建設(shè)多元化儲能系統(tǒng)以滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，必須建設(shè)清潔低碳高效安全的能源體系，大力推進以綠色新能源代替化石能源，深化電力系統(tǒng)改革，著力建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。為緩解新能源的間歇功率特性，支持可再生能源消納和分布式新能源接入，適應新形勢下電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻需求，儲能技術(shù)與可再生能源發(fā)電的結(jié)合應用是實現(xiàn)未來高占比大規(guī)?？稍偕茉磻玫谋匾侄危虼诵枰罅Πl(fā)展和建設(shè)多元化儲能系統(tǒng)。

先進儲能技術(shù)是實現(xiàn)高比例新能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)

目前我國擁有全球比較大的能源系統(tǒng)(生產(chǎn)和消費)，其中非化石能源在一次能源中所占的比例僅為15%左右。要實現(xiàn)二氧化碳減排的目標，開發(fā)利用以太陽能和風能為代表的可再生能源已成為當務之急。隨著能源革命進程加快推進，新能源迎來爆發(fā)式增長，預計到2030年和2060年，我國新能源發(fā)電量占比將分別超過25%和60%。風力發(fā)電和光伏發(fā)電是目前主流新能源發(fā)電技術(shù)，由于易受外界自然條件干擾，風電和光伏均表現(xiàn)出顯著的功率間歇波動性，給電力系統(tǒng)帶來巨大干擾。隨著風光等間歇性新能源在電力系統(tǒng)中滲透率不斷提高，新型電力系統(tǒng)必然面臨著較為嚴重的功率波動問題。大力發(fā)展先進儲能技術(shù)，對于促進可再生能源消納、提升電力系統(tǒng)靈活性能具有重要意義。

一方面，為平抑新能源的功率波動，支撐大規(guī)模新能源并網(wǎng)與分布式新能源開放接入，在改造傳統(tǒng)火電、提升其靈活性的同時，有必要開發(fā)多角度、多層次、多尺度的儲能技術(shù)，為突破新型電力系統(tǒng)傳統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力的瓶頸構(gòu)建適用于多場景的完善儲能體系。從電源側(cè)將儲能與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，組成一個聯(lián)合系統(tǒng)，通過儲能系統(tǒng)的能量存儲和釋放入網(wǎng)，使間歇性可再生電力能源變成穩(wěn)定、安全、高效的清潔能源。與此同時，風、光等新能源面對電網(wǎng)負荷擾動難以進行功率調(diào)節(jié)，且其功率幅值在日周期內(nèi)變化巨大。具備靈活雙向調(diào)節(jié)能力的儲能電站能夠與電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)頻調(diào)峰控制深度結(jié)合，兼顧電網(wǎng)功率平衡和發(fā)電成本，為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟性和安全性的重要手段，成為智能電網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。

另一方面，大量先進儲能技術(shù)的應用將顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網(wǎng)，是推動主體能源由化石能源向可再生能源更替的關(guān)鍵技術(shù)，可促進能源生產(chǎn)消費開放共享和靈活交易，實現(xiàn)多能協(xié)同，是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)、推動電力體制改革和促進能源新業(yè)態(tài)發(fā)展的核心基礎(chǔ)。因此，先進儲能技術(shù)對建設(shè)源網(wǎng)荷儲深度融合的智能化、數(shù)字化新型電力系統(tǒng)具有重要意義。

大力發(fā)展抽水蓄能、電化學儲能和壓縮空氣等多元化儲能技術(shù)

儲能技術(shù)實現(xiàn)方式多種多樣，具體包括抽水蓄能、化學電池、壓縮空氣儲能、飛輪、超級電容器、超導磁系統(tǒng)以及氫能、儲冷、儲熱等。近年來全球范圍內(nèi)建設(shè)了數(shù)百項兆瓦級及以上規(guī)模的儲能示范工程，截至2020年底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模達到191.1吉瓦，中國已投運儲能項目累計裝機規(guī)模為35.6吉瓦。在眾多儲能技術(shù)中，由于在儲能規(guī)模、安全性和經(jīng)濟性等多項指標上的優(yōu)越表現(xiàn)，抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣、飛輪等儲能技術(shù)受到重點關(guān)注。

1.抽水蓄能在可見未來仍將是主力儲能技術(shù)

抽水蓄能是目前技術(shù)比較成熟、應用比較廣泛的儲能技術(shù)，具有規(guī)模大、壽命長和運行費用低的特點。截至2020年底，全球儲能市場中抽水蓄能的累計裝機規(guī)模達到172.5吉瓦，占比為90.3%；我國抽水儲能的累計裝機規(guī)模已達到31.79吉瓦，占中國儲能項目的89.3%。抽水蓄能技術(shù)的主要發(fā)展方向是電站關(guān)鍵部件的能效性能提升、系統(tǒng)控制優(yōu)化以及與廠網(wǎng)間的智能聯(lián)動。許多專家學者提出了地下抽水蓄能的概念，可將環(huán)境影響降至較低，是極具潛力的未來儲能系統(tǒng)。南方電網(wǎng)主持的國家重點研發(fā)計劃“海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究項目”關(guān)鍵成果“波浪擾動環(huán)境下可變速抽水蓄能機組實證平臺”在2021年5月通過專家評審會。相信隨著越來越多的新型抽水蓄能技術(shù)的研發(fā)，會有更多的示范性項目為未來商業(yè)化推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗。

2.電化學儲能技術(shù)將快速發(fā)展

隨著電動汽車行業(yè)的大力發(fā)展，其核心部件電池產(chǎn)業(yè)也得到重視和研究，進而帶動了電池儲能電站的大發(fā)展。采用電池的儲能電站的規(guī)模不斷擴大，在儲電市場占比中僅次于抽水蓄能。目前在儲能特別是儲電領(lǐng)域是以抽水蓄能為主、以電池儲能為輔的局面。截至2020年底，全球電化學儲能的裝機規(guī)模達14.2吉瓦，占比為7.5%。從技術(shù)分布上看，全球電化學儲能中鋰離子電池的累計裝機規(guī)模比較大，達到了13.1吉瓦，電化學儲能和鋰離子電池的累計規(guī)模均首次突破10吉瓦大關(guān)。我國電化學儲能累計裝機規(guī)模3.28吉瓦，占比9.2%，新增裝機功率規(guī)模達到1.56吉瓦，年新增首次突破1吉瓦，排名世界首位，增長率遠遠高于抽水儲能?，F(xiàn)階段電池技術(shù)仍然處于快速提升階段，鋰離子電池是除抽水蓄能之外，應用占比較高的儲能技術(shù)，但也存在安全隱患較大、成本較高、控制技術(shù)復雜等挑戰(zhàn)。新型的電化學儲能技術(shù)，如鈉離子電池的應用將會擴大?！笆奈濉逼陂g，電化學儲能將以實現(xiàn)本質(zhì)安全化、低成本和長壽命為主攻目標。

3.壓縮空氣儲能是極具潛力的儲能手段

壓縮空氣儲能是利用空氣作為介質(zhì)，具有規(guī)模大、壽命長和運維費用低的特點。改進的絕熱型和噴汽增焓型壓縮空氣儲能技術(shù)具有可擴展性、環(huán)保性和高儲能效率等優(yōu)點，且可以避免化石燃料的使用，經(jīng)濟優(yōu)勢更為顯著。理想情況下壓縮空氣儲能效率可達70%以上，建設(shè)成本為3000元～4000元/千瓦，甚至可以與抽水蓄能比較成本競爭力，同時還具有充分的位置靈活性。目前商業(yè)化運行的壓縮空氣儲能電站有兩個，分別為德國Huntorf電站和美國McIntosh電站。由于良好的應用前景，當前各國政府均大力支持壓縮空氣儲能技術(shù)研究。2019年，國際首套10兆瓦級先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)在中國通過科技部驗收；另外，國際首套100兆瓦先進壓縮空氣儲能項目在張家口正式開工，國家重點研發(fā)計劃項目“10兆瓦級先進壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)與示范”將于2021年完成驗收。中國的壓縮空氣儲能技術(shù)將由理論和示范轉(zhuǎn)為小范圍商業(yè)化應用，隨著分布式新能源發(fā)電的進一步爆發(fā)，中小規(guī)模的壓縮空氣儲能項目將會在未來得到更大范圍發(fā)展。

國家能源局于2021年4月發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見(征求意見稿)》，提出：“堅持儲能技術(shù)多元化，推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術(shù)成本持續(xù)下降和商業(yè)化規(guī)模應用，實現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長時間儲能技術(shù)進入商業(yè)化發(fā)展初期，加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術(shù)開展規(guī)模化試驗示范，以需求為導向，探索開展氫儲能及其他創(chuàng)新儲能技術(shù)的研究和示范應用?！痹俅蚊鞔_不同的儲能技術(shù)將針對典型應用場景、滿足不同時長和頻率的儲能要求，提出了需要開展儲能技術(shù)多元化發(fā)展的目標。

建設(shè)多元化儲能系統(tǒng)以滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求

以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率不平衡現(xiàn)象是具有多樣性、不同時間尺度和顯著層次性的，其成因包括新能源發(fā)電隨機性、負荷擾動以及突發(fā)故障等多種因素，且表現(xiàn)出秒級、分鐘、小時乃至季度等多種級別的時間尺度。新型電力系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)需要及時平衡新型電力系統(tǒng)的功率波動，同時配合電網(wǎng)調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。要實現(xiàn)這個目的，要求儲能系統(tǒng)具備三大功能。

1)大容量：儲能系統(tǒng)功率支援能力必須能夠覆蓋系統(tǒng)中新能源發(fā)電功率波動較大差額，因此必須具備較大容量；

2)快速響應：儲能系統(tǒng)一般進行后發(fā)式功率支援，必須具備快速響應能力；

3)多層次功率支援能力：新型電力系統(tǒng)中功率不平衡問題來源和特性極具多樣性，儲能系統(tǒng)對各種類型的功率不平衡現(xiàn)象均要具備強大的多層次支援能力。

單一技術(shù)結(jié)構(gòu)和控制策略的儲能系統(tǒng)難以滿足上述要求，因此必須建設(shè)智能的多元化儲能系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為三個方面。

1)技術(shù)多樣性：任何一種儲能技術(shù)電站都具有其優(yōu)缺點，為滿足多樣化的功率支援需求，儲能系統(tǒng)應當包含多種不同類型儲能電站，且各類儲能電站的容量配比與新型電力系統(tǒng)自身特性相契合。

2)功能層次化：為實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，儲能系統(tǒng)需要具備多層次的功率支援能力。有必要制定針對性的控制策略，并對各種特性的儲能電站規(guī)劃不同的角色，使其在系統(tǒng)中發(fā)揮特定作用，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)整體的層次化矩陣式的調(diào)節(jié)作用。

3)智能數(shù)字化：電力系統(tǒng)中的所有儲能電站受電網(wǎng)中樞控制，形成網(wǎng)絡(luò)化矩陣式的儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)儲能電站優(yōu)化配置，功率支援優(yōu)化控制。以數(shù)字技術(shù)改變儲能電站傳統(tǒng)作業(yè)模式，以數(shù)據(jù)驅(qū)動儲能電站規(guī)劃管理和科學決策，與數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)深度融合。

當前，南方電網(wǎng)儲能電站以抽水蓄能電站占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，電池儲能和壓縮空氣儲能等技術(shù)方興未艾。未來儲能系統(tǒng)建設(shè)將依托數(shù)字化新型電力系統(tǒng)建設(shè)，通過源—網(wǎng)—荷—儲一體化規(guī)劃優(yōu)化，多措并舉實現(xiàn)儲能與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，支撐大規(guī)模新能源消納和復雜大電網(wǎng)控制，支撐能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，努力構(gòu)建資源“靈活可調(diào)”、潮流“柔性可控”、故障“韌性可愈”的智能電網(wǎng)，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標作出貢獻。

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