中國儲能網(wǎng)訊：
一、前言
黨的二十大報告指出，要積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）。2020年，我國電力行業(yè)的碳排放量約占碳排放總量的41%，“雙碳”目標(biāo)下電力部門將承擔(dān)更多的減排責(zé)任，發(fā)展新能源是電力部門低碳轉(zhuǎn)型的重要舉措，但必須審慎面對電力安全穩(wěn)定供應(yīng)問題。在新形勢下需加快落實全面提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性等要求，構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)。
近年來，新能源發(fā)電得到長足發(fā)展。截至2023年年底，全國風(fēng)能和太陽能（以下簡稱“風(fēng)光”）發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到1.05×109 kW，占電力總裝機(jī)的36%，發(fā)電量達(dá)到1.47×1012 kW·h，占全年總發(fā)電量的15.8%。然而，風(fēng)光發(fā)電固有的隨機(jī)性、波動性和間歇性特點對保障電力系統(tǒng)供需平衡和穩(wěn)定性帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)靈活性資源不足的矛盾正在顯現(xiàn)，而且隨著低碳轉(zhuǎn)型的深入，這一矛盾還會進(jìn)一步加劇，原因在于：首先，隨著風(fēng)光發(fā)電量占比提升和氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件的日益頻繁，電力系統(tǒng)對復(fù)雜多變氣象條件的敏感性增加；其次，隨著電氣化水平提升，電動汽車、電鍋爐、電解槽等一系列新型負(fù)荷以及傳統(tǒng)冷、熱負(fù)荷不斷增加帶來的負(fù)荷不確定性日益增強；第三，疊加電力資源和負(fù)荷在空間上呈逆向分布、跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)傳輸容量不足、高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)等原因，電力系統(tǒng)凈負(fù)荷（系統(tǒng)負(fù)荷與風(fēng)光出力的差值）日峰谷差增大，季節(jié)不平衡、系統(tǒng)慣量降低等問題逐漸顯現(xiàn)，系統(tǒng)靈活性將面臨滿足更多時間尺度、更大變化幅度、更高變化速度的需求。由此可見，必須發(fā)展多樣化的靈活性資源，以保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
電力系統(tǒng)靈活性資源是指電力系統(tǒng)中可穩(wěn)定調(diào)度的、能夠快速提供或者吸收功率以應(yīng)對電力系統(tǒng)供需變化的各種資源。這些資源可以幫助克服風(fēng)光的間歇性和不確定性以及實現(xiàn)電力系統(tǒng)峰谷負(fù)荷的調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。電力系統(tǒng)靈活性資源主要分布在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，儲能也成為重要的靈活性來源。具體來說，靈活性資源的例子包括但不限于：可調(diào)節(jié)出力的煤電、氣電、常規(guī)可調(diào)節(jié)水電、光熱機(jī)組，電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)、靈活的電網(wǎng)運行和控制技術(shù)，需求側(cè)管理，電池儲能、抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等。這些資源能夠在不同時間尺度下增加或減少電力供應(yīng)及電力需求，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)于靈活性資源發(fā)展策略及路線，現(xiàn)有研究從單一的靈活性資源發(fā)展路線（抽水蓄能、儲能、配電網(wǎng)、微電網(wǎng)等）拓展至多元靈活性資源系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，并在考慮技術(shù)成熟度及經(jīng)濟(jì)性、不同時間尺度下靈活性需求差異等因素的基礎(chǔ)上，展望了我國未來靈活性資源發(fā)展路線，但有關(guān)碳達(dá)峰前后對靈活性資源需求差異的研究尚不多見。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)以及風(fēng)光發(fā)電量比例的提升，發(fā)展與我國中長期電力結(jié)構(gòu)變化趨勢相匹配的靈活性資源是滿足高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的靈活性需求、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切任務(wù)，有必要對靈活性資源中長期發(fā)展路線開展更深入的研究。
本文首先對不同研究機(jī)構(gòu)提出的我國“雙碳”目標(biāo)下電力需求及電源結(jié)構(gòu)發(fā)展路線進(jìn)行綜述，分析不同風(fēng)光發(fā)電量占比下電力系統(tǒng)對靈活性資源需求的差異，并對比不同靈活性資源的技術(shù)特性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國外電力系統(tǒng)發(fā)展靈活性資源的經(jīng)驗，針對我國靈活性資源發(fā)展存在的問題，提出我國電力“雙碳”目標(biāo)下靈活性資源發(fā)展的基本原則和路線。最后，從電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲能、市場5個方面提出保障我國靈活性資源發(fā)展的重點舉措，以期為電力結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型背景下靈活性資源中長期發(fā)展策略提供參考。
二、我國中長期電力低碳發(fā)展路線及電力系統(tǒng)靈活性需求
（一）我國中長期電力低碳發(fā)展路線綜述
本研究對有關(guān)我國中長期電力發(fā)展路線的研究進(jìn)行了梳理，包括：國網(wǎng)能源研究院有限公司的零碳情景，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司的電力安全供應(yīng)目標(biāo)，清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院的1.5 ℃情景，美國馬里蘭大學(xué)的1.5 ℃情景，北京理工大學(xué)的技術(shù)突破情景等。相關(guān)研究總結(jié)如下：一是全國電力需求自2030年起從中速增長轉(zhuǎn)變?yōu)榈退僭鲩L，2030年前年均增速為4%左右，到2030年全社會用電量為1×1013~1.2×1013 kW·h，由于經(jīng)濟(jì)增長模式轉(zhuǎn)變、能效標(biāo)準(zhǔn)提升、人口老齡化和人口增長放緩等原因，2030年后年均增速將變緩，到2060年全社會用電量為1.55×1013~1.87×1013 kW·h。二是遠(yuǎn)期非化石發(fā)電裝機(jī)占比將超過90%（見表1）。到2030年，我國的電源裝機(jī)容量預(yù)計將達(dá)3.3×109~4×109 kW，其中風(fēng)光占比為44%~50%，煤電占比為30%左右；到2060年，我國電源裝機(jī)容量預(yù)計達(dá)7.1×109~1.19×1010 kW，風(fēng)光占比為58%~80%，煤電裝機(jī)占比為5%~12%。三是遠(yuǎn)期風(fēng)光發(fā)電量占比逐漸提升（見圖1）。2030年預(yù)計風(fēng)光發(fā)電量占比為23%~50%，2060年將提升至50%~65%。在高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)中，風(fēng)光機(jī)組利用率（機(jī)組在一定時間內(nèi)實際發(fā)電量與其最大可能發(fā)電量的比率）不斷變化，導(dǎo)致系統(tǒng)凈負(fù)荷變化幅度更大、速度更快，對靈活性資源需求上升。
表1 我國2030年和2060年的發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)
圖1 我國2030年和2060年發(fā)電量結(jié)構(gòu)
注：國網(wǎng)指國家能源研究院有限公司
（二）不同風(fēng)光發(fā)電量占比對電力系統(tǒng)的靈活性需求
日內(nèi)靈活性資源發(fā)揮電力調(diào)節(jié)作用的原理如圖2所示。在時段1，由于“風(fēng)光+常規(guī)電源”電力供給大于負(fù)荷需求，因此存在“降低供給、增加負(fù)荷”的靈活性調(diào)節(jié)需求；而在時段2，由于“風(fēng)光+常規(guī)電源”供給小于負(fù)荷需求，存在“增加供給、減少負(fù)荷”的靈活性調(diào)節(jié)需求。
圖2 靈活性資源滿足日內(nèi)靈活性需求的原理示意圖
隨著風(fēng)光發(fā)電量占比不斷升高，日內(nèi)、日間、年內(nèi)和年間尺度上對靈活性資源需求的特點也在發(fā)生變化。在日內(nèi)和日間尺度上，隨著凈負(fù)荷的峰谷差不斷加大，對靈活性資源的需求表現(xiàn)為更大范圍的出力和更高的響應(yīng)速度，但對靈活性資源發(fā)電量的需求并不大。
在年內(nèi)尺度上，由于風(fēng)光資源的季節(jié)性差異，低谷季節(jié)的風(fēng)光發(fā)電減少，導(dǎo)致靈活性資源不僅要發(fā)揮日內(nèi)和日間調(diào)節(jié)的作用，還要補足風(fēng)光季節(jié)性發(fā)電量的差異，因此具有“出力又出量”的特點，在煤電或者氣電擔(dān)當(dāng)這一任務(wù)條件下，“出量”也意味著碳排放的同時增加。
在年間尺度上，隨著風(fēng)光發(fā)電量占比的進(jìn)一步提高，電力行業(yè)碳排放將在達(dá)峰之后實現(xiàn)絕對下降，此時所需要的靈活性資源，不僅需要滿足日內(nèi)調(diào)峰和季節(jié)性調(diào)峰的要求，還要同時滿足低碳甚至零碳排放的要求，這要求擔(dān)任靈活調(diào)峰任務(wù)的火電機(jī)組持續(xù)改換低碳燃料或者利用碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)以減少碳排放，同時需要面向碳中和發(fā)展新型跨季節(jié)儲能技術(shù)，實現(xiàn)可再生能源的季節(jié)性平移。
結(jié)合上述有關(guān)日內(nèi)和日間、年內(nèi)和年間不同時間尺度對靈活性資源需求的分析，以及電力低碳發(fā)展路線的要求，2030年前、2030—2050年、2050—2060年3個階段不同風(fēng)光發(fā)電量占比對電力系統(tǒng)靈活性需求的具體分析如下。
在電力部門碳達(dá)峰前（2030年前），風(fēng)光發(fā)電量占比低于30%，火電發(fā)電量仍占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著風(fēng)光發(fā)電量占比的提升，風(fēng)光資源的隨機(jī)性和波動性對電力系統(tǒng)的影響逐漸加大，局部時段（日出及日落）源荷不平衡矛盾凸顯，凈負(fù)荷相鄰時段差值增大，電力系統(tǒng)需要配置一定比例的靈活性調(diào)節(jié)資源。由于電力部門碳達(dá)峰前碳排放仍存在一定的增長空間，系統(tǒng)靈活性可以通過火電機(jī)組變負(fù)荷運行來實現(xiàn)。此階段，電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)主要考慮如何以最低代價調(diào)度火電機(jī)組的啟動與運行，同時兼顧風(fēng)光出力精準(zhǔn)預(yù)測和抽水蓄能等靈活性資源的發(fā)展，以確保日內(nèi)和年內(nèi)靈活性調(diào)節(jié)需求得到滿足。
2030—2050年，風(fēng)光發(fā)電量占比為30%~50%。電源側(cè)，部分時段甚至100%的電力由可再生能源提供，氣象條件變化導(dǎo)致的電源波動將成為系統(tǒng)不確定性的主要來源，發(fā)生棄電和缺電的風(fēng)險逐漸增加；電網(wǎng)側(cè)，高比例風(fēng)光并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率和運行慣性的沖擊進(jìn)一步增強，風(fēng)光出力與用電負(fù)荷區(qū)域不匹配導(dǎo)致跨區(qū)域輸送通道容量需求進(jìn)一步增加；負(fù)荷側(cè)，電動汽車、電熱工業(yè)設(shè)備、農(nóng)業(yè)電氣化機(jī)械、電解槽等一系列新型不確定負(fù)荷大規(guī)模出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中，日內(nèi)及年內(nèi)不平衡矛盾更加突出。此階段，在構(gòu)建近零排放電力系統(tǒng)的過程中，靈活性資源運行所產(chǎn)生的碳排放也將受到限制，低碳靈活性資源將更加重要，無CCUS的火電廠逐漸減少，電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)主要考慮在深度減排目標(biāo)約束下，如何協(xié)同發(fā)展具備不同特性的新型低碳靈活性資源，以滿足更長時間尺度、更大調(diào)節(jié)幅度、更迅速變化的靈活性調(diào)節(jié)需求。
2050—2060年，風(fēng)光發(fā)電量占比提升至50%以上，可再生能源發(fā)電量可能出現(xiàn)較長時間富余或空缺，全年富余電量時段風(fēng)光出力有可能達(dá)到負(fù)荷峰值的2~5倍，而短缺電量時段風(fēng)光出力有可能不到負(fù)荷峰值的10%。此階段，電力系統(tǒng)對季節(jié)性供需平衡的需求迅速上升，在靈活性資源滿足日內(nèi)及年內(nèi)電力供需平衡的基礎(chǔ)上，在碳排放受限的前提下，系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)主要考慮如何通過CCUS火電、零碳燃料火電、氫燃料電池、跨季節(jié)儲能技術(shù)等靈活性資源實現(xiàn)能量的季節(jié)性轉(zhuǎn)移來滿足較高的年內(nèi)高峰負(fù)荷需求。
三、靈活性資源的服務(wù)能力及技術(shù)特性
（一）靈活性資源的服務(wù)能力
綜合考慮不同風(fēng)光發(fā)電量比例下電力系統(tǒng)對靈活性資源的需求，電力系統(tǒng)靈活性資源組合應(yīng)具有以下服務(wù)能力：一是高峰能力（充足性），即確保有足夠的能力來滿足一年中最高的預(yù)期負(fù)荷需求；二是爬坡靈活性，即在短時間內(nèi)（數(shù)分鐘到數(shù)小時內(nèi)）快速改變電力輸出以保持供需平衡的能力；三是穩(wěn)定性，即當(dāng)系統(tǒng)頻率因突然失去輸出或需求激增而出現(xiàn)較大偏差時，迅速減少需求或增加供給的能力；四是慣性，即系統(tǒng)克服供給或需求的瞬間擾動而不引起電網(wǎng)連帶故障的能力。
（二）靈活性資源的技術(shù)特性
前文所述，不同靈活性資源滿足不同的靈活性調(diào)節(jié)需求，這取決于各類靈活性資源的技術(shù)特性。為此，本文梳理了多家研究機(jī)構(gòu)關(guān)于“源網(wǎng)荷儲”不同類型靈活性資源的技術(shù)特性，將高峰能力（充足性）、爬坡靈活性、穩(wěn)定性和慣性四個重要指標(biāo)整理如表2所示。
表2 各類靈活性資源的技術(shù)特性比較
高峰能力主要包括調(diào)節(jié)容量范圍及調(diào)節(jié)時間尺度。調(diào)節(jié)容量范圍主要指該靈活性資源最小技術(shù)出力到最大技術(shù)出力的功率范圍。調(diào)節(jié)時間尺度指靈活性資源可參與調(diào)節(jié)的時間長度，分為短時（秒、分鐘）、中時（小時、日內(nèi)、多日）和長時（周、月、季度）三類，可滿足不同幅度和不同時間長度的高峰調(diào)節(jié)需求。同時容量充足性是高峰能力的重要體現(xiàn)，到2060年，可用來滿足全國高峰負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)容量需求接近2.8×109 kW，火電、核電、水電、風(fēng)光發(fā)電、清潔燃料和其他可再生能源、儲能（含電動汽車）、需求響應(yīng)分別占比約為23%、7%、14%、4%、13%、34%、5%，其中火電、核電、水電將提供長周期高峰能力，而電化學(xué)儲能將成為系統(tǒng)短期靈活性的重要來源。
爬坡靈活性主要包括啟動時間和爬坡速度，啟動時間指靈活性資源接收到調(diào)度信號至靈活性資源開始響應(yīng)的時間；爬坡速度指單位時間可調(diào)機(jī)組最大爬坡功率占額定功率的百分比。啟動時間分為秒級、分鐘級和小時級三類，定義Pn為額定功率，則爬坡速度可分為10% Pn/min以下、10%~20% Pn/min和瞬時爬坡三類。不同靈活性資源的啟動時間和爬坡速度能滿足不同凈負(fù)荷的波動速度需求。需求側(cè)響應(yīng)作為靈活性資源通過快速增加或減少負(fù)荷可做到秒級響應(yīng)，2060年預(yù)計占爬坡靈活性需求的50%以上；靈活性電源及抽水蓄能啟動時間為分鐘級及小時級，但爬坡較慢，主要滿足中長期規(guī)律變化的靈活性需求；儲能（含電動汽車）啟動時間為分鐘級，且能做到瞬時爬坡，主要滿足日內(nèi)靈活性需求。
穩(wěn)定性未來主要由電池儲能、常規(guī)可調(diào)節(jié)水電和氫能提供，2060年三者可滿足90%的穩(wěn)定性?；痣娞峁┓€(wěn)定性的能力將逐漸減弱，原因是配備CCUS會阻礙火電機(jī)組做出快速響應(yīng)。
慣性未來主要由核電、配備CCUS的火電和機(jī)械儲能提供，核電和配備CCUS的火電在2060年分別滿足慣性需求的60%和30%。未來，虛擬同步發(fā)電技術(shù)也可以彌補系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)慣量的缺失。
四、我國靈活性資源發(fā)展存在的問題
（一）我國不同類型靈活性電源發(fā)展均存在困境
截至2023年年底，全國累計完成靈活性改造煤電約3×108 kW ，加上“十四五”以來建成的已考慮靈活性的煤電約8×107 kW，以及氣電、常規(guī)水電分別為1.3×108 kW、3.7×108 kW，累計裝機(jī)8.8×108 kW，超額完成2025年靈活調(diào)節(jié)電源占比達(dá)到24%左右（約8.4×108 kW）的目標(biāo)，但靈活性機(jī)組裝機(jī)容量并不等于可以提供靈活性調(diào)節(jié)的容量，如660 MW的煤電機(jī)組最小出力可降低到30%，提供462 MW的調(diào)節(jié)容量。不同靈活性電源發(fā)展存在如下問題：煤電作為靈活性調(diào)節(jié)的重要手段，其頻繁調(diào)節(jié)過程中尤其是進(jìn)入深度調(diào)峰區(qū)間時，機(jī)組運行安全性降低、排放增加、效率下降（見圖3），這將對機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性提出更高要求，所增加的額外成本需要有合理的分?jǐn)偰Ｊ交蜓a償方案保障其可持續(xù)發(fā)展。氣電受困于氣價與電價的不協(xié)調(diào)，發(fā)展規(guī)模及潛力較小。水電作為具有優(yōu)異特性的靈活性調(diào)節(jié)電源，頻繁調(diào)節(jié)將加速機(jī)組磨損并損害發(fā)電量收益，還將導(dǎo)致下游水位陡增 / 陡降進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境，且受氣候變化影響不確定性較大。核電尚不具備日跟蹤調(diào)節(jié)能力，無法頻繁參與系統(tǒng)調(diào)峰。光熱發(fā)電、氫燃料電池、天然氣摻氫發(fā)電等其他靈活性電源技術(shù)成熟度相對較低、成本較高、市場規(guī)模較小。
圖3 不同煤電技術(shù)變負(fù)荷運行時的發(fā)電煤耗
（二）近期儲能仍不是主要靈活性資源
截至2023年，全球和我國已投運的電力儲能容量分別為2.89×108 kW和0.87×108 kW，占風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)容量的比例分別為11.8%和8.3%；預(yù)計到2030年我國電力儲能容量至少將達(dá)到3.41×108 kW（其中抽蓄容量為1.2×108 kW），占風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)容量比例將提升到17.8%~20.9%。儲能近期不是主力靈活性資源的主要原因是：抽水蓄能對地理條件要求較高、建設(shè)周期長，我國大規(guī)模投運將在2030年以后；新型儲能利用率較低，2023年電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、新能源配儲項目儲能平均利用率指數(shù)分別為38%、65%、17%，原因是新型儲能自身成本依舊較高，市場成熟度較高的磷酸鐵鋰電池的度電成本為0.62~0.82元/kW·h，是抽水蓄能的3倍；另外配套的市場機(jī)制和盈利機(jī)制仍不健全，現(xiàn)貨市場的峰谷價差較小且無其他成熟的盈利模式。
（三）跨區(qū)域輸電通道靈活性不足
西北地區(qū)風(fēng)光資源豐富、西南地區(qū)水電資源豐富且調(diào)節(jié)能力強，負(fù)荷需求集中在中部及東南沿海地區(qū)，需通過特高壓線路與負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)互聯(lián)，充分利用不同地區(qū)資源稟賦和負(fù)荷特性，優(yōu)化電力資源配置，有效保障電力供需。隨著未來新能源外送需求增大，電網(wǎng)輸送功率、運行方式和安全穩(wěn)定特性將更為復(fù)雜多變，聯(lián)絡(luò)線傳輸計劃和省網(wǎng)發(fā)電計劃的制定與新能源跨區(qū)消納需求不相匹配表現(xiàn)得更為突出，省間壁壘仍然存在。
（四）電力市場機(jī)制不健全
新能源特別是中西部水風(fēng)光清潔能源基地跨省跨區(qū)交易電價機(jī)制不盡合理，未充分考慮送受兩端的供需特點，造成送受端電價“倒掛”，影響開發(fā)積極性；目前電源側(cè)調(diào)峰補貼資金主要由新能源機(jī)組或未參與調(diào)節(jié)機(jī)組分?jǐn)?，調(diào)節(jié)資金來源及規(guī)模受限，不利于激發(fā)市場活力，甚至出現(xiàn)火電機(jī)組因參與分?jǐn)傉{(diào)峰成本總調(diào)峰收益為負(fù)的情況；負(fù)荷側(cè)通過虛擬電廠等作為主體聚合分布式資源及靈活負(fù)荷參與電力市場交易仍處于起始階段，交易品種較少，盈利模式單一。
五、我國靈活性資源發(fā)展思路
（一）國際靈活性資源發(fā)展的成功經(jīng)驗
德國2023年風(fēng)光裝機(jī)占比為62%，風(fēng)光發(fā)電量占比為41%，其電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定，靈活性資源發(fā)展經(jīng)驗成熟，本節(jié)結(jié)合德國情況介紹國際靈活性發(fā)展的成功經(jīng)驗。
一是發(fā)展應(yīng)用安全、靈活、低碳的可調(diào)峰電源。在保障電力系統(tǒng)安全的前提下，德國以降低最小出力、快速升降負(fù)荷、減少啟停時間為目標(biāo)對煤電機(jī)組進(jìn)行靈活性升級。同時建立戰(zhàn)略備用機(jī)制，將部分煤電機(jī)組納為戰(zhàn)略備用資源，在電力系統(tǒng)常規(guī)運行時，戰(zhàn)略備用機(jī)組將不被調(diào)用，在冬季或當(dāng)光伏發(fā)電不足、電力市場無法提供充足電力的時段，備用機(jī)組由運營商激活調(diào)用，防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)電力供應(yīng)缺口。通過“鹽穴儲氫+氫能發(fā)電”滿足中長期煤電退出后剩余負(fù)荷用電及冬季供暖需求，預(yù)計到2035年氣電發(fā)電量占比將達(dá)到9%（氫氣占比為7%），以及推動“分布式光伏+家庭儲能”建設(shè)，家庭儲能可提供約一半的需求側(cè)靈活性潛力。
二是歐洲通過“物理互聯(lián)+市場一體化”的互聯(lián)模式實現(xiàn)電量余缺互濟(jì)。一方面歐洲具備建立一體化電力市場的物理條件，20世紀(jì)中葉已初步建立跨國互聯(lián)電網(wǎng)，且各國根據(jù)自身資源稟賦形成了具有互補優(yōu)勢的電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)，如法國多核電、丹麥風(fēng)電占比高、挪威水電豐富；另一方面歐洲具備電力市場一體化的現(xiàn)實需要及市場條件，各國在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及地理位置上的差異使各國的負(fù)荷需求和發(fā)電出力時空上具備互補特性，而跨國電網(wǎng)的運營及市場聯(lián)合出清機(jī)制將多國電力市場聯(lián)結(jié)在一起，并通過競價分區(qū)機(jī)制，推動電力從能源生產(chǎn)富余區(qū)以低廉成本送至高負(fù)荷消費區(qū)。德國通過與周邊11國進(jìn)行跨國電力交易，滿足其逐時電力供需平衡，根據(jù)調(diào)研，2023年德國調(diào)出電力中奧地利、法國、瑞士3國共占比52%，德國冬季（12月—次年2月）風(fēng)電發(fā)電量占比達(dá)37%，奧地利僅占比17%，且該時段德國調(diào)出電力平均為103 €/MW·h，而奧地利國內(nèi)現(xiàn)貨市場電價平均為119.98 €/MW·h，冬季取暖電力需求、價格、電力供給能力的不同共同促進(jìn)奧地利成為德國最大的電力出口國；德國調(diào)入電力主要依賴于丹麥、法國、挪威等國，最大可滿足其國內(nèi)51%的電力需求。
三是充分調(diào)度多元靈活性負(fù)荷。德國建立了平衡責(zé)任單元機(jī)制，全國現(xiàn)已形成約1.1×104個平衡責(zé)任單元。平衡責(zé)任單元不受地域結(jié)構(gòu)限制但隸屬于同一調(diào)度區(qū)域，每個電力市場成員必須加入一個單元，且單元內(nèi)必須包含一個平衡責(zé)任主體，并接受輸電系統(tǒng)運營商管理。平衡責(zé)任單元負(fù)責(zé)預(yù)測本單元內(nèi)的整體負(fù)荷與出力，并通過協(xié)調(diào)單元內(nèi)成員交易和單元間交易來降低系統(tǒng)的不平衡性。平衡責(zé)任主體由售電公司、發(fā)電企業(yè)、負(fù)荷聚合商承擔(dān)，但需接受不平衡電量考核和付費機(jī)制，若平衡責(zé)任主體無法實現(xiàn)單元內(nèi)平衡，則由輸電系統(tǒng)運營商調(diào)動資源確保系統(tǒng)總體平衡，并對單元內(nèi)的不平衡電量進(jìn)行清算。
（二）我國靈活性資源發(fā)展的基本原則
借鑒發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗，結(jié)合電力系統(tǒng)對靈活性資源的需求，我國靈活性資源發(fā)展基本原則如下。
一是保障安全原則。“源網(wǎng)荷儲”各環(huán)節(jié)靈活性資源在時空尺度協(xié)調(diào)發(fā)展和布局，確保靈活性電源容量、電網(wǎng)互濟(jì)容量、儲能容量和需求側(cè)可響應(yīng)的容量，在共同作用下能滿足全年最大用電負(fù)荷需求，保障極端條件下的系統(tǒng)電力電量平衡和安全運行。
二是低碳發(fā)展原則。在確保電力安全的前提下，科學(xué)有序規(guī)劃加裝CCUS的靈活性火電、常規(guī)可調(diào)節(jié)水電、核電、氣電、抽水蓄能、電化學(xué)儲能、氫能等清潔低碳靈活性資源。
三是經(jīng)濟(jì)最優(yōu)原則。綜合考慮各類靈活性資源的技術(shù)特性及發(fā)展?jié)摿?，根?jù)不同風(fēng)光發(fā)電量占比對靈活性資源的需求，優(yōu)先發(fā)展技術(shù)成熟度高、投資或改造成本低、運行維護(hù)時間少的靈活性資源。
（三）我國靈活性資源發(fā)展路線
借鑒國際經(jīng)驗，靈活性電源、儲能技術(shù)、靈活負(fù)荷、電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)將共同保障電力系統(tǒng)的靈活性，我國靈活性資源的發(fā)展將從目前以靈活性電源為主向“源網(wǎng)荷儲”協(xié)同的低碳靈活性資源保障體系演變。根據(jù)上文對不同階段靈活性資源需求的分析，結(jié)合我國中長期電力結(jié)構(gòu)變化趨勢以及煤電資產(chǎn)豐富、電網(wǎng)技術(shù)先進(jìn)、儲能及新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速的實際情況，在對各種靈活性資源技術(shù)的進(jìn)入時間、發(fā)展規(guī)模以及成本進(jìn)行綜合研判的基礎(chǔ)上，提出了對我國電力系統(tǒng)靈活性資源發(fā)展路線的建議（見圖4）。
圖4 我國電力系統(tǒng)靈活性資源發(fā)展路線
注：V2G表示車對網(wǎng)技術(shù)
在電力部門碳達(dá)峰前，電力部門凈排放將增長至4×109 t以上。考慮成本因素，可以優(yōu)先發(fā)展應(yīng)用靈活性煤電（2030年為5×108~7×108 kW）、區(qū)域內(nèi)靈活調(diào)度、智能微電網(wǎng)等成本相對較低的靈活性資源，重點解決電網(wǎng)中可能存在的響應(yīng)能力和日內(nèi)高峰能力不足等問題。同時，可輔以氣電、抽水蓄能、工商業(yè)負(fù)荷需求響應(yīng)等靈活性資源，這些技術(shù)需要付出相對較高的經(jīng)濟(jì)成本，可起到一定的輔助支撐作用。除此之外，提前擴(kuò)大跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)傳輸容量，提高區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)能力，到2030年，跨區(qū)電力交換功率總?cè)萘窟_(dá)到2020年的1.8~2.7倍。
電力部門碳排放達(dá)峰后，排放量將逐漸下降，到2050年，凈排放量將下降至0~1×109 t。此階段，對日內(nèi)及年內(nèi)高峰能力的需求迅速上升，且部分時段調(diào)節(jié)幅度需求較大，同時對能提供系統(tǒng)慣量的靈活性資源需求上升。此階段，通過借助成本較低的儲氣、儲熱、蓄冷等儲能設(shè)備以及分布式電源與微電網(wǎng)、虛擬電廠深度結(jié)合，可平抑風(fēng)光日內(nèi)的波動性；當(dāng)上述技術(shù)不能滿足需求時，可進(jìn)一步考慮工業(yè)領(lǐng)域大工業(yè)用戶負(fù)荷中斷、交通領(lǐng)域電動汽車車網(wǎng)協(xié)同（2030年千萬千瓦級以上）、建筑領(lǐng)域智能家居控制優(yōu)化等需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)，以及加裝CCUS的火電、高比例摻氫氣電、光熱發(fā)電、氫燃料電池、壓縮空氣儲能、液流電池儲能、超級電容儲能等成本較高的資源。
到2060年，凈排放量將下降至-3.4×108~-2.5×108 t，該階段火電幾乎全部為加裝CCUS的摻燒生物質(zhì)及氨煤電、摻氫氣電、生物質(zhì)發(fā)電等零碳或負(fù)碳火電技術(shù)。此階段，對靈活性資源更大的調(diào)節(jié)容量范圍、更長的調(diào)節(jié)時間尺度、更多樣的慣量提供需求達(dá)到巔峰。一方面需要通過虛擬同步發(fā)電技術(shù)、火電、機(jī)械儲能調(diào)頻等措施增強系統(tǒng)的慣量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定能力；另一方面，可通過跨季節(jié)儲熱、蓄冷、鹽穴儲氫等季節(jié)性儲能技術(shù)實現(xiàn)季節(jié)性的能量轉(zhuǎn)移，解決季節(jié)性不平衡的問題；應(yīng)用電制氫（P2H），電制氣（P2G）、電制熱（P2H）、電制冷（P2C）等電轉(zhuǎn)其他能源（P2X）技術(shù)，實現(xiàn)電力部門和其他能源部門的耦合平衡，解決富余風(fēng)光電力消納問題。
（四）靈活性資源發(fā)展路線可行性分析
根據(jù)前文介紹的靈活性調(diào)節(jié)原理，結(jié)合表2總結(jié)的各類靈活性資源技術(shù)特性，本節(jié)選取發(fā)展路線中的2060年靈活性資源組合為研究對象，對其電力、電量安全保障能力進(jìn)行分析。
從電力保障來看，2060年風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量均為3×109 kW，全國最高用電負(fù)荷為2.6×109 kW；根據(jù)圖4中梳理的2060年靈活性資源裝機(jī)容量的預(yù)測范圍，以及表2中的靈活性資源調(diào)節(jié)容量范圍，其平均值分別是煤電為3×108 kW（70%可調(diào)節(jié)容量）、氣電為2.1×108 kW（80%可調(diào)節(jié)容量）、生物質(zhì)發(fā)電為1.1×108 kW（70%可調(diào)節(jié)容量）、抽蓄為5.1×108 kW、新型儲能為1.12×109 kW，需求側(cè)響應(yīng)容量為3.9×108 kW，累計可調(diào)節(jié)容量為2.64×109 kW。根據(jù)國網(wǎng)區(qū)域風(fēng)電和光伏的日內(nèi)最大波動率（全部風(fēng)光裝機(jī)輸出總功率的日內(nèi)最大變化幅度）約23%和54%，可以得出日內(nèi)風(fēng)光最大波動量之和約為2.31×109 kW，小于累計可調(diào)節(jié)容量（2.64×109 kW），結(jié)合全國特高壓交直流輸電網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)市場機(jī)制的完善，靈活性資源可保障電力供應(yīng)安全。從可調(diào)節(jié)容量的響應(yīng)速度來看，儲能、需求側(cè)響應(yīng)能在瞬時進(jìn)行出力或削減負(fù)荷，煤電爬坡速度為3%~6% Pn/min，氣電的爬坡速度為8%~15% Pn/min，均可在1 h內(nèi)提升至最大出力狀態(tài)，可滿足日內(nèi)風(fēng)光最大波動率下的電力缺口。
從電量保障來看，根據(jù)2023年各機(jī)組平均發(fā)電利用小時數(shù)以及2060年火電機(jī)組低負(fù)荷運行的出力情況，2060年風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、核電、火電平均利用小時數(shù)分別為2221 h、1337 h、3412 h、7616 h、800 h，則全年發(fā)電量達(dá)到1.6×1013 kW·h以上，能滿足全年電力需求。
六、我國靈活性資源發(fā)展的重點舉措
（一）保障煤電作為靈活調(diào)節(jié)的支撐性電源，因地制宜發(fā)展其他靈活性電源
保障煤電作為電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)的支撐電源。針對當(dāng)前煤電企業(yè)靈活性改造積極性不足的問題，有必要加強政策公平性，提升煤電企業(yè)長遠(yuǎn)收益的預(yù)期。在遵循“誰調(diào)峰、誰受益，誰改造、誰獲利”的原則下，充分考慮不同區(qū)域、機(jī)組類型以及改造投入和運營成本等多種因素，對于靈活性改造機(jī)組，完善容量電價、給予額外發(fā)電小時數(shù)補償、制定財政補助及稅收優(yōu)惠政策等措施分擔(dān)改造及調(diào)峰成本。同時，隨著風(fēng)光發(fā)電量比例的增加，完善與推廣火電和新能源企業(yè)承擔(dān)調(diào)峰成本的機(jī)制及模式。研究存量煤電機(jī)組的區(qū)域分布，確保必要的轉(zhuǎn)動慣量以維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。
因地制宜發(fā)展其他靈活性電源。在氣源有保障、氣價可承受、調(diào)峰需求大的地區(qū)，適當(dāng)建設(shè)氣電，并逐步提升氣電中摻混氫氣比例。在西南地區(qū)，發(fā)展智慧水電，通過與風(fēng)、光、儲等多種能源資源跨時空協(xié)同開發(fā)，實現(xiàn)大范圍互補互濟(jì)。在西北地區(qū)，逐步凸顯光熱發(fā)電的系統(tǒng)價值，在晚高峰時段發(fā)揮電力支撐作用。在東南地區(qū)，探索核電調(diào)峰，研究核電安全參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的可行性。在調(diào)峰時間比較集中的地區(qū)，研發(fā)并應(yīng)用具備經(jīng)濟(jì)競爭力的分布式氫燃料電池發(fā)電機(jī)組。
增加新能源出力的靈活性。綜合考慮高比例風(fēng)光并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性及利用率，多途徑提升新能源并網(wǎng)友好性，適當(dāng)情況下可以考慮棄風(fēng)棄光。開發(fā)高精度新能源超短期功率預(yù)測技術(shù)，為電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)提供關(guān)鍵信息。積極應(yīng)用虛擬同步機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)新能源電站具備類似火電廠同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性。
（二）規(guī)劃建設(shè)跨省跨區(qū)輸電通道，構(gòu)建透明電網(wǎng)及電力人工智能系統(tǒng)
規(guī)劃建設(shè)跨省跨區(qū)輸電通道。持續(xù)開展電網(wǎng)運行的科學(xué)預(yù)測分析，超前規(guī)劃電網(wǎng)通道建設(shè)，加快特高壓等清潔能源送出通道的電網(wǎng)建設(shè)步伐，以確保清潔能源的高效傳輸和利用。支持發(fā)展基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)，加強區(qū)域間、省間輸電線路聯(lián)絡(luò)線建設(shè)，提高跨區(qū)域輸電通道運行方式靈活性，有效挖掘并利用不同區(qū)域間的凈負(fù)荷時序互補特性，降低各區(qū)域凈負(fù)荷波動。
建設(shè)可見、可知、可控的透明電網(wǎng)，構(gòu)建電力人工智能系統(tǒng)。依托透明電網(wǎng)，采用智能控制算法優(yōu)化調(diào)度有功、無功潮流，提高電網(wǎng)靈活性運行水平。結(jié)合先進(jìn)人工智能技術(shù)開發(fā)電力系統(tǒng)專用大模型，建設(shè)電力人工智能系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)感知、精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)系統(tǒng)電力電量實時平衡，保障新能源最大程度消納。
（三）發(fā)展多元靈活性負(fù)荷，深入挖掘需求側(cè)靈活性資源利用價值
發(fā)展多元靈活性負(fù)荷。因地制宜發(fā)展電制氫、電轉(zhuǎn)氣、電鍋爐、電制甲烷、電制冷等靈活用電負(fù)荷，推動其參與系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)運行，減少系統(tǒng)峰谷差。調(diào)動大的高載能工業(yè)用戶參與需求響應(yīng)，實現(xiàn)源隨荷動逐漸向源荷互動轉(zhuǎn)變。持續(xù)引導(dǎo)電動汽車有序充放電，構(gòu)建完善車網(wǎng)互動與換電相結(jié)合的靈活調(diào)節(jié)體系。
深入挖掘需求側(cè)可響應(yīng)資源利用價值。充分利用可調(diào)節(jié)負(fù)荷、分布式電源、儲能等資源潛力，支持通過負(fù)荷聚合商、虛擬電廠、微電網(wǎng)等主體聚合形成規(guī)模化調(diào)節(jié)能力，推動實施分鐘級、小時級需求響應(yīng)，參與調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)市場。加速部署用戶側(cè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息交互設(shè)備，有序進(jìn)行用戶側(cè)資源的挖掘、開發(fā)、聚合和交易等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)需求側(cè)資源的自動化和智能化調(diào)用。開展不同類型用戶（居民、工業(yè)、建筑）的高精度負(fù)荷預(yù)測分析研究，借助高精度用戶級負(fù)荷數(shù)據(jù)，以及分時電價、有序充電、上網(wǎng)補貼等激勵政策，有效引導(dǎo)用戶錯峰用電、節(jié)約用電，提高電力系統(tǒng)的靈活性。
（四）多元化發(fā)展及應(yīng)用儲能技術(shù)，重點研發(fā)示范跨季節(jié)儲能技術(shù)
多元化發(fā)展及應(yīng)用儲能技術(shù)。高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)需要具備高安全、大容量、低成本、長周期、響應(yīng)迅速、多層次支撐等多種功能。充分發(fā)揮各類新型儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，多元化推進(jìn)抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等機(jī)械儲能，鈉離子電池、液流電池等電化學(xué)儲能，超級電容器，光熱儲能等技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、用戶側(cè)應(yīng)用場景需求，合理選擇儲能技術(shù)類型，提高儲能利用率。
重點研發(fā)示范跨季節(jié)儲能技術(shù)。未來儲能技術(shù)將實現(xiàn)短時、長時、季節(jié)性多尺度發(fā)展，跨季節(jié)能滿足日以上時間尺度平衡調(diào)節(jié)需求，大幅提升電力系統(tǒng)中遠(yuǎn)期靈活性。著力研發(fā)及試點示范鹽穴儲氫、氫燃料電池、跨季節(jié)儲熱等跨季節(jié)儲能技術(shù)，解決新能源大規(guī)模并網(wǎng)帶來的日以上時間尺度的系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)需求。
（五）建立多元化的電力市場主體格局，完善保障靈活性資源發(fā)展的市場機(jī)制
建立多元化的電力市場主體格局。鼓勵發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、售電企業(yè)、交易公司、儲能企業(yè)、電力用戶、政府相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)和市場管理委員會積極參與市場建設(shè)，形成全員參與的電力市場新格局。
健全容量成本回收機(jī)制。落實抽水蓄能和煤電容量電價機(jī)制，按照“誰承擔(dān)、誰收益，誰提供、誰獲利”的原則，探索建立新型儲能、氫燃料電池等靈活性資源參與容量市場的機(jī)制。
健全輔助服務(wù)市場的交易主體及品種。在交易主體方面，推動負(fù)荷聚合商、虛擬電廠、儲能等主體參與市場競爭，降低其準(zhǔn)入條件。在交易品種方面，根據(jù)各地系統(tǒng)需求探索新增快速頻率響應(yīng)、快速爬坡、備用、轉(zhuǎn)動慣量等輔助服務(wù)品種，積極應(yīng)對高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)低慣性及無功支撐能力下降帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。同步建立跨省跨區(qū)的調(diào)峰輔助服務(wù)交易機(jī)制，提升靈活性資源的優(yōu)化配置能力。通過市場化手段，實現(xiàn)省間和區(qū)域間調(diào)峰能力的互濟(jì)，有效應(yīng)對電力供需波動，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
七、結(jié)語
在我國堅持走可持續(xù)發(fā)展道路，大力發(fā)展新能源，構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)背景下，需要著力推動我國靈活性資源的合理發(fā)展，確保電力供應(yīng)安全。本文在綜述“雙碳”目標(biāo)下電力低碳發(fā)展路線研究、分析不同比例風(fēng)光發(fā)電量占比的靈活性需求基礎(chǔ)上，提出了與我國電源結(jié)構(gòu)發(fā)展相匹配的靈活性資源發(fā)展基本原則和發(fā)展路線，進(jìn)一步提出了保障靈活性資源發(fā)展的重點舉措。
展望后續(xù)研究，建議結(jié)合“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)情況、能源及電力行業(yè)的新發(fā)展態(tài)勢、不同靈活性資源的技術(shù)成熟度，前瞻性地開展技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價，細(xì)化和深化我國靈活性資源發(fā)展的時間表、路線圖，形成支撐發(fā)展高比例風(fēng)光電力系統(tǒng)的可行對策。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
