中國儲能網(wǎng)訊：隨著系統(tǒng)內(nèi)抽蓄及電化學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。
國家能源局在《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》（以下簡稱《藍皮書》）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)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標，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、靈活互動為堅強支撐，以堅強、智能、柔性電網(wǎng)為樞紐平臺，以技術(shù)創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新為基礎(chǔ)保障的新時代電力系統(tǒng)?！毙滦碗娏ο到y(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、隨機性問題。在電力系統(tǒng)發(fā)展的百余年歷史中，其實也是一直在利用儲能應(yīng)對用電負荷的波動性，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，進一步導致新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力嚴重不足。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儲能，但這兩類儲能無論是在容量上還是成本上都還遠未達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。本文將以東北電網(wǎng)為例，分析截至2030年碳達峰前，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)風電總出力曾出現(xiàn)3.4萬千瓦的極低值，不足全網(wǎng)風電裝機容量的千分之一。對于電力系統(tǒng)運行而言，保證在負荷高峰時刻可靠的電力供應(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)峰資源需求基準分析
據(jù)預測，2030年東北全網(wǎng)電源裝機容量達到3.63億千瓦，其中火電、核電、水電、抽蓄、風電、光伏、儲能裝機容量分別達到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)全社會最大負荷將達到11730萬千瓦，全社會用電量將達到7436億千瓦時。若考慮東北全網(wǎng)1.2億火電機組的平均調(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比較基準）。
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%的新能源消納基準基礎(chǔ)上，若要求新能源消納率達到90%，分別采用調(diào)整火電機組平均調(diào)峰深度、配置抽水時長4小時的抽蓄電站、配置放電容量2小時的電化學儲能三種措施，考察每種措施的靈敏度。
考慮火電機組平均調(diào)峰深度分別下降2%、5%、10%，即全網(wǎng)火電機組平均調(diào)峰深度分別達到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個百分點。
考慮抽蓄電站容量（抽水時長按4小時考慮）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個百分點。
考慮電化學儲能容量（充電時長按2小時考慮）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個百分點。
由上述仿真測算可以看出，隨著系統(tǒng)內(nèi)抽蓄及電化學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新能源裝機容量達到一定高比例的情況下，容易出現(xiàn)新能源大發(fā)、抽蓄（電化學儲能）抽水滿庫容（或充電滿容量）后沒有時間發(fā)電的情況；反之，在抽蓄（電化學儲能）應(yīng)用于電力高峰時刻保供電工況，也存在完全放電后沒有時間抽水（或充電）的情況。由于電化學儲能配置容量更低（只有2小時），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小時抽水蓄能，以及增加6000萬千瓦×2小時電化學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，尚不存在同時滿足清潔、廉價、穩(wěn)定特點的替代能源來取代化石能源的支撐作用。新能源發(fā)電本身的隨機性、波動性、間歇性特點，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)火電機組的重要作用還是不能簡單替代、一關(guān)了之。
三是當前新能源的發(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，目前新能源雖已實現(xiàn)平價上網(wǎng)，但并不等于平價消納，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)補強建設(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)新能源裝機容量與新能源合理消納利用率之間應(yīng)該有一個合理的平衡點，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合理的平衡點。只有保證新能源裝機容量、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)缺點進行分析。
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)電實現(xiàn)錯峰搬運新能源電量，直接減少新能源棄電；二是通過減少火電開機降低全網(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投資大、建設(shè)周期長、市場機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（受控負荷、分布式清潔電源、儲能等）聚合成一個整體，拓展電力系統(tǒng)靈活資源的來源，作為一個特別的“調(diào)峰電廠”參與電力系統(tǒng)運行，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)?；疤罟取表憫?yīng)，實現(xiàn)單次最大提升負荷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，市場機會把握靈敏。主要缺點在于電力用戶的主營業(yè)務(wù)對其用電負荷可調(diào)節(jié)空間、時間的限制較大，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。
燃氣調(diào)峰電站
燃氣調(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，使其在電力負荷尖峰時刻能夠承擔電力保供作用，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，很大程度依賴進口，一方面影響能源獨立性；另一方面導致天然氣價格較高，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，生產(chǎn)了約六成的電量，支撐了超七成的高峰負荷需求，在相當長的一段時間內(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)《全國煤電機組改造升級實施方案》，設(shè)置了煤電“三改聯(lián)動”的時間表和路線圖。“三改聯(lián)動”就是針對煤電機組進行的三種技術(shù)改造：節(jié)能降碳改造是為了讓煤電機組降低度電煤耗和二氧化碳排放；供熱改造是為了實現(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)定運行。其中“十四五”期間計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
基于上述對當前電力系統(tǒng)內(nèi)的靈活性調(diào)峰電源的優(yōu)缺點進行分析，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棄電的反向措施。正反向措施都可以放在降低社會成本這個大目標下一并考量，而最好的自然平衡的辦法就是建立一個合理的市場化體系，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格信號引導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格信號引導中長期調(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，遠未成體系而電網(wǎng)調(diào)峰矛盾又迫在眉睫的特定歷史時期，以一種特殊的市場形式解決了計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時機退出歷史舞臺，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新型電力系統(tǒng)安全運行的本質(zhì)目標。
遠景展望
2030年實現(xiàn)碳達峰目標前的現(xiàn)階段，新型電力系統(tǒng)建設(shè)仍要圍繞成熟的、規(guī)?；墓こ添椖块_展。幾年內(nèi)尚不足以由量變引發(fā)質(zhì)變。從中長期來看，要真正實現(xiàn)2060年碳中和目標，必然要依靠革命意義的技術(shù)突破且實現(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)化為方便儲存運輸?shù)募状肌⒁喊钡纫后w燃料；受控核聚變；電化學儲能等技術(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。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊）2023年第6期，作者單位：國家電網(wǎng)公司東北分部
