通过储能等技术增强电网灵活性有助于促进能源转型

国际可再生能源机构（IRENA）发布《能源转型之电网灵活性》报告中提到，能源转型以及可再生能源电力增加，要求电网具备更强的灵活性。电网灵活性技术方面来源于供应侧、储能、需求侧、以及电网等。

本文来源：先进能源科技战略情报研究中心 微信号 ID：CASEnergy

《能源转型之电网灵活性》报告指出，全球能源系统正在加速迈向绿色低碳的未来，伴随这一转变可再生能源部署速度和规模不断增加，尤其是风能和太阳能光伏发电，使其在电网中的占比不断增加。然而当前的电力系统无法同等消纳随之产生的可再生能源电力，同时可再生能源固有的波动性给电网稳定性带来了潜在的威胁，上述问题给电力系统运营商和监管当局带来了严峻挑战。在此背景下，对现有的电力系统进行全方位的改进和升级以增强其灵活性，以应对日益增加的波动性可再生能源高比例并网带来的电网稳定性冲击问题显得尤为重要。为此，报告提出了提高电网灵活性的建议，并提出评估电网灵活性的新工具FlexTool，该工具目前已用于哥伦比亚、巴拿马、乌拉圭和泰国。报告要点如下：

1、能源转型中的灵活性需求

•以化石燃料为主体的能源系统正逐步转变成以可再生能源为主体的能源系统，意味着将消纳更多可再生能源电力，这就要求电网具备更强灵活性。IRENA的全球能源转型路线图表明，到2050年，可再生能源将占全球一次能源供应总量的60%。能源系统向可再生能源为主导转变带来了一系列挑战，因为高占比的波动性可再生能源（VRE）增加了对供需平衡的要求。在传统的不包括VRE或VRE比例较低的电力系统中，通常由电力供应方提供灵活性，通过基于高效循环系统的火力发电（例如开式循环燃气轮机）、灵活的可再生能源（如水力发电）和抽水蓄能以及储能电池等平衡需求波动并提供备用容量。在过去五年中，太阳能和风能变化的影响已经开始在许多电力系统中体现：多个国家成功实施了若干复杂程度、时间尺度、有效性和成本各有特点的解决方案，这些方案促进了高比例VRE在大型电力系统（如丹麦）、吉瓦级电力系统（如爱尔兰）和小岛系统（如澳大利亚的金岛）中的整合。解决方案主要包括分布式风能和光伏发电、集中式风能和光伏发电、电力系统灵活性改造、改善电网基础设施、部署先进的储能系统、开发需求侧管理计划以及提高火力发电厂热效率。

•为了进一步推进和实现能源转型目标，需要充分发挥能源系统的灵活性，而需求侧响应管理和终端用能耦合将在发挥系统灵活性中发挥关键作用。通过使用电阻制热和热泵来供暖，可以显著提高需求灵活性。此外，区域供热系统中存储着大量热能，可作为电力系统的能量存储方式，提高需求灵活性，降低成本和排放，提高电力系统可靠性。公路货运、航运和航空等部门无法使用电缆输送的电力，只能靠燃料供能。一些工厂的加工过程也需使用燃料而非电力，如氨、聚合物生产需要氢以及某些高温工艺需要燃料。在VRE占比较高的系统，通过可再生电力生产氢等无碳燃料能为能源部门脱碳发挥重要作用。供暖方面，氢气生产可以为电力系统提供灵活性（取决于电解槽的类型），最重要的是，将氢气混合到天然气网络中可以实现可再生电力的季节性储存。

•许多国家需要将太阳能和风能利用率提高到60%以上，以实现未来能源可持续发展。如丹麦和爱尔兰是风能并网的领跑者，风电份额分别为44%和27%，最大瞬时渗透率分别超过需求的150%和60%。两国的电力系统都经历了一个转型过程，其中的经验教训包括：1）提前设计灵活性比电力系统出现灵活性问题后再寻求解决方案更为经济；2）通过释放现有电力系统的灵活性而不是投资新的昂贵设施，可以整合大量的VRE；3）在选择解决方案时，必须考虑项目开发时间，特别是许可和施工时间；4）灵活性的规划需要采用复杂的工具和方法，这些工具和方法随着政策、经济和技术/科学的发展而变化。

2、电力系统灵活性

传统电力系统灵活性主要针对非波动性电力来源。传统电力系统不包含VRE，其主要变化来源是电力需求，这取决于气候和社会经济。电力系统运营商通过电力市场辅助服务，应对发电机随机停运、负荷波动、线路故障等导致的电力系统失衡以及由于需求预测错误导致的实时不平衡。为系统提供基本负荷的发电机组，如煤电、生物质发电和核电，多使用蒸汽轮机发电，循环能力有限。峰值发电机专为灵活运营设计，通常是燃气轮机和内燃机。现代联合循环燃气轮机和水力发电机组被称为中间发电机，可用于提供基本负荷或峰值负荷。

随着波动性可再生能源的份额上升，电力系统运营复杂性也在增加。在VRE份额较低时，净负荷和需求之间差异很小。随着VRE的增加，两者之间出现越来越明显的差异。灵活性不足的电力系统可能会削减VRE，在极端情况下会出现负荷损失。在凌晨以及光伏发电高峰期，则可能出现电力过剩，并导致电价下降。除了电力过剩的经济影响之外，VRE瞬时份额过高还会造成电网惯性不足的可靠性风险，通常通过削减VRE，减少其输出作为缓解措施，但这会产生经济损失和环境、电力、燃料的负面影响。高比例的VRE还会导致电网净负荷增长速度变快，为系统带来更大考验。在应对系统不确定性方面，电力系统监管要求运营商时刻保证一定数量的储备电力，随着VRE占比提高，对VRE发电的预测误差成为不确定性的主要来源。另外，太阳能和风能的不确定性还从时间尺度上（几秒钟到几个月）影响系统运行。例如，几秒钟的变化会影响系统的频率调节能力，15到30分钟的变化会影响运行储备的负荷跟踪和规模，季节性变化会影响水电中期存储规划和电网长期容量规划。

灵活的电力系统应在所有时间尺度上经济、高效、可靠。主要包括如下特征：1）满足峰值负荷和峰值净负荷，避免负荷损失；2）始终保持供需平衡，确保提供足够的出力调节能力、快速启动能力以及在低净负荷下运行的能力；3）具有足够的存储容量以平衡高VRE发电时段和高需求但低VRE发电的时段；4）整合发电以调整需求应对供应短缺或电力过剩的时段；5）通过始终保持足够的储备供应，以减轻电力系统失稳；6）在精心设计的市场下运营，其灵活性不受市场不足的影响。

3、电网灵活性来源

•技术灵活性。技术灵活性与系统物理结构密切相关，主要包括：（1）供应侧灵活性。这与发电技术密切相关，如水力发电机和开式循环燃气轮机是最灵活的常规发电机之一。（2）储能。抽水蓄能电站、飞轮和压缩空气储能（CAES）在发电突然损失的情况下可以作为第一道防线，并且减少系统对火力发电的依赖。在几秒到几分钟的时间范围内，主要通过电池和抽水蓄能电站提供储备。在较长时间内，通过抽水蓄能电站、CAES、长时储能电池和蓄热等技术提供灵活性。此外，电池还可以提供广泛的服务，例如安装在电动汽车中取代化石燃料，在微型电网中实现高比例VRE。在VRE集成水平很高的情况下，还可利用可再生能源生产的氢气为工业、建筑、运输等部门提供燃料，下游的天然气基础设施、氢供应链等行业可作为VRE季节性存储的缓冲器。（3）需求侧灵活性。需求响应可以与储能共同提高系统灵活性，通过价格信号或长期直接负荷控制协议调整用户电力需求。通过使用时间定价机制，在电力过剩期间调整需求以支持VRE发电。电力公司通过直接负荷控制减少VRE不确定性对电网的影响，一些电力市场鼓励负荷聚合商参与其中，提升系统灵活性。（4）电网灵活性，通过强大传输网络平衡较大区域的供需；通过跨境互连确保国家或地区电力交换的灵活性（如果市场允许）；通过先进控制技术以加强系统通信，实现发电机的自动控制、需求响应的自动激活或先进电流控制（如柔性交流输电系统）。图1显示了提高系统灵活性的技术。

图1增强系统灵活性的技术选择

•运营灵活性。除了电网中各项技术的限制之外，运营灵活性还与监管和市场环境有关。如大型国有电力系统被分解为各省份独立运营，通过集中调度或电力市场管理电力交换，某些情况下由于缺乏有效协调导致电力交换受到限制，抑制了系统灵活性。通过中央调度和建立根据价格信号安排电力交易的市场是解决该问题的较好方法，区域定价和节点定价也有助于解决传输拥堵问题，避免重新调度。电网运营决策应确保系统需求、技术限制和盈利之间的平衡。