中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基于化石能源等常規(guī)能源，電源側(cè)發(fā)電單元容量較大、單元數(shù)量有限、集中可控，輸電側(cè)主干網(wǎng)架電壓等級高、輸送規(guī)模大，配電側(cè)以無源網(wǎng)絡(luò)為主，負(fù)荷以消費(fèi)電力為主。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電力電量平衡方法、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟，電力系統(tǒng)大多數(shù)情況處于確定可控的安全狀態(tài)下。隨著風(fēng)光等新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)電源由確定可控的常規(guī)電源裝機(jī)為主，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胁淮_定性的、弱可控性的新能源裝機(jī)為主；由于分布式等新能源的發(fā)展，配電網(wǎng)由無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)，需求側(cè)的不確定性也大大提高。大量電力電子元器件接入系統(tǒng)帶來新型安全穩(wěn)定問題和電能質(zhì)量問題，電力系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都面臨著重大挑戰(zhàn)。
一、挑戰(zhàn)：電力系統(tǒng)的新型供需平衡與新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題
一定時(shí)期內(nèi)的電能供應(yīng)總量應(yīng)滿足電能需求總量，實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)需求與供應(yīng)應(yīng)始終保持平衡。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中，時(shí)刻受到需求波動(dòng)、設(shè)備操作與故障、外部沖擊等多種擾動(dòng)因素的影響，而電力系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)穩(wěn)定平衡的系統(tǒng)，在受到各種干擾影響的情況下都能夠自主恢復(fù)穩(wěn)定或者過渡到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且在整個(gè)過程中能夠保障電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量，這就是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行問題。無論是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，還是新型電力系統(tǒng)，保障電力電量平衡、確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定都是電力系統(tǒng)運(yùn)行中需要處理的重要問題。
能源轉(zhuǎn)型改變了傳統(tǒng)電力電量平衡和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的性質(zhì)條件。
電力電量平衡方面，由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中每一個(gè)發(fā)電單元都具有較大容量且特征突出、易于控制，以發(fā)電跟隨用戶變化的思路對系統(tǒng)中的發(fā)電單元及其上游進(jìn)行調(diào)整控制，可以較好地實(shí)現(xiàn)電力電量各個(gè)時(shí)間尺度的精準(zhǔn)平衡，系統(tǒng)調(diào)度管理與控制的技術(shù)比較成熟。新型電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電單元容量小但是數(shù)量巨大，風(fēng)光等新能源隨機(jī)性強(qiáng)、難以預(yù)測，波動(dòng)性大、跟蹤控制難，時(shí)間序列上出力具間歇性，晚峰無光、極熱無風(fēng)，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰困難。系統(tǒng)平衡機(jī)制由確定性發(fā)電跟蹤不確定性負(fù)荷，轉(zhuǎn)變?yōu)椴淮_定性發(fā)電與不確定性負(fù)荷雙向匹配。這使得在任何時(shí)間尺度上都能精準(zhǔn)保障供需平衡變得十分困難。
電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以交流為主運(yùn)輸、配送電能，直接并入同一系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)器件越多，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，就具有更好的穩(wěn)定平衡特性，小規(guī)模的外部沖擊和系統(tǒng)內(nèi)部故障不會(huì)對電力系統(tǒng)帶來致命影響，在經(jīng)歷較大規(guī)模沖擊或者連續(xù)沖擊的情況下，由于慣性特征，也較易于采取控制措施以恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定。新型電力系統(tǒng)中，大量風(fēng)電、光伏所發(fā)電能通過換流裝置接入系統(tǒng)，系統(tǒng)容量規(guī)模增大的同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨著傳統(tǒng)電源逐步退出而逐漸減少，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能降低。功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等問題由于新能源的擴(kuò)張而更加突出。另外，電力電子器件具有強(qiáng)非線性、切換性、離散性特征，而新型電力系統(tǒng)中高比例電力電子換流設(shè)備的應(yīng)用，大大增加了傳統(tǒng)功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定發(fā)生機(jī)理、運(yùn)行控制的復(fù)雜性，還給電力系統(tǒng)帶來新的穩(wěn)定問題，例如由電力電子元器件特性引發(fā)的新型振蕩問題、多饋入直流在負(fù)荷中心引發(fā)的電壓穩(wěn)定問題等，以及諧波污染、電壓閃動(dòng)等電能質(zhì)量問題。新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中，不僅要從技術(shù)上解決傳統(tǒng)高慣量電力設(shè)施比例越來越小帶來的慣性穩(wěn)定問題，還要發(fā)展新的穩(wěn)定理論以指導(dǎo)解決因高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備接入帶來的新型穩(wěn)定問題。
在從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中，新型供需平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題都十分突出，如果不能夠很好地解決這些問題，新型電力系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)安全可靠的基本目標(biāo)。
二、思路：儲(chǔ)能在解決新型供需平衡與新型穩(wěn)定問題中的運(yùn)用
對于新型供需平衡問題，目前主流的方法，一方面是在系統(tǒng)中規(guī)劃建設(shè)足夠的滿足爬坡需求的靈活性電源，盡可能實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)以減少對單一能源的依賴，同時(shí)加強(qiáng)網(wǎng)間互濟(jì)能力，在需求側(cè)采取必要措施等；另一方面，是加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行管理，完善調(diào)度管理機(jī)制，提升預(yù)測預(yù)警水平，優(yōu)化調(diào)度策略并提升調(diào)度技術(shù)。這些措施可以提高電力電量平衡適應(yīng)的概率，但是不能保證在全時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電力電量平衡。同時(shí)，將煤電作為主力靈活性資源，不僅成本高，長遠(yuǎn)看還面臨資源稀缺、枯竭的風(fēng)險(xiǎn)，而大規(guī)模建設(shè)鋰基短時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能等也面臨關(guān)鍵資源約束、能量密度限制、安全穩(wěn)定性不足等問題。
對于新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題，除傳統(tǒng)安全穩(wěn)定控制措施外，在風(fēng)電光伏場站側(cè)利用虛擬慣量控制、虛擬同步機(jī)、下垂控制等主動(dòng)支撐技術(shù)，提高風(fēng)電光伏場站對電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)支撐能力。在調(diào)度側(cè)，裝備智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)，集成和共享電網(wǎng)信息，提升多級調(diào)度協(xié)作效率，在線分析評估安全穩(wěn)定水平，提升安全預(yù)警能力。在電網(wǎng)側(cè)，規(guī)劃建設(shè)更加堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建設(shè)抽水蓄能電站和共享電化學(xué)儲(chǔ)能電站，建設(shè)滿足新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定需求的高慣量同步調(diào)相機(jī)、儲(chǔ)能同步調(diào)相機(jī)等，或?qū)⑼艘蹤C(jī)組改造成調(diào)相機(jī)，在支撐系統(tǒng)電壓的同時(shí)，增加系統(tǒng)慣量、參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高系統(tǒng)穩(wěn)定水平。在需求側(cè)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、多元聚合等各種應(yīng)用場景，以保障高比例新能源接入情況下電能持續(xù)安全供應(yīng)，同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)對大系統(tǒng)的主動(dòng)支持。
當(dāng)前，針對新型電力系統(tǒng)相關(guān)穩(wěn)定問題尚未形成完整的理論體系和成熟的解決方案。但可以確定的是，無論是解決新型供需平衡問題還是解決新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題，儲(chǔ)能的運(yùn)用都不可或缺。
在電力電量平衡方面，將儲(chǔ)能作為靈活性調(diào)節(jié)資源，平抑新能源的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、冷熱備用、市場調(diào)節(jié)等，利用儲(chǔ)能協(xié)助能量時(shí)移的能力，實(shí)時(shí)填補(bǔ)或削減新能源出力與用電負(fù)荷的偏差（功率）、填補(bǔ)或削減一定時(shí)段內(nèi)新能源能量與用電需求能量的偏差（能量），維持系統(tǒng)實(shí)時(shí)的電力平衡和一定時(shí)期內(nèi)的電量平衡。
在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面，無論是場站側(cè)的主動(dòng)支撐，還是需求側(cè)的多元聚合，都依賴于儲(chǔ)能協(xié)助能量時(shí)移的特性，以及各種儲(chǔ)能類型的控制特性。如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能容量大，并能為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電化學(xué)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率高、反應(yīng)速度快，易于實(shí)現(xiàn)快速控制；熔鹽儲(chǔ)能容量大、供能時(shí)間長，可利用場景多。綜合利用多種儲(chǔ)能技術(shù)，通過協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能應(yīng)用功能的多目標(biāo)集成，在系統(tǒng)中參與快速調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）和自動(dòng)電壓控制（AVC）、抑制低頻振蕩、抑制過電壓、黑啟動(dòng)等。
仍需注意，當(dāng)前盡管儲(chǔ)能特別是電化學(xué)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中得到高度重視，但是一些新型儲(chǔ)能在接入系統(tǒng)時(shí)，也會(huì)將更多的電力電子設(shè)備帶入系統(tǒng)，從而造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的復(fù)雜化。
三、思考：降維思路處理新型平衡和新型穩(wěn)定問題
新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題是新型電力系統(tǒng)建設(shè)征途上的必過關(guān)口。目前業(yè)內(nèi)主流的思路，是發(fā)展新型平衡理論去解決新型平衡問題、發(fā)展新型穩(wěn)定性理論去解決新型穩(wěn)定問題。這些理論，不僅需要對相關(guān)問題的發(fā)生機(jī)理、產(chǎn)生概率、海量數(shù)據(jù)、復(fù)雜計(jì)算、應(yīng)用驗(yàn)證等深入開展工作，也需要在氣候氣象變化、自然環(huán)境影響、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源要素流通等各方面做出準(zhǔn)確預(yù)測分析并無縫銜接。即使理論上認(rèn)為可以通過復(fù)雜的監(jiān)測系統(tǒng)全面感知電力系統(tǒng)及相關(guān)各方面影響要素的變化，并有足夠快速的在線計(jì)算能力和速度，面對多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)和龐大運(yùn)算規(guī)模，面對供需雙側(cè)的不確定性，以及監(jiān)測控制設(shè)備本身可能存在的故障概率，在具體工程實(shí)踐上，也有可能發(fā)生系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定相關(guān)問題。
技術(shù)發(fā)展的路徑是從簡單到復(fù)雜、從低維到高維，而解決技術(shù)難題的路徑恰好相反，應(yīng)是將復(fù)雜問題分解為簡單問題、將高維問題降為低維問題。“雙高”新型電力系統(tǒng)比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)復(fù)雜得多、高維得多。解決新型電力系統(tǒng)的問題，可以考慮將新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的模式，再利用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已有的成熟理論、技術(shù)和方法去處理，最終實(shí)現(xiàn)電力電量平衡保障和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
從這個(gè)意義上看，可以拓展新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題的解決思路，即通過物理層面的主動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，將新型電力系統(tǒng)降維成為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，從而將新型平衡問題和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題降維成為傳統(tǒng)平衡和傳統(tǒng)穩(wěn)定問題，再利用傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的平衡理論和方法、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法，去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電力電量平衡和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。這個(gè)思路的關(guān)鍵，是通過主動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)降維。
一個(gè)方法是就地將風(fēng)光等新能源轉(zhuǎn)換成其他可以長期儲(chǔ)存的能源，例如將人造天然氣（如甲烷）作為大規(guī)模燃?xì)獍l(fā)電的氣源，將天然氣發(fā)電機(jī)組并入電力系統(tǒng)，以此，新能源發(fā)電設(shè)施接入的人造燃?xì)庠O(shè)施及燃?xì)獍l(fā)電廠設(shè)施一體構(gòu)成長時(shí)儲(chǔ)能設(shè)施。為新能源發(fā)電基地大規(guī)模配套這樣的長時(shí)儲(chǔ)能設(shè)施，可以降低直接接入電力系統(tǒng)中的新能源比例，維持電力系統(tǒng)中化石能源和新能源發(fā)電的合理結(jié)構(gòu)，在確保大規(guī)模消納新能源的同時(shí)，使電力系統(tǒng)保有傳統(tǒng)特性。
這個(gè)思路的主要優(yōu)點(diǎn)，一是復(fù)雜問題簡單化，概念清晰、技術(shù)簡單、安全可靠。其中技術(shù)上的難點(diǎn)在于人造天然氣，該技術(shù)目前已有多種路線，只是成本尚高，如能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，成本可以下降到可承受的程度。同時(shí)，還要?jiǎng)討B(tài)研究電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)能源和新能源的合理比例結(jié)構(gòu)。二是燃?xì)鈾C(jī)組可以為系統(tǒng)大規(guī)模增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和靈活性調(diào)節(jié)能力，更好地提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。三是可以大幅度減少直接接入電力系統(tǒng)的電力電子器件，有效降低新型穩(wěn)定問題的發(fā)生概率。四是燃?xì)庖子谶\(yùn)輸和存儲(chǔ)，可以直接在終端能源消費(fèi)中利用，有利于綜合能源系統(tǒng)建設(shè)。五是可以較好地化解一次能源資源短缺風(fēng)險(xiǎn)，特別是煤電作為單一兜底電源可能帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。六是為未來拓展深遠(yuǎn)海能源資源開發(fā)利用做足技術(shù)儲(chǔ)備。當(dāng)然，這種思路和當(dāng)前主流的新型平衡和新型系統(tǒng)穩(wěn)定問題研究思路可以并行不悖、良好兼容。
四、場景：以人造天然氣作為長時(shí)儲(chǔ)能載體的應(yīng)用構(gòu)想
目前，國內(nèi)外對于長時(shí)儲(chǔ)能（LDES）并沒有統(tǒng)一定義，有的機(jī)構(gòu)認(rèn)為放電持續(xù)時(shí)間超過4小時(shí)、壽命不低于20年的儲(chǔ)能技術(shù)為長時(shí)儲(chǔ)能，也有的機(jī)構(gòu)將放電持續(xù)時(shí)間規(guī)定為超過8小時(shí)或者10小時(shí)。筆者認(rèn)為，以10小時(shí)以上放電持續(xù)時(shí)間作為長時(shí)儲(chǔ)能的界定較為合理，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間可以基本覆蓋正常一日無光時(shí)段。從這個(gè)定義看，部分抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能設(shè)施，以及氫儲(chǔ)能、熔鹽儲(chǔ)能等電化學(xué)儲(chǔ)能均可歸類為長時(shí)儲(chǔ)能。將新能源電力轉(zhuǎn)換成氫并進(jìn)一步與二氧化碳反應(yīng)，制成甲烷，再利用天然氣發(fā)電、摻燒發(fā)電或者直接燃燒利用，實(shí)現(xiàn)電碳循環(huán)。這種方法特別適合于將來在深遠(yuǎn)海建設(shè)能源基地并回供陸地的能源生產(chǎn)模式，也適用于附近有充足水源的陸上新能源發(fā)電基地。
圖 以人造天然氣作為長時(shí)儲(chǔ)能載體的應(yīng)用構(gòu)想
