“雙碳”目標下 儲能將成國家電網(wǎng)提升平衡調節能力的重要手段

記者從國家能源局獲悉，一季度，全國基建新增發(fā)電裝機容量2351萬(wàn)千瓦，比上年同期多投產(chǎn)996萬(wàn)千瓦。其中，水電109萬(wàn)千瓦、火電1060萬(wàn)千瓦、核電115萬(wàn)千瓦、風(fēng)電526萬(wàn)千瓦、太陽(yáng)能發(fā)電533萬(wàn)千瓦，可再生能源發(fā)電新增裝機占比超過(guò)50%。

能源行業(yè)是實(shí)現碳達峰碳中和目標的重點(diǎn)領(lǐng)域，新能源的大規模接入對電網(wǎng)的平衡調節能力提出了更高要求。“雙碳”目標下，國家電網(wǎng)如何提升電網(wǎng)平衡調節能力?本報記者帶您一探究竟。

“水火” 聯(lián)合

當前，“碳中和”已經(jīng)成為全球共識。實(shí)現碳達峰碳中和是我國向世界作出的莊嚴承諾，也是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟社會(huì )變革。

能源行業(yè)是實(shí)現碳達峰碳中和目標的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國已成為全球新能源裝機規模最大的國家，能源結構也在發(fā)生變化，可再生能源發(fā)電裝機容量在2020年年底已經(jīng)占全部發(fā)電裝機容量的41%。新能源具有隨機性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)，大規模開(kāi)發(fā)并網(wǎng)后，電力系統“雙高雙峰”特征日益凸顯，對確保電網(wǎng)安全運行和電力可靠供應帶來(lái)了巨大挑戰。

提高平衡調節能力，電網(wǎng)需要一個(gè)“智慧大腦”。“電難以大規模儲存，它就像一輛沒(méi)有制動(dòng)裝置的車(chē)輛一樣，無(wú)法在某個(gè)地方停留，其生產(chǎn)、輸送和消費在同一時(shí)間完成，因此大電網(wǎng)需要調度系統這一‘智慧大腦’作為靈活高效運轉的‘指揮’。”華東電力調控分中心水電及新能源處副處長(cháng)陸建宇表示。

電力調度不僅關(guān)乎電力系統的安全穩定運行，更關(guān)乎千家萬(wàn)戶(hù)用電和社會(huì )經(jīng)濟的正常運轉。今年，國家電網(wǎng)有限公司“一體四翼”發(fā)展布局提出將進(jìn)一步加強全網(wǎng)統一調度，完善跨省備用共享機制，統籌全網(wǎng)調峰資源，在電源清潔化水平快速提升的基礎上，繼續助力新能源利用率保持在較高水平。

火電的靈活性改造一直是提升電網(wǎng)平衡調節能力的重要內容。2020年，“三北”地區完成火電機組改造2466萬(wàn)千瓦。“十三五”期間，國家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區內累計完成煤電機組改造1.62億千瓦，其中“三北”地區完成火電機組容量改造8241萬(wàn)千瓦，增加調節能力1501萬(wàn)千瓦。

“簡(jiǎn)單來(lái)講，火電靈活性改造，就是解決‘吃’和‘消化’的問(wèn)題。所謂‘吃’就是燃料，所謂‘消化’就是運行控制，兩者缺一不可。”東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院博士生導師呂劍虹這樣解釋靈活性改造的實(shí)質(zhì)。

呂劍虹介紹，機組靈活性改造主要包括兩個(gè)方面的含義，一是增加機組運行靈活性，即要求機組具有更快的變負荷速率、更高的負荷調節精度及更好的一次調頻性能;二是增加鍋爐燃料的靈活性，即機組在摻燒不同品質(zhì)的燃料下，確保鍋爐的穩定燃燒以及機組在摻燒工況下仍有良好的負荷調節性能。

想要電網(wǎng)更加靈活，不僅要改造“火”，還要利用“水”。3月19日，國家電網(wǎng)發(fā)布了服務(wù)碳達峰碳中和、構建新型電力系統、加快抽水蓄能開(kāi)發(fā)建設重要舉措。一座座抽水蓄能電站開(kāi)工建設，對于優(yōu)化電源結構、提高電力安全穩定運行水平、促進(jìn)節能減排和清潔能源消納等具有重要意義。

陸建宇解釋?zhuān)笠幠ｉ_(kāi)發(fā)的風(fēng)電最終能順利并網(wǎng)消納，需要大規模抽水蓄能電站來(lái)實(shí)現配套輸送。抽水蓄能電站利用電力系統中多余電能，把下水庫內的水抽到上水庫內，以位能方式蓄存起來(lái)，系統需要電力時(shí)，再從上水庫放水至下水庫進(jìn)行發(fā)電。

“抽水蓄能是目前技術(shù)最為成熟的大規模儲能方式，具有調峰、調頻、調相、儲能、系統備用和黑啟動(dòng)六大功能，以及超大容量、系統友好、經(jīng)濟可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢，有效保障了高比例新能源電力系統安全穩定運行和提升新能源利用水平。”陸建宇說(shuō)。

如今，抽水蓄能機組網(wǎng)廠(chǎng)協(xié)調能力不斷提升。以華東地區為例，今年，國網(wǎng)華東分部已經(jīng)成功組織了溧陽(yáng)、績(jì)溪、宜興等3家抽水蓄能電站完成首批成組啟停機優(yōu)化試驗，并投入試運行。優(yōu)化后，抽蓄機組啟停時(shí)對電網(wǎng)的功率波動(dòng)影響下降50%以上，抽水蓄能電站科學(xué)調度水平再上新臺階。

據了解，2020年，國家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區抽水蓄能電站平均綜合利用小時(shí)數為2585小時(shí)，多消納新能源電量306億千瓦時(shí)。“十三五”期間，國家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區抽水蓄能電站累計多消納新能源電量864.3億千瓦時(shí)，抽水蓄能已成為新型電力系統促進(jìn)新能源消納，服務(wù)碳達峰碳中和目標的重要支撐。

源荷互動(dòng)

今年年初，國網(wǎng)吉林省電力有限公司承建的東北地區首個(gè)火電—儲能聯(lián)合調峰示范工程并網(wǎng)運行，該工程成為科技項目“儲能融合火電機組參與電網(wǎng)調峰輔助服務(wù)的源儲網(wǎng)協(xié)調運行關(guān)鍵技術(shù)研究及應用”成果落地的重要一環(huán)。

“按照吉林電網(wǎng)現有的調峰需求，以單個(gè)火電廠(chǎng)增配5萬(wàn)千瓦/20萬(wàn)千瓦時(shí)的磷酸鐵鋰儲能電站來(lái)測算，一年可為新能源發(fā)電增加上網(wǎng)空間9000萬(wàn)千瓦時(shí)，相當于節約標準煤2.7萬(wàn)噸，減排二氧化碳7.3萬(wàn)噸。”吉林電力科學(xué)研究院新能源技術(shù)研究專(zhuān)責王佳蕊介紹。

在推進(jìn)火電機組靈活性改造、滿(mǎn)足新能源調峰需求的同時(shí)，國網(wǎng)吉林電力還通過(guò)優(yōu)化新能源機組運行管理，提升了新能源利用率。

“風(fēng)電場(chǎng)單場(chǎng)站容量小、接入點(diǎn)分散，現場(chǎng)人員發(fā)現和解決電能質(zhì)量問(wèn)題的能力弱，急需可靠的現場(chǎng)并網(wǎng)性能測試和技術(shù)監督。”中廣核大崗子風(fēng)電場(chǎng)運維總監郭永剛說(shuō)出了很多新能源場(chǎng)站面臨的共同問(wèn)題。如今，國網(wǎng)吉林電力初步建成了新能源優(yōu)化運行管理與調控平臺，實(shí)現了對新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)性能、運行質(zhì)量的全息立體診斷，輔助電網(wǎng)側有針對性地加強新能源涉網(wǎng)安全管理，提供技術(shù)支撐服務(wù)，促進(jìn)新能源場(chǎng)站運行水平提升。

源網(wǎng)荷儲互動(dòng)支撐平臺基于市場(chǎng)機制，引導分布式發(fā)電、儲能、電動(dòng)汽車(chē)、智能家居等負荷主動(dòng)參與電網(wǎng)調控，增強了電網(wǎng)備用、調峰、調頻能力。以可調節資源庫建設為基礎，國家電網(wǎng)積極拓展源網(wǎng)荷儲應用場(chǎng)景，不斷挖掘各類(lèi)調節資源潛能，進(jìn)一步促進(jìn)電力系統運行由“源隨荷動(dòng)”向“源荷互動(dòng)”“荷荷互動(dòng)”轉變。

不僅如此，國家電網(wǎng)還聚焦電網(wǎng)調節能力，開(kāi)展多元智能協(xié)同調度，完善了調度支持手段，在陜西，開(kāi)發(fā)虛擬電廠(chǎng)協(xié)調控制系統，將常規電源、新能源等多種電源組成聯(lián)合控制單元，通過(guò)多能互補和復雜斷面的協(xié)調控制，智能化實(shí)現新能源發(fā)電最大化;在四川，研發(fā)聯(lián)合運行控制與智能調度系統，優(yōu)化提出水光蓄聯(lián)合運行模式及調控方式，支撐水電和光伏電站中長(cháng)期、日前、日內滾動(dòng)發(fā)電計劃制定;在安徽，開(kāi)展虛擬電廠(chǎng)試點(diǎn)建設，初步建成虛擬電廠(chǎng)集中控制平臺，具備類(lèi)似常規電廠(chǎng)的調頻、調峰、調壓能力。

此外，國家電網(wǎng)還攻關(guān)新能源關(guān)鍵技術(shù)，精細化分析新能源及網(wǎng)架運行特性，在保障安全的情況下大幅提升通道送出能力。

5月6日，華北電網(wǎng)新能源最大發(fā)電電力達9600萬(wàn)千瓦，占當時(shí)華北電網(wǎng)負荷比例的46.5%;日發(fā)電量達15.46億千瓦時(shí)，占華北電網(wǎng)當日用電量的33.7%，發(fā)電電力和電量均創(chuàng )歷史新高。當日新能源發(fā)電出力創(chuàng )新高時(shí)，國網(wǎng)華北分部對新能源發(fā)電出力的預測準確率達97%，為新能源高比例納入電力平衡和高效消納提供了支撐。

“我們在調度系統首次應用了電磁暫態(tài)仿真技術(shù)分析新能源送出能力，研究細化系統短時(shí)過(guò)電壓耐受能力，提高新能源送出能力。今年4月，錫盟特高壓送出工程、張北—雄安特高壓交流工程送端的新能源送出能力分別提高到了370萬(wàn)千瓦、290萬(wàn)千瓦，較原能力分別增加220萬(wàn)千瓦、90萬(wàn)千瓦。”華北電力調控分中心主任江長(cháng)明表示。

省間互濟

跨區輸電是解決新能源消納、加強區域資源互濟的重要渠道。想要為網(wǎng)內富余新能源“謀出路”，可調節負荷資源的跨省互濟必不可少。

3月15日，河南省結束了調峰相對困難的供暖期。“十三五”期間，河南新能源裝機容量年均增速達到93%，為全國增速最快的地區。在供暖期內，河南電網(wǎng)“一日兩難”特征明顯，午間、后夜時(shí)段新能源電力存在較大消納壓力。

“省間調峰輔助服務(wù)機制本質(zhì)屬于發(fā)電替代，通過(guò)富余可再生能源電力對燃煤火電實(shí)現替代，可以提高新能源利用率，促進(jìn)火電減發(fā)減排。”國網(wǎng)華中分部相關(guān)負責人表示，國網(wǎng)華中分部充分發(fā)揮省間調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)機制作用，利用省間通道剩余空間和網(wǎng)內其他省份富余調峰資源，在電網(wǎng)調度環(huán)節靈活組織實(shí)施跨省調峰互濟，保障了河南電網(wǎng)的穩定運行。

省間電網(wǎng)調峰互濟增多，是全網(wǎng)統一調度的重要體現。2020年，西北、東北、華北、華中電網(wǎng)組織省間調峰互濟分別達到3.5萬(wàn)次、700次、508次、280次，共計多消納新能源電量344.8億千瓦時(shí)，打破了省間壁壘，提高了跨區輸電通道利用效率。

值得注意的是，華中電力調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)于2020年5月15日正式運行，進(jìn)一步豐富了消納河南新能源電力的調度“工具箱”。

4月27日，華中電力調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)開(kāi)展了首次調電結算試運行，對華中電網(wǎng)調峰資源進(jìn)行跨省配置。其間，河南在低谷和腰荷兩個(gè)時(shí)段分別申報了調峰需求，湖北、湖南、江西分別申報了富余調峰能力。湖北、湖南、江西11家燃煤火電廠(chǎng)和抽水蓄能電站通過(guò)自主報價(jià)參與省間調峰輔助服務(wù)日前市場(chǎng)競價(jià)，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)出清，湖北2家燃煤火電廠(chǎng)、江西3家燃煤火電廠(chǎng)和1家抽蓄電站中標，其中，江西某抽水蓄能電站1臺30萬(wàn)千瓦機組在低谷時(shí)段抽水幫河南調峰。

這是華中電力調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)開(kāi)展的省間調峰輔助服務(wù)交易品種之一。華中電力調控分中心調度計劃處副處長(cháng)黃海煜表示，目前華中電力調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)有兩個(gè)交易品種，除上述的省間調峰輔助服務(wù)交易外，另一個(gè)是省間備用輔助服務(wù)交易。

“省間調峰輔助服務(wù)交易是指在省內火電已達最小開(kāi)機方式且省內調峰資源用盡后，負備用不足省的發(fā)電廠(chǎng)與調峰資源富余省的發(fā)電廠(chǎng)之間開(kāi)展的日前、日內省間發(fā)電替代交易和抽水蓄能機組跨省調用;省間備用輔助服務(wù)交易是指省級電網(wǎng)旋轉正備用容量無(wú)法滿(mǎn)足備用要求時(shí)，正備用不足省級電網(wǎng)企業(yè)與備用富余省的發(fā)電廠(chǎng)之間開(kāi)展的日前省間備用容量交易。”黃海煜解釋道。

燃煤機組參與深度調峰時(shí)，不但供電煤耗會(huì )增加，對機組壽命也會(huì )有較大影響。在讓煤電承擔更多調峰功能的同時(shí)，如何補償這份責任造成的損失，也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

對此，國網(wǎng)能源研究院副總工程師馬莉指出，一是構建調峰、備用省間輔助服務(wù)市場(chǎng)，省內調節能力不足時(shí)可以省間調峰。二是構建輔助服務(wù)成本分攤機制，按照“誰(shuí)受益、誰(shuí)承擔”原則，建立用戶(hù)與發(fā)電共同承擔輔助服務(wù)成本的機制。三是豐富輔助服務(wù)交易品種，如開(kāi)發(fā)爬坡類(lèi)產(chǎn)品、系統慣性服務(wù)、無(wú)功支撐服務(wù)等。

此外，國家電網(wǎng)還為調峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的推進(jìn)提供了技術(shù)支撐。

自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)是并網(wǎng)發(fā)電廠(chǎng)提供的有償輔助服務(wù)之一，發(fā)電機組在規定的出力調整范圍內，跟蹤電力調度交易機構下發(fā)的指令，按照一定調節速率實(shí)時(shí)調整發(fā)電出力。

今年以來(lái)，國網(wǎng)華北分部加大網(wǎng)企(廠(chǎng))雙向交流溝通，組織聯(lián)絡(luò )協(xié)調會(huì )加強宣貫，實(shí)施機組計劃檢修“20%深度調峰改造優(yōu)先”等具體舉措。 華北電力調控分中心黨總支書(shū)記張哲表示，下半年，京津唐電網(wǎng)列入計劃開(kāi)展20%深度調峰改造機組32臺、總裝機容量1516萬(wàn)千瓦。20%~50%不同程度深度調峰改造機組8臺、總裝機容量262萬(wàn)千瓦，共計容量1778萬(wàn)千瓦，占當前京津唐電網(wǎng)火電總裝機的25.6%，并將全部通過(guò)AGC自動(dòng)調整實(shí)現深度調峰。全部完成改造后，將提高京津唐電網(wǎng)調峰能力410萬(wàn)千瓦，相當于增加約800萬(wàn)~1000萬(wàn)千瓦風(fēng)電機組建設空間，預計全年可增加新能源發(fā)電量200億千瓦時(shí)。 “調度機構進(jìn)行火電機組深調，通常低于50%需要退出AGC，通過(guò)電話(huà)指令對火電機組進(jìn)行深度調峰。但國網(wǎng)華北分部的AGC低于50%也不用退，實(shí)現了機組出力深調自動(dòng)調整，自動(dòng)執行市場(chǎng)出清結果，不用人為干預，效率顯著(zhù)提高。”華北電力調控分中心計劃處處長(cháng)陳之栩說(shuō)。

(鄧立、李斌、黃艷蓓對本文亦有貢獻。)