中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
研究背景
截至2024年底，我國新能源裝機(jī)已突破14億kW大關(guān)，風(fēng)光波動(dòng)性與系統(tǒng)靈活性不足的矛盾日益突出，電力系統(tǒng)面臨“保供電”與“促消納”的雙重挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能(本文主要指新型儲(chǔ)能)作為“能量調(diào)節(jié)器”成為破局關(guān)鍵，但在電力電量平衡中的作用機(jī)理及配置策略仍缺乏系統(tǒng)性分析，行業(yè)亟需回答相關(guān)的核心問題。為此，本文依托中國電科院自主研發(fā)的新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃配置軟件，深入探索儲(chǔ)能在“碳達(dá)峰、碳中和”場景下的優(yōu)化潛力，為新型電力系統(tǒng)中新型儲(chǔ)能的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
02
主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
1）技術(shù)突破：基于8760h全局優(yōu)化與深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的規(guī)劃技術(shù)。
中國電科院新能源研究所依托新能源電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬平臺(tái)(REPS)，自主研發(fā)了新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃與配置軟件，融合數(shù)學(xué)優(yōu)化與深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了8760h全局快速優(yōu)化規(guī)劃計(jì)算，具備風(fēng)、光、常規(guī)電源(火電)、儲(chǔ)能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷以及輸電線路容量協(xié)同優(yōu)化配置等功能。在性能方面，可將省級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃計(jì)算時(shí)間壓縮至1h內(nèi)，誤差控制在1%以內(nèi)，為“雙碳”目標(biāo)下的電力系統(tǒng)規(guī)劃提供了科學(xué)有效的計(jì)算工具。
依托該軟件，團(tuán)隊(duì)圍繞儲(chǔ)能促進(jìn)新能源消納、儲(chǔ)能優(yōu)化火電裝機(jī)及運(yùn)行、儲(chǔ)能優(yōu)化交/直流聯(lián)絡(luò)線等場景開展計(jì)算分析，揭示了儲(chǔ)能在電力電量平衡中的作用機(jī)理，并分析了儲(chǔ)能配置時(shí)長規(guī)律與運(yùn)行特性等。
新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃與配置軟件見圖1。
圖1 新能源電力系統(tǒng)規(guī)劃與配置軟件
2）儲(chǔ)能如何促進(jìn)新能源消納？
隨著新能源裝機(jī)占比的持續(xù)增加，新能源利用率持續(xù)下降，合理優(yōu)化配置儲(chǔ)能是提升新能源利用率的重要手段。研究發(fā)現(xiàn)：儲(chǔ)能配置規(guī)模取決于儲(chǔ)能與新能源成本的比值、新能源理論發(fā)電小時(shí)數(shù)、新能源發(fā)電量占比。儲(chǔ)能與新能源成本比值越小、新能源理論發(fā)電小時(shí)數(shù)越小、新能源發(fā)電量占比越低，儲(chǔ)能配置規(guī)模越大(圖2和圖3)。但隨著儲(chǔ)能配置規(guī)模的增加，減少1kW新能源裝機(jī)所需的儲(chǔ)能容量逐漸增大，即增配儲(chǔ)能的作用呈邊際遞減效應(yīng)(圖4)。
圖2 不同成本比值下儲(chǔ)能配置容量
圖3 不同新能源電量占比下儲(chǔ)能配置容量
圖4 儲(chǔ)能作用邊際遞減效應(yīng)
3）儲(chǔ)能如何優(yōu)化火電裝機(jī)與運(yùn)行？
儲(chǔ)能成本與常規(guī)電源成本比值越小、新能源發(fā)電量占比越高，儲(chǔ)能配置規(guī)模越大，即可減少或替代的常規(guī)電源裝機(jī)規(guī)模越大(圖5)。減少1kw常規(guī)電源需要的儲(chǔ)能容量在3~7kW左右，隨著常規(guī)電源裝機(jī)的減少，儲(chǔ)能的優(yōu)化作用越來越弱(圖6)。火電年利用小時(shí)數(shù)隨著儲(chǔ)能規(guī)模的增加而增加，當(dāng)火電減少的裝機(jī)規(guī)模占最大負(fù)荷比例超過15%時(shí)，年利用小時(shí)數(shù)可提升1000h以上(圖7)。
圖5 不同成本比值下常規(guī)電源裝機(jī)減少的規(guī)模
圖6 減少1kW常規(guī)電源裝機(jī)需要的儲(chǔ)能容量
圖7 常規(guī)電源在不同裝機(jī)減少規(guī)模下的年利用小時(shí)數(shù)
儲(chǔ)能優(yōu)化常規(guī)電源裝機(jī)主要體現(xiàn)在兩方面：一是負(fù)荷高峰時(shí)段放電增加頂峰能力(圖8)；二是充電后提供系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用(圖9)。通過雙重作用減少火電開機(jī)需求。
圖8 典型周系統(tǒng)功率平衡結(jié)果
圖9 典型周系統(tǒng)備用供需結(jié)果
4）儲(chǔ)能如何降低輸電線路容量需求？
①儲(chǔ)能對(duì)網(wǎng)內(nèi)輸電線路的優(yōu)化作用。新能源發(fā)電量占比較低時(shí)，儲(chǔ)能集中配置在新能源側(cè)平抑新能源出力波動(dòng)；新能源發(fā)電量占比較高時(shí)，儲(chǔ)能優(yōu)先配置在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行削峰填谷，且隨著儲(chǔ)能單位造價(jià)降低，新能源側(cè)的儲(chǔ)能配置規(guī)模隨之增加；常規(guī)電源側(cè)無需配置儲(chǔ)能。(圖10)
(a)新能源發(fā)電量占比25%
(b)新能源發(fā)電量占比50%
圖10 儲(chǔ)能對(duì)網(wǎng)內(nèi)輸電線路優(yōu)化作用的容量配置結(jié)果
②儲(chǔ)能對(duì)基地外送直流線路的優(yōu)化作用。新能源發(fā)電量占比較低時(shí)，儲(chǔ)能主要配置在受端，降低負(fù)荷峰谷差；新能源發(fā)電量占比較高時(shí)，儲(chǔ)能主要配置在送端，平抑新能源波動(dòng)的同時(shí)促進(jìn)新能源消納(圖11)。
(a)新能源電量占比25%
(b)新能源電量占比50%
圖11 儲(chǔ)能對(duì)基地外送直流優(yōu)化作用的容量配置結(jié)果
5）新型電力系統(tǒng)下儲(chǔ)能的運(yùn)行特性。
①儲(chǔ)能充電集中在負(fù)荷低谷疊加新能源大發(fā)時(shí)段，放電集中在負(fù)荷晚高峰和光伏出力爬升/爬降時(shí)段(圖12)。
②儲(chǔ)能深度充放電(接近滿容量狀態(tài))占比不足兩成，而半容量以下的淺層充放電操作占據(jù)主導(dǎo)地位(圖13)。
圖12 儲(chǔ)能充放電時(shí)段概率分布圖
圖13 儲(chǔ)能充放電SOC概率分布圖
03
研究結(jié)果及結(jié)論
1）儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的作用：減少常規(guī)電源裝機(jī)>減少新能源裝機(jī)(消納棄風(fēng)棄光)>減少輸電線路，因此儲(chǔ)能主要用于優(yōu)化新型電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)。
2）單位容量成本和新能源發(fā)電量占比是影響儲(chǔ)能配置規(guī)模的重要因素，儲(chǔ)能自身有明顯的內(nèi)卷效應(yīng)：儲(chǔ)能配置容量越大，效益越差。
3）風(fēng)/光常規(guī)出力場景下，儲(chǔ)能配置時(shí)長普遍為4~9h，9h以內(nèi)儲(chǔ)能可滿足大部分場景需求，儲(chǔ)能年平均循環(huán)次小于200。
04
后續(xù)研究方向或討論話題
本文研究結(jié)論適用于風(fēng)/光典型代表年出力場景，后續(xù)將針對(duì)新能源長時(shí)間間歇等小概率極端場景，開展儲(chǔ)能等多種靈活調(diào)節(jié)資源配置的研究。
