中國儲能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基于化石能源等常規(guī)能源，電源側發(fā)電單元容量較大、單元數(shù)量有限、集中可控，輸電側主干網(wǎng)架電壓等級高、輸送規(guī)模大，配電側以無源網(wǎng)絡為主，負荷以消費電力為主。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的電力電量平衡方法、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行與控制技術已經(jīng)較為成熟，電力系統(tǒng)大多數(shù)情況處于確定可控的安全狀態(tài)下。隨著風光等新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)電源由確定可控的常規(guī)電源裝機為主，轉變?yōu)榫哂胁淮_定性的、弱可控性的新能源裝機為主；由于分布式等新能源的發(fā)展，配電網(wǎng)由無源網(wǎng)絡轉變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡，需求側的不確定性也大大提高。大量電力電子元器件接入系統(tǒng)帶來新型安全穩(wěn)定問題和電能質量問題，電力系統(tǒng)在理論和實踐上都面臨著重大挑戰(zhàn)。
一、挑戰(zhàn)：電力系統(tǒng)的新型供需平衡與新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題
一定時期內(nèi)的電能供應總量應滿足電能需求總量，實時電力系統(tǒng)需求與供應應始終保持平衡。電力系統(tǒng)實時運行中，時刻受到需求波動、設備操作與故障、外部沖擊等多種擾動因素的影響，而電力系統(tǒng)應是一個穩(wěn)定平衡的系統(tǒng)，在受到各種干擾影響的情況下都能夠自主恢復穩(wěn)定或者過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)，且在整個過程中能夠保障電力供應的可靠性和電能質量，這就是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行問題。無論是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，還是新型電力系統(tǒng)，保障電力電量平衡、確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定都是電力系統(tǒng)運行中需要處理的重要問題。
能源轉型改變了傳統(tǒng)電力電量平衡和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的性質條件。
電力電量平衡方面，由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中每一個發(fā)電單元都具有較大容量且特征突出、易于控制，以發(fā)電跟隨用戶變化的思路對系統(tǒng)中的發(fā)電單元及其上游進行調整控制，可以較好地實現(xiàn)電力電量各個時間尺度的精準平衡，系統(tǒng)調度管理與控制的技術比較成熟。新型電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電單元容量小但是數(shù)量巨大，風光等新能源隨機性強、難以預測，波動性大、跟蹤控制難，時間序列上出力具間歇性，晚峰無光、極熱無風，導致系統(tǒng)調峰困難。系統(tǒng)平衡機制由確定性發(fā)電跟蹤不確定性負荷，轉變?yōu)椴淮_定性發(fā)電與不確定性負荷雙向匹配。這使得在任何時間尺度上都能精準保障供需平衡變得十分困難。
電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以交流為主運輸、配送電能，直接并入同一系統(tǒng)的旋轉器件越多，系統(tǒng)轉動慣量越大，就具有更好的穩(wěn)定平衡特性，小規(guī)模的外部沖擊和系統(tǒng)內(nèi)部故障不會對電力系統(tǒng)帶來致命影響，在經(jīng)歷較大規(guī)模沖擊或者連續(xù)沖擊的情況下，由于慣性特征，也較易于采取控制措施以恢復系統(tǒng)穩(wěn)定。新型電力系統(tǒng)中，大量風電、光伏所發(fā)電能通過換流裝置接入系統(tǒng)，系統(tǒng)容量規(guī)模增大的同時，轉動慣量隨著傳統(tǒng)電源逐步退出而逐漸減少，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能降低。功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等問題由于新能源的擴張而更加突出。另外，電力電子器件具有強非線性、切換性、離散性特征，而新型電力系統(tǒng)中高比例電力電子換流設備的應用，大大增加了傳統(tǒng)功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定發(fā)生機理、運行控制的復雜性，還給電力系統(tǒng)帶來新的穩(wěn)定問題，例如由電力電子元器件特性引發(fā)的新型振蕩問題、多饋入直流在負荷中心引發(fā)的電壓穩(wěn)定問題等，以及諧波污染、電壓閃動等電能質量問題。新型電力系統(tǒng)建設過程中，不僅要從技術上解決傳統(tǒng)高慣量電力設施比例越來越小帶來的慣性穩(wěn)定問題，還要發(fā)展新的穩(wěn)定理論以指導解決因高比例新能源和高比例電力電子設備接入帶來的新型穩(wěn)定問題。
在從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉變過程中，新型供需平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題都十分突出，如果不能夠很好地解決這些問題，新型電力系統(tǒng)將無法實現(xiàn)安全可靠的基本目標。
二、思路：儲能在解決新型供需平衡與新型穩(wěn)定問題中的運用
對于新型供需平衡問題，目前主流的方法，一方面是在系統(tǒng)中規(guī)劃建設足夠的滿足爬坡需求的靈活性電源，盡可能實現(xiàn)多能互補以減少對單一能源的依賴，同時加強網(wǎng)間互濟能力，在需求側采取必要措施等；另一方面，是加強系統(tǒng)運行管理，完善調度管理機制，提升預測預警水平，優(yōu)化調度策略并提升調度技術。這些措施可以提高電力電量平衡適應的概率，但是不能保證在全時間尺度實現(xiàn)精準的電力電量平衡。同時，將煤電作為主力靈活性資源，不僅成本高，長遠看還面臨資源稀缺、枯竭的風險，而大規(guī)模建設鋰基短時電化學儲能等也面臨關鍵資源約束、能量密度限制、安全穩(wěn)定性不足等問題。
對于新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題，除傳統(tǒng)安全穩(wěn)定控制措施外，在風電光伏場站側利用虛擬慣量控制、虛擬同步機、下垂控制等主動支撐技術，提高風電光伏場站對電力系統(tǒng)動態(tài)支撐能力。在調度側，裝備智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)，集成和共享電網(wǎng)信息，提升多級調度協(xié)作效率，在線分析評估安全穩(wěn)定水平，提升安全預警能力。在電網(wǎng)側，規(guī)劃建設更加堅強的網(wǎng)架結構，建設抽水蓄能電站和共享電化學儲能電站，建設滿足新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定需求的高慣量同步調相機、儲能同步調相機等，或將退役機組改造成調相機，在支撐系統(tǒng)電壓的同時，增加系統(tǒng)慣量、參與系統(tǒng)調頻，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。在需求側，實現(xiàn)多能互補、多元聚合等各種應用場景，以保障高比例新能源接入情況下電能持續(xù)安全供應，同時盡可能實現(xiàn)對大系統(tǒng)的主動支持。
當前，針對新型電力系統(tǒng)相關穩(wěn)定問題尚未形成完整的理論體系和成熟的解決方案。但可以確定的是，無論是解決新型供需平衡問題還是解決新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題，儲能的運用都不可或缺。
在電力電量平衡方面，將儲能作為靈活性調節(jié)資源，平抑新能源的隨機性、波動性和間歇性，實現(xiàn)削峰填谷、冷熱備用、市場調節(jié)等，利用儲能協(xié)助能量時移的能力，實時填補或削減新能源出力與用電負荷的偏差（功率）、填補或削減一定時段內(nèi)新能源能量與用電需求能量的偏差（能量），維持系統(tǒng)實時的電力平衡和一定時期內(nèi)的電量平衡。
在安全穩(wěn)定運行方面，無論是場站側的主動支撐，還是需求側的多元聚合，都依賴于儲能協(xié)助能量時移的特性，以及各種儲能類型的控制特性。如抽水蓄能、壓縮空氣儲能容量大，并能為系統(tǒng)提供轉動慣量；電化學儲能轉換效率高、反應速度快，易于實現(xiàn)快速控制；熔鹽儲能容量大、供能時間長，可利用場景多。綜合利用多種儲能技術，通過協(xié)調和優(yōu)化控制，實現(xiàn)儲能應用功能的多目標集成，在系統(tǒng)中參與快速調頻、自動發(fā)電控制（AGC）和自動電壓控制（AVC）、抑制低頻振蕩、抑制過電壓、黑啟動等。
仍需注意，當前盡管儲能特別是電化學儲能在新型電力系統(tǒng)建設過程中得到高度重視，但是一些新型儲能在接入系統(tǒng)時，也會將更多的電力電子設備帶入系統(tǒng)，從而造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的復雜化。
三、思考：降維思路處理新型平衡和新型穩(wěn)定問題
新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題是新型電力系統(tǒng)建設征途上的必過關口。目前業(yè)內(nèi)主流的思路，是發(fā)展新型平衡理論去解決新型平衡問題、發(fā)展新型穩(wěn)定性理論去解決新型穩(wěn)定問題。這些理論，不僅需要對相關問題的發(fā)生機理、產(chǎn)生概率、海量數(shù)據(jù)、復雜計算、應用驗證等深入開展工作，也需要在氣候氣象變化、自然環(huán)境影響、社會經(jīng)濟發(fā)展、資源要素流通等各方面做出準確預測分析并無縫銜接。即使理論上認為可以通過復雜的監(jiān)測系統(tǒng)全面感知電力系統(tǒng)及相關各方面影響要素的變化，并有足夠快速的在線計算能力和速度，面對多個復雜系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)和龐大運算規(guī)模，面對供需雙側的不確定性，以及監(jiān)測控制設備本身可能存在的故障概率，在具體工程實踐上，也有可能發(fā)生系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定相關問題。
技術發(fā)展的路徑是從簡單到復雜、從低維到高維，而解決技術難題的路徑恰好相反，應是將復雜問題分解為簡單問題、將高維問題降為低維問題。“雙高”新型電力系統(tǒng)比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)復雜得多、高維得多。解決新型電力系統(tǒng)的問題，可以考慮將新型電力系統(tǒng)轉化成傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的模式，再利用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已有的成熟理論、技術和方法去處理，最終實現(xiàn)電力電量平衡保障和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
從這個意義上看，可以拓展新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題的解決思路，即通過物理層面的主動規(guī)劃設計，將新型電力系統(tǒng)降維成為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，從而將新型平衡問題和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題降維成為傳統(tǒng)平衡和傳統(tǒng)穩(wěn)定問題，再利用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的平衡理論和方法、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法，去實現(xiàn)系統(tǒng)的電力電量平衡和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。這個思路的關鍵，是通過主動規(guī)劃設計，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)降維。
一個方法是就地將風光等新能源轉換成其他可以長期儲存的能源，例如將人造天然氣（如甲烷）作為大規(guī)模燃氣發(fā)電的氣源，將天然氣發(fā)電機組并入電力系統(tǒng)，以此，新能源發(fā)電設施接入的人造燃氣設施及燃氣發(fā)電廠設施一體構成長時儲能設施。為新能源發(fā)電基地大規(guī)模配套這樣的長時儲能設施，可以降低直接接入電力系統(tǒng)中的新能源比例，維持電力系統(tǒng)中化石能源和新能源發(fā)電的合理結構，在確保大規(guī)模消納新能源的同時，使電力系統(tǒng)保有傳統(tǒng)特性。
這個思路的主要優(yōu)點，一是復雜問題簡單化，概念清晰、技術簡單、安全可靠。其中技術上的難點在于人造天然氣，該技術目前已有多種路線，只是成本尚高，如能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，成本可以下降到可承受的程度。同時，還要動態(tài)研究電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)能源和新能源的合理比例結構。二是燃氣機組可以為系統(tǒng)大規(guī)模增加轉動慣量和靈活性調節(jié)能力，更好地提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。三是可以大幅度減少直接接入電力系統(tǒng)的電力電子器件，有效降低新型穩(wěn)定問題的發(fā)生概率。四是燃氣易于運輸和存儲，可以直接在終端能源消費中利用，有利于綜合能源系統(tǒng)建設。五是可以較好地化解一次能源資源短缺風險，特別是煤電作為單一兜底電源可能帶來的巨大風險。六是為未來拓展深遠海能源資源開發(fā)利用做足技術儲備。當然，這種思路和當前主流的新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題研究思路可以并行不悖、良好兼容。
四、場景：以人造天然氣作為長時儲能載體的應用構想
目前，國內(nèi)外對于長時儲能（LDES）并沒有統(tǒng)一定義，有的機構認為放電持續(xù)時間超過4小時、壽命不低于20年的儲能技術為長時儲能，也有的機構將放電持續(xù)時間規(guī)定為超過8小時或者10小時。筆者認為，以10小時以上放電持續(xù)時間作為長時儲能的界定較為合理，因為這個時間可以基本覆蓋正常一日無光時段。從這個定義看，部分抽水蓄能、壓縮空氣儲能等物理儲能設施，以及氫儲能、熔鹽儲能等電化學儲能均可歸類為長時儲能。將新能源電力轉換成氫并進一步與二氧化碳反應，制成甲烷，再利用天然氣發(fā)電、摻燒發(fā)電或者直接燃燒利用，實現(xiàn)電碳循環(huán)。這種方法特別適合于將來在深遠海建設能源基地并回供陸地的能源生產(chǎn)模式，也適用于附近有充足水源的陸上新能源發(fā)電基地。
圖 以人造天然氣作為長時儲能載體的應用構想
