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 電源側資源 9 HYPERLINK l _bookmark7 電網側資源 9 HYPERLINK l _bookmark8 用

2、戶側資源 10 HYPERLINK l _bookmark9 儲能資源 11 HYPERLINK l _bookmark10 靈活性相關機制 12 HYPERLINK l _bookmark11 市場型靈活性 12 HYPERLINK l _bookmark12 規(guī)劃型靈活性 13 HYPERLINK l _bookmark13 中國電力系統(tǒng)靈活性資源現狀 14 HYPERLINK l _bookmark14 技術型靈活性資源現狀 14 HYPERLINK l _bookmark15 市場型靈活性現狀 17 HYPERLINK l _bookmark16 規(guī)劃型靈活性現狀 18 HYPERLI

3、NK l _bookmark17 中國火電靈活性改造現狀 19 HYPERLINK l _bookmark18 火電深度調峰改造的負面影響 21 HYPERLINK l _bookmark19 電力系統(tǒng)靈活性技術經濟性評估 23 HYPERLINK l _bookmark20 典型靈活性資源技術經濟特性 23 HYPERLINK l _bookmark21 3.1.1 氣電 23 HYPERLINK l _bookmark22 3.1.2 需求響應 23 HYPERLINK l _bookmark23 3.1.3 儲能 23 HYPERLINK l _bookmark24 靈活性提升技術經濟性

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)靈活性的關系 26 HYPERLINK l _bookmark27 提升電力系統(tǒng)靈活性的市場機制 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 生產模擬與系統(tǒng)靈活性定量評估方法 32 HYPERLINK l _bookmark31 吉林省電力系統(tǒng)靈活性定量評價 33

5、HYPERLINK l _bookmark32 結論及政策建議 38 HYPERLINK l _bookmark33 研究結論 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路線 42 HYPERLINK l _bookmark36 附錄 機組組合和經濟調度模型 46執(zhí)行摘要研究背景中國風電和光伏發(fā)電快速發(fā)展，朝著構建高比例可再生能源體系前進。2010-2019年間，中國風電和光伏發(fā)電裝機容量年均增長 143%，裝機容量占比由 2010 年的 3.8%提升至 2019 年的 20.6%；發(fā)電量

6、年均增長 130%，發(fā)電量占比由 2010 年的 1.2%提升至 2019 年的 8.6%1。為實現中國提出的 2030 年非化石能源消費比重達到 20%的目標，預計到 2030 年，風電和光伏發(fā)電總裝機將突破 9 億千瓦2，成為能源消費的主力。從近期的政策討論來看，這一進程在“十四五”期間還會加速推進。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?？稍偕茉窗l(fā)電的間歇性和波動性要求電力系統(tǒng)必須具備一定的應變和響應能力，即靈活性。當常規(guī)電源的調節(jié)能力不足，無法滿足系統(tǒng)凈負荷的變化時，為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行

7、，需要削減可再生能源出力或是在高峰時期切除負荷。隨著可再生能源滲透率的提升，靈活性不足導致的減出力和切負荷會對可再生能源發(fā)電項目的收益造成巨大影響，不利于中國可再生能源中長期的發(fā)展。當前，由于電力系統(tǒng)靈活性欠缺，部分地區(qū)存在較為嚴重的棄風、棄光和用電用熱矛盾突出的問題，形成電力系統(tǒng)難以適應可再生能源快速發(fā)展的新形勢。2016-2018 年間，中國棄風和棄光電量共計 1389 億千瓦時4，經本課題組測算，相當于 3000 萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應約 350 億元燃煤成本5和 4000 萬噸二氧化碳排放。雖然可再生能源項目投資監(jiān)測預警機制、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 年棄風和棄光現象有明顯改善，但當前以煤電為主要電源的電力系統(tǒng)靈活性有限，且市場機制尚不成熟，導致可再生能源發(fā)電仍無法實現全額消納。國家可再生能源中心. 可再生能源數據手冊 2019R. 2019 HYPERLINK /n1/2020/0307/c71661-31621377.html /n1/2020/0307/c71661-31621377.html劉世宇. 電力規(guī)劃設計總院. 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 年可再生能源并網運行情況介紹EB/OL. 2019.01. HYPERLINK /2019- /2019- 01/28/c_137780519.htm5 風電峰觀察. 2020 年電價將向何處去？EB/OL. 2019.11. /a/357174715_4409082019 年全國棄風和棄光電量仍高達 169 億千瓦時和 46 億千瓦時6,7，相當于 450 萬千瓦煤電廠一年的發(fā)電量，對應約 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組占比高、常規(guī)機組調峰能

11、力不足，導致電源側靈活性不足，目前開展的煤電機組靈活性改造難以適應未來高比例可再生能源發(fā)展的需要。西北地區(qū)現有外送通道利用率不高，導致電網側靈活性不足。從江蘇、浙江等省份的需求響應實踐來看，各地的需求側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、負荷峰谷差不斷拉大、輸電線路利用不及預期、需求側資源尚未形成整合調控、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)對靈活性的需求會進一步擴大。因此，中國亟需挖掘當前各類靈活性資源的潛力，促進“源-網-荷-儲”靈活性資源的協調發(fā)展，將提升系統(tǒng)靈活性納入電力發(fā)展中長期規(guī)劃。作為綠色和平針對中國低碳能源轉型的系列研究，本報告介紹了中國電力

12、系統(tǒng)靈活性現狀，分析了電源側、電網側和用戶側各類靈活性資源的技術和經濟特性，提出了中國目前技術型、市場型和規(guī)劃型靈活性資源存在的問題和發(fā)展空間，指出了未來需進一步完善電力市場機制、引入靈活性調節(jié)產品并將靈活性資源納入電力中長期規(guī)劃。報告以吉林省為例，評估了不同靈活性資源的成本以及給電力系統(tǒng)運行帶來的效益，系統(tǒng)地論證了僅依靠煤電機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，需要氣電、儲能、需求響應以及電網互濟等多種靈活性資源加入。報告最后從促進中國可再生能源長期發(fā)展的層面提出了電力系統(tǒng)中長期靈活性提升的路徑，以供行業(yè)和決策者參考。主要結論第一，不同類型靈活性資源發(fā)展各異，“源-網-

13、荷-儲”靈活性潛力有待進一步釋放。在電源側，已建成的煤電機組通過熱電解耦、低壓穩(wěn)燃等技術改造可將最小穩(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得到試點發(fā)展，但改6 國家能源局. 2019 年風電并網運行情況EB/OL. 2020.02. HYPERLINK /2020-02/28/c_138827910.htm /2020-02/28/c_138827910.htm7 國家能源局. 2019 光伏并網運行情況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。在電網側，電網互聯互濟可以利用各地區(qū)用電的非同時性進行負荷調整，減少備用容量，改善電能質量，更為經濟地增強系統(tǒng)抵御事故的能力，消納更多風光波動性電源，提高電網安全水平和供電可靠性。但是，當前電網利用率較低，靈活性調節(jié)能力沒有完全釋放。在用戶側，需求響應可以激勵用戶在系統(tǒng)可靠性受到威脅或者電價相對較高時削減負荷，提供靈活性。但當前需求響應僅在少數省份得到試點實踐利用，有待進一步推廣。儲能也可以利用充放靈活的特性，調節(jié)負荷峰谷差，但當前發(fā)展規(guī)模有限。第二，綜合靈活調節(jié)能力和技術經濟性來看，僅靠火電靈活性改造難以支撐中長期電力系統(tǒng)靈活性提升。現有的靈活

15、性技術手段中，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管理，在改善系統(tǒng)可靠性的同時，能夠促進可再生能源的大規(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。與煤電機組相比，燃氣機組供電效率高、啟停時間短、爬坡速率快，從調節(jié)特性來看是最佳的調峰電源，隨著未來建設成本和氣價的下降，氣電將為電力系統(tǒng)靈活性提供有力支撐。電網靈活互濟、需求響應和儲能的發(fā)展均能顯著提升電力系統(tǒng)的向上和向下靈活性，其中電網靈活互濟技術日漸成熟，技術經濟性具有一定優(yōu)勢。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，棄風電量將可減

16、少 39.9%，煤電啟停次數和啟停成本分別下降 27.19%和 25%。因此，綜合調節(jié)能力和經濟性而言，火電靈活性改造屬于現階段提升電力系統(tǒng)靈活性的可行舉措，但對于未來中長期電力系統(tǒng)靈活性需求來說，需要著重發(fā)展氣電、儲能、需求響應等靈活性資源。第三，面向未來高比例可再生能源的電力系統(tǒng)，現有的電力市場機制限制了系統(tǒng)靈活性的提升。以吉林省為例，現有的煤電機組深度調峰靈活性改造可以減少煤電機組啟停，增強其向下調節(jié)能力，其深度調峰費用能夠在輔助服務市場通過行政手段進行補償。但在未來高可再生能源滲透率的情況下，僅通過煤電深度調峰無法滿足靈活性需求，現有的輔助服務市場機制也無法激勵其他機組積極參與系統(tǒng)靈活

17、性調節(jié)。需要通過電力市場價格機制激勵氣電、儲能、需求響應等多種靈活性資源依據負荷變化進行出力調節(jié)，同時在輔助服務市場也應引入靈活性調節(jié)產品，各種資源可以通過市場競爭的方式，在彌補實時調度靈活性不足問題的同時獲取一定的經濟收益。因此，完善電力現貨市場和輔助服務市場對于提升電力系統(tǒng)靈活性必不可少?？傮w來看，當前的電力規(guī)劃未實現“源-網-荷-儲”靈活性資源的協調統(tǒng)一，難以適應高比例可再生能源發(fā)展需要。由于供給側可再生能源的波動性和不確定性加大，電力系統(tǒng)的運行環(huán)境更加復雜和多變，未來高滲透率可再生能源的電力系統(tǒng)對靈活性的要求更高。電力系統(tǒng)的靈活規(guī)劃與運行逐漸成為決定未來大規(guī)?？稍偕茉床⒕W成敗的關鍵要

18、素。當前的電力規(guī)劃沒有協調統(tǒng)一考慮電源側、電網側和用戶側靈活性資源，導致可再生能源大量棄電，并網成本增加，最終影響電力系統(tǒng)的可靠性。在電力系統(tǒng)規(guī)劃層面，不僅需要考慮當前和未來的系統(tǒng)需要，同時要考慮現有發(fā)電機組、輸電通道、電力用戶和儲能設施的情況，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-荷-儲”靈活性潛力中國當前的電力系統(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、電網側和用戶側充分挖掘現有靈活性資源的潛力。電源側，對于存量的火電機組，需充分發(fā)揮現有火電機組的靈活性潛力，通過改變現有機組的運營模式、進行設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。電網側，需提高現有輸電通道的利用率，發(fā)揮特高壓輸電網絡的優(yōu)勢，重組電網格局，減少因電網阻塞而產生的額外靈活性需求。用戶側，可通過電價引導電力需求側的負荷特性，實現更好的用戶側靈活性調節(jié)效果。對于儲能，要優(yōu)化增量，重視其在電源側、電網側和用戶側的協調發(fā)展及應用?？刂泼弘娧b機規(guī)模和比例，確立中長期電力系統(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)靈活性調節(jié)能力不足，而可再生能源裝機逐年上升，兩者呈現嚴重的不匹配。從經濟和技術方面來看，現階段進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)的低碳轉型。因此，依靠大幅增加煤電裝機規(guī)模來支撐高比例可再生能源發(fā)展并不可取，從長期來看，需要合理控制煤電的裝機規(guī)模，著重發(fā)展氣電、儲能、需求響應等多種靈活性資源，促進煤電與可再生能源的協調有序發(fā)展。建立公平的靈活性補償機制并增加靈活性調節(jié)產品來完善電力市場機制，激勵靈活性資源發(fā)展需要創(chuàng)建響應時間快的實時市場，將交易時間尺度縮短到分鐘級，使市場能夠及時迅速地對可再生能源發(fā)電做出價格判斷。需要建立公平的靈活性補償機制，考慮快速爬坡能力、最短向上和向下爬坡時間以及響應準確度等特性，對靈活性資源進行合理定價，減少對不靈活運行發(fā)電廠的激勵，實現靈活性資源的優(yōu)勝

21、劣汰。未來電力系統(tǒng)運行中，可以采取負荷需求側管理、備用容量共享、省間互濟等手段來“削峰填谷”，并進一步通過分時電價、尖峰電價等價格機制來引導需求側用電，削減持續(xù)時間極短的尖峰用電，從而減少以滿足短時尖峰用電為動因的新增煤電電源裝機和配套電網建設。以新的電力規(guī)劃理念引導“源-網-荷-儲”靈活性資源發(fā)展的協調統(tǒng)一面對中長期發(fā)展可再生能源的需要，應整合“源-網-荷-儲”各類型靈活性資源，準確評估未來靈活性需求，將電力系統(tǒng)靈活性提升目標納入中長期電力規(guī)劃，并與國民經濟各領域規(guī)劃有機銜接，促進“源-網-荷-儲”靈活性資源的協調發(fā)展。需要根據靈活性需求合理投資電源建設，引導電廠采用更靈活的運營模式。加快擴

22、大工業(yè)、建筑等多領域用戶側資源參與需求響應的規(guī)模，完善需求響應資源激勵費率以及懲罰措施來加速其落地實施。重視并加快發(fā)展儲能，在系統(tǒng)規(guī)劃層面協調優(yōu)化“源-網-荷-儲”各類型靈活性資源。除電化學儲能外，還應協調水利、市政等領域更好地發(fā)揮儲水、儲氣和儲熱等相對成熟技術的作用，從而實現儲能在更大范圍的協調優(yōu)化。電力系統(tǒng)靈活性電力系統(tǒng)靈活性的定義關于電力系統(tǒng)的靈活性，國際上尚無統(tǒng)一定義。國際能源署（International Energy Agency，IEA）認為電力系統(tǒng)靈活性是指在一定經濟成本約束下，電力系統(tǒng)快速響應供需兩側大幅度功率與電能波動的能力，對于能預見、不能預見的變化和事件迅速反應，負荷降

23、低時降低出力，負荷上升時提高出力8。北美電力可靠性協會（North American Electric Reliability Corporation，NERC）認為電力系統(tǒng)的靈活性是指利用系統(tǒng)資源滿足負荷變化的能力9。許多學者也對電力系統(tǒng)靈活性給出了各自的定義，例如文獻10將靈活性定義為電力系統(tǒng)在供給和需求方面應對波動性和不確定性，并同時在合理成本下保持供電可靠性的能力。文獻11則將系統(tǒng)靈活性定義為在一定時間尺度下，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調配各類可用的靈活性資源，利用合理的成本去適應電源、電網及負荷隨機變化的能力。綜上所述，本報告認為電力系統(tǒng)靈活性是指電力系統(tǒng)為了保持電力供需動態(tài)平衡，經濟地調用各

24、類靈活性資源以應對電源、電網及負荷不確定性的能力。電力系統(tǒng)靈活性不足的內涵電力系統(tǒng)靈活性主要體現在：當不確定性因素造成系統(tǒng)電力供應大于需求時，系統(tǒng)可以“向下調節(jié)”減少出力，從而減少發(fā)電被棄，盡快恢復供需平衡；當不確定性因素造成系統(tǒng)電力供應小于需求時，系統(tǒng)可以“向上調節(jié)”增加出力，從而滿足負荷需求，避免負荷削減。目前研究發(fā)現，電力系統(tǒng)向上靈活性與系統(tǒng)的爬坡能力有關，對于系統(tǒng)的負荷供應能力有較大影響。向上靈活性不足是導致電力短缺的重要原因。向下靈活性與系統(tǒng)減少常規(guī)機組出力的能力緊密相關，對系統(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、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)靈活性在建設美麗中國與應對氣候變化問題的雙重壓力下，清潔化變革推動未來建立高比例可再生電力系統(tǒng)成為必然發(fā)展趨勢。風能、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)正向以風電、光伏發(fā)電等為主的清潔電源系統(tǒng)轉變。截至 2019年底，全球風電、光伏發(fā)電裝機容量已經達到 12.03 億千瓦，占全部電源裝機的 34.7%13。國際社會陸續(xù)承諾向 100%可再生能源轉型，截至 2018 年 2 月，全球已有超過 100 個城市實現 70%以上的電力需求由可再生能源滿足14。中國也提出到 2050 年實現高比例可再生能源發(fā)展，為了實現電力系統(tǒng)低碳轉型，預計 2030 年和 2

28、050 年可再生能源發(fā)電量占比將分別達到 50%和 85%以上，風光發(fā)電量占比將分別達到 30%和 60%以上15。受技術更新、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，如圖 1-2 所示。截至 2019 年底，中國電力總裝機容量為 20.1 億千瓦，可再生能源發(fā)電裝機占 39.5%，其中風電裝機容量 2.1 億千瓦，光伏發(fā)電裝機容量 2.0 億千瓦；2019 年中國總發(fā)電量達到 7.3 萬億千瓦時，可再生能源發(fā)電量為 2.0 萬億千瓦時，占總發(fā)電量的27.9%，其中風電發(fā)電量為 4057.0 億千瓦時，占總發(fā)電量的 5.5%，光伏發(fā)電量為 2243.0億千瓦時，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，由于政策機制調動電力系統(tǒng)靈活性不足，出現了大量的棄風、棄光問題，中國的棄風率在 2016年達到 17.1%；而棄光率在 2014 年最高達到 10.5%。2016-2018 年間，中國棄風和棄光電量共計 1389 億千瓦時16。近些年由于可再生能源發(fā)電消納保障措施的實施和靈活性資源投入加大，棄風棄光率逐步回落到 5%以下。2019 年全國棄風電量 169 億千瓦時，平均棄風率降至 4%；棄光電量 46 億千瓦時，平均棄光率降至 2%17（見圖 1-2）。但以風電、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、波動性，隨著其出力占比的逐步提高，系統(tǒng)凈負荷波動增大，未來單純依靠火電和抽水蓄能的調節(jié)容量和調節(jié)能力無法滿足系統(tǒng)安全運行的靈活性要求。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%棄風電量棄光電量風電發(fā)電量光伏發(fā)電量 棄風率棄光率圖 1-2 2011-2019 年中國風光發(fā)電量及棄風棄光率變化情況國家能源局. 2018

34、年可再生能源并網運行情況介紹EB/OL. 2019.01. HYPERLINK /2019- /2019- 01/28/c_137780519.htm中國電力規(guī)劃設計總院. 中國能源發(fā)展報告 2019中國電力發(fā)展報告 2019R. 2020靈活性資源電源側資源電源側靈活性資源包括可控的傳統(tǒng)電源（水電、核電、火電）和相對可控可調度的可再生能源（光熱、生物質、地熱等）等，其中火電又分為燃氣、燃油和燃煤機組。可控傳統(tǒng)電源裝機容量大、輸出穩(wěn)定，但同時調節(jié)能力較弱、啟動時間較長18，其靈活性調節(jié)能力有限，主要靈活性電源特性見表 1-1?；痣娡ǔＧ闆r下燃煤機組不做調峰電源使用，但中國的資源稟賦決定了燃煤機

35、組的主導 地位，因此各省尤其是抽水蓄能電站較少的省份和熱電聯產機組居多的“三北”地區(qū)，均 采用燃煤機組和熱電聯產機組調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)燃等技術改造，煤電機組的最小穩(wěn)定出力可以降至 20%-30%的額定容量，電力系 統(tǒng)的向下調節(jié)能力有所提升。與燃煤發(fā)電機組相比，燃氣機組供電效率高、啟停時間短、 響應速度快，從調節(jié)特性角度來看是最佳的調峰電源。水電常規(guī)水電利用江河水體中的位能進行發(fā)電，按水庫調節(jié)性能可分為多年調節(jié)水電站、年調節(jié)水電站、季調節(jié)水電站、周調節(jié)水電站、日調節(jié)水電站和無調節(jié)能力的徑流式水 電站等。具有調節(jié)能力的水電站具有開停機迅速、功率調節(jié)快等特點，

36、在電力系統(tǒng)中起 著調頻、調峰和備用的作用19。表 1-1 主要靈活性電源特性比較調控時效性調控幅度機組爬坡速率煤電一般裝機容量50% - 100%較慢（常規(guī) 1 - 2%/min）燃氣較好裝機容量0% - 100%較快（常規(guī) 20%/min）水電較好裝機容量0% - 100%最快（常規(guī) 50 - 100%/min）長期以來，可再生能源被認為是電力系統(tǒng)中不確定性因素的源頭，但隨著風電、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)、大量外送的模式轉變，各種電源的時空互補效應能夠給部分地區(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、電網側資源電網是輸送電力的載體，也是實現電力系統(tǒng)靈活性的關鍵。良好的電網建設與運行調度能夠保障電力供給的安全性和可靠性，增強電力系統(tǒng)融合可再生能源發(fā)電的能力，邱忠恩. 水電, 火電, 核電的綜合經濟比較J. 水力發(fā)電學報, 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)展和改革委員會能源研究所, 2020.利用空間分布特性實現靈活性需求平移，保證電力資源的高效配置。電網側主要靈活性資源包括柔性輸電、互聯互濟和微電網。靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是一項新技術。它應用大功率、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的一

38、次設備等，實現對輸電系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角等指標的靈活控制，在不改變網絡結構的情況下，使電網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，大幅度提高電網靈活性、穩(wěn)定性、可靠性?；ヂ摶侵复笮碗娏ο到y(tǒng)劃分為多個區(qū)域電網并由聯絡線連接，區(qū)域之間依靠聯絡線實現電力電量交換。電網互聯互濟可以利用各地區(qū)用電的非同時性進行負荷調整，減少備用容量和裝機容量，更為經濟地增強系統(tǒng)抵御事故的能力，提高電網安全水平和供電可靠性；互聯互濟還有助于系統(tǒng)承受較大的負荷沖擊和電源波動，改善電能質量，吸納更多風光波動性電源。微電網以分布式發(fā)電技術為基礎，由分布式電源、負荷、儲能裝置、控制

39、系統(tǒng)等組成，形成模塊化、分散式的供電網絡。微電網是一個可以自治的單元，可根據電力系統(tǒng)或微電網自身的需要實現孤島模式與并網模式間的無縫轉換，有利于提高電力系統(tǒng)的可靠性、電能質量以及靈活性。微電網并網運行時，可以作為大小可變的智能負荷，能在數秒內做出響應以滿足系統(tǒng)需要，為電力系統(tǒng)提供靈活性支撐。用戶側資源用戶側電力需求側管理是電力系統(tǒng)靈活性的重要提供源。它通過采取措施引導用戶優(yōu)化用電方式，不僅可以平抑用電負荷的波動性、減小負荷的峰谷差、提高電網利用效率，還能夠通過調動負荷側的響應資源來滿足系統(tǒng)靈活性需求，保障系統(tǒng)的安全可靠運行，促進更多可再生能源的消納。需求側靈活性資源包括負荷需求響應（ Dema

40、nd Response，DR）和電動汽車等。需求響應需求響應通過對可中斷負荷的負荷管理和一定時間內的價格信號或激勵機制，改變需求側負荷原定的用電方式，實現削峰填谷，提供靈活性。簡單來講，需求響應是通過合理的機制促使電力消費者在用電負荷高峰時段改變用電行為，停用或轉移到其他時段用電。按照不同的響應方式，可將電力市場下的需求響應分為基于價格的 DR 和基于激勵的 DR20?；趦r格的 DR 是指負荷端對零售電價的變化進行響應并調整用電需求，用戶通過經濟決策后自愿將用電從高峰時段調整至低谷時段，利用低電價來實現減少電費支出的目的；基于激勵的 DR 是指用戶與 DR 的實施機構簽訂合同，并明確基本負荷

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消費量和負荷削減量計算方法，

43、確定激勵費率及不能履行合同進行響應的懲罰措施。具體實施階段，機構制定確定的或動態(tài)的政策，激勵用戶在系統(tǒng)可靠性受到威脅或者電價相對較高時削減負荷，提供靈活性。電動汽車電動汽車并入電網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節(jié)能力。通過優(yōu)化充放電策略，電動汽車的普及使用可以成為高質量的系統(tǒng)調節(jié)資源。由于電動汽車不同類型蓄電池的充放電特性不一，電力調度部門對電動汽車的放電時間進行統(tǒng)一調度，執(zhí)行適當的充放電策略有助于實現電力供需平衡。儲能資源儲能技術作為一種新型技術，在負荷低谷時存儲電量，在高峰時釋放電量。儲能通過對電能供需時間上的平移提供靈活性，實現削峰填谷、平衡供需，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

44、儲能技術與可再生能源結合利用時，可以平抑可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性，促進可再生能源的消納。在電源側，儲能能夠提升可再生能源并網特性，提高電網考核分，減少考核損失，同時促進可再生能源根據電力需求特性、市場價格信號等優(yōu)化生產運行，減少棄風棄光電量，降低系統(tǒng)輔助服務成本。在電網側，儲能能夠促進可再生能源與電網的協調優(yōu)化運行。在可再生能源較為集中的區(qū)域，電網側儲能可以發(fā)揮其削峰填谷、負荷跟蹤、調頻調壓等功能，改進電力調度方式，加強區(qū)域負荷調節(jié)優(yōu)化。在用戶側，儲能可以提高分布式可再生能源發(fā)電就地消納的比例，降低負荷對電網供電的依賴性，提升系統(tǒng)靈活性。當前儲能技術越來越發(fā)達，材料成本逐年下降，為大規(guī)模

45、儲能的應用提供了良好的基礎。電能存儲技術分類如圖 1-3 所示。電儲能物理形式化學形式機械能電磁場能氫儲能電池儲能動能：飛輪儲能抽水蓄能勢能壓縮空氣儲能 電場能：超級電容器磁場能：超導磁儲能鋰離子電池鉛酸電池液流電池鈉硫電池，等圖 1-3 典型電儲能技術分類目前，除抽水蓄能技術相對成熟外，其余大容量儲能技術仍處于試點示范階段，且投資成本相對較高，亟待進一步的技術突破和成本降低。不同儲能技術有各自的優(yōu)缺點，電化學電池儲能配置靈活，響應速度快且不受外部條件限制，但使用壽命有限，成本較高；飛輪儲能具有功率密度高、能量轉換效率高、使用壽命長、對環(huán)境友好等優(yōu)點，缺點是儲能能量密度低、自放電率較高；電磁儲

46、能響應速度快、功率密度高且對環(huán)境友好，缺點是現階段成本高且存在一些關鍵技術問題；壓縮空氣儲能技術和抽水蓄能技術都受到環(huán)境和材料等外部條件制約。未來廣泛應用于電力系統(tǒng)的儲能技術，至少需達到兆瓦級/兆瓦時級的儲能規(guī)模。抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能可達到這一規(guī)模，而飛輪儲能、超導磁儲能及超級電容器等功率型儲能技術則很難達到。未來在儲能靈活性資源選擇上要綜合考慮技術成熟度、成本等多種條件。靈活性相關機制市場型靈活性能量市場按照邊際出清價格機制調用資源，天然具有靈活性。計劃體制下，為確保電力安全，通常利用常規(guī)電源發(fā)電滿足負荷需求，電源發(fā)電計劃提前確定，固定的常規(guī)電源發(fā)電份額導致可再生能源發(fā)電空

47、間受到擠壓。市場機制下，負荷與可再生能源發(fā)電預測提前一天完成，預測的出力用于日前市場交易，最大程度去滿足電力電量平衡。日內市場主要是根據風力和光照的變化更新對波動性可再生能源出力的預測，在日前預測的基礎上更新日內交易發(fā)電計劃，進行提前 15 分鐘或更早的電力交易。成熟電力市場通過實時電價變化，引導發(fā)電企業(yè)主動參與調峰，這一過程在能量市場出清中完成。通常系統(tǒng)負荷較小時電價可能較低，而在系統(tǒng)負荷較大時電價可能很高，因此調節(jié)能力強的機組可以通過在谷時段少發(fā)電而在峰時段多發(fā)電獲得較高的平均電價。由于日前市場和日內市場的存在，市場參與者幾乎可以完全通過能量市場平衡其發(fā)用電計劃，在能量市場交易中按照邊際機

48、組報價出清。由于可再生能源在能量市場中的報價接近于零，在不同類型機組參與調度時將優(yōu)先出清，因此有利于可再生能源的消納。單一能量市場不能滿足實時電力平衡需求，仍需要輔助服務市場來保證電力系統(tǒng)的瞬時物理平衡?？紤]到負荷和風電出力隨機波動所帶來的不確定性，一般由在輔助服務市場中購買的備用容量來彌補意外負荷或不可預料的負荷導致的供需不平衡，減少失負荷情況的出現。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 秒內啟用，其作用是穩(wěn)定電網頻率，啟動時間為 30 秒；二次控制備用是在首次功率變化后 30 秒內召集備用提供商，平衡控制區(qū)域，使電網頻率回到標稱值，取代一

49、次備用，啟動時間為 5 分鐘；三次控制備用是在干擾發(fā)生 15 分鐘后手動啟用，不完全取代二次控制備用，啟動時間為 15 分鐘。具體備用作用機理如圖1-4 所示。高比例的可再生能源也會增加供需平衡的波動性和不確定性，與發(fā)電強烈波動且非同步的電力系統(tǒng)中的頻率控制和電壓控制相關的挑戰(zhàn)，需要快速調頻和快速爬坡等輔助服務產品來解決，輔助服務市場此時便可以發(fā)揮關鍵作用，優(yōu)先調動更高水平的靈活資源（如儲能和需求響應）。規(guī)劃型靈活性圖 1-4 市場備用容量作用機制21電力系統(tǒng)長期以來保障運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，源荷波動疊加導致靈活性需

50、求劇增，同時，部分常規(guī)電源被可再生能源替代進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)的向下調節(jié)能力，因此，電力規(guī)劃理念應加強“靈活性平衡”約束考量，必須充分挖掘“源-網-荷-儲”各個環(huán)節(jié)的調節(jié)潛力參與平衡，建立靈活性需求與供給的平衡。同時，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”應從“源-網-荷-儲”多時間尺度、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)應針對靈活性不足類型及其時間尺度開展電源結構優(yōu)化，

51、重塑能源系統(tǒng)，將電、熱、氣之間的互轉互濟作為滿足系統(tǒng)靈活性的最基礎保障，優(yōu)先消納可再生能源；長遠看應提高輸電系統(tǒng)對靈活性資源的承載能力；大力推動需求側響應，充分挖掘負荷側靈活性；大規(guī)模應用儲能，實現日調節(jié)、月調節(jié)和年調節(jié)儲能設施的有機結合，進一步提升系統(tǒng)靈活性。GIZ. 對電力系統(tǒng)靈活性的激勵: 德國電力市場的作用R. 2019.10.中國電力系統(tǒng)靈活性資源現狀2019 年，中國風電裝機和太陽能發(fā)電裝機占全球風電總裝機和太陽能發(fā)電總裝機的比例分別達到了 34%和 35%，均為世界第一。隨著可再生能源平價時代的到來，其裝機容量及發(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。當前中國電力系統(tǒng)調節(jié)靈活性欠缺、電網調度運行方式較為僵化等現實情況難以發(fā)揮電源清潔高效消納的優(yōu)勢，區(qū)域用電用熱矛盾突出，優(yōu)化調度全額消納可再生能源難度較大。技術型靈活性資源現狀電源側資源現狀當前，中國電力系統(tǒng)中靈活調節(jié)電源配比較低，與可再生能源裝機世界第一的現狀不匹配，煤電機組靈活性改造仍有較大空間。同時，中國可再生能源資源富集地區(qū)具有調節(jié)性能的水電、抽水蓄能和燃氣電站等靈活電源比重低，系統(tǒng)靈活性不足。受機組性能設計、煤電電價機制等因素影響，中國燃煤機組最大調峰幅度普遍設定為 50%，常規(guī)機組的最小負荷和爬坡率指標遠遠落后于丹麥、德國等領先國家水平，特別是“三北”地區(qū)“以熱定電”的供熱機

53、組比重大，冬季調峰能力十分有限。中國電源側靈活性資源主要包括深度調峰改造后的煤電、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、調節(jié)能力的優(yōu)勢，技術上可以作為調峰電源的最優(yōu)選擇。表 2-1 靈活性資源的特性靈活性資源煤電深度調峰改造氣電抽水蓄能電源側儲能優(yōu)點深度調峰技術手段成熟，可普遍適用于煤電機組，改造后的機組最小出力可達到額定出力的 20%-30%1.啟停速度快，100%全負荷啟動只需 9-10min 2.占地少，用水量少3.適合在可再生能源富集區(qū)對系統(tǒng)進行調節(jié) 4.適合在負荷中心建設100% 全負荷 啟動需 2-3min響應速度快，充放電時

54、間為毫秒級可多次調節(jié)缺點響應調節(jié)速度慢，冷啟動需 5 小時改造后的機組煤耗增加，壽命縮短，污染增加建設投資成本高天然氣價格高受選址條件約束和經濟性限制，建設規(guī)模有限受技術條件限制，目前尚不具備大規(guī)模建設條件建設投資成本高電網側資源現狀目前中國各級電網協調發(fā)展，增強了能源配置能力。東北 500 千伏主網架結構、華北“兩橫一縱”交流特高壓主網架、西北 750 千伏主網架、華東特高壓環(huán)網、華中東四省電網與川渝藏電網異步的互聯、南方電網“八交十直”的西電東送主網架，共同構成了中國堅強的網架系統(tǒng)，基本形成了西電東送、北電南送的特高壓輸電網絡，大幅提升了能源配置能力和電網安全供電水平。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 千伏及以上變電設備容量 40.2 億千瓦，其中交流變電設備容量 36.9 億千瓦，直流換流容量 3.4 億千瓦。另外，2019 年最新統(tǒng)計顯示，全國電網投資 5373 億元，新增 220 千伏及以上輸電線路長度 3.77 萬千米，新增 220 千伏及以上變電設備容量 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 年新增合計輸電線路長度（萬公里）73.33.7777.0

56、7變電設備容量（億千瓦）目前中國建成了多個特高壓可再生能源專項輸電工程，但由于火電、風電等電源的發(fā)展與電網發(fā)展在時間上的不同步不協調、送端和受端承受能力不同，實際輸送新能源電量不及預期。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 29.2 億千瓦時，最高達 78.9 億千瓦時，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 53.2 和 47.6 億千瓦時，但新能源輸送電量僅為 0.4 和 1.1億千瓦時，占比分別為 0.75%和 2.31%。用戶側資

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

58、 家為有效響應（有效響應指電力客戶實際響應負荷量大于合同響應量的 120%），響應規(guī)模中國電力企業(yè)聯合會. 2019-2020 年度全國電力供需形勢分析預測報告R. 2020陳宋宋, 李德智. 中美需求響應發(fā)展狀態(tài)比較及分析J. 電力需求側管理, 2019, 21(03): 73-76+80.北極星售電網. 山東 2019 年電力需求響應單邊競價交易結果EB/OL. 2019.07.29. HYPERLINK /html/20190729/995966.shtml /html/20190729/995966.shtml352 兆瓦25。江蘇 2019 年 7 月 30 日單次需求響應參與者包括

59、普通用戶 452 戶和負荷集成商 13 家，削減用電負荷 4020 兆瓦，創(chuàng)下單次削減負荷新紀錄。表 2-3 中國 2014 年-2019 年度削峰響應試點實施情況年份實施次數/次參與用戶數量/戶參與聚合商數量/戶削減負荷/MW削減電量/MWh激勵費用/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：表中激勵費用數據不包含江蘇省 2015 年激勵費用電動汽車作為分布式儲能可通過有序充電、V2G（Vehicle-to-Grid）等方式參與電力系統(tǒng)調峰、調頻等輔助服務，為電力系統(tǒng)提供一定規(guī)模的靈活性。近年來中國電動汽車發(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)五年占據世界第一，充電基礎設施建設也日益加速，已建成充電樁數量超過 120 萬27。儲能資源現狀儲能靈活性資源主要為抽水蓄能和電化學儲能。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