核心提示 隨著我國能源結構加快轉型，電力系統(tǒng)中新能源裝機占比將進一步增大，電力系統(tǒng)對靈活性調節(jié)電源的需求將明顯增加。探索靈活性資源配置新模式，是助力構建新型電力系統(tǒng)的必要手段之一。抽水蓄能與電化學儲能聯(lián)合配置的模式在國際上也備受關注。
今年9月，國際水電協(xié)會（IHA）主辦的第八屆世界水電大會設置了主題為“水電與電池一站式解決方案”的線上直播邊會，國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司在會上提出抽水蓄能和電化學儲能聯(lián)合配置運行模式。未來，二者協(xié)同運行在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，將對系統(tǒng)靈活性的提升起到重要支撐作用，也可進一步提升清潔能源的消納水平。
新型電力系統(tǒng)加快構建，對電力系統(tǒng)調節(jié)能力提出新要求
近年來，我國能源體系逐步向清潔低碳、安全高效的方向轉型，新能源在電力系統(tǒng)中的規(guī)模日益增大。隨著我國碳達峰、碳中和目標的提出和新型電力系統(tǒng)加快構建，新能源將進入高速發(fā)展期。
新能源具有較強的間歇性和隨機性。新能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大對電網(wǎng)調節(jié)能力也提出了更高要求。2020年，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)新能源利用率為97.1%，同比提高0.3個百分點，但局部地區(qū)仍存在一定的新能源消納問題。未來，隨著新能源裝機占比的不斷提高，因電力系統(tǒng)調節(jié)能力不足引發(fā)的消納問題將更為突出。同時，新能源出力存在較大的不確定性，無法成為長時間穩(wěn)定供電的電力來源，并且為電力系統(tǒng)提供備用容量的能力也較為有限，因而電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行將面臨重大挑戰(zhàn)。
10月24日發(fā)布的《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，加快推進抽水蓄能和新型儲能規(guī)?；瘧谩３樗钅茏鳛殡娏ο到y(tǒng)中重要的調節(jié)電源，一直承擔著保障大電網(wǎng)安全和促進新能源消納的重要任務。近年來，新型儲能中裝機容量占比最高的電化學儲能在電網(wǎng)中的規(guī)模穩(wěn)步增長，技術也逐步成熟。目前，我國抽水蓄能和電化學儲能的總規(guī)模已占到儲能總容量的90%以上。
在新型電力系統(tǒng)中，抽水蓄能和電化學儲能都是重要的調節(jié)資源。抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電，通過此種工作模式對電力系統(tǒng)進行調節(jié)，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。隨著技術的不斷進步，未來調節(jié)能力更好的變速機組將得到廣泛應用。抽水蓄能具有容量大、經(jīng)濟性好、使用壽命長等優(yōu)勢，但建設周期較長，對選址的要求較高，受地理條件約束較大。
電化學儲能通過化學反應來實現(xiàn)電能的存儲和釋放。目前較常見的電化學儲能電池類型主要有鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池等。截至2020年，我國已投運的電化學儲能裝機容量超300萬千瓦。與抽水蓄能相比，電化學儲能布置較為靈活，建設周期較短，且響應速度較快，一般可以達到秒級響應。但電化學儲能目前成本較高，因此配置規(guī)模一般較小。同時，電化學儲能因電池部分為高能物質部件，其安全性也與抽水蓄能存在一定差距，亟須進一步完善安全標準體系，加強本體安全性能提升相關研究，以實現(xiàn)未來長足發(fā)展。
抽水蓄能與電化學儲能協(xié)同配置有何優(yōu)勢
不難看出，抽水蓄能和電化學儲能在技術方面存在一定的互補性。在新型電力系統(tǒng)中，如果能將抽水蓄能與電化學儲能協(xié)同配置，可以提升調節(jié)電源容量、減少碳排放等，達到“1+1>2”的效果。
●提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力
抽水蓄能在電力系統(tǒng)中一般有六大功能：調峰、調頻、調相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動。電化學儲能與抽水蓄能協(xié)同運行，可利用電化學儲能的快速響應特性提升整體的調節(jié)性能。例如，在系統(tǒng)發(fā)生頻率波動時，電化學儲能響應速度較快，可以立即響應進行系統(tǒng)調頻，對頻率起到快速支撐的作用，防止系統(tǒng)頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學儲能的容量較小，無法長時間維持充電或放電狀態(tài)，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應后進行較長時間的持續(xù)功率支撐，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。此外，在調峰、調相、系統(tǒng)備用等方面，二者協(xié)同運行也可以發(fā)揮更大作用。
●優(yōu)化調節(jié)電源容量配置
抽水蓄能與電化學儲能在調節(jié)能力、響應速度、建設條件、建設規(guī)模等方面具有一定互補性。針對電力系統(tǒng)不同的調節(jié)需求，兩種調節(jié)電源的協(xié)同配置可以優(yōu)化調節(jié)電源的容量規(guī)模，避免冗余配置、資源浪費。另外，隨著電力市場建設的逐步完善，抽水蓄能和電化學儲能協(xié)同配置，可參與多種電力系統(tǒng)輔助服務，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并獲得經(jīng)濟收益。
●減少碳排放
現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的調峰、調頻等服務很大程度上依賴常規(guī)火電機組。新能源裝機占比的不斷提升可能導致電力系統(tǒng)調節(jié)能力不足。這在一定程度上也會制約新能源的發(fā)展。因此，構建新型電力系統(tǒng)需要開發(fā)清潔低碳的調節(jié)電源，如抽水蓄能和電化學儲能等。二者協(xié)同運行可為新能源電源接入創(chuàng)造更有利的系統(tǒng)環(huán)境，還能起到降低碳排放的作用。
抽水蓄能與電化學儲能協(xié)同配置需要哪些關鍵技術
●容量配置技術
在考慮抽水蓄能和電化學儲能協(xié)同配置時，需要研究配置何種類型的電化學儲能，以及二者的容量關系。因此，必須先明確區(qū)域電網(wǎng)的調節(jié)需求，包括新能源消納情況、負荷峰谷差情況、系統(tǒng)頻率/電壓波動情況等，針對不同的調節(jié)需求，選擇合適的儲能類型。之后結合對調節(jié)需求的量化分析結果，確定電化學儲能和抽水蓄能的容量配置關系。重點要綜合考慮多種因素，如市場政策情況、電力系統(tǒng)規(guī)劃運行情況等。同時，電力系統(tǒng)往往存在多種調節(jié)需求，確定多目標需求下的容量優(yōu)化配置方案，也是二者協(xié)同配置的關鍵。
●接入技術
受地理條件等因素限制，目前抽水蓄能電站的選址存在一定的局限性。而電化學儲能的布置相對靈活，需要考慮其接入點位置對于調節(jié)效果的影響。對于電化學儲能，除了集中接入的方式外，還可以考慮分散接入方式，這將使接入點的選擇較為復雜。同時，未來如果建設部分對建設條件要求相對寬松的小型抽水蓄能電站，抽水蓄能的接入點選擇也將成為一個新的研究方向。
●協(xié)同運行技術
在實際應用中，針對電網(wǎng)不同的調節(jié)需求，需要對抽水蓄能和電化學儲能制訂相對應的協(xié)同運行策略。這一過程中要考慮多種影響因素，如抽水蓄能電站的庫容約束、電化學儲能的容量約束等。例如，二者協(xié)同調峰時，需結合調峰缺口的持續(xù)時間、調峰缺口的大小，安排合理的協(xié)同運行策略。同時，由于抽水蓄能、電化學儲能和常規(guī)火電機組相比，都具有響應速度較快、轉換工作模式較靈活等特點，也需要確定靈活性更高的調度控制方式，以更好地發(fā)揮二者的調節(jié)性能。
隨著技術及相關政策機制的不斷完善，抽水蓄能和電化學儲能協(xié)同配置將有助于提升電網(wǎng)的調節(jié)性能，實現(xiàn)新能源電源友好接入，對構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)起到關鍵作用。
（作者單位：國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司）
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