核心提示 隨著我國能源結構加快轉型，電力系統中新能源裝機占比將進一步增大，電力系統對靈活性調節電源的需求將明顯增加。探索靈活性資源配置新模式，是助力構建新型電力系統的必要手段之一。抽水蓄能與電化學儲能聯合配置的模式在國際上也備受關注。
今年9月，國際水電協會（IHA）主辦的第八屆世界水電大會設置了主題為“水電與電池一站式解決方案”的線上直播邊會，國網經濟技術研究院有限公司在會上提出抽水蓄能和電化學儲能聯合配置運行模式。未來，二者協同運行在以新能源為主體的新型電力系統中，將對系統靈活性的提升起到重要支撐作用，也可進一步提升清潔能源的消納水平。
新型電力系統加快構建，對電力系統調節能力提出新要求
近年來，我國能源體系逐步向清潔低碳、安全高效的方向轉型，新能源在電力系統中的規模日益增大。隨著我國碳達峰、碳中和目標的提出和新型電力系統加快構建，新能源將進入高速發展期。
新能源具有較強的間歇性和隨機性。新能源發電并網規模的不斷擴大對電網調節能力也提出了更高要求。2020年，國家電網有限公司經營區新能源利用率為97.1%，同比提高0.3個百分點，但局部地區仍存在一定的新能源消納問題。未來，隨著新能源裝機占比的不斷提高，因電力系統調節能力不足引發的消納問題將更為突出。同時，新能源出力存在較大的不確定性，無法成為長時間穩定供電的電力來源，并且為電力系統提供備用容量的能力也較為有限，因而電力系統的安全穩定運行將面臨重大挑戰。
10月24日發布的《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，加快推進抽水蓄能和新型儲能規模化應用。抽水蓄能作為電力系統中重要的調節電源，一直承擔著保障大電網安全和促進新能源消納的重要任務。近年來，新型儲能中裝機容量占比最高的電化學儲能在電網中的規模穩步增長，技術也逐步成熟。目前，我國抽水蓄能和電化學儲能的總規模已占到儲能總容量的90%以上。
在新型電力系統中，抽水蓄能和電化學儲能都是重要的調節資源。抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電，通過此種工作模式對電力系統進行調節，保障系統安全穩定運行。隨著技術的不斷進步，未來調節能力更好的變速機組將得到廣泛應用。抽水蓄能具有容量大、經濟性好、使用壽命長等優勢，但建設周期較長，對選址的要求較高，受地理條件約束較大。
電化學儲能通過化學反應來實現電能的存儲和釋放。目前較常見的電化學儲能電池類型主要有鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、鈉硫電池等。截至2020年，我國已投運的電化學儲能裝機容量超300萬千瓦。與抽水蓄能相比，電化學儲能布置較為靈活，建設周期較短，且響應速度較快，一般可以達到秒級響應。但電化學儲能目前成本較高，因此配置規模一般較小。同時，電化學儲能因電池部分為高能物質部件，其安全性也與抽水蓄能存在一定差距，亟須進一步完善安全標準體系，加強本體安全性能提升相關研究，以實現未來長足發展。
抽水蓄能與電化學儲能協同配置有何優勢
不難看出，抽水蓄能和電化學儲能在技術方面存在一定的互補性。在新型電力系統中，如果能將抽水蓄能與電化學儲能協同配置，可以提升調節電源容量、減少碳排放等，達到“1+1>2”的效果。
●提升電力系統調節能力
抽水蓄能在電力系統中一般有六大功能：調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動。電化學儲能與抽水蓄能協同運行，可利用電化學儲能的快速響應特性提升整體的調節性能。例如，在系統發生頻率波動時，電化學儲能響應速度較快，可以立即響應進行系統調頻，對頻率起到快速支撐的作用，防止系統頻率迅速增高或跌落。但一般情況下，電化學儲能的容量較小，無法長時間維持充電或放電狀態，而抽水蓄能通常容量較大，可以在響應后進行較長時間的持續功率支撐，以維持電網頻率穩定。此外，在調峰、調相、系統備用等方面，二者協同運行也可以發揮更大作用。
●優化調節電源容量配置
抽水蓄能與電化學儲能在調節能力、響應速度、建設條件、建設規模等方面具有一定互補性。針對電力系統不同的調節需求，兩種調節電源的協同配置可以優化調節電源的容量規模，避免冗余配置、資源浪費。另外，隨著電力市場建設的逐步完善，抽水蓄能和電化學儲能協同配置，可參與多種電力系統輔助服務，發揮各自優勢，并獲得經濟收益。
●減少碳排放
現階段，電力系統的調峰、調頻等服務很大程度上依賴常規火電機組。新能源裝機占比的不斷提升可能導致電力系統調節能力不足。這在一定程度上也會制約新能源的發展。因此，構建新型電力系統需要開發清潔低碳的調節電源，如抽水蓄能和電化學儲能等。二者協同運行可為新能源電源接入創造更有利的系統環境，還能起到降低碳排放的作用。
抽水蓄能與電化學儲能協同配置需要哪些關鍵技術
●容量配置技術
在考慮抽水蓄能和電化學儲能協同配置時，需要研究配置何種類型的電化學儲能，以及二者的容量關系。因此，必須先明確區域電網的調節需求，包括新能源消納情況、負荷峰谷差情況、系統頻率/電壓波動情況等，針對不同的調節需求，選擇合適的儲能類型。之后結合對調節需求的量化分析結果，確定電化學儲能和抽水蓄能的容量配置關系。重點要綜合考慮多種因素，如市場政策情況、電力系統規劃運行情況等。同時，電力系統往往存在多種調節需求，確定多目標需求下的容量優化配置方案，也是二者協同配置的關鍵。
●接入技術
受地理條件等因素限制，目前抽水蓄能電站的選址存在一定的局限性。而電化學儲能的布置相對靈活，需要考慮其接入點位置對于調節效果的影響。對于電化學儲能，除了集中接入的方式外，還可以考慮分散接入方式，這將使接入點的選擇較為復雜。同時，未來如果建設部分對建設條件要求相對寬松的小型抽水蓄能電站，抽水蓄能的接入點選擇也將成為一個新的研究方向。
●協同運行技術
在實際應用中，針對電網不同的調節需求，需要對抽水蓄能和電化學儲能制訂相對應的協同運行策略。這一過程中要考慮多種影響因素，如抽水蓄能電站的庫容約束、電化學儲能的容量約束等。例如，二者協同調峰時，需結合調峰缺口的持續時間、調峰缺口的大小，安排合理的協同運行策略。同時，由于抽水蓄能、電化學儲能和常規火電機組相比，都具有響應速度較快、轉換工作模式較靈活等特點，也需要確定靈活性更高的調度控制方式，以更好地發揮二者的調節性能。
隨著技術及相關政策機制的不斷完善，抽水蓄能和電化學儲能協同配置將有助于提升電網的調節性能，實現新能源電源友好接入，對構建以新能源為主體的新型電力系統起到關鍵作用。
（作者單位：國網經濟技術研究院有限公司）
作者：馬實一 周泊宇
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