摘 要：我國正在加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，顯著的特點(diǎn)就是推動新能源裝機(jī)快速發(fā)展。但隨著新能源裝機(jī)規(guī)模的不斷增加，其出力的隨機(jī)波動性給電力系統(tǒng)的功率平衡帶來了巨大的調(diào)峰壓力，也成為制約高比例新能源消納的主要因素；同時(shí)，由于新能源等電力電子設(shè)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(jié)合新能源并網(wǎng)分布特點(diǎn)及其快速增長帶來的調(diào)節(jié)需求，提出了增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力配置儲能的分析原則；結(jié)合特高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行需求，分析了儲能提升特高壓電網(wǎng)安全性方面的作用，在受端電網(wǎng)內(nèi)配置GW級（數(shù)百萬千瓦）的電化學(xué)儲能電站，參與電網(wǎng)頻率安全控制，能有效應(yīng)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(fù)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(xué)儲能應(yīng)用，構(gòu)建更加靈活高效的電力系統(tǒng)，既能有效促進(jìn)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(shè)備的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電化學(xué)儲能在電力系統(tǒng)中的試點(diǎn)應(yīng)用取得了大量經(jīng)驗(yàn)，為下一步大規(guī)模應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：新能源；電化學(xué)儲能；安全穩(wěn)定
大力發(fā)展新能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展，是推動我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的要求，也是我國經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要。但隨著新能源裝機(jī)規(guī)模不斷增加，其波動性和間歇性增加了電源側(cè)調(diào)峰、調(diào)頻壓力，加之直流等非同步電源占比不斷提升，導(dǎo)致維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的轉(zhuǎn)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(yùn)行，已經(jīng)成為政府和社會各界關(guān)注的焦點(diǎn)。電化學(xué)儲能作為一種調(diào)節(jié)速度快、布置靈活、建設(shè)周期短的調(diào)節(jié)資源日益受到人們的關(guān)注和重視[]。推動GW級電化學(xué)儲能建設(shè)應(yīng)用，構(gòu)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(yùn)行的必然要求[]。本文所研究的大規(guī)模儲能指的是技術(shù)上的電化學(xué)儲能，所提及的儲能電站指的工程上的電化學(xué)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(wǎng)運(yùn)行給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來的挑戰(zhàn)
我國清潔能源資源與用電負(fù)荷呈逆向分布特點(diǎn)。我國西部、北部地區(qū)擁有80%以上陸地風(fēng)能、60%以上太陽能和70%以上水能資源，而全國70%的負(fù)荷集中在中、東部地區(qū)，必須借助大電網(wǎng)，構(gòu)建大市場，在全國范圍內(nèi)消納新能源。截至2019年底，風(fēng)電裝機(jī)仍主要集中在“三北”地區(qū)，累計(jì)裝機(jī)容量1.46億千瓦，占全國風(fēng)電裝機(jī)的70%。河北、山西、內(nèi)蒙古、江蘇、山東、甘肅、寧夏、新疆等8個(gè)省區(qū)裝機(jī)容量超過1000萬千瓦。其中，內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)超過3000萬千瓦，新疆、河北風(fēng)電裝機(jī)超過1500萬千瓦。
新能源在總裝機(jī)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(fèi)比重達(dá)到18%測算，2025年末風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模要較目前還要增長一倍以上，日內(nèi)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(shí)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(qiáng)大的調(diào)峰手段以及靈活、可靠、快速的頻率調(diào)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(fēng)險(xiǎn)。因此，要保持新能源的高效消納和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(diào)節(jié)能力為目標(biāo)開展配置儲能分析計(jì)算，應(yīng)包括功率配置分析計(jì)算、能量配置分析計(jì)算、安全穩(wěn)定校核和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)等環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)配置儲能的功率應(yīng)選取滿足累積概率要求的新能源受阻功率和負(fù)荷限電功率最大值；配置儲能的能量應(yīng)選取滿足新能源利用率和負(fù)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(jì)算應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)資源等系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)能力。電力系統(tǒng)配置儲能分析計(jì)算所需數(shù)據(jù)應(yīng)包括時(shí)序數(shù)據(jù)和非時(shí)序數(shù)據(jù)。時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)包括開機(jī)方式、負(fù)荷、新能源發(fā)電功率、徑流式水電功率等，時(shí)間分辨率不應(yīng)小于60 min，數(shù)據(jù)長度不應(yīng)小于1年；非時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)包括常規(guī)電源、已建儲能、需求響應(yīng)資源等系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的性能參數(shù)及規(guī)劃的電源并網(wǎng)容量數(shù)據(jù)?？紤]負(fù)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(shè)20 GW以上電化學(xué)儲能電站。
2 大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對儲能的需求
2.1 特高壓電網(wǎng)過渡期面臨的問題
我國一次能源與負(fù)荷呈逆向分布的客觀現(xiàn)狀以及風(fēng)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(fù)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(jīng)過幾年的建設(shè)，目前在運(yùn)特高壓直流11條，設(shè)計(jì)輸電容量9860萬千瓦，單回最大輸送容量1200萬千瓦，相當(dāng)于吉林、甘肅全省的用電負(fù)荷。隨著大容量直流、高比例新能源的發(fā)展，我國電源、電網(wǎng)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(jī)組在電網(wǎng)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(wǎng)的部分常規(guī)電源，導(dǎo)致電網(wǎng)中傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組占比逐漸降低，同步電網(wǎng)的慣量支撐和一次調(diào)頻能力不斷下降，頻率的支撐和調(diào)節(jié)能力難以應(yīng)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(fù)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(wǎng)中，跨區(qū)直流的閉鎖還可能引發(fā)大區(qū)間交流聯(lián)絡(luò)線上的大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移，造成跨區(qū)同步互聯(lián)電網(wǎng)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(wǎng)瞬時(shí)損失功率490萬千瓦（設(shè)計(jì)容量720萬千瓦），當(dāng)日負(fù)荷水平1.5億千瓦，網(wǎng)內(nèi)開機(jī)容量1.7億千瓦，由于其他電源一次調(diào)頻能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低跌至49.56 Hz，對電網(wǎng)運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。
2.2 儲能提升特高壓電網(wǎng)安全性方面的作用
電網(wǎng)格局與電源結(jié)構(gòu)的重大改變，使電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性不斷惡化。新形態(tài)下電網(wǎng)安全防御，需要在數(shù)百毫秒內(nèi)快速抑制數(shù)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(nèi)增加更為靈活、可靠和快速的大規(guī)模有功調(diào)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(xué)儲能可在數(shù)百毫秒實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換時(shí)間不超過1秒，可實(shí)現(xiàn)毫秒級的有功功率調(diào)節(jié)響應(yīng)，是傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)節(jié)性能的50倍以上。初步研究表明，在受端電網(wǎng)內(nèi)配置GW級（數(shù)百萬千瓦）的電化學(xué)儲能，并使其參與到電網(wǎng)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(jī)組）、精準(zhǔn)切負(fù)荷等頻控措施的替代或互補(bǔ)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(shù)百萬千瓦電化學(xué)儲能實(shí)現(xiàn)功率源的虛擬慣量控制與一次調(diào)頻控制，在頻率跌落和恢復(fù)期間迅速響應(yīng)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(fù)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(wǎng)內(nèi)，配置GW級（數(shù)百萬千瓦）的儲能，并使其參與到電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，立即響應(yīng)大直流閉鎖事件，快速放電進(jìn)行緊急功率支撐，則可以等效替代切負(fù)荷安全穩(wěn)定控制措施，釋放跨區(qū)直流和交流聯(lián)絡(luò)線的輸電能力。
3 GW級儲能電站建設(shè)條件基本成熟
3.1 具有一定的工程建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)
截至2019年底，我國新增電化學(xué)儲能裝機(jī)63.69萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到171萬千瓦，已廣泛應(yīng)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(wǎng)友好性、儲能機(jī)組二次調(diào)頻、大容量儲能電站調(diào)峰等多樣性示范工程，包括：國家風(fēng)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(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)友好性；江蘇儲能電站，其規(guī)模為101 MW/202 MW·h，可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、緊急功率支撐等電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用功能；山西部分火電廠配置9 MW儲能電站，可提升火電調(diào)頻能力等。
3.2 電化學(xué)儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性快速提升
近幾年，儲能電池技術(shù)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(shí)，應(yīng)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(yīng)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(shù)已達(dá)或超過國際先進(jìn)水平。
3.3 具有較為完善的電化學(xué)儲能并網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)體系
我國已研究形成了涵蓋基礎(chǔ)通用、規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備及試驗(yàn)、施工及驗(yàn)收、并網(wǎng)及檢測、運(yùn)行及維護(hù)等6個(gè)方面的電化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體系，已制定發(fā)布11項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，9項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和15項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。
4 結(jié)論
（1）在我國建設(shè)GW級電化學(xué)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(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)儲能核心技術(shù)自主創(chuàng)新，落實(shí)“四個(gè)革命，一個(gè)合作”國家能源安全發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。
（2）應(yīng)結(jié)合新能源新增容量及布局特點(diǎn)，深入開展電化學(xué)儲能配置容量研究，增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保障新能源利用率保持在合理水平。同時(shí)，要結(jié)合特高壓電網(wǎng)特點(diǎn)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(wǎng)安全運(yùn)行。
（3）電化學(xué)儲能已經(jīng)在電力系統(tǒng)有多種應(yīng)用，電池本體、集成技術(shù)、協(xié)調(diào)運(yùn)行等方面取得了大量經(jīng)驗(yàn)，并形成了標(biāo)準(zhǔn)體系，為下一步更大規(guī)模的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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(xué)與技術(shù),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(wǎng)運(yùn)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(diào)度運(yùn)行管理，E-mail：fan-gaofeng@sgcc.com.cn。
