中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電力系統(tǒng)靈活性體現(xiàn)為電力系統(tǒng)的各類資源快速改變自身發(fā)用電特性以維持系統(tǒng)有功功率平衡的能力。電力供需平衡是電力系統(tǒng)的核心，不論是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)還是新型電力系統(tǒng)都需要靈活性資源支撐，但傳統(tǒng)電力系統(tǒng)下靈活性資源是單一的、獨(dú)立的，而新型電力系統(tǒng)需要以更廣泛的資源類型、更強(qiáng)大的調(diào)節(jié)性能保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)供需平衡與安全穩(wěn)定，逐步形成源網(wǎng)荷儲(chǔ)多元靈活性資源庫(kù)。
01 新型電力系統(tǒng)靈活性資源的重要性
新型電力系統(tǒng)大規(guī)模、高比例使用可再生能源，電源結(jié)構(gòu)將從以可控煤電裝機(jī)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮?qiáng)不確定性、弱可控的新能源為主體。由于新能源的間歇性、波動(dòng)性、反調(diào)峰性和低可調(diào)度性，新能源發(fā)電需通過可靠支撐能力提升轉(zhuǎn)變?yōu)橹黧w電源。同時(shí)，疊加需求側(cè)用電特性顯著變化，電力平衡難度顯著加大，系統(tǒng)對(duì)電力供需調(diào)節(jié)速率及調(diào)節(jié)幅度的要求明顯提高，各類資源需要更為靈活地調(diào)節(jié)發(fā)電出力或用電需求以滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)供需平衡。因此，新型電力系統(tǒng)核心在于提升靈活性，建立友好的、能保障新能源消納和電力安全穩(wěn)定供應(yīng)的電力系統(tǒng)。
從電力商品屬性來講，電力商品有電量、平衡、調(diào)節(jié)和可靠性四個(gè)屬性，其中電量是一般商品屬性，后三者是由于電網(wǎng)無法儲(chǔ)存電能帶來的特殊商品屬性。新能源僅能替代火電的電能電量?jī)r(jià)值，仍需要大量的、多類型、多時(shí)間尺度的靈活性資源協(xié)同運(yùn)行，給系統(tǒng)提供平衡、調(diào)節(jié)和可靠性支撐，這種情況下，靈活性資源將變得更稀缺。
02 靈活性資源現(xiàn)狀及對(duì)比分析
（一）靈活性需求分析
電力系統(tǒng)靈活性需求劃分主要有兩種維度，一個(gè)是電量供需平衡維度，按調(diào)節(jié)方式的不同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(shí)現(xiàn)，如增加火電出力、儲(chǔ)能放電、抽水蓄能發(fā)電以及需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷需求，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，側(cè)重于提升新能源利用率。
另一個(gè)維度是由于系統(tǒng)供需起始狀態(tài)所跨的時(shí)間尺度和調(diào)節(jié)持續(xù)時(shí)間不同，靈活性需求表現(xiàn)出短、中、長(zhǎng)等不同尺度的時(shí)間特性。其中短時(shí)間尺度靈活性調(diào)整電力系統(tǒng)短時(shí)功率波動(dòng)，對(duì)應(yīng)當(dāng)前電力市場(chǎng)輔助服務(wù)中的二次調(diào)頻。風(fēng)光高度波動(dòng)性影響下系統(tǒng)瞬時(shí)功率變化更為頻繁且幅值增加，短時(shí)間尺度靈活性能夠更好地調(diào)整功率波動(dòng)，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，發(fā)揮功率價(jià)值。中時(shí)間尺度靈活性主要解決小時(shí)級(jí)、跨日的有功功率平衡問題，高比例風(fēng)光并網(wǎng)后，系統(tǒng)易出現(xiàn)峰谷時(shí)段供需不匹配的情況，通過轉(zhuǎn)移電量電力實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)改變和電能量時(shí)移的雙重價(jià)值；長(zhǎng)時(shí)間尺度靈活性，尤其是供給向上和需求向下的長(zhǎng)時(shí)間尺度靈活性，可經(jīng)濟(jì)地發(fā)揮跨周、跨月乃至跨季度的容量?jī)r(jià)值。
表1：不同時(shí)間尺度靈活性資源特點(diǎn)
（二）靈活性資源對(duì)比分析
我國(guó)已面臨電力系統(tǒng)靈活性整體不足的困境，靈活性資源將處于長(zhǎng)期緊缺狀態(tài)?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》明確提出了2025年靈活調(diào)節(jié)電源占比達(dá)到24%左右、電力需求側(cè)響應(yīng)能力達(dá)到最大用電負(fù)荷的3%—5%的目標(biāo)。但實(shí)際上，就電源側(cè)而言，不同于一些國(guó)家把氣電作為最主要的靈活性調(diào)節(jié)電源，我國(guó)富煤、貧油、少氣的基本國(guó)情決定了靈活性煤電將成為近中期主流靈活性電源，然而火電靈活性改造進(jìn)展難以滿足快速增長(zhǎng)的新能源發(fā)展需要。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2023年底全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量29.2億千瓦，其中靈活性電源裝機(jī)容量約為4.96億千瓦[1]，靈活性電源占比遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家的18%—50%，距離“24%”的靈活性調(diào)節(jié)電源目標(biāo)仍有約2.05億千瓦的裝機(jī)缺口。需求側(cè)靈活性主要通過需求響應(yīng)等方式提供，及時(shí)性和規(guī)模性欠佳，目前各地政府已在著手推動(dòng)虛擬電廠等新技術(shù)的應(yīng)用。
總體而言，當(dāng)前電力系統(tǒng)靈活性提升主要依靠煤電靈活性改造、抽水蓄能、天然氣發(fā)電以及電化學(xué)儲(chǔ)能等。隨著技術(shù)進(jìn)步，未來還將有氫能等更多形式和手段。在源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)上，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)水電和抽水蓄能發(fā)電等；需求側(cè)靈活性資源是用戶側(cè)快速發(fā)展的產(chǎn)物，主要通過可調(diào)節(jié)負(fù)荷、用戶側(cè)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車車網(wǎng)協(xié)同等方式提供；新型儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫等都是十分重要的儲(chǔ)能側(cè)靈活性資源；電網(wǎng)側(cè)靈活性資源來源包括互聯(lián)互濟(jì)、柔性輸電、微電網(wǎng)等。源荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)靈活性調(diào)節(jié)資源需要通過電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)實(shí)現(xiàn)電力在更大時(shí)空范圍內(nèi)的調(diào)配，從“源隨荷動(dòng)”過渡到“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同發(fā)展。
上述各類資源提供靈活性的技術(shù)特點(diǎn)存在明顯差異，經(jīng)濟(jì)成本也各不相同。國(guó)內(nèi)煤電現(xiàn)階段靈活性改造成本為500—1500元/千瓦，具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，改造后適合進(jìn)行小時(shí)級(jí)、跨日的出力調(diào)整，可參與深度調(diào)峰，但受限于較弱的調(diào)節(jié)速率，難以滿足新能源發(fā)電對(duì)于短時(shí)功率調(diào)節(jié)的需求。氣電出力較快，適合進(jìn)行秒級(jí)和分鐘級(jí)的功率調(diào)整，可緩解或消除風(fēng)光出力的瞬時(shí)變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，但氣電以熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為主，頻繁啟停對(duì)機(jī)組損害較大，且爬坡速度較慢，調(diào)節(jié)能力僅為額定容量的10%—15%。水電機(jī)組在電力系統(tǒng)中起到調(diào)頻、調(diào)峰和備用作用，響應(yīng)時(shí)間較短，其中抽水蓄能的單位投資成本為6300—7200元/千瓦，成本略高，但對(duì)于滿足短、中、長(zhǎng)時(shí)間尺度的靈活性需求都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。新型儲(chǔ)能單位造價(jià)成本總體隨著技術(shù)突破和建設(shè)成本壓縮而降低，不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)可分別滿足短、中、長(zhǎng)時(shí)間尺度的靈活性需求，其中，飛輪儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能的響應(yīng)時(shí)間尤其短，2023年電化學(xué)儲(chǔ)能EPC成本已低至0.9元/Wh，而長(zhǎng)時(shí)技術(shù)的成熟還需要投入更多時(shí)間和資金。
此外，隨著用戶側(cè)智能化、自動(dòng)化程度逐步提高，需求側(cè)資源可更大程度發(fā)揮可調(diào)節(jié)能力，但需求側(cè)資源分散、規(guī)模不大、用戶用能差異大且不具備主動(dòng)參與調(diào)節(jié)能力，需通過聚合商代理、虛擬電廠等整合資源，提升靈活性。
03 需要多少靈活性資源？
新型電力系統(tǒng)到底需要多少靈活性資源？
為促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，國(guó)家曾多次在頂層設(shè)計(jì)中提及非化石能源占比、電能消費(fèi)占比等目標(biāo)，比如到2030年非化石能源消費(fèi)比重需達(dá)到25%以上、到2060年提高到80%以上?！缎滦碗娏ο到y(tǒng)藍(lán)皮書》基于我國(guó)資源稟賦及區(qū)域特點(diǎn)，以2030年、2045年和2060年為重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)制定了“三步走”發(fā)展路徑，2030年新能源成為發(fā)電電量增量主體，裝機(jī)占比超過40%，發(fā)電量占比超過20%；2045年前后用電需求達(dá)到飽和，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)攻關(guān)取得突破；2060年新能源逐步成為發(fā)電量結(jié)構(gòu)主體電源。更有學(xué)者總結(jié)了“雙80%”的概念，即2035年新增電量中新能源占比超過80%，2060年非化石能源消費(fèi)比重超過80%。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，以及電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院對(duì)能源轉(zhuǎn)型和碳達(dá)峰相關(guān)預(yù)測(cè)，電力能源基本情況粗略估算如表2所示。2023年全國(guó)電源裝機(jī)29.2億千瓦，全社會(huì)用電量9.22萬億千瓦時(shí)，按十年為一個(gè)周期，2020—2060年平均電量增速分別以4%、3%、1%、0.5%測(cè)算，預(yù)計(jì)2040年、2060年電量分別為14.81億千瓦時(shí)、17.19億千瓦時(shí)。結(jié)合上述能源發(fā)展目標(biāo)，屆時(shí)電源裝機(jī)規(guī)模初步預(yù)測(cè)將達(dá)到56.20億千瓦、66.30億千瓦，其中火電裝機(jī)為16.6億千瓦（氣電2.7億千瓦）、6億千瓦（氣電1.4億千瓦），水電裝機(jī)為6.9億千瓦（抽蓄1.4億千瓦）、8.4億千瓦（抽蓄3.1億千瓦），風(fēng)電裝機(jī)為14億千瓦、22億千瓦，光伏裝機(jī)為16.7億千瓦、26億千瓦，核電裝機(jī)為2億千瓦、3.9億千瓦。
表2：中國(guó)能源電力基本情況及靈活性資源規(guī)模預(yù)測(cè)
按照假定的三種靈活性調(diào)節(jié)電源配置比例，2030年、2040年、2050年及2060年靈活性調(diào)節(jié)電源規(guī)模需分別達(dá)到8.27億千瓦—12.41億千瓦、11.24億千瓦—16.86億千瓦、12.96億千瓦—19.44億千瓦及13.26億千瓦—19.89億千瓦。對(duì)照“24%”靈活性調(diào)節(jié)電源目標(biāo)，2023年存在2.05億千瓦的缺口，隨著風(fēng)光等新能源裝機(jī)快速增長(zhǎng)，對(duì)靈活性調(diào)節(jié)電源的需求比例將進(jìn)一步擴(kuò)大。考慮當(dāng)前靈活性資源規(guī)模以及氣電、儲(chǔ)能的發(fā)展，按照電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院測(cè)算的2030年、2040年及2060年新型儲(chǔ)能裝機(jī)達(dá)到1.7億千瓦、4.3億千瓦及12億千瓦，預(yù)計(jì)2030年、2040年、2060年靈活性調(diào)節(jié)電源總裝機(jī)可達(dá)到8.37億千瓦、11.47億千瓦、15.87億千瓦、19.07億千瓦，2030年—2040年，僅對(duì)照“24%”目標(biāo)，靈活性調(diào)節(jié)電源都還存在缺口1.56億千瓦—2.02億千瓦。
04 全方位拓展靈活性資源
靈活性資源拓展應(yīng)與新型電力系統(tǒng)發(fā)展、新型能源體系建設(shè)程度相匹配，充分考慮可行性和必要性，不能過度無序發(fā)展，須遵循優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、有序推進(jìn)、適度提前的大原則，“有主次、分先后、能互補(bǔ)”全方位提升系統(tǒng)靈活性。
（一）科學(xué)組合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。源網(wǎng)荷儲(chǔ)及短中長(zhǎng)時(shí)間尺度各類靈活性資源在調(diào)節(jié)速度和時(shí)間上存在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，應(yīng)綜合考慮靈活性資源經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)特點(diǎn)等，明確靈活性資源發(fā)展定位，科學(xué)組合、揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)各類靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。其中，需求側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源建設(shè)利用在成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)；對(duì)于新能源占比相對(duì)不高的省份，煤電靈活性改造既可以滿足電力系統(tǒng)靈活性要求，也能促進(jìn)新能源逐步替代煤電，經(jīng)濟(jì)成本適中；水電資源豐富的省份，推進(jìn)水電機(jī)組調(diào)節(jié)能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)。新型儲(chǔ)能對(duì)于當(dāng)前的電力系統(tǒng)仍是“奢侈品”，少部分已建成的可作為補(bǔ)充靈活資源。
（二）立足實(shí)際、有序推進(jìn)。緊密銜接電源建設(shè)和靈活性挖掘，根據(jù)我國(guó)以煤電為主體的電源結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)“十六五”之前煤電靈活性改造仍舊是提升電力系統(tǒng)靈活性的主要手段?！笆濉逼陂g，儲(chǔ)能將逐步發(fā)展成為主力，大規(guī)模抽水蓄能建設(shè)投運(yùn)，配合常規(guī)水電在發(fā)電側(cè)持續(xù)發(fā)力，電化學(xué)儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能持續(xù)發(fā)力，實(shí)現(xiàn)跨天、跨周乃至跨季節(jié)調(diào)節(jié)?！笆濉敝?，需求側(cè)靈活性資源在系統(tǒng)平衡中逐漸發(fā)揮更大作用，大范圍的電動(dòng)汽車等可調(diào)節(jié)負(fù)荷參與需求響應(yīng)，車網(wǎng)協(xié)同范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，分布式電源與微電網(wǎng)結(jié)合，加上虛擬電廠等技術(shù)，分散式資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度將大幅提高電力系統(tǒng)的靈活性。
（三）促進(jìn)電網(wǎng)與市場(chǎng)機(jī)制建設(shè)。成熟的電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)系統(tǒng)、完善的市場(chǎng)機(jī)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(jī)制保障。應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及智能化升級(jí)，推進(jìn)電網(wǎng)互聯(lián)互通，提升電力系統(tǒng)的靈活運(yùn)行能力。推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)和容量機(jī)制的建設(shè)，形成充分反映成本的電價(jià)體系，利用市場(chǎng)機(jī)制最大限度發(fā)掘靈活性資源的價(jià)值。
