鄭 帥，魯 浩，沙志成，朱春萍，裴善鵬

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

“十三五”以來(lái)，山東電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。在發(fā)電側(cè)，核電機(jī)組裝機(jī)實(shí)現(xiàn)了“零突破”，可再生能源并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模完成了倍增計(jì)劃，截至2019年底，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模居全國(guó)第四，光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模居全國(guó)第一。在電網(wǎng)側(cè)，山東電網(wǎng)初步形成了“五交三直”省外來(lái)電通道格局，接納外電規(guī)模逐年擴(kuò)大，網(wǎng)供最大負(fù)荷屢創(chuàng)新高。在取得顯著發(fā)展成就的同時(shí)，山東電力系統(tǒng)也面臨著嚴(yán)峻的安全穩(wěn)定運(yùn)行壓力，主要表現(xiàn)在調(diào)峰能力不足、新能源消納矛盾突出等。隨著儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展，儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多。本文結(jié)合“十四五”山東電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，科學(xué)分析儲(chǔ)能需求空間，有針對(duì)性地提出發(fā)展重點(diǎn)和建議，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在山東電力系統(tǒng)的規(guī)劃發(fā)展具有參考和指導(dǎo)意義。

1 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展概況

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型

本文主要討論電能的存儲(chǔ)。儲(chǔ)能技術(shù)按照其轉(zhuǎn)換形式不同，可以分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能 3 類(lèi)［1-3］，如表 1 所示。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)

1.2 儲(chǔ)能主要作用

在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，儲(chǔ)能主要有四方面作用［4-5］。

1）調(diào)峰。儲(chǔ)能具有電源和負(fù)荷的雙重特性，切換快速，調(diào)節(jié)靈活，響應(yīng)迅捷，可以實(shí)現(xiàn)新能源消納、電網(wǎng)削峰填谷、尖峰負(fù)荷響應(yīng)等功能。

2）調(diào)頻。儲(chǔ)能技術(shù)具有快速和精確的響應(yīng)能力，單位功率調(diào)節(jié)效率高，是最優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻資源。

3）提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。儲(chǔ)能具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，通過(guò)合理配置和控制儲(chǔ)能，可以顯著提高電力系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)性能和應(yīng)對(duì)沖擊的能力。

4）改善電能質(zhì)量。儲(chǔ)能技術(shù)可以有效抑制新能源發(fā)電的功率波動(dòng)和對(duì)電壓質(zhì)量的影響［6］，提升網(wǎng)格電壓水平，改善電能質(zhì)量。

1.3 儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為183.1 GW，同比增長(zhǎng)1.2%。其中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比最大，為93.4%，同比下降0.9個(gè)百分點(diǎn)；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模8 216.5 MW，占比4.5%，同比增長(zhǎng)0.9個(gè)百分點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 全球儲(chǔ)能裝機(jī)占比

截至2019年底，我國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模32.3 GW，占全球18%，同比增長(zhǎng)3.2%。其中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比最大，為93.7%，比上年同期下降2.1個(gè)百分點(diǎn)；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為1 630.13 MW，占比5.0%，比上年同期增長(zhǎng)1.5個(gè)百分點(diǎn)，其增長(zhǎng)的最大推動(dòng)力來(lái)自電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能；與光伏相配套的已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了290.4 MW。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到 44 GW［7］。

2 山東電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 山東電力系統(tǒng)概況

2019年，山東省電力系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)有序，發(fā)用電量平穩(wěn)增長(zhǎng)，全年全社會(huì)用電量6219億kW·h，同比增長(zhǎng)2.22%；省內(nèi)機(jī)組完成發(fā)電量5285億kW·h，同比減少1.86%；省外來(lái)電934億kW·h，同比增長(zhǎng)33.65%；完成市場(chǎng)化交易電量2558億kW·h，同比增長(zhǎng) 35.77%。截至2019年底，全省發(fā)電裝機(jī)規(guī)模136.19 GW，220 kV及以上系統(tǒng)變電總?cè)萘?8177萬(wàn)kVA。

2.2 清潔能源利用情況

近年來(lái)，山東大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，清潔能源裝機(jī)比重不斷提高。一方面，安全高效發(fā)展核能。山東海陽(yáng)核電一期工程2臺(tái)AP1000先進(jìn)非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組，已分別于2018年底和2019年初先后投運(yùn)，總裝機(jī)規(guī)模2.5 GW，實(shí)現(xiàn)了山東省在運(yùn)核電機(jī)組“零突破”。到2019年底，山東核電機(jī)組累計(jì)發(fā)電量207.2億kW·h，機(jī)組平均利用小時(shí)數(shù)達(dá)到8 288 h。另一方面，大力發(fā)展可再生能源。山東風(fēng)電裝機(jī)容量13.54 GW，位列全國(guó)第四；光伏發(fā)電裝機(jī)容量16.19 GW，位列全國(guó)第一。截至2019年底，山東省新能源和可再生能源裝機(jī)容量36.24 GW，占全省發(fā)電總裝機(jī)容量的25.8%。

2.3 外電入魯發(fā)展現(xiàn)狀

山東大力實(shí)施“外電入魯”戰(zhàn)略，2020年1月4日，1 000 kV山東-河北交流特高壓環(huán)網(wǎng)工程建成投運(yùn)，標(biāo)志著當(dāng)今世界上電壓等級(jí)最高、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最強(qiáng)的華北特高壓交流骨干網(wǎng)架基本形成。至此，山東電網(wǎng)已建成1 000 kV榆橫-濰坊、1 000 kV錫盟-濟(jì)南特高壓交流，±800 kV扎魯特-青州直流、±800 kV上海廟-臨沂特高壓直流輸電工程。2019年迎峰度夏期間，山東最大接受外電20.39 GW。但是，受送端配套電源建設(shè)普遍滯后、扎魯特-青州直流落地電價(jià)倒掛等因素的影響，已建成的“外電入魯”通道尚達(dá)不到按規(guī)劃容量輸送電力。

3 儲(chǔ)能需求空間分析

3.1 調(diào)峰需求空間分析

“十三五”以來(lái)，山東省全社會(huì)最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)6.8%，到2019年達(dá)101 GW；省調(diào)最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)6.5%，到2019年達(dá)76.64 GW。隨著用電需求的快速增長(zhǎng)，山東電力供需形勢(shì)較為緊張，“十三五”前三年迎峰度夏期間均出現(xiàn)電力缺口，2018年最大有序用電達(dá)到6.61 GW。2019年受“涼夏”等因素影響，未發(fā)生有序用電，但省調(diào)最大負(fù)荷峰谷差擴(kuò)大至24 GW，電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)峰壓力巨大?！笆濉币詠?lái)山東用電負(fù)荷增長(zhǎng)情況如圖2所示。

圖2 “十三五”以來(lái)山東用電負(fù)荷增長(zhǎng)情況

目前，山東省新能源和可再生能源總發(fā)電負(fù)荷占全網(wǎng)用電負(fù)荷的25%～30%，午間時(shí)段風(fēng)光疊加效應(yīng)使得全網(wǎng)用電負(fù)荷曲線呈現(xiàn)“雙低谷”特征，增大了電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)難度。同時(shí)，受“外電入魯”規(guī)模擴(kuò)大、集中供暖面積增加等因素影響，電網(wǎng)調(diào)峰資源不足、手段有限，特別是度冬期間，火電機(jī)組調(diào)峰、保障民生供熱和風(fēng)光新能源消納矛盾尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年春季，統(tǒng)調(diào)火電機(jī)組在中午時(shí)段均處在最低負(fù)荷運(yùn)行；2019年春季，火電機(jī)組不得不采用日內(nèi)啟停機(jī)的非正常調(diào)峰手段才能滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求［8］，頻繁啟停機(jī)增加了機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，也加大了系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

“十四五”期間，山東省可再生能源裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，省外來(lái)電、核電裝機(jī)不斷增加，統(tǒng)籌考慮省內(nèi)各類(lèi)電源調(diào)峰能力，預(yù)計(jì)“十四五”末，電力系統(tǒng)調(diào)峰容量缺少約13.2 GW，2030年電力系統(tǒng)調(diào)峰容量缺少約18.4 GW。囿于目前省內(nèi)輔助服務(wù)市場(chǎng)深度調(diào)峰補(bǔ)償力度較小，火電企業(yè)對(duì)機(jī)組靈活性改造意愿較低、改造動(dòng)力不足，大力發(fā)展儲(chǔ)能將是解決山東電力系統(tǒng)調(diào)峰需求的有效手段。

3.2 調(diào)頻需求空間分析

目前，山東電力系統(tǒng)主要依靠火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻，機(jī)組DCS系統(tǒng)接收來(lái)自于AGC調(diào)度的指令，對(duì)本地負(fù)荷信號(hào)和機(jī)組出力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和指導(dǎo)，通過(guò)CCS子系統(tǒng)對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得機(jī)組凈出力跟隨ACG調(diào)度指令?；痣姍C(jī)組AGC調(diào)頻示意圖如圖3所示。

圖3 火電機(jī)組AGC調(diào)頻示意圖

火電機(jī)組調(diào)頻存在反應(yīng)速度慢、設(shè)備磨損大、機(jī)組整體效率低等問(wèn)題，尤其是AGC對(duì)火電機(jī)組的磨損和效率影響更大。各大發(fā)電集團(tuán)已逐漸認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，從山東省調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)AGC出清價(jià)格逐年上升就能看出端倪。儲(chǔ)能具有響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，配合火電機(jī)組進(jìn)行AGC調(diào)頻，將大幅提高AGC性能指標(biāo)，單日Kp平均值可由原來(lái)的2.8提升至4.6，大量的火電機(jī)組將從長(zhǎng)期的AGC調(diào)頻任務(wù)中解放出來(lái)，有效緩解由于頻繁AGC調(diào)節(jié)造成的火電機(jī)組設(shè)備疲勞和磨損，穩(wěn)定出力并提高負(fù)荷率，改善機(jī)組燃煤效率，提升機(jī)組的可用率及使用壽命，進(jìn)一步促進(jìn)節(jié)能減排。

目前，山東電網(wǎng)總裝機(jī)規(guī)模全國(guó)第一，其中70%為調(diào)頻性能優(yōu)異的火電機(jī)組，電網(wǎng)調(diào)頻壓力不大，儲(chǔ)能需求空間不大。但是，隨著山東能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革深入推進(jìn)，山東電網(wǎng)未來(lái)火電裝機(jī)比例會(huì)持續(xù)下降，調(diào)頻問(wèn)題也會(huì)逐漸顯現(xiàn)。因此，可考慮電源側(cè)提前規(guī)劃一些調(diào)頻用儲(chǔ)能設(shè)施，對(duì)部分AGC調(diào)頻響應(yīng)性能較差、在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)被罰款的老舊機(jī)組，可優(yōu)先裝設(shè)AGC鋰電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)。

3.3 其他需求空間分析

3.3.1 提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性

目前，山東省已形成“三直五交”輸電通道格局，實(shí)現(xiàn)與寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、河北等地區(qū)互聯(lián)互通，省外來(lái)電在山東電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。但是，一旦發(fā)生直流閉鎖等永久性故障，將帶來(lái)大量功率缺額，進(jìn)而引發(fā)受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題［9］，直接影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，亟需在分鐘級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)提供大功率支撐以平衡電網(wǎng)的有功功率缺額。電化學(xué)儲(chǔ)能電源具有快速精確的功率跟蹤能力，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供瞬時(shí)和短時(shí)的功率支持，達(dá)到“以調(diào)代切”的效果，減少切機(jī)切負(fù)荷數(shù)量。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能優(yōu)良的“自啟動(dòng)”特性，可以在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，充當(dāng)“黑啟動(dòng)”電源，幫助系統(tǒng)恢復(fù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3.2 延緩輸變電設(shè)備升級(jí)投資

2019年，山東全省發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)為3 889 h，同比下降328 h。其中，直調(diào)公用煤電機(jī)組4 498 h，同比下降589 h；地調(diào)公用電廠2 303 h，同比下降16 h。一方面，山東發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，最大負(fù)荷屢創(chuàng)新高。另一方面，發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)卻逐年下降。究其原因，就是為了滿足電網(wǎng)短時(shí)尖峰負(fù)荷的需要，而不得不追加大量的發(fā)輸變電工程投資。根據(jù)山東省負(fù)荷特性分析及負(fù)荷預(yù)測(cè)，為了滿足尖峰5%負(fù)荷的用電需求，“十四五”和“十五五”期間，山東省仍需建設(shè)6.8 GW和8.4 GW省內(nèi)電源。若能在負(fù)荷端配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能電站，用電高峰時(shí)釋放電能，用電低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，改善局部電網(wǎng)潮流分布，既能滿足尖峰負(fù)荷需要，有效減緩電力系統(tǒng)建設(shè)投資進(jìn)度，又能降低重負(fù)荷線路和變壓器運(yùn)行壓力，提高電能質(zhì)量。

4 山東儲(chǔ)能規(guī)劃發(fā)展建議

綜合考慮電力市場(chǎng)改革進(jìn)程，外電參與調(diào)峰、煤電機(jī)組靈活性改造，以及山東省內(nèi)嚴(yán)控煤炭消費(fèi)、淘汰落后煤電機(jī)組等政策因素影響，本文推薦儲(chǔ)能建設(shè)規(guī)模如表2所示。

表2 山東儲(chǔ)能建議建設(shè)容量 （GW）

4.1 優(yōu)先發(fā)展抽水蓄能電站

為加快解決新能源消納與電力系統(tǒng)調(diào)峰資源不足的矛盾，綜合對(duì)比不同儲(chǔ)能技術(shù)特性［10］，抽水蓄能兼具電源和負(fù)荷雙重特性，裝機(jī)規(guī)模大，響應(yīng)速度快，調(diào)峰效果好。結(jié)合山東電力系統(tǒng)特點(diǎn)、地形地質(zhì)和水文氣象條件，充分考慮膠東負(fù)荷中心區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰需求，東部沿海核電基地電力送出和海上風(fēng)電等可再生能源發(fā)電消納需求，“外電入魯”通道落點(diǎn)集中地區(qū)電網(wǎng)，特別是特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，建議優(yōu)先發(fā)展抽水蓄能電站。

山東已建成投產(chǎn)泰安抽水蓄能電站，裝機(jī)容量為1 GW；在建沂蒙、文登和濰坊抽水蓄能電站，裝機(jī)容量分別為1.2 GW、1.8 GW和1.2 GW。預(yù)計(jì)到“十四五”末，山東省抽水蓄能電站裝機(jī)容量將達(dá)到4 GW左右，屆時(shí)可大大緩解山東電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力，有效保障本地新能源的就近消納。

4.2 鼓勵(lì)風(fēng)光電源側(cè)配儲(chǔ)能

根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟最新調(diào)研結(jié)果，以鋰離子電池為例，目前系統(tǒng)成本（不含PCS）已降至 1 000～1 500元/（kW·h），已進(jìn)入應(yīng)用的盈虧平衡點(diǎn)，具備了商業(yè)化發(fā)展基礎(chǔ)。隨著政策支持力度加大、市場(chǎng)機(jī)制逐漸理順、多領(lǐng)域融合滲透，我國(guó)儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模將快速增加?！笆奈濉睍r(shí)期，山東可再生能源裝機(jī)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，調(diào)峰能力與消納空間之間的矛盾依然存在，可再生能源作為常規(guī)電源予以考核和約束，配置一定比例的儲(chǔ)能可以是未來(lái)主要的調(diào)節(jié)手段。一方面，考慮到可再生能源發(fā)電補(bǔ)貼滯后嚴(yán)重、部分新能源企業(yè)經(jīng)營(yíng)困難的情況，建議以鼓勵(lì)性政策為主，同時(shí)輔以優(yōu)先并網(wǎng)、增加發(fā)電小時(shí)數(shù)等優(yōu)惠政策。另一方面，建議在政策制定時(shí)，加強(qiáng)研究論證和實(shí)地調(diào)研，科學(xué)確定儲(chǔ)能配置比例，有效疏導(dǎo)投資建設(shè)成本，避免劣幣驅(qū)逐良幣，促進(jìn)可再生能源行業(yè)平穩(wěn)健康發(fā)展。

4.3 探索推進(jìn)電網(wǎng)側(cè)配儲(chǔ)能

電網(wǎng)側(cè)配置儲(chǔ)能，可以有效緩解電網(wǎng)阻塞，延緩輸配電升級(jí)，提高供電安全性。受政策驅(qū)動(dòng)因素影響，2018年以來(lái)，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。2019年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《輸配電定價(jià)成本監(jiān)審辦法》中，明確抽水蓄能電站、電儲(chǔ)能設(shè)施不能納入輸配電成本，快速發(fā)展的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能一時(shí)陷入沉寂。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，儲(chǔ)能在技術(shù)上是剛需，在未來(lái)高比例可再生能源接入電網(wǎng)的背景下，儲(chǔ)能行業(yè)勢(shì)必會(huì)健康、持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

2020年，國(guó)家電網(wǎng)提出“要積極研究探索儲(chǔ)能發(fā)展路徑和模式，結(jié)合特高壓建設(shè)和新能源消納需求，形成一套成熟的技術(shù)和商業(yè)模式，未來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電網(wǎng)的平衡發(fā)展”?！笆奈濉蔽覈?guó)輸配電價(jià)核算將開(kāi)啟第二個(gè)監(jiān)管周期，在新一輪監(jiān)管周期中，隨著我國(guó)電力市場(chǎng)改革的深入推進(jìn)，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可能迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，建議密切關(guān)注行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，積極探索布局電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文梳理總結(jié)了儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從調(diào)峰、調(diào)頻、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量4個(gè)層面分析了儲(chǔ)能的作用。立足山東電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)能力有限、調(diào)峰缺口巨大、調(diào)頻資源相對(duì)充足的客觀實(shí)際，從提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和延緩輸變電設(shè)備升級(jí)投資等角度，分析了“十四五”期間山東電力系統(tǒng)儲(chǔ)能需求空間，并提出了優(yōu)先發(fā)展抽水蓄能電站、鼓勵(lì)風(fēng)光電源側(cè)配儲(chǔ)能、探索推進(jìn)電網(wǎng)側(cè)配儲(chǔ)能等發(fā)展建議。