中國電力系統(tǒng)靈活性的多元提升路徑研究

1、目 錄 HYPERLINK l _bookmark0 執(zhí)行摘要 1 HYPERLINK l _bookmark1 電力系統(tǒng)靈活性 6 HYPERLINK l _bookmark2 電力系統(tǒng)靈活性的定義 6 HYPERLINK l _bookmark3 電力系統(tǒng)靈活性不足的內(nèi)涵 6 HYPERLINK l _bookmark4 高比例可再生能源與電力系統(tǒng)靈活性 7 HYPERLINK l _bookmark5 靈活性資源 9 HYPERLINK l _bookmark6 電源側(cè)資源 9 HYPERLINK l _bookmark7 電網(wǎng)側(cè)資源 9 HYPERLINK l _bookmark8 用

2、戶側(cè)資源 10 HYPERLINK l _bookmark9 儲(chǔ)能資源 11 HYPERLINK l _bookmark10 靈活性相關(guān)機(jī)制 12 HYPERLINK l _bookmark11 市場(chǎng)型靈活性 12 HYPERLINK l _bookmark12 規(guī)劃型靈活性 13 HYPERLINK l _bookmark13 中國電力系統(tǒng)靈活性資源現(xiàn)狀 14 HYPERLINK l _bookmark14 技術(shù)型靈活性資源現(xiàn)狀 14 HYPERLINK l _bookmark15 市場(chǎng)型靈活性現(xiàn)狀 17 HYPERLINK l _bookmark16 規(guī)劃型靈活性現(xiàn)狀 18 HYPERLI

3、NK l _bookmark17 中國火電靈活性改造現(xiàn)狀 19 HYPERLINK l _bookmark18 火電深度調(diào)峰改造的負(fù)面影響 21 HYPERLINK l _bookmark19 電力系統(tǒng)靈活性技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估 23 HYPERLINK l _bookmark20 典型靈活性資源技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性 23 HYPERLINK l _bookmark21 3.1.1 氣電 23 HYPERLINK l _bookmark22 3.1.2 需求響應(yīng) 23 HYPERLINK l _bookmark23 3.1.3 儲(chǔ)能 23 HYPERLINK l _bookmark24 靈活性提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

4、比較 24 HYPERLINK l _bookmark25 電力系統(tǒng)靈活性提升路線 26 HYPERLINK l _bookmark26 煤電規(guī)模與電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)系 26 HYPERLINK l _bookmark27 提升電力系統(tǒng)靈活性的市場(chǎng)機(jī)制 26 HYPERLINK l _bookmark28 電力系統(tǒng)靈活性提升路線圖 27 HYPERLINK l _bookmark29 吉林省電力系統(tǒng)靈活性提升案例研究 29 HYPERLINK l _bookmark30 生產(chǎn)模擬與系統(tǒng)靈活性定量評(píng)估方法 32 HYPERLINK l _bookmark31 吉林省電力系統(tǒng)靈活性定量評(píng)價(jià) 33

5、HYPERLINK l _bookmark32 結(jié)論及政策建議 38 HYPERLINK l _bookmark33 研究結(jié)論 38 HYPERLINK l _bookmark34 政策建議 40 HYPERLINK l _bookmark35 附錄 I 火電靈活性改造的技術(shù)路線 42 HYPERLINK l _bookmark36 附錄 機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型 46執(zhí)行摘要研究背景中國風(fēng)電和光伏發(fā)電快速發(fā)展，朝著構(gòu)建高比例可再生能源體系前進(jìn)。2010-2019年間，中國風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng) 143%，裝機(jī)容量占比由 2010 年的 3.8%提升至 2019 年的 20.6%；發(fā)電量

6、年均增長(zhǎng) 130%，發(fā)電量占比由 2010 年的 1.2%提升至 2019 年的 8.6%1。為實(shí)現(xiàn)中國提出的 2030 年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到 20%的目標(biāo)，預(yù)計(jì)到 2030 年，風(fēng)電和光伏發(fā)電總裝機(jī)將突破 9 億千瓦2，成為能源消費(fèi)的主力。從近期的政策討論來看，這一進(jìn)程在“十四五”期間還會(huì)加速推進(jìn)。隨著可再生能源滲透率3的不斷提升，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)靈活性不足制約可再生能源消納的問題尚未得到根本性解決。可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性要求電力系統(tǒng)必須具備一定的應(yīng)變和響應(yīng)能力，即靈活性。當(dāng)常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力不足，無法滿足系統(tǒng)凈負(fù)荷的變化時(shí)，為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行

7、，需要削減可再生能源出力或是在高峰時(shí)期切除負(fù)荷。隨著可再生能源滲透率的提升，靈活性不足導(dǎo)致的減出力和切負(fù)荷會(huì)對(duì)可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的收益造成巨大影響，不利于中國可再生能源中長(zhǎng)期的發(fā)展。當(dāng)前，由于電力系統(tǒng)靈活性欠缺，部分地區(qū)存在較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光和用電用熱矛盾突出的問題，形成電力系統(tǒng)難以適應(yīng)可再生能源快速發(fā)展的新形勢(shì)。2016-2018 年間，中國棄風(fēng)和棄光電量共計(jì) 1389 億千瓦時(shí)4，經(jīng)本課題組測(cè)算，相當(dāng)于 3000 萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對(duì)應(yīng)約 350 億元燃煤成本5和 4000 萬噸二氧化碳排放。雖然可再生能源項(xiàng)目投資監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制、全額保障性收購以及可再生能源電力交易等政策使得 20

8、19 年棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象有明顯改善，但當(dāng)前以煤電為主要電源的電力系統(tǒng)靈活性有限，且市場(chǎng)機(jī)制尚不成熟，導(dǎo)致可再生能源發(fā)電仍無法實(shí)現(xiàn)全額消納。國家可再生能源中心. 可再生能源數(shù)據(jù)手冊(cè) 2019R. 2019 HYPERLINK /n1/2020/0307/c71661-31621377.html /n1/2020/0307/c71661-31621377.html劉世宇. 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 提升我國火電靈活性，助力新能源系統(tǒng)消納EB/OL. 2017.可再生能源滲透率是指可再生能源可發(fā)電量與總用電量的比值. Renewable Energy World. Breakdown: Penetratio

9、n of Renewable Energy in Selected MarketsEB/OL. 2013.05. https:/ HYPERLINK /2013/05/17/penetration-of-renewable-energy-in-selected-markets/#gref /www. HYPERLINK /2013/05/17/penetration-of-renewable-energy-in-selected-markets/#gref /2013/05/17/penetration-of-renewable-energy-in-selected-markets/#gref

10、國家能源局. 2018 年可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行情況介紹EB/OL. 2019.01. HYPERLINK /2019- /2019- 01/28/c_137780519.htm5 風(fēng)電峰觀察. 2020 年電價(jià)將向何處去？EB/OL. 2019.11. /a/357174715_4409082019 年全國棄風(fēng)和棄光電量仍高達(dá) 169 億千瓦時(shí)和 46 億千瓦時(shí)6,7，相當(dāng)于 450 萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對(duì)應(yīng)約 50 億元燃煤成本和 600 萬噸二氧化碳排放?？傮w來看，中國各地區(qū)電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力不同，但都難以滿足高比例可再生能源發(fā)電的需求。東北三省由于供熱機(jī)組占比高、常規(guī)機(jī)組調(diào)峰能

11、力不足，導(dǎo)致電源側(cè)靈活性不足，目前開展的煤電機(jī)組靈活性改造難以適應(yīng)未來高比例可再生能源發(fā)展的需要。西北地區(qū)現(xiàn)有外送通道利用率不高，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)靈活性不足。從江蘇、浙江等省份的需求響應(yīng)實(shí)踐來看，各地的需求側(cè)靈活性資源仍存在很大的挖掘空間。在可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)、負(fù)荷峰谷差不斷拉大、輸電線路利用不及預(yù)期、需求側(cè)資源尚未形成整合調(diào)控、部分地區(qū)供熱季供熱面積大幅增加的情況下，電力系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，中國亟需挖掘當(dāng)前各類靈活性資源的潛力，促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，將提升系統(tǒng)靈活性納入電力發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。作為綠色和平針對(duì)中國低碳能源轉(zhuǎn)型的系列研究，本報(bào)告介紹了中國電力

12、系統(tǒng)靈活性現(xiàn)狀，分析了電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)各類靈活性資源的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性，提出了中國目前技術(shù)型、市場(chǎng)型和規(guī)劃型靈活性資源存在的問題和發(fā)展空間，指出了未來需進(jìn)一步完善電力市場(chǎng)機(jī)制、引入靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品并將靈活性資源納入電力中長(zhǎng)期規(guī)劃。報(bào)告以吉林省為例，評(píng)估了不同靈活性資源的成本以及給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來的效益，系統(tǒng)地論證了僅依靠煤電機(jī)組靈活性改造無法滿足未來可再生能源高滲透率電力系統(tǒng)的需求，需要?dú)怆?、?chǔ)能、需求響應(yīng)以及電網(wǎng)互濟(jì)等多種靈活性資源加入。報(bào)告最后從促進(jìn)中國可再生能源長(zhǎng)期發(fā)展的層面提出了電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期靈活性提升的路徑，以供行業(yè)和決策者參考。主要結(jié)論第一，不同類型靈活性資源發(fā)展各異，“源-網(wǎng)-

13、荷-儲(chǔ)”靈活性潛力有待進(jìn)一步釋放。在電源側(cè)，已建成的煤電機(jī)組通過熱電解耦、低壓穩(wěn)燃等技術(shù)改造可將最小穩(wěn)定出力降至 20%-30%的額定容量，但其爬坡速率較慢。煤電靈活性改造已經(jīng)得到試點(diǎn)發(fā)展，但改6 國家能源局. 2019 年風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況EB/OL. 2020.02. HYPERLINK /2020-02/28/c_138827910.htm /2020-02/28/c_138827910.htm7 國家能源局. 2019 光伏并網(wǎng)運(yùn)行情況EB/OL. 2020.02. HYPERLINK /2020-02/28/c_138827923.htm /2020-02/28/c_138827923

14、.htm造規(guī)模仍然不足，靈活性潛力沒有完全釋放。在電網(wǎng)側(cè)，電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)可以利用各地區(qū)用電的非同時(shí)性進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，減少備用容量，改善電能質(zhì)量，更為經(jīng)濟(jì)地增強(qiáng)系統(tǒng)抵御事故的能力，消納更多風(fēng)光波動(dòng)性電源，提高電網(wǎng)安全水平和供電可靠性。但是，當(dāng)前電網(wǎng)利用率較低，靈活性調(diào)節(jié)能力沒有完全釋放。在用戶側(cè)，需求響應(yīng)可以激勵(lì)用戶在系統(tǒng)可靠性受到威脅或者電價(jià)相對(duì)較高時(shí)削減負(fù)荷，提供靈活性。但當(dāng)前需求響應(yīng)僅在少數(shù)省份得到試點(diǎn)實(shí)踐利用，有待進(jìn)一步推廣。儲(chǔ)能也可以利用充放靈活的特性，調(diào)節(jié)負(fù)荷峰谷差，但當(dāng)前發(fā)展規(guī)模有限。第二，綜合靈活調(diào)節(jié)能力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性來看，僅靠火電靈活性改造難以支撐中長(zhǎng)期電力系統(tǒng)靈活性提升?，F(xiàn)有的靈活

15、性技術(shù)手段中，火電靈活性改造不僅能大幅改善系統(tǒng)向上和向下靈活性，而且單位千瓦投入僅高于需求側(cè)管理，在改善系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，能夠促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模消納。然而，面向未來高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，僅依靠火電靈活性改造無法充分滿足靈活性需求。與煤電機(jī)組相比，燃?xì)鈾C(jī)組供電效率高、啟停時(shí)間短、爬坡速率快，從調(diào)節(jié)特性來看是最佳的調(diào)峰電源，隨著未來建設(shè)成本和氣價(jià)的下降，氣電將為電力系統(tǒng)靈活性提供有力支撐。電網(wǎng)靈活互濟(jì)、需求響應(yīng)和儲(chǔ)能的發(fā)展均能顯著提升電力系統(tǒng)的向上和向下靈活性，其中電網(wǎng)靈活互濟(jì)技術(shù)日漸成熟，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性具有一定優(yōu)勢(shì)。在高滲透率算例中，加入多種靈活性資源較僅依靠煤電靈活性改造，棄風(fēng)電量將可減

16、少 39.9%，煤電啟停次數(shù)和啟停成本分別下降 27.19%和 25%。因此，綜合調(diào)節(jié)能力和經(jīng)濟(jì)性而言，火電靈活性改造屬于現(xiàn)階段提升電力系統(tǒng)靈活性的可行舉措，但對(duì)于未來中長(zhǎng)期電力系統(tǒng)靈活性需求來說，需要著重發(fā)展氣電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)等靈活性資源。第三，面向未來高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，現(xiàn)有的電力市場(chǎng)機(jī)制限制了系統(tǒng)靈活性的提升。以吉林省為例，現(xiàn)有的煤電機(jī)組深度調(diào)峰靈活性改造可以減少煤電機(jī)組啟停，增強(qiáng)其向下調(diào)節(jié)能力，其深度調(diào)峰費(fèi)用能夠在輔助服務(wù)市場(chǎng)通過行政手段進(jìn)行補(bǔ)償。但在未來高可再生能源滲透率的情況下，僅通過煤電深度調(diào)峰無法滿足靈活性需求，現(xiàn)有的輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制也無法激勵(lì)其他機(jī)組積極參與系統(tǒng)靈活

17、性調(diào)節(jié)。需要通過電力市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制激勵(lì)氣電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)等多種靈活性資源依據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行出力調(diào)節(jié)，同時(shí)在輔助服務(wù)市場(chǎng)也應(yīng)引入靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品，各種資源可以通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的方式，在彌補(bǔ)實(shí)時(shí)調(diào)度靈活性不足問題的同時(shí)獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益。因此，完善電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)對(duì)于提升電力系統(tǒng)靈活性必不可少。總體來看，當(dāng)前的電力規(guī)劃未實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”靈活性資源的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，難以適應(yīng)高比例可再生能源發(fā)展需要。由于供給側(cè)可再生能源的波動(dòng)性和不確定性加大，電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜和多變，未來高滲透率可再生能源的電力系統(tǒng)對(duì)靈活性的要求更高。電力系統(tǒng)的靈活規(guī)劃與運(yùn)行逐漸成為決定未來大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)成敗的關(guān)鍵要

18、素。當(dāng)前的電力規(guī)劃沒有協(xié)調(diào)統(tǒng)一考慮電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)靈活性資源，導(dǎo)致可再生能源大量棄電，并網(wǎng)成本增加，最終影響電力系統(tǒng)的可靠性。在電力系統(tǒng)規(guī)劃層面，不僅需要考慮當(dāng)前和未來的系統(tǒng)需要，同時(shí)要考慮現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組、輸電通道、電力用戶和儲(chǔ)能設(shè)施的情況，發(fā)掘提升系統(tǒng)靈活性的潛力。政策建議多措并舉，充分挖掘“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”靈活性潛力中國當(dāng)前的電力系統(tǒng)整體靈活性不足，難以支撐高比例可再生能源的發(fā)展，需要從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)充分挖掘現(xiàn)有靈活性資源的潛力。電源側(cè)，對(duì)于存量的火電機(jī)組，需充分發(fā)揮現(xiàn)有火電機(jī)組的靈活性潛力，通過改變現(xiàn)有機(jī)組的運(yùn)營模式、進(jìn)行設(shè)備靈活性改造以及創(chuàng)新電廠靈活性發(fā)電方式，提升系統(tǒng)的靈

19、活性。電網(wǎng)側(cè)，需提高現(xiàn)有輸電通道的利用率，發(fā)揮特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，重組電網(wǎng)格局，減少因電網(wǎng)阻塞而產(chǎn)生的額外靈活性需求。用戶側(cè)，可通過電價(jià)引導(dǎo)電力需求側(cè)的負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)更好的用戶側(cè)靈活性調(diào)節(jié)效果。對(duì)于儲(chǔ)能，要優(yōu)化增量，重視其在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的協(xié)調(diào)發(fā)展及應(yīng)用?？刂泼弘娧b機(jī)規(guī)模和比例，確立中長(zhǎng)期電力系統(tǒng)靈活性提升的合理路徑中國目前以火電為主的電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力不足，而可再生能源裝機(jī)逐年上升，兩者呈現(xiàn)嚴(yán)重的不匹配。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面來看，現(xiàn)階段進(jìn)行的煤電靈活性改造可以明 顯提升系統(tǒng)靈活性。但隨著電力系統(tǒng)對(duì)靈活性資源需求的快速攀升，煤電靈活性改造的 成本、頻繁啟停的成本以及相應(yīng)的環(huán)境影響將抬

20、高電力系統(tǒng)的總體供電成本，且不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。因此，依靠大幅增加煤電裝機(jī)規(guī)模來支撐高比例可再生能源發(fā)展并不可取，從長(zhǎng)期來看，需要合理控制煤電的裝機(jī)規(guī)模，著重發(fā)展氣電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)等多種靈活性資源，促進(jìn)煤電與可再生能源的協(xié)調(diào)有序發(fā)展。建立公平的靈活性補(bǔ)償機(jī)制并增加靈活性調(diào)節(jié)產(chǎn)品來完善電力市場(chǎng)機(jī)制，激勵(lì)靈活性資源發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)建響應(yīng)時(shí)間快的實(shí)時(shí)市場(chǎng)，將交易時(shí)間尺度縮短到分鐘級(jí)，使市場(chǎng)能夠及時(shí)迅速地對(duì)可再生能源發(fā)電做出價(jià)格判斷。需要建立公平的靈活性補(bǔ)償機(jī)制，考慮快速爬坡能力、最短向上和向下爬坡時(shí)間以及響應(yīng)準(zhǔn)確度等特性，對(duì)靈活性資源進(jìn)行合理定價(jià)，減少對(duì)不靈活運(yùn)行發(fā)電廠的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)靈活性資源的優(yōu)勝

21、劣汰。未來電力系統(tǒng)運(yùn)行中，可以采取負(fù)荷需求側(cè)管理、備用容量共享、省間互濟(jì)等手段來“削峰填谷”，并進(jìn)一步通過分時(shí)電價(jià)、尖峰電價(jià)等價(jià)格機(jī)制來引導(dǎo)需求側(cè)用電，削減持續(xù)時(shí)間極短的尖峰用電，從而減少以滿足短時(shí)尖峰用電為動(dòng)因的新增煤電電源裝機(jī)和配套電網(wǎng)建設(shè)。以新的電力規(guī)劃理念引導(dǎo)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”靈活性資源發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一面對(duì)中長(zhǎng)期發(fā)展可再生能源的需要，應(yīng)整合“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各類型靈活性資源，準(zhǔn)確評(píng)估未來靈活性需求，將電力系統(tǒng)靈活性提升目標(biāo)納入中長(zhǎng)期電力規(guī)劃，并與國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域規(guī)劃有機(jī)銜接，促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”靈活性資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。需要根據(jù)靈活性需求合理投資電源建設(shè)，引導(dǎo)電廠采用更靈活的運(yùn)營模式。加快擴(kuò)

22、大工業(yè)、建筑等多領(lǐng)域用戶側(cè)資源參與需求響應(yīng)的規(guī)模，完善需求響應(yīng)資源激勵(lì)費(fèi)率以及懲罰措施來加速其落地實(shí)施。重視并加快發(fā)展儲(chǔ)能，在系統(tǒng)規(guī)劃層面協(xié)調(diào)優(yōu)化“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各類型靈活性資源。除電化學(xué)儲(chǔ)能外，還應(yīng)協(xié)調(diào)水利、市政等領(lǐng)域更好地發(fā)揮儲(chǔ)水、儲(chǔ)氣和儲(chǔ)熱等相對(duì)成熟技術(shù)的作用，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能在更大范圍的協(xié)調(diào)優(yōu)化。電力系統(tǒng)靈活性電力系統(tǒng)靈活性的定義關(guān)于電力系統(tǒng)的靈活性，國際上尚無統(tǒng)一定義。國際能源署（International Energy Agency，IEA）認(rèn)為電力系統(tǒng)靈活性是指在一定經(jīng)濟(jì)成本約束下，電力系統(tǒng)快速響應(yīng)供需兩側(cè)大幅度功率與電能波動(dòng)的能力，對(duì)于能預(yù)見、不能預(yù)見的變化和事件迅速反應(yīng)，負(fù)荷降

23、低時(shí)降低出力，負(fù)荷上升時(shí)提高出力8。北美電力可靠性協(xié)會(huì)（North American Electric Reliability Corporation，NERC）認(rèn)為電力系統(tǒng)的靈活性是指利用系統(tǒng)資源滿足負(fù)荷變化的能力9。許多學(xué)者也對(duì)電力系統(tǒng)靈活性給出了各自的定義，例如文獻(xiàn)10將靈活性定義為電力系統(tǒng)在供給和需求方面應(yīng)對(duì)波動(dòng)性和不確定性，并同時(shí)在合理成本下保持供電可靠性的能力。文獻(xiàn)11則將系統(tǒng)靈活性定義為在一定時(shí)間尺度下，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用的靈活性資源，利用合理的成本去適應(yīng)電源、電網(wǎng)及負(fù)荷隨機(jī)變化的能力。綜上所述，本報(bào)告認(rèn)為電力系統(tǒng)靈活性是指電力系統(tǒng)為了保持電力供需動(dòng)態(tài)平衡，經(jīng)濟(jì)地調(diào)用各

24、類靈活性資源以應(yīng)對(duì)電源、電網(wǎng)及負(fù)荷不確定性的能力。電力系統(tǒng)靈活性不足的內(nèi)涵電力系統(tǒng)靈活性主要體現(xiàn)在：當(dāng)不確定性因素造成系統(tǒng)電力供應(yīng)大于需求時(shí)，系統(tǒng)可以“向下調(diào)節(jié)”減少出力，從而減少發(fā)電被棄，盡快恢復(fù)供需平衡；當(dāng)不確定性因素造成系統(tǒng)電力供應(yīng)小于需求時(shí)，系統(tǒng)可以“向上調(diào)節(jié)”增加出力，從而滿足負(fù)荷需求，避免負(fù)荷削減。目前研究發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)向上靈活性與系統(tǒng)的爬坡能力有關(guān)，對(duì)于系統(tǒng)的負(fù)荷供應(yīng)能力有較大影響。向上靈活性不足是導(dǎo)致電力短缺的重要原因。向下靈活性與系統(tǒng)減少常規(guī)機(jī)組出力的能力緊密相關(guān)，對(duì)系統(tǒng)的可再生能源消納能力有較大影響。向下靈活性不足是造成棄風(fēng)、棄光的重要原因。向上靈活性不足和向下靈活性不足原

25、理如圖 1-1 所示。Agency IE. Empowering Variable Renewables-Options for Flexible Electricity Systems M. OECD Publishing, 2009: 13-14.North American Electric Reliability Corporation. Special report: Accommodating High Levels of Variable GenerationR. American：North American Electric Reliability Corporation(N

26、ERC), 2010: 2-6.B.V. Mathiesen,H.Lund.Comparative analyses of seven technologies to facilitate the integration of fluctuating renewable energy sourcesJ. IET Renewable Power Generation, 2009, 3: 190-204.魯宗相, 李海波, 喬穎. 含高比例可再生能源電力系統(tǒng)靈活性規(guī)劃及挑戰(zhàn)J. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(13): 147-158.圖 1-1 向上靈活性不足和向下靈活性不足原理12高比例可

27、再生能源與電力系統(tǒng)靈活性在建設(shè)美麗中國與應(yīng)對(duì)氣候變化問題的雙重壓力下，清潔化變革推動(dòng)未來建立高比例可再生電力系統(tǒng)成為必然發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)能、太陽能等可再生能源的快速發(fā)展，使得以火電為主的傳統(tǒng)電源系統(tǒng)正向以風(fēng)電、光伏發(fā)電等為主的清潔電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。截至 2019年底，全球風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到 12.03 億千瓦，占全部電源裝機(jī)的 34.7%13。國際社會(huì)陸續(xù)承諾向 100%可再生能源轉(zhuǎn)型，截至 2018 年 2 月，全球已有超過 100 個(gè)城市實(shí)現(xiàn) 70%以上的電力需求由可再生能源滿足14。中國也提出到 2050 年實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型，預(yù)計(jì) 2030 年和 2

28、050 年可再生能源發(fā)電量占比將分別達(dá)到 50%和 85%以上，風(fēng)光發(fā)電量占比將分別達(dá)到 30%和 60%以上15。受技術(shù)更新、成本降低及政策影響，2015 年以來中國可再生能源發(fā)電快速增長(zhǎng)，如圖 1-2 所示。截至 2019 年底，中國電力總裝機(jī)容量為 20.1 億千瓦，可再生能源發(fā)電裝機(jī)占 39.5%，其中風(fēng)電裝機(jī)容量 2.1 億千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)容量 2.0 億千瓦；2019 年中國總發(fā)電量達(dá)到 7.3 萬億千瓦時(shí)，可再生能源發(fā)電量為 2.0 萬億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量的27.9%，其中風(fēng)電發(fā)電量為 4057.0 億千瓦時(shí)，占總發(fā)電量的 5.5%，光伏發(fā)電量為 2243.0億千瓦時(shí)，占總發(fā)電

29、量的 3.1%。12王仲穎, 鄭雅楠, 王心楠等. 京津冀與德國電力系統(tǒng)靈活性定量比較研究R. 國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所, 2020.IRENA. Trends in Renewable EnergyEB/OL. 2019. HYPERLINK /Statistics/View-Data-by-Topic/Capacity-and-Generation/Statistics-Time-Series /Statistics/View-Data-by-Topic/Capacity-and-Generation/Statistics-Time-Series創(chuàng)綠研究院. 我們是這樣步入 100%

30、可再生能源未來的EB/OL. 2018. https:/ HYPERLINK /%E5%9B%BE%E9%9B%86-%E6%88%91%E4%BB%AC%E6%98%AF%E8%BF%99%25 /www. HYPERLINK /%E5%9B%BE%E9%9B%86-%E6%88%91%E4%BB%AC%E6%98%AF%E8%BF%99%25 /%E5%9B%BE%E9%9B%86-%E6%88%91%E4%BB%AC%E6%98%AF%E8%BF%99% E6%A0%B7%E6%AD%A5%E5%85%A5100%E5%8F%AF%E5%86%8D%E7%94%9F%E8%83%BD%E

31、6%B A%90%E6%9C%AA%E6%9D%A5%E7%9A%84/國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所. 中國 2050 高比例可再生能源發(fā)展情景暨路徑研究R/OL. 北京:國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所, 2015. https:/ HYPERLINK /Reports-zh/china-2050-high-renewable- /www. HYPERLINK /Reports-zh/china-2050-high-renewable- /Reports-zh/china-2050-high-renewable- energy-penetration-scenario-and-roadmap

32、-study-zh可再生能源的快速發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)靈活性提出更高的發(fā)展要求。過去幾年，由于政策機(jī)制調(diào)動(dòng)電力系統(tǒng)靈活性不足，出現(xiàn)了大量的棄風(fēng)、棄光問題，中國的棄風(fēng)率在 2016年達(dá)到 17.1%；而棄光率在 2014 年最高達(dá)到 10.5%。2016-2018 年間，中國棄風(fēng)和棄光電量共計(jì) 1389 億千瓦時(shí)16。近些年由于可再生能源發(fā)電消納保障措施的實(shí)施和靈活性資源投入加大，棄風(fēng)棄光率逐步回落到 5%以下。2019 年全國棄風(fēng)電量 169 億千瓦時(shí)，平均棄風(fēng)率降至 4%；棄光電量 46 億千瓦時(shí)，平均棄光率降至 2%17（見圖 1-2）。但以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的間歇性可再生能源發(fā)電出力天然具有

33、波動(dòng)性，隨著其出力占比的逐步提高，系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)增大，未來單純依靠火電和抽水蓄能的調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)能力無法滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行的靈活性要求。電力系統(tǒng)靈活性不足制約可再生能源消納的問題尚未得到根本性解決。700060005000億千瓦時(shí)4000300020001000020112012201320142015201620172018201918%17%10%16%12%8%10%7%10%6%16%4%3% 10%2%16%14%12%10%8%6%4%2%0%棄風(fēng)電量棄光電量風(fēng)電發(fā)電量光伏發(fā)電量 棄風(fēng)率棄光率圖 1-2 2011-2019 年中國風(fēng)光發(fā)電量及棄風(fēng)棄光率變化情況國家能源局. 2018

34、年可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行情況介紹EB/OL. 2019.01. HYPERLINK /2019- /2019- 01/28/c_137780519.htm中國電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 中國能源發(fā)展報(bào)告 2019中國電力發(fā)展報(bào)告 2019R. 2020靈活性資源電源側(cè)資源電源側(cè)靈活性資源包括可控的傳統(tǒng)電源（水電、核電、火電）和相對(duì)可控可調(diào)度的可再生能源（光熱、生物質(zhì)、地?zé)岬龋┑?，其中火電又分為燃?xì)?、燃油和燃煤機(jī)組?？煽貍鹘y(tǒng)電源裝機(jī)容量大、輸出穩(wěn)定，但同時(shí)調(diào)節(jié)能力較弱、啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)18，其靈活性調(diào)節(jié)能力有限，主要靈活性電源特性見表 1-1。火電通常情況下燃煤機(jī)組不做調(diào)峰電源使用，但中國的資源稟賦決定了燃煤機(jī)

35、組的主導(dǎo) 地位，因此各省尤其是抽水蓄能電站較少的省份和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組居多的“三北”地區(qū)，均 采用燃煤機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰作為提升電力系統(tǒng)靈活性的必要手段。通過熱電解耦、低壓穩(wěn)燃等技術(shù)改造，煤電機(jī)組的最小穩(wěn)定出力可以降至 20%-30%的額定容量，電力系 統(tǒng)的向下調(diào)節(jié)能力有所提升。與燃煤發(fā)電機(jī)組相比，燃?xì)鈾C(jī)組供電效率高、啟停時(shí)間短、 響應(yīng)速度快，從調(diào)節(jié)特性角度來看是最佳的調(diào)峰電源。水電常規(guī)水電利用江河水體中的位能進(jìn)行發(fā)電，按水庫調(diào)節(jié)性能可分為多年調(diào)節(jié)水電站、年調(diào)節(jié)水電站、季調(diào)節(jié)水電站、周調(diào)節(jié)水電站、日調(diào)節(jié)水電站和無調(diào)節(jié)能力的徑流式水 電站等。具有調(diào)節(jié)能力的水電站具有開停機(jī)迅速、功率調(diào)節(jié)快等特點(diǎn)，

36、在電力系統(tǒng)中起 著調(diào)頻、調(diào)峰和備用的作用19。表 1-1 主要靈活性電源特性比較調(diào)控時(shí)效性調(diào)控幅度機(jī)組爬坡速率煤電一般裝機(jī)容量50% - 100%較慢（常規(guī) 1 - 2%/min）燃?xì)廨^好裝機(jī)容量0% - 100%較快（常規(guī) 20%/min）水電較好裝機(jī)容量0% - 100%最快（常規(guī) 50 - 100%/min）長(zhǎng)期以來，可再生能源被認(rèn)為是電力系統(tǒng)中不確定性因素的源頭，但隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電由分散、小規(guī)模開發(fā)、就地消納的模式向高度集中、大規(guī)模開發(fā)、大量外送的模式轉(zhuǎn)變，各種電源的時(shí)空互補(bǔ)效應(yīng)能夠給部分地區(qū)的電力系統(tǒng)帶來一定靈活性。但受制于出力的不確定性，可再生能源提供的靈活性仍具有很大的局限性。

37、電網(wǎng)側(cè)資源電網(wǎng)是輸送電力的載體，也是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵。良好的電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行調(diào)度能夠保障電力供給的安全性和可靠性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)融合可再生能源發(fā)電的能力，邱忠恩. 水電, 火電, 核電的綜合經(jīng)濟(jì)比較J. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 1990(03): 9-17.王仲穎, 鄭雅楠, 王心楠等. 京津冀與德國電力系統(tǒng)靈活性定量比較研究R. 國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所, 2020.利用空間分布特性實(shí)現(xiàn)靈活性需求平移，保證電力資源的高效配置。電網(wǎng)側(cè)主要靈活性資源包括柔性輸電、互聯(lián)互濟(jì)和微電網(wǎng)。靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是一項(xiàng)新技術(shù)。它應(yīng)用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無功電源以及電網(wǎng)的一

38、次設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角等指標(biāo)的靈活控制，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，使電網(wǎng)的功率傳輸能力以及潮流和電壓的可控性大為提高，可有效降低功率損耗和減少發(fā)電成本，大幅度提高電網(wǎng)靈活性、穩(wěn)定性、可靠性?；ヂ?lián)互濟(jì)是指大型電力系統(tǒng)劃分為多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)并由聯(lián)絡(luò)線連接，區(qū)域之間依靠聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)電力電量交換。電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)可以利用各地區(qū)用電的非同時(shí)性進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，減少備用容量和裝機(jī)容量，更為經(jīng)濟(jì)地增強(qiáng)系統(tǒng)抵御事故的能力，提高電網(wǎng)安全水平和供電可靠性；互聯(lián)互濟(jì)還有助于系統(tǒng)承受較大的負(fù)荷沖擊和電源波動(dòng)，改善電能質(zhì)量，吸納更多風(fēng)光波動(dòng)性電源。微電網(wǎng)以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，由分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、控制

39、系統(tǒng)等組成，形成模塊化、分散式的供電網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)是一個(gè)可以自治的單元，可根據(jù)電力系統(tǒng)或微電網(wǎng)自身的需要實(shí)現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式間的無縫轉(zhuǎn)換，有利于提高電力系統(tǒng)的可靠性、電能質(zhì)量以及靈活性。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以作為大小可變的智能負(fù)荷，能在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)需要，為電力系統(tǒng)提供靈活性支撐。用戶側(cè)資源用戶側(cè)電力需求側(cè)管理是電力系統(tǒng)靈活性的重要提供源。它通過采取措施引導(dǎo)用戶優(yōu)化用電方式，不僅可以平抑用電負(fù)荷的波動(dòng)性、減小負(fù)荷的峰谷差、提高電網(wǎng)利用效率，還能夠通過調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)的響應(yīng)資源來滿足系統(tǒng)靈活性需求，保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，促進(jìn)更多可再生能源的消納。需求側(cè)靈活性資源包括負(fù)荷需求響應(yīng)（ Dema

40、nd Response，DR）和電動(dòng)汽車等。需求響應(yīng)需求響應(yīng)通過對(duì)可中斷負(fù)荷的負(fù)荷管理和一定時(shí)間內(nèi)的價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制，改變需求側(cè)負(fù)荷原定的用電方式，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提供靈活性。簡(jiǎn)單來講，需求響應(yīng)是通過合理的機(jī)制促使電力消費(fèi)者在用電負(fù)荷高峰時(shí)段改變用電行為，停用或轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段用電。按照不同的響應(yīng)方式，可將電力市場(chǎng)下的需求響應(yīng)分為基于價(jià)格的 DR 和基于激勵(lì)的 DR20。基于價(jià)格的 DR 是指負(fù)荷端對(duì)零售電價(jià)的變化進(jìn)行響應(yīng)并調(diào)整用電需求，用戶通過經(jīng)濟(jì)決策后自愿將用電從高峰時(shí)段調(diào)整至低谷時(shí)段，利用低電價(jià)來實(shí)現(xiàn)減少電費(fèi)支出的目的；基于激勵(lì)的 DR 是指用戶與 DR 的實(shí)施機(jī)構(gòu)簽訂合同，并明確基本負(fù)荷

41、的U.S. Department of Energy. Benefits of Demand Response in Electricity Markets and Recommendations for Achieving Them: A report to the United State Congress Pursuant to Section 1252 of the Energy Policy Act of 2005EB/OL. 2006.02. https:/ HYPERLINK /sites/prod/files/oeprod/DocumentsandMedia/DOE_Benef

42、its_of_Demand_Response_in_El /www. HYPERLINK /sites/prod/files/oeprod/DocumentsandMedia/DOE_Benefits_of_Demand_Response_in_El /sites/prod/files/oeprod/DocumentsandMedia/DOE_Benefits_of_Demand_Response_in_El ectricity_Markets_and_Recommendations_for_Achieving_Them_Report_to_Congress.pdf消費(fèi)量和負(fù)荷削減量計(jì)算方法，

43、確定激勵(lì)費(fèi)率及不能履行合同進(jìn)行響應(yīng)的懲罰措施。具體實(shí)施階段，機(jī)構(gòu)制定確定的或動(dòng)態(tài)的政策，激勵(lì)用戶在系統(tǒng)可靠性受到威脅或者電價(jià)相對(duì)較高時(shí)削減負(fù)荷，提供靈活性。電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車并入電網(wǎng)不僅可以充電還可以放電，因此可以提供向上和向下靈活性調(diào)節(jié)能力。通過優(yōu)化充放電策略，電動(dòng)汽車的普及使用可以成為高質(zhì)量的系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源。由于電動(dòng)汽車不同類型蓄電池的充放電特性不一，電力調(diào)度部門對(duì)電動(dòng)汽車的放電時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，執(zhí)行適當(dāng)?shù)某浞烹姴呗杂兄趯?shí)現(xiàn)電力供需平衡。儲(chǔ)能資源儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型技術(shù)，在負(fù)荷低谷時(shí)存儲(chǔ)電量，在高峰時(shí)釋放電量。儲(chǔ)能通過對(duì)電能供需時(shí)間上的平移提供靈活性，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、平衡供需，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

44、儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源結(jié)合利用時(shí)，可以平抑可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，促進(jìn)可再生能源的消納。在電源側(cè)，儲(chǔ)能能夠提升可再生能源并網(wǎng)特性，提高電網(wǎng)考核分，減少考核損失，同時(shí)促進(jìn)可再生能源根據(jù)電力需求特性、市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)等優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行，減少棄風(fēng)棄光電量，降低系統(tǒng)輔助服務(wù)成本。在電網(wǎng)側(cè)，儲(chǔ)能能夠促進(jìn)可再生能源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。在可再生能源較為集中的區(qū)域，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可以發(fā)揮其削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、調(diào)頻調(diào)壓等功能，改進(jìn)電力調(diào)度方式，加強(qiáng)區(qū)域負(fù)荷調(diào)節(jié)優(yōu)化。在用戶側(cè)，儲(chǔ)能可以提高分布式可再生能源發(fā)電就地消納的比例，降低負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)供電的依賴性，提升系統(tǒng)靈活性。當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，材料成本逐年下降，為大規(guī)模

45、儲(chǔ)能的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。電能存儲(chǔ)技術(shù)分類如圖 1-3 所示。電儲(chǔ)能物理形式化學(xué)形式機(jī)械能電磁場(chǎng)能氫儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能動(dòng)能：飛輪儲(chǔ)能抽水蓄能勢(shì)能壓縮空氣儲(chǔ)能 電場(chǎng)能：超級(jí)電容器磁場(chǎng)能：超導(dǎo)磁儲(chǔ)能鋰離子電池鉛酸電池液流電池鈉硫電池，等圖 1-3 典型電儲(chǔ)能技術(shù)分類目前，除抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟外，其余大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)仍處于試點(diǎn)示范階段，且投資成本相對(duì)較高，亟待進(jìn)一步的技術(shù)突破和成本降低。不同儲(chǔ)能技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，電化學(xué)電池儲(chǔ)能配置靈活，響應(yīng)速度快且不受外部條件限制，但使用壽命有限，成本較高；飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是儲(chǔ)能能量密度低、自放電率較高；電磁儲(chǔ)

46、能響應(yīng)速度快、功率密度高且對(duì)環(huán)境友好，缺點(diǎn)是現(xiàn)階段成本高且存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題；壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和抽水蓄能技術(shù)都受到環(huán)境和材料等外部條件制約。未來廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)，至少需達(dá)到兆瓦級(jí)/兆瓦時(shí)級(jí)的儲(chǔ)能規(guī)模。抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能可達(dá)到這一規(guī)模，而飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能及超級(jí)電容器等功率型儲(chǔ)能技術(shù)則很難達(dá)到。未來在儲(chǔ)能靈活性資源選擇上要綜合考慮技術(shù)成熟度、成本等多種條件。靈活性相關(guān)機(jī)制市場(chǎng)型靈活性能量市場(chǎng)按照邊際出清價(jià)格機(jī)制調(diào)用資源，天然具有靈活性。計(jì)劃體制下，為確保電力安全，通常利用常規(guī)電源發(fā)電滿足負(fù)荷需求，電源發(fā)電計(jì)劃提前確定，固定的常規(guī)電源發(fā)電份額導(dǎo)致可再生能源發(fā)電空

47、間受到擠壓。市場(chǎng)機(jī)制下，負(fù)荷與可再生能源發(fā)電預(yù)測(cè)提前一天完成，預(yù)測(cè)的出力用于日前市場(chǎng)交易，最大程度去滿足電力電量平衡。日內(nèi)市場(chǎng)主要是根據(jù)風(fēng)力和光照的變化更新對(duì)波動(dòng)性可再生能源出力的預(yù)測(cè)，在日前預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上更新日內(nèi)交易發(fā)電計(jì)劃，進(jìn)行提前 15 分鐘或更早的電力交易。成熟電力市場(chǎng)通過實(shí)時(shí)電價(jià)變化，引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)主動(dòng)參與調(diào)峰，這一過程在能量市場(chǎng)出清中完成。通常系統(tǒng)負(fù)荷較小時(shí)電價(jià)可能較低，而在系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)電價(jià)可能很高，因此調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的機(jī)組可以通過在谷時(shí)段少發(fā)電而在峰時(shí)段多發(fā)電獲得較高的平均電價(jià)。由于日前市場(chǎng)和日內(nèi)市場(chǎng)的存在，市場(chǎng)參與者幾乎可以完全通過能量市場(chǎng)平衡其發(fā)用電計(jì)劃，在能量市場(chǎng)交易中按照邊際機(jī)

48、組報(bào)價(jià)出清。由于可再生能源在能量市場(chǎng)中的報(bào)價(jià)接近于零，在不同類型機(jī)組參與調(diào)度時(shí)將優(yōu)先出清，因此有利于可再生能源的消納。單一能量市場(chǎng)不能滿足實(shí)時(shí)電力平衡需求，仍需要輔助服務(wù)市場(chǎng)來保證電力系統(tǒng)的瞬時(shí)物理平衡?？紤]到負(fù)荷和風(fēng)電出力隨機(jī)波動(dòng)所帶來的不確定性，一般由在輔助服務(wù)市場(chǎng)中購買的備用容量來彌補(bǔ)意外負(fù)荷或不可預(yù)料的負(fù)荷導(dǎo)致的供需不平衡，減少失負(fù)荷情況的出現(xiàn)。備用通常分為三種：一次控制備用、二次控制備用和三次控制備用。一次備用容量是在干擾發(fā)生 5 秒內(nèi)啟用，其作用是穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，啟動(dòng)時(shí)間為 30 秒；二次控制備用是在首次功率變化后 30 秒內(nèi)召集備用提供商，平衡控制區(qū)域，使電網(wǎng)頻率回到標(biāo)稱值，取代一

49、次備用，啟動(dòng)時(shí)間為 5 分鐘；三次控制備用是在干擾發(fā)生 15 分鐘后手動(dòng)啟用，不完全取代二次控制備用，啟動(dòng)時(shí)間為 15 分鐘。具體備用作用機(jī)理如圖1-4 所示。高比例的可再生能源也會(huì)增加供需平衡的波動(dòng)性和不確定性，與發(fā)電強(qiáng)烈波動(dòng)且非同步的電力系統(tǒng)中的頻率控制和電壓控制相關(guān)的挑戰(zhàn)，需要快速調(diào)頻和快速爬坡等輔助服務(wù)產(chǎn)品來解決，輔助服務(wù)市場(chǎng)此時(shí)便可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，優(yōu)先調(diào)動(dòng)更高水平的靈活資源（如儲(chǔ)能和需求響應(yīng)）。規(guī)劃型靈活性圖 1-4 市場(chǎng)備用容量作用機(jī)制21電力系統(tǒng)長(zhǎng)期以來保障運(yùn)行安全的基本方法是通過配置充裕的備用容量滿足最大波動(dòng)量來保障電力平衡。而在高比例可再生能源系統(tǒng)中，源荷波動(dòng)疊加導(dǎo)致靈活性需

50、求劇增，同時(shí)，部分常規(guī)電源被可再生能源替代進(jìn)一步減少了靈活性電源，單純靠備用電源保障系統(tǒng)安全成本昂貴且不可行。未來大規(guī)模備用容量的提升將限制系統(tǒng)的向下調(diào)節(jié)能力，因此，電力規(guī)劃理念應(yīng)加強(qiáng)“靈活性平衡”約束考量，必須充分挖掘“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)潛力參與平衡，建立靈活性需求與供給的平衡。同時(shí)，厘清不同類型、不同口徑電源在電力供給中的合理定位，制定行之有效的電力規(guī)劃，讓電力系統(tǒng)具備“天生的”靈活性。電力系統(tǒng)“靈活性平衡”應(yīng)從“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”多時(shí)間尺度、多維度考慮靈活性資源的投資決策，真正以資源規(guī)劃和靈活性需求一起考慮電力規(guī)劃。未來電力系統(tǒng)應(yīng)針對(duì)靈活性不足類型及其時(shí)間尺度開展電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，

51、重塑能源系統(tǒng)，將電、熱、氣之間的互轉(zhuǎn)互濟(jì)作為滿足系統(tǒng)靈活性的最基礎(chǔ)保障，優(yōu)先消納可再生能源；長(zhǎng)遠(yuǎn)看應(yīng)提高輸電系統(tǒng)對(duì)靈活性資源的承載能力；大力推動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)，充分挖掘負(fù)荷側(cè)靈活性；大規(guī)模應(yīng)用儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)日調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)和年調(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)施的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)靈活性。GIZ. 對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的激勵(lì): 德國電力市場(chǎng)的作用R. 2019.10.中國電力系統(tǒng)靈活性資源現(xiàn)狀2019 年，中國風(fēng)電裝機(jī)和太陽能發(fā)電裝機(jī)占全球風(fēng)電總裝機(jī)和太陽能發(fā)電總裝機(jī)的比例分別達(dá)到了 34%和 35%，均為世界第一。隨著可再生能源平價(jià)時(shí)代的到來，其裝機(jī)容量及發(fā)電量將不斷提高，大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤虢o電力系統(tǒng)的靈活性提出了更高

52、要求。當(dāng)前中國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性欠缺、電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式較為僵化等現(xiàn)實(shí)情況難以發(fā)揮電源清潔高效消納的優(yōu)勢(shì)，區(qū)域用電用熱矛盾突出，優(yōu)化調(diào)度全額消納可再生能源難度較大。技術(shù)型靈活性資源現(xiàn)狀電源側(cè)資源現(xiàn)狀當(dāng)前，中國電力系統(tǒng)中靈活調(diào)節(jié)電源配比較低，與可再生能源裝機(jī)世界第一的現(xiàn)狀不匹配，煤電機(jī)組靈活性改造仍有較大空間。同時(shí)，中國可再生能源資源富集地區(qū)具有調(diào)節(jié)性能的水電、抽水蓄能和燃?xì)怆娬镜褥`活電源比重低，系統(tǒng)靈活性不足。受機(jī)組性能設(shè)計(jì)、煤電電價(jià)機(jī)制等因素影響，中國燃煤機(jī)組最大調(diào)峰幅度普遍設(shè)定為 50%，常規(guī)機(jī)組的最小負(fù)荷和爬坡率指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于丹麥、德國等領(lǐng)先國家水平，特別是“三北”地區(qū)“以熱定電”的供熱機(jī)

53、組比重大，冬季調(diào)峰能力十分有限。中國電源側(cè)靈活性資源主要包括深度調(diào)峰改造后的煤電、氣電和水電，各種資源特性如表 2-1 所示。從提升系統(tǒng)靈活性潛力的角度來看，氣電因其啟停速度、調(diào)節(jié)能力的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)上可以作為調(diào)峰電源的最優(yōu)選擇。表 2-1 靈活性資源的特性靈活性資源煤電深度調(diào)峰改造氣電抽水蓄能電源側(cè)儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)深度調(diào)峰技術(shù)手段成熟，可普遍適用于煤電機(jī)組，改造后的機(jī)組最小出力可達(dá)到額定出力的 20%-30%1.啟停速度快，100%全負(fù)荷啟動(dòng)只需 9-10min 2.占地少，用水量少3.適合在可再生能源富集區(qū)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié) 4.適合在負(fù)荷中心建設(shè)100% 全負(fù)荷 啟動(dòng)需 2-3min響應(yīng)速度快，充放電時(shí)

54、間為毫秒級(jí)可多次調(diào)節(jié)缺點(diǎn)響應(yīng)調(diào)節(jié)速度慢，冷啟動(dòng)需 5 小時(shí)改造后的機(jī)組煤耗增加，壽命縮短，污染增加建設(shè)投資成本高天然氣價(jià)格高受選址條件約束和經(jīng)濟(jì)性限制，建設(shè)規(guī)模有限受技術(shù)條件限制，目前尚不具備大規(guī)模建設(shè)條件建設(shè)投資成本高電網(wǎng)側(cè)資源現(xiàn)狀目前中國各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，增強(qiáng)了能源配置能力。東北 500 千伏主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、華北“兩橫一縱”交流特高壓主網(wǎng)架、西北 750 千伏主網(wǎng)架、華東特高壓環(huán)網(wǎng)、華中東四省電網(wǎng)與川渝藏電網(wǎng)異步的互聯(lián)、南方電網(wǎng)“八交十直”的西電東送主網(wǎng)架，共同構(gòu)成了中國堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架系統(tǒng)，基本形成了西電東送、北電南送的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，大幅提升了能源配置能力和電網(wǎng)安全供電水平。截至 2018 年底

55、，全國 220 千伏及以上輸電線路長(zhǎng)度 73.3 萬公里，其中，交流線路69.1 萬公里，直流線路 4.2 萬公里。220 千伏及以上變電設(shè)備容量 40.2 億千瓦，其中交流變電設(shè)備容量 36.9 億千瓦，直流換流容量 3.4 億千瓦。另外，2019 年最新統(tǒng)計(jì)顯示，全國電網(wǎng)投資 5373 億元，新增 220 千伏及以上輸電線路長(zhǎng)度 3.77 萬千米，新增 220 千伏及以上變電設(shè)備容量 2.2 億千瓦，新增直流換流容量 3200 萬千瓦（見表 2-2）。表 2-2 全國 220 千伏及以上輸變電發(fā)展情況22截至 2018 年底2019 年新增合計(jì)輸電線路長(zhǎng)度（萬公里）73.33.7777.0

56、7變電設(shè)備容量（億千瓦）目前中國建成了多個(gè)特高壓可再生能源專項(xiàng)輸電工程，但由于火電、風(fēng)電等電源的發(fā)展與電網(wǎng)發(fā)展在時(shí)間上的不同步不協(xié)調(diào)、送端和受端承受能力不同，實(shí)際輸送新能源電量不及預(yù)期。2018 年榆橫至濰坊特高壓、錫盟送山東、浙福特高壓、蒙西至天津南特高壓年輸送電量最低達(dá) 29.2 億千瓦時(shí)，最高達(dá) 78.9 億千瓦時(shí)，但均無新能源發(fā)電量輸送。一些特高壓輸電線路年輸電量非常大，而輸送新能源的電量卻占比很低。錫泰直流和吉泉直流的年輸送電量高達(dá) 53.2 和 47.6 億千瓦時(shí)，但新能源輸送電量?jī)H為 0.4 和 1.1億千瓦時(shí)，占比分別為 0.75%和 2.31%。用戶側(cè)資

57、源現(xiàn)狀2013 年以來，北京、上海、江蘇等地區(qū)陸續(xù)開展需求響應(yīng)試點(diǎn)，充分挖掘電力需求側(cè)資源參與電網(wǎng)調(diào)度的潛力。其中，江蘇針對(duì)部分工業(yè)空調(diào)用戶首次嘗試了實(shí)時(shí)通知下的需求響應(yīng)項(xiàng)目，為建立需求響應(yīng)參與系統(tǒng)調(diào)頻項(xiàng)目起到了示范引導(dǎo)作用。2014-2018 年中國削峰響應(yīng)試點(diǎn)實(shí)施情況如表 2-3 所示23，可以看到每年度削峰響應(yīng)試點(diǎn)實(shí)施情況不一，其中 2016 年削減負(fù)荷和削減電量較高，但總體仍處于起步階段，響應(yīng)規(guī)模和穩(wěn)定性仍難以滿足需求。2019 年山東 55 家電力用戶達(dá)成削峰需求響應(yīng) 2104 兆瓦，填谷需求響應(yīng) 827 兆瓦24；2019 年河南省季節(jié)性需求響應(yīng)共有 145 家企業(yè)參與，其中 77

58、 家為有效響應(yīng)（有效響應(yīng)指電力客戶實(shí)際響應(yīng)負(fù)荷量大于合同響應(yīng)量的 120%），響應(yīng)規(guī)模中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì). 2019-2020 年度全國電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告R. 2020陳宋宋, 李德智. 中美需求響應(yīng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)比較及分析J. 電力需求側(cè)管理, 2019, 21(03): 73-76+80.北極星售電網(wǎng). 山東 2019 年電力需求響應(yīng)單邊競(jìng)價(jià)交易結(jié)果EB/OL. 2019.07.29. HYPERLINK /html/20190729/995966.shtml /html/20190729/995966.shtml352 兆瓦25。江蘇 2019 年 7 月 30 日單次需求響應(yīng)參與者包括

59、普通用戶 452 戶和負(fù)荷集成商 13 家，削減用電負(fù)荷 4020 兆瓦，創(chuàng)下單次削減負(fù)荷新紀(jì)錄。表 2-3 中國 2014 年-2019 年度削峰響應(yīng)試點(diǎn)實(shí)施情況年份實(shí)施次數(shù)/次參與用戶數(shù)量/戶參與聚合商數(shù)量/戶削減負(fù)荷/MW削減電量/MWh激勵(lì)費(fèi)用/萬元2014134055.0027.505.502015182440282160.561214.813427.22201693313274191.002827.008601.502017120426.0026.0039.0020186173191734.481494.811060.112019 山東-555-2103.952-6311.8562

60、019 河南-77-351.9-注：表中激勵(lì)費(fèi)用數(shù)據(jù)不包含江蘇省 2015 年激勵(lì)費(fèi)用電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能可通過有序充電、V2G（Vehicle-to-Grid）等方式參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，為電力系統(tǒng)提供一定規(guī)模的靈活性。近年來中國電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，截至 2019 年底，中國新能源汽車保有量超過 381 萬輛26，連續(xù)五年占據(jù)世界第一，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也日益加速，已建成充電樁數(shù)量超過 120 萬27。儲(chǔ)能資源現(xiàn)狀儲(chǔ)能靈活性資源主要為抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能。水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016 - 2020 年）中指出，“十三五”期間全國新開工抽水蓄能電站 6000 萬千瓦左右，2020