本文亮點(diǎn)：1.本文基于時(shí)序生產(chǎn)模擬，考慮電力電量平衡約束對(duì)省級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃情況進(jìn)行分析，考慮抽水蓄能參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)提升系統(tǒng)整體備用容量，從而提升系統(tǒng)供電可靠性和安全性。2.本文考慮基于“雙碳”目標(biāo)下，火電產(chǎn)生的碳排放所帶來(lái)的額外環(huán)境成本及抽水蓄能的等效碳減排效益，綜合分析抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組的調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性。3.本文分析了未來(lái)規(guī)劃情況下不同省級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)全年備用率趨勢(shì)和特征，提出抽水蓄能更適于改善短期尖峰供電水平，不適合改善長(zhǎng)期備用不足情況。
摘 要 本工作通過(guò)時(shí)序仿真模擬，對(duì)抽水蓄能在典型省級(jí)電網(wǎng)中的保供技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化分析。首先，根據(jù)典型省級(jí)電網(wǎng)未來(lái)電力規(guī)劃數(shù)據(jù)，計(jì)算得出該省級(jí)電網(wǎng)2025年與2030年全年電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)果表明系統(tǒng)在全年部分時(shí)段處于供電緊平衡狀態(tài)，系統(tǒng)備用率不足10%，充裕性和安全性面臨巨大挑戰(zhàn)。其次，選取抽水蓄能與火電機(jī)組兩種靈活性調(diào)節(jié)電源，對(duì)比分析新增兩種調(diào)節(jié)電源下系統(tǒng)供電可靠性改善情況和兩種方案的量化經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，以2030年該省級(jí)電網(wǎng)模擬結(jié)果為例，配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能和火電機(jī)組均能夠?qū)⒃撌〖?jí)電網(wǎng)系統(tǒng)全年備用率提升10%以上，解決系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題，提升系統(tǒng)保供能力?？紤]系統(tǒng)碳排放變化所產(chǎn)生的環(huán)境成本，抽水蓄能改善系統(tǒng)供電水平的年度綜合成本低于同等水平下的火電機(jī)組，同時(shí)能夠?qū)π履茉聪{水平的促進(jìn)和碳排放水平的降低起到積極作用。最后，比較分析了抽水蓄能與鋰離子電池儲(chǔ)能對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性的綜合經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明抽水蓄能對(duì)于改善系統(tǒng)供電可靠性和充裕性等方面的綜合經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)顯著。
關(guān)鍵詞 “雙碳”目標(biāo)；抽水蓄能；時(shí)序仿真模擬；系統(tǒng)備用率；綜合經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境成本
隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，新能源被廣泛認(rèn)可為解決能源安全和環(huán)境污染問(wèn)題的重要途徑。在以火電機(jī)組為主體的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，由于火電機(jī)組規(guī)模龐大、發(fā)電量高、出力平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，為系統(tǒng)提供更高的供電可靠性，但存在碳排放量過(guò)高的劣勢(shì)。中國(guó)作為世界上新能源裝機(jī)規(guī)模最大的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)積極推動(dòng)新能源發(fā)展。隨著我國(guó)風(fēng)電光伏等新能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)能源系統(tǒng)正在以化石能源為主向綠色低碳清潔能源發(fā)展轉(zhuǎn)變。
伴隨新型電力系統(tǒng)新能源裝機(jī)、發(fā)電量逐步提升，新能源在貢獻(xiàn)主體電量的同時(shí)，不能直接提供與之匹配的可靠電力，新型電力系統(tǒng)電力供應(yīng)安全成為主要矛盾。在高比例新能源電力系統(tǒng)中，由于新能源出力的波動(dòng)性與不確定性，以及負(fù)荷特性的不斷變化，出現(xiàn)源荷不匹配問(wèn)題是導(dǎo)致系統(tǒng)存在電力缺口的主要原因。從現(xiàn)階段電源裝機(jī)規(guī)模來(lái)看，緩解系統(tǒng)電力缺口的主體調(diào)節(jié)電源仍是煤電調(diào)峰電源，但隨著雙碳目標(biāo)的提出，溫室氣體排放所造成的環(huán)境影響受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。煤電作為當(dāng)前我國(guó)電力供應(yīng)和二氧化碳排放的雙主體，在電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過(guò)程中面臨保供和低碳的雙重約束。
為推動(dòng)電力行業(yè)碳減排有序進(jìn)行，一方面，針對(duì)煤電機(jī)組應(yīng)采取靈活性改造、CCUS碳捕集改造等低碳化改造技術(shù)能夠不同程度減少燃煤發(fā)電產(chǎn)生的溫室氣體；另一方面應(yīng)著力配置以抽水蓄能為主的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)手段，將發(fā)電高峰期(即用電低谷期)的過(guò)剩電能通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)轉(zhuǎn)移至負(fù)荷高峰期供電，不僅可以緩解系統(tǒng)供電壓力，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也可以有效促進(jìn)新能源消納。
目前針對(duì)抽水蓄能參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析已開(kāi)展了部分研究。文獻(xiàn)[8-9]采用計(jì)及不確定性的風(fēng)光抽蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方法，分析抽水蓄能聯(lián)合新能源優(yōu)化運(yùn)行能夠有效提升系統(tǒng)供電水平；文獻(xiàn)[10]通過(guò)陜西電網(wǎng)調(diào)峰電源優(yōu)化配置研究，論證了抽水蓄能電站在陜西電網(wǎng)內(nèi)的作用和效益；文獻(xiàn)[11]分析了抽水蓄能與分布式光伏聯(lián)合運(yùn)行所帶來(lái)的綜合經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[12]針對(duì)高比例新能源接入下的消納問(wèn)題，研究考慮新能源消納的抽水蓄能容量規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[13]對(duì)抽水蓄能與高滲透率風(fēng)電、光伏的協(xié)調(diào)調(diào)度策略進(jìn)行研究。從現(xiàn)有抽水蓄能參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的研究來(lái)看，考慮將抽水蓄能與新能源聯(lián)合運(yùn)行，促進(jìn)新能源消納，提升系統(tǒng)供電水平。鮮有將抽水蓄能作為調(diào)節(jié)電源，參與系統(tǒng)保供，提升系統(tǒng)備用率的量化分析。
為科學(xué)分析新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的可靠電力供應(yīng)過(guò)程，掌握源網(wǎng)荷儲(chǔ)各類(lèi)資源的運(yùn)行規(guī)律，協(xié)調(diào)規(guī)劃并提出關(guān)鍵技術(shù)需求，降低決策可能導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要通過(guò)科學(xué)的方法對(duì)電力系統(tǒng)供需平衡進(jìn)行預(yù)演和評(píng)估。
本工作旨在分析在未來(lái)規(guī)劃場(chǎng)景中，伴隨新能源出力增長(zhǎng)、負(fù)荷需求提升的背景下，抽水蓄能電站作為調(diào)峰保供電源對(duì)于保障系統(tǒng)供電安全，提升系統(tǒng)供電可靠性的作用，并以火電調(diào)峰機(jī)組為比較對(duì)象，對(duì)比分析考慮環(huán)境成本的火電調(diào)峰機(jī)組與抽水蓄能參與系統(tǒng)調(diào)峰的量化經(jīng)濟(jì)性。在此基礎(chǔ)上，分析比較抽水蓄能與新型儲(chǔ)能對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性等方面的綜合經(jīng)濟(jì)性。
1 基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的電力系統(tǒng)供電可靠性模型
1.1 電力電量平衡
電力電量平衡指電力電量供應(yīng)與需求之間的平衡狀態(tài)，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。供電不足可能導(dǎo)致電力短缺、電壓下降以及供電不穩(wěn)定等問(wèn)題，甚至造成供電中斷。過(guò)剩的電力供應(yīng)則可能導(dǎo)致能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)成本的增加。因此，實(shí)現(xiàn)電力電量平衡可以確保電力系統(tǒng)的可靠供應(yīng)，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性。
為保障高比例新能源系統(tǒng)的電力供應(yīng)，在未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃中，要進(jìn)一步優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)與布局，在提高新能源發(fā)電占比的同時(shí)統(tǒng)籌建設(shè)調(diào)峰儲(chǔ)能電源，以滿(mǎn)足供電需求，保障電力供需平衡。
1.2 時(shí)序生產(chǎn)模擬模型
本工作考慮系統(tǒng)風(fēng)電、光伏、火電以及抽水蓄能等電源出力特點(diǎn)，以典型省級(jí)電網(wǎng)作為算例基礎(chǔ)，滿(mǎn)足電力電量平衡約束，通過(guò)8760 h時(shí)序生產(chǎn)模擬方法，計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)以及各電源的運(yùn)行情況。
本工作應(yīng)用的全年8760 h時(shí)序生產(chǎn)模擬，以小時(shí)為時(shí)間間隔、日為單位，開(kāi)展典型省級(jí)電網(wǎng)電力系統(tǒng)全年逐日的電力電量平衡模擬。通過(guò)合理安排各類(lèi)電源的出力時(shí)序曲線及其在負(fù)荷曲線上的工作位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)日負(fù)荷曲線的堆積填充，完成系統(tǒng)的電量平衡與調(diào)峰平衡，如圖1所示。若各類(lèi)電源的出力小于負(fù)荷需求，將出現(xiàn)電力、電量缺口現(xiàn)象。
圖1 時(shí)序生產(chǎn)模擬電力電量平衡示意圖
通過(guò)時(shí)序生產(chǎn)模擬可以得到8760 h電力電量平衡結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)產(chǎn)生的電力電量缺口情況進(jìn)行指標(biāo)劃分，便于對(duì)抽水蓄能在電力系統(tǒng)中緩解電力電量缺口能力進(jìn)行分析。
1.3 約束條件
電力電量平衡的本質(zhì)是系統(tǒng)裝機(jī)容量規(guī)劃的充裕性問(wèn)題。我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)一直采用確定性準(zhǔn)則(即保證一定的系統(tǒng)裝機(jī)備用率)來(lái)衡量系統(tǒng)裝機(jī)是否可以滿(mǎn)足電力平衡的要求，從而避免使系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)真正損失負(fù)荷的情況。因此在本工作所采用的時(shí)序生產(chǎn)模擬中，以系統(tǒng)日前平衡可計(jì)容量是否可滿(mǎn)足一定的系統(tǒng)備用率，作為電力供應(yīng)是否充足的判據(jù)，如式(1)所示。
1.4 系統(tǒng)備用率計(jì)算
系統(tǒng)備用率用于衡量系統(tǒng)的可靠性和充裕度。備用率反映電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，能夠應(yīng)對(duì)不可預(yù)見(jiàn)的負(fù)荷波動(dòng)、發(fā)電機(jī)組故障或其他突發(fā)事件的能力。該指標(biāo)通常以百分比形式表示，代表系統(tǒng)可用的備用容量與總負(fù)荷需求之間的差異。系統(tǒng)備用率的計(jì)算基于系統(tǒng)的總發(fā)電容量和負(fù)荷需求，如式(2)所示。
1.5 系統(tǒng)碳排放量計(jì)算方法
本工作計(jì)算的系統(tǒng)整體碳排放量，主要來(lái)自于系統(tǒng)中的火電機(jī)組(包括煤電、氣電等)?？紤]不同火電機(jī)組在不同發(fā)電狀態(tài)下煤耗率變化，參考《2021、2022年度全國(guó)碳排放交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案》，系統(tǒng)整體碳排放量計(jì)算方法如式(3)所示：
2 算例分析
本部分基于某華東典型省級(jí)電網(wǎng)開(kāi)展算例研究分析，通過(guò)對(duì)該電網(wǎng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)情況進(jìn)行電力電量平衡計(jì)算，分析該典型省級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況以及系統(tǒng)全年備用率變化趨勢(shì)；分別配置抽水蓄能和火電調(diào)峰機(jī)組作為系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)電源，分析在典型省級(jí)電網(wǎng)中抽水蓄能和火電機(jī)組對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性和充裕性的作用和量化經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上，按照相同的分析方法，比較抽水蓄能與新型儲(chǔ)能對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性的綜合經(jīng)濟(jì)性。
2.1 典型場(chǎng)景設(shè)置
本小節(jié)主要基于華東某典型省級(jí)電網(wǎng)作算例分析：根據(jù)該省能源發(fā)展“十四五”、“十五五”規(guī)劃情況，確定該省級(jí)電網(wǎng)2025年、2030年各類(lèi)電源構(gòu)成。該省2025年及2030年發(fā)電電源類(lèi)型較目前相比沒(méi)有明顯變化，但隨著風(fēng)光等新能源裝機(jī)規(guī)模的增加、“雙碳”目標(biāo)政策背景下火電機(jī)組靈活性改造、受端電網(wǎng)高比例外來(lái)電等多種因素的影響，綜合分析確定該典型受端電網(wǎng)的各類(lèi)電源裝機(jī)規(guī)模，同時(shí)考慮不同電源的歷史出力曲線進(jìn)行優(yōu)化，確定不同電源的未來(lái)出力曲線。負(fù)荷規(guī)劃結(jié)合該省級(jí)電網(wǎng)“十四五”“十五五”電網(wǎng)規(guī)劃情況確定，主要考慮區(qū)內(nèi)最大負(fù)荷、年度電量、受入電量等維度。根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計(jì)該省級(jí)電網(wǎng)2025年與2030年的電源裝機(jī)情況構(gòu)建典型場(chǎng)景，負(fù)荷規(guī)劃、電源規(guī)劃情況見(jiàn)表1和表2。
表1 2025年與2030年某典型省級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)劃規(guī)模
表2 2025年與2030年某典型省級(jí)電網(wǎng)電源規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模
場(chǎng)景中設(shè)置的某典型省級(jí)電網(wǎng)為典型受端電網(wǎng)，其區(qū)內(nèi)負(fù)荷較高，2025年風(fēng)光新能源占比約為30%，火電占比約為42%，隨著新能源快速發(fā)展，2030年風(fēng)光新能源占電源側(cè)總裝機(jī)容量的36%，火電占比約為37.5%。
2.2 仿真計(jì)算模擬結(jié)果
2.2.1 典型場(chǎng)景下全年系統(tǒng)備用率趨勢(shì)分析
本小節(jié)通過(guò)時(shí)序生產(chǎn)模擬計(jì)算，根據(jù)某典型省級(jí)電網(wǎng)2025年與2030年電源、負(fù)荷規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，模擬該省級(jí)電網(wǎng)未配置抽水蓄能電站情況下系統(tǒng)全年運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)各電源發(fā)電量，系統(tǒng)整體碳排放量、風(fēng)光綜合棄電率及系統(tǒng)備用率情況，如表3所示。
表3 2025與2030年某典型省級(jí)電網(wǎng)全年系統(tǒng)運(yùn)行情況
從表3可知，2025年系統(tǒng)全年備用率最低值為-0.4%，全年存在5小時(shí)電力短缺的情況，可見(jiàn)在時(shí)序生產(chǎn)模擬下系統(tǒng)中不僅無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)備用率要求，還出現(xiàn)了極短時(shí)間的電力短缺情況；2030年系統(tǒng)全年備用率最低值為1.9%，全年不存在電力不足現(xiàn)象。2025年及2030年全年備用率最低值選取均為考慮上文中典型場(chǎng)景設(shè)置下，根據(jù)時(shí)序生產(chǎn)模擬計(jì)算形成的全年備用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果中的最低點(diǎn)，即代表了系統(tǒng)全年備用率最低點(diǎn)，可以有效反映系統(tǒng)整體的充裕性和安全性。2025年出現(xiàn)了極少數(shù)電力短缺的現(xiàn)象，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是由于新能源出力具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，在用電高峰時(shí)由于出力的不穩(wěn)定性而出現(xiàn)了短暫的電力缺口。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)全年備用率變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖2所示系統(tǒng)備用率曲線圖。
圖2 2025與2030年系統(tǒng)全年備用率變化情況
由圖2可知，2025年與2030年系統(tǒng)全年備用率基本上在0~0.4之間浮動(dòng)，按照電力系統(tǒng)總備用率應(yīng)保證10%~20%來(lái)考慮，系統(tǒng)整體處于緊平衡狀態(tài)，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件所導(dǎo)致的電力短缺問(wèn)題。為提升系統(tǒng)供電可靠性與充裕性，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要配置一定容量的靈活性調(diào)節(jié)電源，改善系統(tǒng)供電可靠性。該典型省級(jí)電網(wǎng)現(xiàn)階段實(shí)際系統(tǒng)備用率考慮12%以上，在未來(lái)新能源占比更高的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)備用率應(yīng)滿(mǎn)足更高要求。為便于科學(xué)理論研究，本工作按照全國(guó)電力系統(tǒng)備用率最低10%為要求。系統(tǒng)備用率不足10%時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)備用率存在不足的現(xiàn)象。
為進(jìn)一步分析系統(tǒng)備用率曲線特性和抽水蓄能保供能力的關(guān)系，參考西北某省級(jí)電網(wǎng)2030年全年備用率曲線進(jìn)行對(duì)比，備用率趨勢(shì)對(duì)比如圖3所示。
圖3 2030年兩地系統(tǒng)全年備用率變化情況
從圖3兩地電力系統(tǒng)備用率曲線特征來(lái)分析，相比于西北某省級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)下模擬全年系統(tǒng)備用率情況，該算例場(chǎng)景下系統(tǒng)備用率不足情況整體較少，持續(xù)性備用率低于10%即系統(tǒng)備用率不足的情況也明顯少于西北某省級(jí)電網(wǎng)。從曲線特點(diǎn)分析，短期備用率不足可以通過(guò)調(diào)節(jié)周期較短的靈活性調(diào)節(jié)電源加以改善，達(dá)到系統(tǒng)可靠性和充裕性要求；而長(zhǎng)期持續(xù)性系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題則不適合采用調(diào)節(jié)周期短的調(diào)節(jié)電源來(lái)改善?，F(xiàn)階段抽水蓄能電站以日調(diào)節(jié)電站為主，對(duì)于日內(nèi)電力系統(tǒng)峰谷差調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，但對(duì)于具有持續(xù)性調(diào)節(jié)需求的電力系統(tǒng)，受限于抽水蓄能上下水庫(kù)庫(kù)容影響，調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差。因此對(duì)比圖3中兩種省級(jí)電網(wǎng)下備用率全年變化趨勢(shì)，抽水蓄能并不適合改善圖中西北某省級(jí)電網(wǎng)長(zhǎng)期持續(xù)性系統(tǒng)備用不足的情況，更適合作用于本算例設(shè)置場(chǎng)景中存在的短期非持續(xù)性系統(tǒng)備用率不足情況。
為分析抽水蓄能對(duì)于提升系統(tǒng)供電能力的量化作用，以下將考慮靈活性調(diào)節(jié)電源以抽水蓄能和火電為研究對(duì)象，探究?jī)煞N靈活性調(diào)節(jié)電源提升系統(tǒng)供電水平的能力與經(jīng)濟(jì)性分析。抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組均可以參與系統(tǒng)電力電量平衡，火電調(diào)峰機(jī)組直接通過(guò)增發(fā)電量，能夠緩解系統(tǒng)保供壓力，提升系統(tǒng)供電可靠性和安全性；抽水蓄能通過(guò)對(duì)用電低谷期電量的吸收存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)移至用電高峰時(shí)期發(fā)電，也能夠有效緩解系統(tǒng)供電壓力，提升系統(tǒng)供電可靠性。
2.2.2 抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組提升系統(tǒng)供電可靠性能力分析
為探究?jī)煞N不同靈活性調(diào)節(jié)電源：抽水蓄能和火電各自在典型省級(jí)電網(wǎng)中的保供能力，以該省級(jí)電網(wǎng)2030年規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)場(chǎng)景，分別逐步增加抽水蓄能和火電機(jī)組的裝機(jī)容量，以系統(tǒng)全年備用率最低值為衡量指標(biāo)，分析兩種調(diào)節(jié)電源對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性和充裕性的作用。
場(chǎng)景構(gòu)建方面，考慮到目前典型抽水蓄能電站的裝機(jī)容量規(guī)模一般為120萬(wàn)千瓦，以120萬(wàn)千瓦為單位逐步增加抽水蓄能電站裝機(jī)容量，直至系統(tǒng)備用率均保持在10%以上?；痣娬{(diào)峰機(jī)組也按照120萬(wàn)千瓦為單位逐漸增加(本工作選取燃煤發(fā)電機(jī)組作為火電調(diào)峰機(jī)組，受阻率設(shè)置為5%，最大出力1.0 pu，最小出力為0.3 pu)，直至系統(tǒng)備用率達(dá)到10%以上。根據(jù)上述場(chǎng)景構(gòu)建情況，進(jìn)行8760 h時(shí)序仿真模擬，計(jì)算結(jié)果如表4~5所示。
表4 2030年新增抽水蓄能容量后全年系統(tǒng)運(yùn)行情況
表5 2030年新增火電調(diào)峰機(jī)組容量后全年系統(tǒng)運(yùn)行情況
由表4、表5可知，抽水蓄能與火電機(jī)組對(duì)于系統(tǒng)備用率改善能力基本相同，隨著抽水蓄能和火電機(jī)組的增加，系統(tǒng)備用率顯著提升。當(dāng)新增1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能/火電機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)全年備用率均高于10%，滿(mǎn)足電力系統(tǒng)備用率要求，系統(tǒng)整體供電可靠性和充裕性得到顯著改善。同時(shí)，在配置抽水蓄能改善系統(tǒng)供電可靠性過(guò)程中，隨著抽水蓄能機(jī)組的不斷增加，系統(tǒng)中新能源發(fā)電量也持續(xù)提高，風(fēng)光綜合棄電率持續(xù)下降，由于抽水蓄能在低谷期抽水后于用電高峰時(shí)期替代煤電機(jī)組發(fā)電，使得系統(tǒng)整體火電發(fā)電量減少，碳排放量持續(xù)降低；而新增火電機(jī)組系統(tǒng)風(fēng)光綜合棄電率沒(méi)有太大變化，系統(tǒng)整體碳排放量由于火電裝機(jī)容量的提升而持續(xù)增加，兩種靈活性調(diào)節(jié)電源對(duì)于新能源綜合棄電率及系統(tǒng)整體碳排放變化情況如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)碳排放量與風(fēng)光棄電率變化情況
從圖4中可以看出，新增抽水蓄能后系統(tǒng)碳排放量和風(fēng)光綜合棄電率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而新增火電機(jī)組后系統(tǒng)碳排放量呈逐漸上升趨勢(shì)，風(fēng)光綜合棄電率并沒(méi)有明顯改善，始終維持在16.5%左右。為積極響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)政策導(dǎo)向，考慮系統(tǒng)碳排放量變化所額外產(chǎn)生的環(huán)境成本，下節(jié)將以綜合年度成本為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析上述兩種調(diào)節(jié)電源在參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的綜合經(jīng)濟(jì)性。
2.2.3 抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組提升系統(tǒng)供電可靠性的量化綜合經(jīng)濟(jì)性分析
為分析兩種靈活性調(diào)節(jié)電源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的綜合經(jīng)濟(jì)性，考慮新增兩種靈活性調(diào)節(jié)電源下所需的年度投資建設(shè)成本、運(yùn)維成本、可變成本及環(huán)境成本構(gòu)成系統(tǒng)年度綜合成本作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析兩種調(diào)節(jié)電源的綜合經(jīng)濟(jì)性。
年度綜合成本計(jì)算方法如式(4)所示：
式中，圖片為折現(xiàn)率或內(nèi)部收益率，n為電站運(yùn)營(yíng)周期。本工作抽水蓄能機(jī)組參照《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于抽水蓄能電站容量電價(jià)及有關(guān)事項(xiàng)的通知》(533號(hào)文)中新一輪容量電價(jià)核算辦法，圖片取6%，n取30年；火電機(jī)組k取平均8%，n取30年。
考慮投資建設(shè)等年值成本作為該年投資建設(shè)成本圖片，計(jì)算方法如下：
表6 抽水蓄能機(jī)組與火電機(jī)組單位投資成本與電站生命周期
表7 2030年新增抽水蓄能各方案綜合年度成本
表8 2030年新增火電機(jī)組各方案綜合年度成本
將兩種靈活性電源的多種配置方案中的綜合年度成本與風(fēng)光棄電率進(jìn)行綜合對(duì)比，如圖5和圖6所示。
圖5 配置相同容量抽水蓄能與火電各方案綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
圖6 配置相同容量抽水蓄能與火電各方案綜合經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)光棄電率對(duì)比
由圖5、圖6及表7、表8對(duì)比可知，從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、新能源消納、綜合經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面綜合分析抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組的量化作用。
從電力安全方面，配置1200萬(wàn)千瓦容量的抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組均能夠使系統(tǒng)備用率提升到10%以上，系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題均得到有效改善，系統(tǒng)供電可靠性和安全性得到顯著加強(qiáng)。
從新能源消納方面，隨著抽水蓄能機(jī)組逐漸增加，系統(tǒng)整體新能源棄電率顯著下降，配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能時(shí)，風(fēng)光棄電率由基礎(chǔ)場(chǎng)景中的16.2%下降至2.5%，即新能源利用率由83.8%提升到97.5%；新增火電機(jī)組系統(tǒng)整體新能源棄電率基本保持不變，始終維持在16.5%左右，即新能源利用率穩(wěn)定在83.5%，因此從新能源消納情況分析，在同時(shí)提升系統(tǒng)保供能力的前提下，新增抽水蓄能對(duì)于促進(jìn)系統(tǒng)新能源消納方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
從綜合經(jīng)濟(jì)性方面，由表7、表8對(duì)比可以看出，兩種靈活性調(diào)節(jié)資源的年度運(yùn)維成本，年度可變成本相差不大，因此年度運(yùn)維成本、年度可變成本并不是影響二者綜合經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。而在投資成本方面，由于抽水蓄能單位投資成本水平較高，因此在配置相同容量的抽水蓄能機(jī)組時(shí)，抽水蓄能年度投資成本均高于同等水平下的火電機(jī)組，但是當(dāng)考慮到系統(tǒng)碳排放增加所需額外付出的環(huán)境成本和抽水蓄能等效碳減排效益后，配置相同容量抽水蓄能改善系統(tǒng)運(yùn)行的綜合年度成本低于同等水平下的火電機(jī)組，說(shuō)明環(huán)境成本是決定兩種靈活性調(diào)節(jié)資源綜合經(jīng)濟(jì)性的決定性因素之一，而環(huán)境成本的折算主要取決于系統(tǒng)整體碳排放水平以及CCUS碳捕集改造技術(shù)和全國(guó)碳市場(chǎng)交易價(jià)格等關(guān)鍵邊界參量。在考慮碳排放量不變的情況下，隨著技術(shù)進(jìn)步和全國(guó)碳市場(chǎng)交易價(jià)格的不斷變化，兩種靈活性調(diào)節(jié)資源的環(huán)境成本也將發(fā)生顯著變化。同時(shí)，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步，兩種靈活性調(diào)節(jié)資源的投資建設(shè)成本也將發(fā)生相應(yīng)變化。本工作對(duì)于兩種靈活性調(diào)節(jié)資源的綜合經(jīng)濟(jì)性分析主要取決于投資建設(shè)成本、系統(tǒng)碳排放水平、CCUS碳捕集改造技術(shù)成本以及全國(guó)碳市場(chǎng)交易價(jià)格等關(guān)鍵因素?？紤]現(xiàn)階段各邊界條件設(shè)置情況，從結(jié)果來(lái)看，當(dāng)兩種調(diào)節(jié)電源均能夠解決系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題時(shí)，配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能時(shí)綜合成本為123.08億元，低于配置1200萬(wàn)千瓦火電調(diào)峰機(jī)組所需綜合成本152.12億元。因此相比于火電機(jī)組，抽水蓄能參與電力保供在經(jīng)濟(jì)性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。此外，本工作未考慮抽水蓄能對(duì)于改善新能源利用率等效經(jīng)濟(jì)效益，如果考慮新能源增發(fā)電量收益，則抽水蓄能的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)將更加明顯。
對(duì)于系統(tǒng)整體碳排放量，采用新增火電機(jī)組改善系統(tǒng)供電可靠性和充裕性的方案中，雖然額外碳排放采用碳捕集技術(shù)將絕大部分的新增碳排放捕集封存，但受限于技術(shù)手段仍存在少量新增二氧化碳排放量。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，構(gòu)建低碳化新型能源體系的背景下，碳排放量的增加顯然和國(guó)家政策導(dǎo)向不吻合。因此，從多方面論證，抽水蓄能作為系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)電源，對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性和充裕性、減少系統(tǒng)碳排放量、提升新能源綜合利用率及綜合經(jīng)濟(jì)性等多方面優(yōu)于火電機(jī)組。
可見(jiàn)，從該典型省級(jí)電網(wǎng)2030年新增抽水蓄能與火電機(jī)組參與系統(tǒng)的能力和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組均能夠提升系統(tǒng)備用率，提升系統(tǒng)供電可靠性和安全性；在經(jīng)濟(jì)性方面，配置抽水蓄能方案下的綜合年度成本比配置相同容量的火電機(jī)組成本更低，在本算例場(chǎng)景下配置抽水蓄能作為靈活性調(diào)節(jié)電源在經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢(shì)，且抽水蓄能在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)對(duì)于風(fēng)光新能源的消納具有促進(jìn)作用。綜合來(lái)看，抽水蓄能在對(duì)于改善系統(tǒng)供電可靠性和充裕性，提升系統(tǒng)備用率水平上具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。
2.2.4 抽水蓄能與新型儲(chǔ)能提升系統(tǒng)供電可靠性的量化綜合經(jīng)濟(jì)性分析
上節(jié)分析了作為靈活性調(diào)節(jié)資源的抽水蓄能與火電調(diào)峰機(jī)組的量化經(jīng)濟(jì)性，新型儲(chǔ)能同樣作為靈活性調(diào)節(jié)資源中不可或缺的重要組成部分，在參與系統(tǒng)調(diào)峰保供平衡過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。為分析抽水蓄能與新型儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性的綜合經(jīng)濟(jì)性，考慮現(xiàn)階段較為成熟、市場(chǎng)占比較高的儲(chǔ)能技術(shù)手段，以鋰離子電池儲(chǔ)能為例，按照相同的研究方法，分析抽水蓄能與新型儲(chǔ)能對(duì)于提升系統(tǒng)供電可靠性等方面的綜合經(jīng)濟(jì)性。
鋰離子電池相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表9所示。
表9 鋰離子電池技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
在前文設(shè)置的2030年典型場(chǎng)景中，配置一定容量的鋰離子電池儲(chǔ)能參與系統(tǒng)電力電量平衡過(guò)程，直至提升系統(tǒng)備用率10%以上，本工作鋰離子電池持續(xù)放電時(shí)長(zhǎng)考慮為4小時(shí)。根據(jù)時(shí)序生產(chǎn)模擬，形成結(jié)果如表10所示。
表10 2030年新增新型儲(chǔ)能后全年系統(tǒng)運(yùn)行情況
由表10可知，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)與抽水蓄能調(diào)節(jié)機(jī)理相同，抽發(fā)模式也基本一致，同樣能夠發(fā)揮提升系統(tǒng)供電可靠性的作用。按照2.2.3節(jié)中靈活性調(diào)節(jié)資源經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法，分析該新型儲(chǔ)能技術(shù)的量化綜合年度成本，各方案下該新型儲(chǔ)能綜合年度成本如表11所示。
表11 2030年新增新型儲(chǔ)能各方案綜合年度成本
將抽水蓄能與該新型儲(chǔ)能技術(shù)提升系統(tǒng)備用率至10%以上時(shí)所需配置容量下該方案的量化綜合年度成本進(jìn)行對(duì)比分析，如表12所示。
表12 抽水蓄能與新型儲(chǔ)能綜合年度成本對(duì)比
由表12可知，在滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性需求的情況下，配置1200萬(wàn)千瓦鋰離子電池儲(chǔ)能的綜合年度成本遠(yuǎn)高于配置相同容量的抽水蓄能，其中年度投資成本是影響兩種儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的決定性因素。鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)雖然單位投資成本與抽水蓄能相差不大，但由于鋰離子電池儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)周期通常為10~15年，運(yùn)營(yíng)年限僅為抽水蓄能電站運(yùn)營(yíng)周期的一半或更少，因此考慮投資等年值計(jì)算方法，折算至年度投資成本后造價(jià)水平相對(duì)較高，也最終導(dǎo)致新型儲(chǔ)能技術(shù)的綜合年度成本較高。
綜上所述，在本工作算例背景下，相比于典型新型儲(chǔ)能技術(shù)，抽水蓄能對(duì)于改善系統(tǒng)供電可靠性和充裕性，提升系統(tǒng)備用率等方面的綜合經(jīng)濟(jì)性具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。
3 結(jié) 論
伴隨新能源、負(fù)荷需求持續(xù)增長(zhǎng)，新能源出力帶來(lái)的波動(dòng)性與不確定性，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。抽水蓄能作為目前技術(shù)最成熟、規(guī)模最大、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的靈活性調(diào)節(jié)電源，在能源電力行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過(guò)程中起到重要作用。本次基于時(shí)序生產(chǎn)模擬，以系統(tǒng)電力電量平衡為約束，模擬分析2025年、2030年某典型省級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)全年備用率變化趨勢(shì)；并以該省級(jí)電網(wǎng)2030年典型場(chǎng)景為例，分別新增抽水蓄能和火電機(jī)組，分析兩種靈活性調(diào)節(jié)電源在該省級(jí)電網(wǎng)中提升系統(tǒng)電力可靠性的量化作用，并計(jì)算兩種調(diào)節(jié)電源的綜合年度成本，對(duì)比分析火電與抽水蓄能機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性及對(duì)系統(tǒng)新能源利用率的影響，得到了以下結(jié)論：
（1）本工作選取抽水蓄能作為研究對(duì)象，通過(guò)配置抽水蓄能參與系統(tǒng)電力電量平衡，將用電低估時(shí)期的過(guò)剩電能抽水存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)移到用電高峰時(shí)期進(jìn)行發(fā)揮短時(shí)尖峰保供作用，從系統(tǒng)整體角度緩解了其他電源的調(diào)峰壓力，從而起到提高系統(tǒng)備用率，提升電力系統(tǒng)的供電可靠性與安全性的重要作用。結(jié)果表明，以該省級(jí)電網(wǎng)2030年規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)場(chǎng)景，逐步增加抽水蓄能裝機(jī)容量，以系統(tǒng)全年備用率最低值為衡量指標(biāo)，當(dāng)分別配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能時(shí)，全年系統(tǒng)備用率最低值由1.9%提升到了10.4%，可見(jiàn)抽水蓄能加入后，系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題得到有效緩解，面臨突發(fā)極端狀況所導(dǎo)致的電力短缺問(wèn)題具有一定的應(yīng)對(duì)能力。
（2）在算例場(chǎng)景基礎(chǔ)上，考慮新增兩種靈活性調(diào)節(jié)電源：抽水蓄能和火電機(jī)組對(duì)于提升系統(tǒng)保供能力所需的年度投資建設(shè)成本、運(yùn)維成本、可變成本及環(huán)境成本構(gòu)成系統(tǒng)年度綜合成本作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析兩種調(diào)節(jié)電源發(fā)揮保供作用的綜合經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，綜合考慮抽水蓄能碳減排量化效益及火電機(jī)組新增所產(chǎn)生的碳排放環(huán)境成本后，抽水蓄能改善系統(tǒng)運(yùn)行的綜合年度成本均低于同等調(diào)節(jié)水平的火電機(jī)組。當(dāng)配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能時(shí)，綜合年度成本為123.08億元，而配置相同容量火電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，綜合年度成本為152.12億元，因此綜合經(jīng)濟(jì)性方面抽水蓄能具有一定優(yōu)勢(shì)。新能源消納方面，抽水蓄能在參與系統(tǒng)平衡，提升系統(tǒng)保供能力的同時(shí)能夠有效減少新能源棄電率，提升新能源利用水平：隨著抽水蓄能機(jī)組的增加，系統(tǒng)風(fēng)光綜合棄電率逐漸下降，當(dāng)配置1200萬(wàn)千瓦抽水蓄能時(shí)，風(fēng)光棄電率由基礎(chǔ)場(chǎng)景的16.2%下降至2.5%；當(dāng)配置火電機(jī)組時(shí)，新能源利用率基本保持不變，始終維持在16.5%左右。此外，抽水蓄能在發(fā)揮尖峰保供作用，提升系統(tǒng)整體備用率的同時(shí)，還能夠有效促進(jìn)新能源消納、并根據(jù)系統(tǒng)需求發(fā)揮調(diào)頻、調(diào)相等重要作用，并不僅局限于提升電力系統(tǒng)的供電水平。
（3）本工作算例場(chǎng)景下系統(tǒng)2025年及2030年備用率不足情況持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短且不連續(xù)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)全年備用率趨勢(shì)曲線對(duì)比分析可以得出：現(xiàn)階段抽水蓄能作為日內(nèi)調(diào)節(jié)的短周期調(diào)節(jié)電站，更適合改善本算例設(shè)置場(chǎng)景所述的短期非連續(xù)性系統(tǒng)備用率不足情況，對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間備用率不足情況的省份，抽水蓄能的作用能力存在一定局限性，需結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。
綜上所述，在高新能源占比背景下，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中對(duì)提升系統(tǒng)供電可靠性起到積極作用，抽水蓄能參與系統(tǒng)電力電量平衡調(diào)節(jié)，通過(guò)發(fā)揮調(diào)峰填谷作用，能夠有效提高電力系統(tǒng)可靠性和安全性，滿(mǎn)足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。通過(guò)對(duì)抽水蓄能機(jī)組、火電調(diào)峰機(jī)組、新型儲(chǔ)能電站等多種靈活性調(diào)節(jié)電源的供電可靠性和綜合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化分析，在“雙碳”目標(biāo)政策背景下，考慮系統(tǒng)碳排放環(huán)境成本，在本工作算例背景下，結(jié)果表明抽水蓄能的綜合經(jīng)濟(jì)性占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。綜合分析本工作各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，未來(lái)為解決系統(tǒng)備用率不足問(wèn)題，可以通過(guò)合理配置抽水蓄能機(jī)組，提升電力系統(tǒng)供電可靠性和安全性。
