與傳統(tǒng)化石能源相比，可再生能源(尤其是風(fēng)電和光伏)最大的特征就是其發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性。未來(lái)，隨著風(fēng)光電大規(guī)模、高比例接入電網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能由于具有削峰填谷的功能，被行業(yè)寄予厚望。儲(chǔ)能的作用可以通俗地理解為“充電寶”， 在風(fēng)光大發(fā)時(shí)或者用電低谷時(shí)充電，風(fēng)光出力小或者用電高峰時(shí)放電。它既能平滑不穩(wěn)定的風(fēng)光電，促進(jìn)新能源消納，也能配合常規(guī)火電、核電等電源，為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)的靈活性。

2021年發(fā)改委、能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》給出了對(duì)于儲(chǔ)能發(fā)展的具體方向，明確至2025年，國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能裝機(jī)總規(guī)模達(dá)30GW以上。2022年3月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，要求到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段;到2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。

在地方層面，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有23個(gè)省(區(qū))發(fā)布了新能源配儲(chǔ)的政策。以新能源大省內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，在其發(fā)布的《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》中就要求，電化學(xué)儲(chǔ)能容量不低于新能源項(xiàng)目裝機(jī)容量的15%(2 小時(shí))， 充放電不低于 6000 次，單體電芯容量不低于 150Ah。

然而，對(duì)于新能源強(qiáng)制配儲(chǔ)能這一政策，業(yè)內(nèi)有很多質(zhì)疑。其一，儲(chǔ)能容量配比10%、15%或20%的比例，是如何確定的，科學(xué)性如何，尚不清晰。其二，按照目前的儲(chǔ)能成本及市場(chǎng)價(jià)格形成機(jī)制，新能源配置儲(chǔ)能到底有沒有經(jīng)濟(jì)性?

01、第一性原理

為了回答這一問(wèn)題，我們遵循“第一性原理”(即回歸事物的最基本條件，從最核心處開始推理)，嘗試對(duì)其開展深入剖析。如前所述，風(fēng)光電的間歇性和波動(dòng)性是其大規(guī)模、高比例并網(wǎng)的最大障礙，而儲(chǔ)能具備削峰填谷的功能，被認(rèn)為是促進(jìn)大規(guī)模新能源消納的良藥。但是，電力系統(tǒng)中能夠提供平滑新能源波動(dòng)性服務(wù)的產(chǎn)品或方案遠(yuǎn)不止儲(chǔ)能一種。在之前的文章中(IRENA：大規(guī)模風(fēng)光新能源消納的創(chuàng)新舉措)，我們就提到國(guó)際可再生能源署已經(jīng)總結(jié)了30種大規(guī)模風(fēng)光新能源消納的創(chuàng)新舉措。這30種創(chuàng)新舉措或靈活方案大致可以劃分為4個(gè)類型，即支撐技術(shù)、市場(chǎng)設(shè)計(jì)、商業(yè)模式和系統(tǒng)運(yùn)行。其中支撐技術(shù)包括數(shù)字化、氫能、區(qū)塊鏈、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等;市場(chǎng)設(shè)計(jì)包括鼓勵(lì)靈活性、消費(fèi)者需求響應(yīng)和跨區(qū)資源互補(bǔ)等;商業(yè)模式包括綜合能源服務(wù)、隔墻售電、虛擬電廠等;系統(tǒng)運(yùn)行包括終端部門電氣化、分布式能源系統(tǒng)、風(fēng)光水互補(bǔ)等。儲(chǔ)能僅是其中一種支撐技術(shù)。在促進(jìn)新能源大規(guī)模消納的諸多方案中，我們要做的應(yīng)該是比選哪種方案或哪幾種方案的組合更經(jīng)濟(jì)。

02、風(fēng)光儲(chǔ)最優(yōu)配比

老話說(shuō)，“不謀萬(wàn)世者，不足謀一時(shí);不謀全局者，不足謀一域。”構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，規(guī)劃的節(jié)約是最大的節(jié)約。然而如何在規(guī)劃階段明確風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能的合理配比成為擺在我們面前的一道難題。前不久，發(fā)表在《中國(guó)電力》的一篇文章(李湃等，2022)，對(duì)這一問(wèn)題做了回答。論文提出了一種基于源-荷匹配的區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)/光/儲(chǔ)容量配比優(yōu)化方法。首先，考慮新能源與儲(chǔ)能的運(yùn)行特性、裝機(jī)容量、新能源棄電率、新能源發(fā)電量占比等約束條件，建立以全網(wǎng)新能源發(fā)電量最大為目標(biāo)的多區(qū)域風(fēng)/光裝機(jī)容量?jī)?yōu)化模型。然后，以風(fēng)/光全年出力時(shí)間序列為輸入，通過(guò)時(shí)序生產(chǎn)模擬計(jì)算，確定滿足源-荷最優(yōu)匹配后的風(fēng)/光/儲(chǔ)最優(yōu)接入容量配比。最后，以中國(guó)“三北”地區(qū)某區(qū)域電網(wǎng)為對(duì)象進(jìn)行算例驗(yàn)證。論文研究結(jié)果顯示：

(1)在未接入化學(xué)儲(chǔ)能時(shí)，案例區(qū)域風(fēng)電和光伏最大接入容量分別為 31.39 GW 和 5.54 GW，全網(wǎng)新能源總發(fā)電量為 69.6 TW·h，風(fēng)光最優(yōu)配比為 5.7∶1。

(2)在接入化學(xué)儲(chǔ)能后，假定全網(wǎng)儲(chǔ)能最大裝機(jī)規(guī)模為 5 GW/10 GW·h， 案例區(qū)域風(fēng)電和光伏最大接入容量分別為 38.89 GW 和 11.11 GW，風(fēng)光最優(yōu)配比為 3.5∶1。風(fēng)光接入容量較未接入儲(chǔ)能時(shí)分別增長(zhǎng)了 23.9% 和 100.5%。由于光伏出力的日特性顯著，儲(chǔ)能與光伏的協(xié)調(diào)互補(bǔ)作用更加明顯，在接入儲(chǔ)能后系統(tǒng)的光伏接入容量會(huì)顯著增加。

(3)當(dāng)區(qū)域最大儲(chǔ)能裝機(jī)由 5 GW/10 GW·h 增至 10 GW/20 GW·h 時(shí)，新能源裝機(jī)容量變化和年發(fā)電量亦出現(xiàn)變化。隨著儲(chǔ)能裝機(jī)容量的增加，風(fēng)電的接入容量逐漸增加至最大值 98.89 GW，而光伏接入容量則變化不大。這主要是由于風(fēng)電的利用小時(shí)數(shù)更高，在同等裝機(jī)下電網(wǎng)會(huì)優(yōu)先接納風(fēng)電;另外，光伏發(fā)電出力曲線形狀較為固定，而風(fēng)電的廣域互補(bǔ)特性更強(qiáng)，在負(fù)荷匹配約束的限制下，系統(tǒng)更傾向于接納風(fēng)電。同時(shí)，新能源年發(fā)電量隨著化學(xué)儲(chǔ)能接入容量的增加呈近似線性上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在保證源-荷匹配效果的同時(shí)，化學(xué)儲(chǔ)能的接入有利于提升新能源消納。

(4)假定儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模 5 GW/10 GW·h，若新能源最大棄電率由 0 增加到 10% ，隨著棄電率上限的不斷增加，新能源的最優(yōu)接入容量也不斷增加，當(dāng)棄電率為 10% 時(shí)，風(fēng)光容量達(dá)到最大值 65.02 GW 和 42.44 GW。并且風(fēng)電的增長(zhǎng)趨勢(shì)高于光伏，這也進(jìn)一步證實(shí)了大規(guī)模光伏較風(fēng)電更難以與負(fù)荷進(jìn)行匹配，系統(tǒng)更傾向于配置互補(bǔ)性更強(qiáng)的風(fēng)電。此外，隨著棄電率的增加，日負(fù)荷匹配平均偏差呈下降趨勢(shì)，由4.84 GW·h 降至 2.98 GW·h，這說(shuō)明允許一定的棄電率可使系統(tǒng)發(fā)電功率與負(fù)荷形狀更容易匹配。

03、結(jié)果的啟示

(1)從第一性原理出發(fā)，配置儲(chǔ)能主要是解決新能源的波動(dòng)性，促進(jìn)新能源消納。因此，在確定區(qū)域儲(chǔ)能配置容量之前，我們首先要分析區(qū)域新能源的波動(dòng)特性到底是怎么樣的?新能源發(fā)電出力與負(fù)荷之間的匹配程度又如何?由于風(fēng)/光資源具有廣域時(shí)空互補(bǔ)特性，我們應(yīng)優(yōu)先確定區(qū)域風(fēng)光裝機(jī)容量的最優(yōu)配比，以期通過(guò)風(fēng)光發(fā)電自身的互補(bǔ)性最大程度地解決其自身的波動(dòng)性，之后再考慮儲(chǔ)能和其他常規(guī)電源的調(diào)節(jié)作用。

(2)區(qū)域儲(chǔ)能的配置規(guī)模是系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化的結(jié)果。也就是說(shuō)，它是基于電力系統(tǒng)仿真模型，在一定邊界條件約束下計(jì)算得到。考慮到不同區(qū)域的風(fēng)光資源特性、電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、棄電率等的差異，區(qū)域儲(chǔ)能的配置容量以及風(fēng)光儲(chǔ)的最優(yōu)配比也會(huì)有所不同。新能源配儲(chǔ)不能“拍腦袋”，更不能“一刀切”。

(3)論文的仿真結(jié)果顯示，由于風(fēng)電的利用小時(shí)數(shù)更高，廣域互補(bǔ)特性更強(qiáng)，從源-荷匹配的角度來(lái)看，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先接納風(fēng)電(然而從各省已經(jīng)公布的“十四五”可再生能源規(guī)劃看，光伏的新增裝機(jī)容量普遍大于風(fēng)電。從全國(guó)總量上看，光伏新增裝機(jī)容量約為風(fēng)電的2倍，這與論文結(jié)論不太吻合。我們猜測(cè)，各省能源主管部門在制定規(guī)劃時(shí)，可能更多考慮的是光伏的多應(yīng)用場(chǎng)景和工程建設(shè)短平快的特點(diǎn)，而對(duì)風(fēng)光資源的出力特性、互補(bǔ)特性以及系統(tǒng)的消納能力考慮不夠);由于光伏出力的日變化特性顯著，儲(chǔ)能與光伏的協(xié)調(diào)互補(bǔ)作用更加明顯，在接入儲(chǔ)能后系統(tǒng)的光伏接入容量會(huì)顯著增加(也就說(shuō)，從風(fēng)光出力特性上看，光伏與儲(chǔ)能更加協(xié)調(diào)互補(bǔ)，而風(fēng)電與“大電網(wǎng)”更加協(xié)調(diào)互補(bǔ))。

如前所述，我們建議各省在制定儲(chǔ)能規(guī)劃和可再生能源規(guī)劃過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持風(fēng)光儲(chǔ)一盤棋的原則，通過(guò)電力系統(tǒng)仿真模型來(lái)確定風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能開發(fā)規(guī)模及最優(yōu)配比。

|| “夫未戰(zhàn)而廟算勝者，得算多也，未戰(zhàn)而廟算不勝者，得算少也。多算勝，少算不勝，而況無(wú)算乎!吾以此觀之，勝負(fù)見矣。”——《孫子兵法》

|| “夫運(yùn)籌帷幄之中，決勝于千里之外，吾不如子房。”——《史記》

引文信息：

李湃, 方保民, 祁太元, 等. 基于源-荷匹配的區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)/光/儲(chǔ)容量配比優(yōu)化方法[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(1): 46-54.

LI Pai, FANG Baomin, QI Taiyuan, et al. Capacity proportion optimization of wind, solar power and battery energy storage system for regional power grid based on source-load matching[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 46-54.