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抽水蓄能与储能协同配置 助力新型电力系统构建

作者:马实一 周泊宇 来源:国家电网报 发布时间:2021-10-26 浏览:

中国储能网讯:随着我国能源结构加快转型,电力系统中新能源装机占比将进一步增大,电力系统对灵活性调节电源的需求将明显增加。探索灵活性资源配置新模式,是助力构建新型电力系统的必要手段之一。抽水蓄能与电化学储能联合配置的模式在国际上也备受关注。

今年9月,国际水电协会(IHA)主办的第八届世界水电大会设置了主题为“水电与电池一站式解决方案”的线上直播边会,国网经济技术研究院有限公司在会上提出抽水蓄能和电化学储能联合配置运行模式。未来,二者协同运行在以新能源为主体的新型电力系统中,将对系统灵活性的提升起到重要支撑作用,也可进一步提升清洁能源的消纳水平。

新型电力系统加快构建,对电力系统调节能力提出新要求

近年来,我国能源体系逐步向清洁低碳、安全高效的方向转型,新能源在电力系统中的规模日益增大。随着我国碳达峰、碳中和目标的提出和新型电力系统加快构建,新能源将进入高速发展期。

新能源具有较强的间歇性和随机性。新能源发电并网规模的不断扩大对电网调节能力也提出了更高要求。2020年,国家电网有限公司经营区新能源利用率为97.1%,同比提高0.3个百分点,但局部地区仍存在一定的新能源消纳问题。未来,随着新能源装机占比的不断提高,因电力系统调节能力不足引发的消纳问题将更为突出。同时,新能源出力存在较大的不确定性,无法成为长时间稳定供电的电力来源,并且为电力系统提供备用容量的能力也较为有限,因而电力系统的安全稳定运行将面临重大挑战。

10月24日发布的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出,加快推进抽水蓄能和新型储能规模化应用。抽水蓄能作为电力系统中重要的调节电源,一直承担着保障大电网安全和促进新能源消纳的重要任务。近年来,新型储能中装机容量占比最高的电化学储能在电网中的规模稳步增长,技术也逐步成熟。目前,我国抽水蓄能和电化学储能的总规模已占到储能总容量的90%以上。

在新型电力系统中,抽水蓄能和电化学储能都是重要的调节资源。抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电,通过此种工作模式对电力系统进行调节,保障系统安全稳定运行。随着技术的不断进步,未来调节能力更好的变速机组将得到广泛应用。抽水蓄能具有容量大、经济性好、使用寿命长等优势,但建设周期较长,对选址的要求较高,受地理条件约束较大。

电化学储能通过化学反应来实现电能的存储和释放。目前较常见的电化学储能电池类型主要有锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、钠硫电池等。截至2020年,我国已投运的电化学储能装机容量超300万千瓦。与抽水蓄能相比,电化学储能布置较为灵活,建设周期较短,且响应速度较快,一般可以达到秒级响应。但电化学储能目前成本较高,因此配置规模一般较小。同时,电化学储能因电池部分为高能物质部件,其安全性也与抽水蓄能存在一定差距,亟须进一步完善安全标准体系,加强本体安全性能提升相关研究,以实现未来长足发展。

抽水蓄能与电化学储能协同配置有何优势

不难看出,抽水蓄能和电化学储能在技术方面存在一定的互补性。在新型电力系统中,如果能将抽水蓄能与电化学储能协同配置,可以提升调节电源容量、减少碳排放等,达到“1+1>2”的效果。

●提升电力系统调节能力

抽水蓄能在电力系统中一般有六大功能:调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动。电化学储能与抽水蓄能协同运行,可利用电化学储能的快速响应特性提升整体的调节性能。例如,在系统发生频率波动时,电化学储能响应速度较快,可以立即响应进行系统调频,对频率起到快速支撑的作用,防止系统频率迅速增高或跌落。但一般情况下,电化学储能的容量较小,无法长时间维持充电或放电状态,而抽水蓄能通常容量较大,可以在响应后进行较长时间的持续功率支撑,以维持电网频率稳定。此外,在调峰、调相、系统备用等方面,二者协同运行也可以发挥更大作用。

●优化调节电源容量配置

抽水蓄能与电化学储能在调节能力、响应速度、建设条件、建设规模等方面具有一定互补性。针对电力系统不同的调节需求,两种调节电源的协同配置可以优化调节电源的容量规模,避免冗余配置、资源浪费。另外,随着电力市场建设的逐步完善,抽水蓄能和电化学储能协同配置,可参与多种电力系统辅助服务,发挥各自优势,并获得经济收益。

●减少碳排放

现阶段,电力系统的调峰、调频等服务很大程度上依赖常规火电机组。新能源装机占比的不断提升可能导致电力系统调节能力不足。这在一定程度上也会制约新能源的发展。因此,构建新型电力系统需要开发清洁低碳的调节电源,如抽水蓄能和电化学储能等。二者协同运行可为新能源电源接入创造更有利的系统环境,还能起到降低碳排放的作用。

抽水蓄能与电化学储能协同配置需要哪些关键技术

●容量配置技术

在考虑抽水蓄能和电化学储能协同配置时,需要研究配置何种类型的电化学储能,以及二者的容量关系。因此,必须先明确区域电网的调节需求,包括新能源消纳情况、负荷峰谷差情况、系统频率/电压波动情况等,针对不同的调节需求,选择合适的储能类型。之后结合对调节需求的量化分析结果,确定电化学储能和抽水蓄能的容量配置关系。重点要综合考虑多种因素,如市场政策情况、电力系统规划运行情况等。同时,电力系统往往存在多种调节需求,确定多目标需求下的容量优化配置方案,也是二者协同配置的关键。

●接入技术

受地理条件等因素限制,目前抽水蓄能电站的选址存在一定的局限性。而电化学储能的布置相对灵活,需要考虑其接入点位置对于调节效果的影响。对于电化学储能,除了集中接入的方式外,还可以考虑分散接入方式,这将使接入点的选择较为复杂。同时,未来如果建设部分对建设条件要求相对宽松的小型抽水蓄能电站,抽水蓄能的接入点选择也将成为一个新的研究方向。

●协同运行技术

在实际应用中,针对电网不同的调节需求,需要对抽水蓄能和电化学储能制订相对应的协同运行策略。这一过程中要考虑多种影响因素,如抽水蓄能电站的库容约束、电化学储能的容量约束等。例如,二者协同调峰时,需结合调峰缺口的持续时间、调峰缺口的大小,安排合理的协同运行策略。同时,由于抽水蓄能、电化学储能和常规火电机组相比,都具有响应速度较快、转换工作模式较灵活等特点,也需要确定灵活性更高的调度控制方式,以更好地发挥二者的调节性能。

随着技术及相关政策机制的不断完善,抽水蓄能和电化学储能协同配置将有助于提升电网的调节性能,实现新能源电源友好接入,对构建以新能源为主体的新型电力系统起到关键作用。

(作者单位:国网经济技术研究院有限公司)

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