系統(tǒng)、完善的市場機制以及合理的電力規(guī)劃是充分釋放和發(fā)揮電力系統(tǒng)靈活性的物理基礎(chǔ)和機制保障。
調(diào)節(jié)供需，釋放潛力?
隨著新能源占比逐步提升直至成長為電力裝機的主體，依靠其他靈活性資源滿足系統(tǒng)靈活性需求、保障高比例新能源的消納，不再符合新型電力系統(tǒng)的發(fā)展理念，會造成系統(tǒng)整體效益的下降。新能源應(yīng)基于其技術(shù)特點主動提供靈活性，通過配置儲能調(diào)整自身出力曲線、依靠電力電子設(shè)備提供調(diào)節(jié)能力、區(qū)域內(nèi)聯(lián)合調(diào)度運行實現(xiàn)多能互補等方式，為系統(tǒng)靈活性需求的減少和靈活性供應(yīng)能力的提升做出應(yīng)有貢獻。
對于需求側(cè)而言，除了積極開發(fā)需求響應(yīng)資源，還應(yīng)充分借助需求側(cè)管理手段優(yōu)化用電曲線，實現(xiàn)靈活性“供增需減”。設(shè)計合理的電價機制以及提倡節(jié)能高效的生活方式等措施都能夠引導(dǎo)負荷側(cè)用戶改變用電行為、自發(fā)優(yōu)化負荷曲線，在電力規(guī)劃和運行管理之前或期間減少部分峰谷差、平滑和整體降低負荷曲線，提升電力系統(tǒng)的靈活性，繼而在運行管理時調(diào)度可調(diào)用的需求側(cè)資源，多環(huán)節(jié)多層次通過需求側(cè)管理降低電力安全穩(wěn)定運行的難度和成本。
電力市場雖無法單獨提供靈活性調(diào)節(jié)資源，但合理的市場機制設(shè)計可以通過價格傳遞靈活性價值信號，引導(dǎo)系統(tǒng)中已有的靈活資源性釋放或激勵靈活性資源投資建設(shè)。在輔助服務(wù)市場中，通過完善對提供短時靈活性資源的補償和激勵機制，有助于市場提供功能更匹配的輔助服務(wù)，釋放短時間尺度的靈活性潛力。在現(xiàn)貨市場中，開展更靈活的市場交易和允許更短期的交易時間尺度，給予市場參與主體進行出力或需求的近實時調(diào)整，以及系統(tǒng)對電廠近實時的調(diào)度的可能，能夠減少系統(tǒng)靈活性需求，充分釋放中時間尺度靈活性潛力。在容量市場中，基于合理的收益保障機制，激勵市場主體投資建設(shè)長時間尺度靈活性資源，能夠保障系統(tǒng)長期靈活性容量充裕度，維持未來較長時間內(nèi)的靈活性資源充足供應(yīng)。不同典型市場之間的交易機制相互配合銜接，能夠聯(lián)合提高靈活性資源的跨時空配置效率，有效釋放電力系統(tǒng)多時間尺度靈活性。
為加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，促進可再生能源大規(guī)模、高比例、市場化、高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)“有主次、分先后、能互補”地全方位提升系統(tǒng)靈活性。需著重關(guān)注：明確靈活性資源發(fā)展定位，加強規(guī)劃統(tǒng)籌銜接，源、網(wǎng)、荷、儲多維度協(xié)同提升新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力；提升電源側(cè)靈活性資源建設(shè)與利用水平，分步驟緊密銜接電源建設(shè)和靈活性挖掘策略；加強電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及智能化升級，提升電網(wǎng)的靈活運行能力和靈活性資源優(yōu)化配置能力；深挖負荷側(cè)資源系統(tǒng)價值，作為應(yīng)對電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)高邊際成本問題的關(guān)鍵手段；完善電力市場機制，引導(dǎo)靈活性資源在不同市場中更大程度釋放其靈活性潛力。
（作者均供職于華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院）
