和萍，宮智杰，靳浩然，董杰，云磊

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鄭州市 450002)

0 引 言

2010年以來(lái)，我國(guó)可再生能源發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)，截至到2021年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約為23.8億kW，同比增長(zhǎng)7.9%。其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.3億kW，同比增長(zhǎng)16.6%；太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約3.1億kW，同比增長(zhǎng)20.9%。在發(fā)電量方面，風(fēng)電發(fā)電量為6 556億kW·h，占全部發(fā)電量的7.83%；光伏發(fā)電量為3 270億kW·h，占全部發(fā)電量的3.9%；兩者累計(jì)發(fā)電量占全部發(fā)電量的占比已突破10%，達(dá)到11.73%[1]。我國(guó)為力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的“雙碳”目標(biāo)，勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步增加可再生能源發(fā)電占比。我國(guó)提出將要在2030年前實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電合計(jì)容量超過(guò)1 200 GW的建設(shè)目標(biāo)?！半p碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)意味著在未來(lái)20～30年的時(shí)間內(nèi)，我國(guó)電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)將發(fā)生巨變，可再生能源的利用也必須實(shí)現(xiàn)大跨度的發(fā)展。同樣，為適應(yīng)電源結(jié)構(gòu)的改變，其他電源、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)、負(fù)荷也將隨之做出相應(yīng)的改變與調(diào)整。

電能不同于其他形式的能源，目前依然不能大量?jī)?chǔ)存。電網(wǎng)電能的使用要求供需平衡，即電廠(chǎng)的發(fā)電量與用戶(hù)的用電量要在短時(shí)間內(nèi)保持平衡。當(dāng)供需平衡被打破時(shí)，將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響，發(fā)生頻率崩潰現(xiàn)象。這就需要相應(yīng)的手段來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)峰，保持電力供需平衡。電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題是伴隨著電力系統(tǒng)一同出現(xiàn)的，且會(huì)長(zhǎng)期存在。在我國(guó)以煤電為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，面對(duì)調(diào)峰問(wèn)題所采取的方式一般為通過(guò)控制鍋爐進(jìn)煤量，從而控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)矩與火力發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩保持相同，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在合適的范圍內(nèi)。另外，也會(huì)通過(guò)峰谷電價(jià)對(duì)用戶(hù)用電和蓄水電站等調(diào)峰設(shè)施建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)，滿(mǎn)足調(diào)峰需求。

風(fēng)力、光伏等非水力可再生能源發(fā)電與負(fù)荷之間在時(shí)空分布特性上差別較大。隨著可再生能源裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，火電機(jī)組的逐步退出，以控制火力發(fā)電出力的傳統(tǒng)調(diào)峰方式將難以滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)峰需求。

造成供需不平衡的原因有很多，主要分為時(shí)間上不平衡和空間上不平衡兩種[2]：

1)可再生能源出力的隨機(jī)性、調(diào)峰資源的容量與功率限制以及負(fù)荷曲線(xiàn)的變化三者之間的矛盾，是造成高比例可再生能源電力系統(tǒng)在多個(gè)時(shí)間尺度上電力、電量不平衡的主要原因。平衡三者之間的關(guān)系，提高系統(tǒng)整體的靈活性，使出力曲線(xiàn)與負(fù)荷曲線(xiàn)能夠更好地?cái)M合，是解決這類(lèi)問(wèn)題的根本途徑。這就要求可再生能源出力在各類(lèi)調(diào)峰資源的調(diào)控下變得平穩(wěn)可調(diào)節(jié)的同時(shí)，負(fù)荷曲線(xiàn)也盡可能地減小峰谷差與變化率，減小電源與調(diào)峰資源的調(diào)峰壓力。實(shí)現(xiàn)以上變化，需要國(guó)家政策、技術(shù)發(fā)展、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性改造以及市場(chǎng)環(huán)境多方面共同支持。

2)可再生能源機(jī)組為盡可能提高發(fā)電量，其選址往往與調(diào)峰資源和負(fù)荷中心相距較遠(yuǎn)。再加上高電壓輸電線(xiàn)路較少、輸電量限制等因素造成高比例可再生能源電力系統(tǒng)電力、電量在空間上不平衡。因此，需要建設(shè)更多的輸電線(xiàn)路，使得電源、調(diào)峰資源、負(fù)荷之間的聯(lián)系更加緊密，采取更加有利、經(jīng)濟(jì)的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)電力、電量空間平衡。

為緩解高比例可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，文獻(xiàn)[3]論述了依靠?jī)?chǔ)能來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)的峰谷差以實(shí)現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)電力系統(tǒng)的調(diào)峰。文獻(xiàn)[4]論述了依靠火電廠(chǎng)的靈活性改造來(lái)滿(mǎn)足電力系統(tǒng)調(diào)峰。文獻(xiàn)[5]研究了核電在保證自身安全運(yùn)行的前提下，通過(guò)提高其靈活性參與高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰的方法。文獻(xiàn)[6]論述了需求響應(yīng)參與高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰的重要性，并提供了響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性調(diào)度策略。但依靠單一的調(diào)峰手段無(wú)法滿(mǎn)足高比例可再生能源的調(diào)峰需求。本文將針對(duì)解決未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰這一問(wèn)題的相關(guān)手段進(jìn)行綜述性分析與展望。

1 高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰挑戰(zhàn)

1.1 電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題

電力系統(tǒng)調(diào)峰要求電力供需保持動(dòng)態(tài)平衡，調(diào)峰性能差將導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)、電壓波動(dòng)等一系列問(wèn)題，這就要求發(fā)電機(jī)輸出功率能有足夠的上下限余量，滿(mǎn)足負(fù)荷增減變化的需求。另外，為了滿(mǎn)足機(jī)組出力曲線(xiàn)和負(fù)載曲線(xiàn)高的擬合性，就要求機(jī)組有一定的爬坡能力，即能夠跟隨負(fù)荷曲線(xiàn)快速變化出力的能力。各行各業(yè)電力需求將隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高而提高。負(fù)荷的有功功率是隨時(shí)間不斷變化的。每天、每周、每季度的負(fù)荷都存在高峰和低谷，夜間的用電量要小于白天、傍晚的用電量，節(jié)假日用電量要小于工作日用電量，春秋季用電量要小于夏季冬季等。

1.2 可再生能源發(fā)電特性

從可再生能源發(fā)電的時(shí)間分布來(lái)看，文獻(xiàn)[7]分析了某省份風(fēng)電的接入對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰的影響，全年風(fēng)電正調(diào)峰概率為25.3%，反調(diào)峰概率為74.7%。文獻(xiàn)[8]分析得出夜間是風(fēng)電反調(diào)峰的災(zāi)區(qū)，夜間是風(fēng)電高發(fā)、負(fù)荷低谷時(shí)期。光伏發(fā)電也面臨同樣的問(wèn)題，日負(fù)荷的高峰期是在18：00—21:00，此時(shí)光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)平衡貢獻(xiàn)幾乎為零。

從可再生能源發(fā)電的空間分布來(lái)看，文獻(xiàn)[9]從風(fēng)速和風(fēng)功率密度方面，對(duì)風(fēng)力資源進(jìn)行了分析。我國(guó)東北三省到新疆地區(qū)、沿海及其島嶼地區(qū)、臺(tái)灣海峽地區(qū)風(fēng)能資源豐富穩(wěn)定，利于開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)[10]從空氣冷熱的角度，分析了我國(guó)風(fēng)能資源質(zhì)量，由北到南風(fēng)能資源逐漸降低。

經(jīng)文獻(xiàn)[11]分析與估算，我國(guó)陸地表面所接受太陽(yáng)輻射能每年約相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤4.9萬(wàn)億t，達(dá)到了1.47×108億kW·h。但分布不均，太陽(yáng)能的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°一帶，太陽(yáng)年輻射總量西部地區(qū)高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆2個(gè)自治區(qū)外，基本上是南部低于北部。

我國(guó)風(fēng)電光伏裝機(jī)容量前五的省份，其累計(jì)裝機(jī)容量如表1所示，其中內(nèi)蒙古、新疆為非能耗大省份，但可再生能源豐富，裝機(jī)容量大，電力外送意愿強(qiáng)烈。

表1 我國(guó)風(fēng)電光伏累計(jì)裝機(jī)容量省份排名(前五)Table 1 Ranking of provinces with cumulative installed capacity of photovoltaic and wind power in China (top five)

1.3 未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，目前我國(guó)個(gè)別省份風(fēng)電光伏裝機(jī)占比已接近或超過(guò)本省總裝機(jī)容量的50%(青海省61.5%，河北省49.4%，甘肅省46.6%)。由于省內(nèi)消費(fèi)水平以及調(diào)峰資源數(shù)量有限，導(dǎo)致部分風(fēng)電光伏機(jī)組未能并網(wǎng)運(yùn)行，而并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組則產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，甘肅省棄風(fēng)、棄光率一度超過(guò)30%和20%。未來(lái)可再生能源并網(wǎng)比例不斷增高，在電力系統(tǒng)調(diào)峰資源配置不合理的情況下，將會(huì)出現(xiàn)以下主要問(wèn)題：

1)風(fēng)電光伏同處出力低谷時(shí)造成高比例可再生能源電力系統(tǒng)暫時(shí)性電力短缺：風(fēng)電光伏等可再生能源因其出力間歇性問(wèn)題會(huì)造成大量的電力過(guò)?；蛘呔o缺，過(guò)量安裝風(fēng)電光伏機(jī)組雖可解決此類(lèi)部分問(wèn)題，但會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

2)風(fēng)、光等可再生能源距調(diào)峰資源、負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，調(diào)峰資源難以調(diào)用：未來(lái)風(fēng)電光伏機(jī)組或成為電力系統(tǒng)主要出力機(jī)組，風(fēng)光資源與調(diào)峰資源、經(jīng)濟(jì)負(fù)荷中心空間上的不重合會(huì)造成電網(wǎng)的頻繁調(diào)度，增加聯(lián)絡(luò)線(xiàn)負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

3)高比例可再生能源出力受氣候影響波動(dòng)巨大，挑戰(zhàn)電網(wǎng)安全運(yùn)行：面對(duì)負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題，單純依靠風(fēng)電光伏電源難以解決，且風(fēng)電光伏出力也伴隨著劇烈波動(dòng)?，F(xiàn)有調(diào)峰機(jī)組跟隨性差、爬坡速率低以及反應(yīng)速度慢，各項(xiàng)指標(biāo)均難以滿(mǎn)足負(fù)荷快速變化的需求。

為解決以上難題，大量研究者提出了包括儲(chǔ)能調(diào)峰、電源互補(bǔ)調(diào)峰、需求響應(yīng)調(diào)峰等多種手段，但都有其局限性。以抽水蓄能為代表的部分手段，技術(shù)成熟、成本低，但受到環(huán)境資源的約束，難以大規(guī)模開(kāi)發(fā)；以火電靈活性改造為代表的部分手段，技術(shù)難度適中，但運(yùn)行成本高，有較高的安全性要求；以氫儲(chǔ)能為代表的部分手段，有較好的未來(lái)前景，但目前技術(shù)可靠性與經(jīng)濟(jì)性都較差，還需大量研究、摸索建設(shè)示范工程。調(diào)峰手段的發(fā)展應(yīng)用要考慮眾多因素，如圖1所示。各類(lèi)調(diào)峰手段在滿(mǎn)足可靠性的前提下，不斷提高其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，得到市場(chǎng)認(rèn)可并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，是未來(lái)高比例可再生能源調(diào)峰方面需考慮發(fā)展的關(guān)鍵。

圖1 調(diào)峰方式發(fā)展考慮因素及其權(quán)重Fig.1 Development considerations and weight of peak-shaving means

2 調(diào)峰手段現(xiàn)狀與研究方向

2.1 儲(chǔ)能調(diào)峰發(fā)展現(xiàn)狀

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)峰的方式是當(dāng)發(fā)電量高于負(fù)荷用電量時(shí)儲(chǔ)存電能，在負(fù)荷用電量高于發(fā)電量時(shí)釋放電能，以達(dá)到在時(shí)序上供需平衡、削峰填谷的目的[12]。不同的儲(chǔ)能手段有著不同的成本與特性，本節(jié)將從多種類(lèi)型儲(chǔ)能的配備、特點(diǎn)、成本、發(fā)展趨勢(shì)等多方面進(jìn)行總結(jié)分析。

2.1.1 化學(xué)電池

為解決電力系統(tǒng)調(diào)峰等功率相關(guān)問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]重點(diǎn)分析了可再生能源發(fā)電中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建方案，包括配置方式、電池系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和系統(tǒng)集成。根據(jù)國(guó)家要求，當(dāng)前建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站需配備其裝機(jī)容量20%的儲(chǔ)能，部分省市要求其配備容量甚至達(dá)到50%。文獻(xiàn)[14]總結(jié)了電力系統(tǒng)調(diào)峰所利用的儲(chǔ)能電池種類(lèi)，包括鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等。

在集中式發(fā)電場(chǎng)景下，文獻(xiàn)[15]結(jié)合電力市場(chǎng)峰谷電價(jià)相關(guān)政策，利用儲(chǔ)能電池改變可再生能源發(fā)電的時(shí)序特性，使配備化學(xué)電池儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)能夠一定程度參與本地的電力調(diào)度，以提高其并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。在分布式發(fā)電場(chǎng)景下，文獻(xiàn)[16]在提高分布式發(fā)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的同時(shí)，解決其因體量小導(dǎo)致的電壓和頻率穩(wěn)定性差、諧波多、電能質(zhì)量差等諸多問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]利用儲(chǔ)能較快的電能吞吐速度，抑制微網(wǎng)運(yùn)行受到各種干擾導(dǎo)致功率不平衡所引起的電力系統(tǒng)震蕩，在孤島運(yùn)行時(shí)保證分布式發(fā)電輸出頻率。

化學(xué)電池已經(jīng)開(kāi)始參與到電力系統(tǒng)調(diào)峰之中，但目前仍因政策原因，被動(dòng)與風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站捆綁建設(shè)，無(wú)獨(dú)立盈利能力。未來(lái)，隨著調(diào)峰服務(wù)市場(chǎng)、電池階梯利用技術(shù)、電池安全管理技術(shù)逐漸成熟，其將成為高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰主要方式之一。

2.1.2 蓄水電站

在用電低谷與用電高峰時(shí)，蓄水電站電機(jī)的抽放水操作能夠?qū)崿F(xiàn)電能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，可有效滿(mǎn)足系統(tǒng)調(diào)峰需要[18]。文獻(xiàn)[19]總結(jié)抽水蓄能電站響應(yīng)速度為秒至分鐘級(jí)，效率在80%左右，循環(huán)壽命相對(duì)較長(zhǎng)，技術(shù)最為成熟，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)峰。但其建設(shè)條件相對(duì)苛刻，建設(shè)容量受自然環(huán)境影響，選址困難，建設(shè)周期長(zhǎng)，一般從立項(xiàng)選址到投入使用要經(jīng)過(guò)近10年的時(shí)間，無(wú)法滿(mǎn)足可再生能源短時(shí)間快速增長(zhǎng)所帶來(lái)的調(diào)峰需求。

文獻(xiàn)[20]提出了利用海水進(jìn)行抽水蓄能調(diào)峰。由于海水抽水蓄能電站使用的是海水而非淡水，水輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)材料等，都有不同于內(nèi)陸淡水抽水蓄能電站的特殊要求，額外的要求會(huì)增加建設(shè)成本，但是隨著未來(lái)淡水資源匱乏以及環(huán)境保護(hù)力度加大，海水蓄水電站的環(huán)境成本能夠大大降低。

從經(jīng)濟(jì)性看，文獻(xiàn)[21-22] 分析了蓄水電站在峰谷電價(jià)定價(jià)合理且保證足夠的利用小時(shí)數(shù)，才能有優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。蓄水電站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中維護(hù)成本相對(duì)較低，雖然土地價(jià)格、環(huán)保成本等因素會(huì)導(dǎo)致其建設(shè)成本上漲，但隨著可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)、運(yùn)行方式優(yōu)化，其年利用小時(shí)數(shù)將不斷提高，因此未來(lái)蓄水電站儲(chǔ)能相較于其他儲(chǔ)能方式在經(jīng)濟(jì)性方面依然占優(yōu)[23-24]。文獻(xiàn)[25]提出，由于蓄水電站的地理位置與能源中心和負(fù)荷中心相對(duì)較遠(yuǎn)，大量的蓄水電站建設(shè)使用將增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[26]綜合考慮蓄水電站優(yōu)缺點(diǎn)后，認(rèn)為其適合作為優(yōu)先調(diào)峰方式，可作為電力系統(tǒng)調(diào)峰的基底部分。

2.1.3 氫儲(chǔ)能

2022年3月國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》，指出氫能的發(fā)展對(duì)減少二氧化碳等溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

氫能發(fā)展應(yīng)充分發(fā)揮其周期長(zhǎng)、容量大的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，探索“風(fēng)光水電+氫儲(chǔ)能”一體化應(yīng)用新模式。文獻(xiàn)[27]對(duì)氫能在未來(lái)調(diào)峰方面的利用進(jìn)行了預(yù)測(cè)，作為新能源的一種，擁有清潔低碳、較低成本、未來(lái)用途更加廣泛的氫氣是電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題解決方案之一。文獻(xiàn)[28]指出氫儲(chǔ)能調(diào)峰的優(yōu)勢(shì)在于：氫能可以以多種形態(tài)長(zhǎng)期保存，在滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間跨度調(diào)峰需求的同時(shí)，可作為燃料電池或氣負(fù)荷用于其他領(lǐng)域。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨協(xié)鑫氫能戰(zhàn)略發(fā)布會(huì)等相關(guān)論壇數(shù)據(jù)， 2021年我國(guó)氫氣全年產(chǎn)量中有62%來(lái)自煤制氫，19%為天然氣制氫，電解水制氫因生產(chǎn)成本高占比較低，其中零碳排的可再生能源制氫產(chǎn)量更是僅占總額的1%。

文獻(xiàn)[29]對(duì)氫能調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行分析，電力制氫難以大規(guī)模推廣的主要原因是在于其成本相較于化石燃料制氫要高出一倍有余。如何降低可再生能源電力制氫成本，提高制氫收益，是氫儲(chǔ)能調(diào)峰能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

首先在成本方面，文獻(xiàn)[30]分析認(rèn)為電解水制氫主要成本為電力以及制氫設(shè)備電解槽，在采用最低成本的風(fēng)電和最低成本電解槽的情況下，電解水制氫成本與化石燃料制氫基本持平。隨著技術(shù)成熟，預(yù)計(jì)于2035年電解水制氫將具有競(jìng)爭(zhēng)力，2040年其成本將低于化石燃料制氫。在制氫的收益方面，文獻(xiàn)[31]認(rèn)為，隨著我國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制成熟，新能源汽車(chē)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大以及其動(dòng)力來(lái)源由化學(xué)電池向燃料電池轉(zhuǎn)型，制氫行業(yè)利潤(rùn)將不斷提高。

2.1.4 超級(jí)電容

超級(jí)電容器擁有反應(yīng)速度快、生命周期長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)多、造價(jià)高、容量小等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于軌道交通、新能源汽車(chē)、起重機(jī)以及其他工業(yè)領(lǐng)域等在進(jìn)行電磁制動(dòng)時(shí)需要瞬時(shí)儲(chǔ)存大量電能的情形[32]。超級(jí)電容在電力系統(tǒng)調(diào)峰方面，只能作為其他主流調(diào)峰方式的輔助[33]。如當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電發(fā)生快且短暫的功率波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器將快速投入，平抑功率波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電功率進(jìn)一步上升或下降時(shí)，其他主流調(diào)峰方式將在超級(jí)電容反應(yīng)時(shí)間后啟動(dòng)，進(jìn)行調(diào)峰工作[34]。在超級(jí)電容器與其他調(diào)峰方式配合形成的電力系統(tǒng)調(diào)峰集合，將擁有更快的調(diào)峰反應(yīng)速度、更大的儲(chǔ)存容量、更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。目前我國(guó)在超級(jí)電容領(lǐng)域技術(shù)整體仍然落后于國(guó)外。雖然超級(jí)電容在國(guó)內(nèi)交通、國(guó)防、內(nèi)存、醫(yī)療以及新能源電力行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但市場(chǎng)供給仍以國(guó)外進(jìn)口為主。

2.1.5 儲(chǔ)能調(diào)峰方式對(duì)比

將上述化學(xué)電池、蓄水電站、氫儲(chǔ)能、超級(jí)電容四種調(diào)峰方式匯總對(duì)比，如圖2所示。儲(chǔ)能調(diào)峰都擁有單次投資成本大、邊際成本低的特點(diǎn)，都適合應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)光電場(chǎng)群的功率輸出調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)性較差，化學(xué)電池與超級(jí)電容材料成本高、回收成本高，蓄水電站高度依賴(lài)自然資源，氫儲(chǔ)能在于技術(shù)成本高、儲(chǔ)存成本高等。

圖2 多種儲(chǔ)能調(diào)峰方式優(yōu)劣對(duì)比分析圖Fig.2 Comparative analysis of advantages and disadvantages of energy storage peak-shaving methods

2.2 電源的互補(bǔ)性與多樣化

2.2.1 可再生能源發(fā)電的時(shí)序互補(bǔ)性

文獻(xiàn)[35]充分分析了風(fēng)電、光電、水電等可再生能源之間的互補(bǔ)性，使多種新能源打捆出力，有效降低出力波動(dòng)，提高新能源調(diào)峰能力。文獻(xiàn)[36]以江蘇省風(fēng)光出力為例進(jìn)行分析，從其隨機(jī)選取的24 h出力可以看出，在總體上風(fēng)電和光伏的出力大部分時(shí)間呈現(xiàn)相反特性，風(fēng)電出力在8—12時(shí)最低，不足5 MW；光伏出力在用電晚高峰18—22時(shí)幾乎為零。不同地區(qū)風(fēng)力光伏資源差距很大，在選址時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光歷史數(shù)據(jù)以及經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況等[37-38]。

2.2.2 水電調(diào)峰

文獻(xiàn)[39]將水電調(diào)峰與蓄水調(diào)峰比較后認(rèn)為兩者在調(diào)峰方式上相似，技術(shù)成熟，但水電一般不具備負(fù)載特性，在不考慮棄水的情況下最低出力為零。水電優(yōu)勢(shì)也與蓄水電站相同，啟停速度快，調(diào)節(jié)幅度與速率較高，這些特性是傳統(tǒng)火電無(wú)法比擬的。水電劣勢(shì)在于其發(fā)電受到一次能源限制，在枯水期發(fā)電量將會(huì)大幅降低，此時(shí)水電機(jī)組在無(wú)法滿(mǎn)發(fā)的情況下會(huì)更多地承擔(dān)電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)峰任務(wù)。

文獻(xiàn)[40]認(rèn)為在受到經(jīng)濟(jì)成本的限制下，水電站在豐水期更偏向于避免棄水造成損失，機(jī)組會(huì)最大可能達(dá)到滿(mǎn)發(fā)，在電網(wǎng)運(yùn)行中承擔(dān)基本負(fù)荷的作用，以獲得最大收益。水電調(diào)峰不存在明顯的成本，沒(méi)有給予相應(yīng)的補(bǔ)償，故在豐水期參與調(diào)峰意愿較低。文獻(xiàn)[41]從可再生能源裝機(jī)比例較高的西北電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)踐分析中得出，在豐水期水電機(jī)組更傾向于滿(mǎn)發(fā)獲取最大效益，如果需要水電參與調(diào)峰，應(yīng)支付因調(diào)峰所帶來(lái)的相應(yīng)損失。

2.2.3 核電調(diào)峰

根據(jù)中國(guó)電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，2050年我國(guó)核電裝機(jī)容量占比將在10%以上。文獻(xiàn)[42]匯總了我國(guó)在運(yùn)行及規(guī)劃核電廠(chǎng)的分布情況：核電多分布在東部沿海地區(qū)，集中在福建、廣東、浙江、山東等省份。

文獻(xiàn)[43]以福建省為例分析核電參與調(diào)峰的必要性，預(yù)計(jì)到2025年，核電發(fā)電量將占全省總發(fā)電量比重將超過(guò)40%；受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)約束，核電參與系統(tǒng)調(diào)峰是很有必要的。文獻(xiàn)[44]從當(dāng)前我國(guó)核電機(jī)型代數(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，我國(guó)核電機(jī)組分布較為集中，核電的調(diào)峰能力與多因素影響的運(yùn)行模式相關(guān)。文獻(xiàn)[45-46]認(rèn)為，為保證核電的經(jīng)濟(jì)性與安全性等方面，我國(guó)核電機(jī)組均應(yīng)作為基本負(fù)荷運(yùn)行在滿(mǎn)功率狀態(tài)；為滿(mǎn)足核電的調(diào)峰需求，核電一般與蓄水電站、化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)峰方式聯(lián)合運(yùn)行。

文獻(xiàn)[46]主要分析壓水堆核電機(jī)組調(diào)峰的可行性，并介紹了不同機(jī)組參與調(diào)峰的多種運(yùn)行模式。首先是核電的負(fù)荷跟蹤能力，目前核電運(yùn)行模式分為MODE A、MODE G、M-SHIM和MODE T，最低出力在50%滿(mǎn)功率(full power， FP)到15%FP。其中MODE A和MODE G不適合單獨(dú)參與調(diào)峰，M-SHIM和MODE T有一定的單獨(dú)調(diào)峰能力。文獻(xiàn)[47]分析了目前我國(guó)擬建、新建的核電廠(chǎng)廣泛采用新一代的核電機(jī)組AP1000或更新的核電機(jī)組。這些壓水堆核電機(jī)組參與電力系統(tǒng)調(diào)峰已經(jīng)有50年的歷史，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。在擁有高調(diào)峰深度的同時(shí)，也擁有0.25%～5% FP/min的調(diào)峰速率，可以適當(dāng)滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)峰需求。

但核電調(diào)峰會(huì)對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性造成影響。在經(jīng)濟(jì)性方面，核電廠(chǎng)建造成本較高，建設(shè)周期長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，但其燃料成本較低，適合建成后作為基本負(fù)荷滿(mǎn)功率運(yùn)行；在安全性方面，核電廠(chǎng)頻繁地調(diào)整輸出功率就需要頻繁地將控制棒插入提出，這樣頻繁的操作不僅會(huì)加快整套控制硬件的磨損，也會(huì)增加機(jī)組操作人員失誤的可能性。文獻(xiàn)[48]從核電普遍存在的檢修環(huán)節(jié)入手分析其對(duì)調(diào)峰的利用價(jià)值，合理安排檢修時(shí)間，以達(dá)到在較長(zhǎng)的時(shí)間跨度上響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)峰。

2.2.4 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰

文獻(xiàn)[49]比較了燃?xì)廨啓C(jī)相比傳統(tǒng)燃煤火電機(jī)組調(diào)峰的優(yōu)缺點(diǎn)：燃?xì)廨啓C(jī)所用燃料為天然氣，成本相對(duì)較高，廢氣依然為二氧化碳，但其占地面積小，安裝簡(jiǎn)便，節(jié)省水資源。因其運(yùn)行成本較高，不適合作為發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，但燃?xì)廨啓C(jī)啟停迅速、成本低，適合參與啟停調(diào)峰。

文獻(xiàn)[50]從服務(wù)于調(diào)峰的角度來(lái)看，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組調(diào)峰性能最好的方式為單循環(huán)運(yùn)行方式。單循環(huán)一般僅需15～20 min即可滿(mǎn)額運(yùn)行。通用E級(jí)燃機(jī)PG9171E在接收到啟動(dòng)指令16 min后帶滿(mǎn)額定負(fù)荷。運(yùn)行區(qū)間大致在額定功率的40%～100%，功率調(diào)整速率在40 MW/min左右，表現(xiàn)優(yōu)秀的機(jī)組可達(dá)到70 MW/min。有煙氣旁路的聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行方式下，依然有較好的調(diào)峰能力，啟動(dòng)受到暖機(jī)影響，冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)分別需要3 h、2 h以及20～50 min。調(diào)節(jié)能力大致在額定功率的30%～100%，功率調(diào)整速率在50 MW/min左右，表現(xiàn)優(yōu)秀的機(jī)組可達(dá)到120 MW/min。兩種運(yùn)行方式停機(jī)均需15～30 min。

2.2.5 火電廠(chǎng)深度調(diào)峰改造

火電機(jī)組目前依然是我國(guó)電力的主要來(lái)源。在其調(diào)峰方面，技術(shù)相對(duì)成熟，且其擁有容量大、穩(wěn)定性好、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，如今依然是重要的調(diào)峰手段[51]。但隨著可再生能源的不斷投入，以及火電機(jī)組的逐步退出，火電調(diào)峰的權(quán)重將持續(xù)降低。

根據(jù)2050年電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，火電裝機(jī)容量將降至40%以下，所存在的火電機(jī)組大致分為兩種：供熱機(jī)組與調(diào)峰機(jī)組。只用來(lái)發(fā)電的火電機(jī)組作用單一，在電力市場(chǎng)與碳交易市場(chǎng)不斷成熟、調(diào)峰資源市場(chǎng)不斷擴(kuò)大以及環(huán)境政策等影響下將難以運(yùn)作[52]。

文獻(xiàn)[53]認(rèn)為更低的調(diào)峰深度、更快的調(diào)峰速率、更快的啟停速度以及對(duì)整個(gè)過(guò)程的成本控制是未來(lái)火電廠(chǎng)所追求的目標(biāo)，這就需要對(duì)火電鍋爐靈活性和控制方法進(jìn)行改造，以求在低功率、不投油情況下依然保持穩(wěn)燃；對(duì)承擔(dān)供熱任務(wù)的冷凝機(jī)組改造，是否能實(shí)現(xiàn)電熱解耦與低成本產(chǎn)熱蓄熱是其參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的關(guān)鍵。改造一般從低負(fù)荷燃燒與排放控制技術(shù)進(jìn)行，有以下幾種：鍋爐的燃燒優(yōu)化，包括對(duì)燃燒器、尾部煙道和磨煤機(jī)等輔助設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)燃改造和采用燃料混燃技術(shù)等; 系統(tǒng)加裝前置汽輪機(jī)來(lái)提高效率，廠(chǎng)用電錯(cuò)峰轉(zhuǎn)移配合調(diào)整汽輪機(jī)出力大小; 通過(guò)系統(tǒng)旁路改造和控制煙氣溫度，降低最小負(fù)荷出力，拓寬出力區(qū)間; 尾部煙道凈化處理和相關(guān)污染物脫除技術(shù)等。從變工況調(diào)峰運(yùn)行的角度來(lái)考慮，國(guó)內(nèi)大多數(shù)火電機(jī)組使用低負(fù)荷運(yùn)行方式，并且隨著負(fù)荷的降低，采用定壓—滑壓—定壓的運(yùn)行方式; 實(shí)際運(yùn)行時(shí)還必須提高運(yùn)行人員管理工況頻繁變化機(jī)組的操作水平等。文獻(xiàn)[54]總結(jié)熱電廠(chǎng)電熱解耦改造主要包括以下四種：低壓缸靈活切除、配置儲(chǔ)熱設(shè)備、配置電鍋爐以及利用旁路供熱。

2.2.6 電源調(diào)峰方式對(duì)比

將風(fēng)光互補(bǔ)調(diào)節(jié)、水電蓄水棄水調(diào)節(jié)、核電功率調(diào)節(jié)與檢修、火電靈活性改造與燃?xì)廨啓C(jī)功率調(diào)節(jié)五種調(diào)峰方式匯總對(duì)比，如圖3所示。

圖3 多種電源互補(bǔ)調(diào)峰方式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析Fig.3 Comparative analysis of advantages and disadvantages of complementary peak-shaving methods of power supply

綜合以上分析，現(xiàn)階段的調(diào)峰方式仍以火電為主，在火電大規(guī)模退出之前，加快火電靈活性改造與電熱解耦技術(shù)的實(shí)施是改善電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題的主要手段。能夠高效利用抽水蓄能、水電、風(fēng)電光伏配備化學(xué)儲(chǔ)能，以及積極發(fā)展電力市場(chǎng)，建設(shè)高靈活性的電力傳輸線(xiàn)路與利用高經(jīng)濟(jì)性的調(diào)度策略去最大化利用各類(lèi)調(diào)峰資源則是作為重要補(bǔ)充，各項(xiàng)主流調(diào)峰手段在現(xiàn)階段的大致權(quán)重情況如圖4所示。

圖4 當(dāng)前主要調(diào)峰方式及其權(quán)重Fig.4 Current main peak-shaving methods and their weights

2.3 需求側(cè)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰

2.3.1 需求響應(yīng)建設(shè)

電力需求響應(yīng)，就是通過(guò)電網(wǎng)給出的電力相關(guān)的經(jīng)濟(jì)信號(hào)來(lái)調(diào)控電力用戶(hù)的負(fù)荷，從而使得負(fù)荷曲線(xiàn)更加貼合發(fā)電曲線(xiàn)，來(lái)保證電力系統(tǒng)的整體供需平衡[55]。它與傳統(tǒng)按計(jì)劃用電是完全不同的，更傾向于市場(chǎng)的形式，或通過(guò)電價(jià)調(diào)控，或通過(guò)合同方式臨時(shí)性改變電力用戶(hù)原有的用電方式，來(lái)達(dá)到在負(fù)荷側(cè)削峰填谷的目的。目前我國(guó)居民用電執(zhí)行階梯電價(jià)，部分地區(qū)自愿實(shí)行峰谷電價(jià)，高電壓、大容量用戶(hù)實(shí)行兩部制電價(jià)，對(duì)工業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷參與調(diào)峰推廣力度不夠，用戶(hù)群體區(qū)分不夠明確。未來(lái)電網(wǎng)方面應(yīng)積極分析各地區(qū)，甚至各戶(hù)用電習(xí)慣，積極推動(dòng)負(fù)荷參與電力系統(tǒng)調(diào)峰。

在工業(yè)電力負(fù)荷調(diào)控方面，文獻(xiàn)[56]通過(guò)設(shè)置時(shí)段電價(jià)來(lái)影響負(fù)荷曲線(xiàn)，這種方式的重點(diǎn)在于找到電價(jià)對(duì)負(fù)荷曲線(xiàn)的影響，以及負(fù)荷對(duì)電價(jià)響應(yīng)的極限點(diǎn)。文獻(xiàn)[57]舉例了電網(wǎng)公司與電力負(fù)荷用戶(hù)簽訂的部分調(diào)峰合同，合同內(nèi)容包括電網(wǎng)有調(diào)峰需求時(shí)應(yīng)削減的負(fù)荷量、履行合同時(shí)的補(bǔ)償方法和拒絕或延遲履行合同時(shí)的懲罰機(jī)制等。文獻(xiàn)[58]分析了多工業(yè)用戶(hù)個(gè)體集合而成的工業(yè)園區(qū)(industrial parks，IPs)在能源利用、生產(chǎn)資料互補(bǔ)、交通便利等多方面的優(yōu)勢(shì)。IPs在電力系統(tǒng)調(diào)峰方面擁有巨大潛力，應(yīng)以電力市場(chǎng)為指導(dǎo)，與電網(wǎng)公司簽訂調(diào)峰合同，培養(yǎng)滿(mǎn)足調(diào)峰需求的彈性負(fù)荷，進(jìn)而形成具有調(diào)峰價(jià)值的工業(yè)集群，在降低電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力的同時(shí)，降低工業(yè)生產(chǎn)的電力成本。文獻(xiàn)[59]認(rèn)為還需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)展相應(yīng)的計(jì)量設(shè)備和在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，以提高IPs在電力系統(tǒng)調(diào)峰中的實(shí)時(shí)反饋能力和自動(dòng)化程度。

在民用負(fù)荷方面，文獻(xiàn)[60]調(diào)查了居民智能電表后認(rèn)為，在居民用電所占比值不斷提高和通信技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智能電表有了一定的普及率，這就使得民用生活負(fù)荷參與電力系統(tǒng)調(diào)峰成為可能。同時(shí)在分析時(shí)要兼顧居民用電的舒適度，文獻(xiàn)[61]從多角度考慮民用負(fù)荷的用電策略，達(dá)到降低居民用電成本的同時(shí)，優(yōu)化負(fù)荷曲線(xiàn)。民用負(fù)荷可大致分為如晚間照明的剛性負(fù)荷、在一定時(shí)間內(nèi)可轉(zhuǎn)移如電動(dòng)汽車(chē)充電的彈性負(fù)荷以及沒(méi)有必要滿(mǎn)功率運(yùn)行或開(kāi)啟的可削減負(fù)荷等[62]。

以上是對(duì)民用負(fù)荷整體的把握，另一方面針對(duì)個(gè)體用戶(hù)，文獻(xiàn)[63]通過(guò)智能電表采集用戶(hù)數(shù)據(jù)，了解用戶(hù)們的用電習(xí)慣，刻畫(huà)用戶(hù)畫(huà)像，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)分析，挖掘可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力。文獻(xiàn)[64]指出在未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)占有率不斷提高的情況下，短時(shí)間內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷過(guò)大，造成線(xiàn)損嚴(yán)重、電壓下降、調(diào)峰壓力加大以及變壓器容量不足等情況，民用負(fù)荷利用市場(chǎng)機(jī)制與通信技術(shù)參與調(diào)峰將成為重要一環(huán)[65-66]。

2.3.2 發(fā)展電力市場(chǎng)和輔助調(diào)峰服務(wù)市場(chǎng)

市場(chǎng)在資源配置中起決定性作用。電力市場(chǎng)作用在于利用電價(jià)合理調(diào)配調(diào)峰資源，滿(mǎn)足可再生能源上網(wǎng)需求。

文獻(xiàn)[67]通過(guò)制定一套可再生能源電力上網(wǎng)辦法保證其得到最大程度的上網(wǎng)利用，其中就包括政治上的規(guī)劃扶持、金融上的貸款服務(wù)傾斜、財(cái)政上的優(yōu)惠政策以及環(huán)境上的綠色相關(guān)補(bǔ)貼和最重要的價(jià)格機(jī)制方面等，最終目的是體現(xiàn)在價(jià)格上，使之與其他形式發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。以上多種辦法在電力市場(chǎng)應(yīng)用方面以?xún)r(jià)格機(jī)制為主，價(jià)格機(jī)制主要包括固定上網(wǎng)電價(jià)、溢價(jià)機(jī)制、招標(biāo)電價(jià)、可再生能源配額制及綠色證書(shū)、差價(jià)合約以及針對(duì)分布式發(fā)電的凈電量結(jié)算等[68]。

另一方面是輔助服務(wù)市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)各省網(wǎng)輔助服務(wù)市場(chǎng)形式不盡相同[69]，但一般都是首先由調(diào)峰服務(wù)方報(bào)價(jià)，電網(wǎng)公司根據(jù)報(bào)價(jià)由低到高依次調(diào)用調(diào)峰資源，調(diào)用調(diào)峰等服務(wù)資源所產(chǎn)生的成本最終由服務(wù)的發(fā)電、用戶(hù)等需求方進(jìn)行平均分?jǐn)俒70]。為了使得輔助服務(wù)市場(chǎng)更加高效、公平，應(yīng)該給予交易主體即調(diào)峰等輔助服務(wù)的需求方更多的選擇權(quán)，雙方進(jìn)行多買(mǎi)多賣(mài)的市場(chǎng)交易，而不是只能單純對(duì)輔助服務(wù)所產(chǎn)生的費(fèi)用進(jìn)行分?jǐn)?。另外也可使用配額制，將調(diào)峰指標(biāo)分配給需要承擔(dān)調(diào)峰責(zé)任的發(fā)電企業(yè)與用戶(hù)，當(dāng)電網(wǎng)處于低谷或高峰時(shí)段有調(diào)峰需求時(shí)，有調(diào)峰責(zé)任的主體應(yīng)按指標(biāo)完成調(diào)峰任務(wù)，當(dāng)某些責(zé)任主體沒(méi)有調(diào)峰意愿時(shí)，可向有調(diào)峰余力的主體根據(jù)市場(chǎng)即時(shí)的服務(wù)報(bào)價(jià)購(gòu)買(mǎi)指標(biāo)，完成自身所分配的調(diào)峰任務(wù)差額。低谷時(shí)承擔(dān)較多的主體為發(fā)電企業(yè)，高峰時(shí)承擔(dān)較多的為用戶(hù)負(fù)載。

電力市場(chǎng)與輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展離不開(kāi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。文獻(xiàn)[71]總結(jié)了相關(guān)技術(shù)，其中包括：出力與負(fù)荷精確預(yù)測(cè)、電網(wǎng)智能化建設(shè)、傳輸能力強(qiáng)化、相關(guān)資源精細(xì)化整合與分類(lèi)等。

2.3.3 增強(qiáng)電力傳輸能力

增強(qiáng)電力傳輸能力，提高電網(wǎng)調(diào)度靈活性是緩解高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力的重要手段之一[72]?？稍偕茉礄C(jī)組、主要調(diào)峰資源以及主要負(fù)荷中心之間在空間上相距較遠(yuǎn)，因高電壓輸電線(xiàn)路較少、輸電量限制等因素導(dǎo)致功率調(diào)節(jié)效率低，調(diào)峰資源利用率低，高比例可再生能源電力系統(tǒng)電力、電量在空間上不平衡。

根據(jù)國(guó)家能源局報(bào)告，2020年，22條特高壓線(xiàn)路年輸送電量為5 318億kW·h，其中可再生能源電量為2 441億kW·h，同比提高3.8%，可再生能源電量占全部輸送電量的45.9%。國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的18條特高壓線(xiàn)路輸送電量為4 559億kW·h，其中可再生能源電量1 682億kW·h，占輸送電量的37%；南方電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的4條特高壓線(xiàn)路輸送電量759億kW·h，全部為可再生能源電量，大大緩解可再生能源的消納問(wèn)題。

以青豫直流為例，截至2021年6月，青海省累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)853萬(wàn)kW，占其總裝機(jī)比重的21.3%，累計(jì)光伏發(fā)電1 591萬(wàn)kW，比重更高達(dá)39.6%，所生產(chǎn)電力已超過(guò)本省消納水平。在此種情況下省內(nèi)調(diào)峰資源難以滿(mǎn)足青海省高比例可再生能源并網(wǎng)后的調(diào)峰需求。

河南等其他華中地區(qū)擁有極低的棄風(fēng)棄光率，河南無(wú)棄光現(xiàn)象，棄風(fēng)率也僅為0.8%，湖北、湖南、江西等其他省市情況也大致相同。從以上數(shù)據(jù)可以看出，河南等華中地區(qū)尚且擁有充足的消納可再生能源的調(diào)峰能力。

2020年底從青海到河南的±800 kV特高壓直流工程青豫直流完工投運(yùn)，截至2021年4月底，青豫直流工程所輸送的電能已超過(guò)百億kW·h，之后每年可向河南輸送清潔電能400億kW·h。所輸送的電力以河南消納為主，兼顧華中其他地區(qū)購(gòu)電需求，湖北、湖南、江西三省已通過(guò)青豫直流購(gòu)買(mǎi)綠電。同時(shí)，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，支撐青海更多的清潔能源可靠外送，特高壓青南換流站針對(duì)直流系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式，制定專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)維保障方案，根據(jù)河南側(cè)電量需求情況，實(shí)時(shí)調(diào)整輸送功率，單日調(diào)整功率6次以上，利用河南等華中地區(qū)省份的調(diào)峰能力滿(mǎn)足青海電網(wǎng)的調(diào)峰需求。

高電壓大功率的電力傳輸線(xiàn)路數(shù)量將會(huì)呈上升趨勢(shì)，多地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，資源共享，在滿(mǎn)足可再生能源調(diào)峰消納需求的同時(shí)，也可大大提高電網(wǎng)的供電可靠性[73]。在建的南陽(yáng)—荊門(mén)—長(zhǎng)沙1 000 kV特高壓交流線(xiàn)路便是為了擴(kuò)大青豫直流綠電的消納調(diào)峰范圍，同時(shí)也可提高互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平。此類(lèi)項(xiàng)目成本相對(duì)較高，其主要原因在于換流站成本較高，但直流線(xiàn)路線(xiàn)損較低，不存在同步穩(wěn)定問(wèn)題，在遠(yuǎn)距離大容量輸電方面具有經(jīng)濟(jì)性。

另外，高電壓大功率的電力傳輸線(xiàn)路項(xiàng)目投資較大，其經(jīng)濟(jì)性還要與各地區(qū)利用小水電、小范圍風(fēng)電、光伏發(fā)電等分布式可再生能源電力的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比[74-75]，各自在其優(yōu)勢(shì)范圍內(nèi)發(fā)展建設(shè)。

2.3.4 需求側(cè)參與調(diào)峰方式對(duì)比

將本節(jié)所提需求響應(yīng)建設(shè)、電力市場(chǎng)與調(diào)峰市場(chǎng)建設(shè)、增強(qiáng)電力傳輸能力三種調(diào)峰方式匯總對(duì)比，如圖5所示。另外，針對(duì)文中所提到的儲(chǔ)能、電源、負(fù)荷三個(gè)方面所包含的多種調(diào)峰方式在響應(yīng)速度、調(diào)峰深度與速率、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行了總結(jié)，數(shù)據(jù)如表2所示。

圖5 多種需求側(cè)調(diào)峰方式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of advantages and disadvantages of demand-side peak-shaving methods

表2 不同類(lèi)型調(diào)峰方式對(duì)比Table 2 Comparison of different peak-shaving technologies

3 發(fā)展前景與研究展望

各類(lèi)調(diào)峰資源的發(fā)展，受到政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、市場(chǎng)等多方面影響，如表3所示。未來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)對(duì)電能的依賴(lài)程度進(jìn)一步提高以及環(huán)保政策收緊，可再生能源并網(wǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，調(diào)峰市場(chǎng)規(guī)模也隨之?dāng)U大。

表3 不同調(diào)峰方式的優(yōu)勢(shì)對(duì)比Table 3 Development advantages of various peak-shaving resources

靈活的電力傳輸與調(diào)度策略能將源、儲(chǔ)、荷三方的調(diào)峰資源完成綜合調(diào)度利用，完善的電力市場(chǎng)機(jī)制保證提供調(diào)峰服務(wù)方獲得合理收益，提高提供調(diào)峰資源各主體的調(diào)峰積極性，如圖6所示。

圖6 高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of peak shaving of power system with high proportion renewable energy

隨著電力市場(chǎng)與碳交易市場(chǎng)不斷完善，購(gòu)電機(jī)制、定價(jià)機(jī)制與調(diào)峰資源調(diào)用持續(xù)優(yōu)化，各類(lèi)調(diào)峰資源積極開(kāi)發(fā)以及其技術(shù)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的不斷提高，對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題做出以下展望：

1)2030年前，電源部分的火電機(jī)組因其固有體量大、短期內(nèi)需承擔(dān)崗位就業(yè)任務(wù)、環(huán)境懲罰成本較低、可改造性強(qiáng)、技術(shù)成熟且得到國(guó)家對(duì)火電靈活性改造的支持，依然要作為電力系統(tǒng)調(diào)峰主力。電網(wǎng)側(cè)建成一批以“青豫直流”為代表的可再生能源輸送通道，打通可再生能源高產(chǎn)地的對(duì)外電能輸送通道，解決現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站發(fā)電棄風(fēng)棄光問(wèn)題。需求響應(yīng)的發(fā)展基于不斷完善的電力市場(chǎng)規(guī)則，此階段首先應(yīng)充分挖掘工業(yè)負(fù)荷中的可中斷負(fù)荷與可調(diào)節(jié)負(fù)荷，作為電力系統(tǒng)調(diào)峰資源的補(bǔ)充，逐步摸索商業(yè)負(fù)荷與民用負(fù)荷的調(diào)峰潛力。蓄水電站持續(xù)建設(shè)，作為電力系統(tǒng)調(diào)峰儲(chǔ)能側(cè)的主要手段?；瘜W(xué)電池、超級(jí)電容、氫儲(chǔ)能因技術(shù)可靠性與經(jīng)濟(jì)性制約暫無(wú)法大面積普及?；瘜W(xué)鋰電池作為未來(lái)看好的儲(chǔ)能方式之一，暫時(shí)用于穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力。

2)到2035年左右，電源部分應(yīng)建設(shè)小規(guī)模燃?xì)廨啓C(jī)用作當(dāng)?shù)仂`活調(diào)峰，保留火電靈活調(diào)峰、冷凝供熱機(jī)組。大批核電項(xiàng)目投入運(yùn)行，摸索核電站在安全運(yùn)行的前提下，參與電力系統(tǒng)調(diào)峰。我國(guó)水電建設(shè)、蓄水電站建設(shè)技術(shù)成熟，規(guī)劃開(kāi)發(fā)合理，在此期間各類(lèi)項(xiàng)目將不斷完成建設(shè)投用，因其調(diào)峰成本低以及電力系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)慣量的需求，此類(lèi)調(diào)峰資源將長(zhǎng)期作為基底運(yùn)行。電網(wǎng)部分對(duì)各省調(diào)峰資源進(jìn)行充分挖掘與調(diào)用，提高可再生能源輸出地對(duì)外輸電線(xiàn)路的變功率幅度與頻率。各地小型可再生能源微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)補(bǔ)充，穩(wěn)定性強(qiáng)可長(zhǎng)期孤島運(yùn)行。需求響應(yīng)建設(shè)方面，隨著電力物聯(lián)網(wǎng)、智能化電網(wǎng)逐步建設(shè)發(fā)展，且民用負(fù)荷中彈性負(fù)荷增加(家用制熱制冷電器、電動(dòng)汽車(chē)等)，形成一定規(guī)模的電力聚合商，參與電力系統(tǒng)調(diào)峰與電力市場(chǎng)報(bào)價(jià)。儲(chǔ)能部分，隨著風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、光伏電站的不斷投入使用，根據(jù)國(guó)家政策要求與之相對(duì)應(yīng)所建設(shè)的小規(guī)模化學(xué)電池將同步參與系統(tǒng)調(diào)峰。對(duì)儲(chǔ)能側(cè)管理模式與控制手段逐漸發(fā)展完全，化學(xué)電池調(diào)峰電站能夠安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并形成較為成熟的化學(xué)電池儲(chǔ)能調(diào)峰產(chǎn)業(yè)鏈。

3)到21世紀(jì)中葉，電源部分的大規(guī)模光伏、風(fēng)電、水力發(fā)電并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一定程度上的可再生能源互補(bǔ)，火電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電保持一定規(guī)模，核電通過(guò)合理安排檢修等手段參與調(diào)峰。電網(wǎng)部分，進(jìn)一步完善我國(guó)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，打破省級(jí)壁壘，實(shí)現(xiàn)可再生能源互聯(lián)互用，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)魯棒性。需求側(cè)部分，工業(yè)、居民負(fù)荷調(diào)峰潛力得以充分挖掘，能識(shí)別各類(lèi)負(fù)荷特征，對(duì)其進(jìn)行精確分類(lèi)，能進(jìn)行較為精確的負(fù)荷與供電預(yù)測(cè)，分析電價(jià)與各類(lèi)負(fù)荷之間的關(guān)系并根據(jù)其制定相應(yīng)收售電價(jià)格，優(yōu)化峰谷差、供電方生產(chǎn)效益與用戶(hù)滿(mǎn)意度。儲(chǔ)能部分，隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電網(wǎng)智能化程度不斷提高，以及我國(guó)針對(duì)電解水制氫與氫氣的“儲(chǔ)-運(yùn)-用”技術(shù)的不斷突破，未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰方式將會(huì)以制氫站、大規(guī)模化學(xué)電池電站為主，蓄水電站、超級(jí)電容為輔。同時(shí)，未來(lái)我國(guó)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將不斷優(yōu)化，智能化水平不斷提高，將逐步實(shí)現(xiàn)多種調(diào)峰資源自動(dòng)高效調(diào)配，如圖7所示。

圖7 未來(lái)主要調(diào)峰方式及其權(quán)重Fig.7 Main peak-shaving means and their weights in the future

4 結(jié) 語(yǔ)

在雙碳目標(biāo)及環(huán)境壓力下，全球能源使用逐漸呈現(xiàn)清潔化、低碳化趨勢(shì)，我國(guó)電力系統(tǒng)可再生能源比例必將不斷提高。但以風(fēng)、光為主要代表的可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定因素多、間歇性強(qiáng)、反調(diào)峰特性明顯，給電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。本文首先分析了風(fēng)電、光伏分布的時(shí)間與空間特性，闡述了調(diào)峰問(wèn)題的原因、程度與難點(diǎn)，尤其是在可再生能源滲透比不斷提高的情況下，多種電源互相協(xié)調(diào)使得調(diào)峰問(wèn)題又會(huì)呈現(xiàn)新特點(diǎn)。面對(duì)更加復(fù)雜嚴(yán)峻的調(diào)峰形勢(shì)，本文總結(jié)分析了目前以及未來(lái)發(fā)展前景較好的多類(lèi)調(diào)峰方式，從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、可持續(xù)性、調(diào)峰性能等多個(gè)角度進(jìn)行闡述與展望。

未來(lái)高比例可再生能源電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題主要包括經(jīng)濟(jì)、技術(shù)兩個(gè)方面，且經(jīng)濟(jì)方面更為突出。化學(xué)儲(chǔ)能裝置的原材料與回收成本問(wèn)題，蓄水電站的選址問(wèn)題，水電、煤電、燃?xì)獍l(fā)電以及需求響應(yīng)參與調(diào)峰的收益問(wèn)題(電力市場(chǎng)、調(diào)峰市場(chǎng)建設(shè)問(wèn)題)是解決調(diào)峰問(wèn)題在經(jīng)濟(jì)方面的關(guān)鍵點(diǎn)。另外，氫能的“制-儲(chǔ)-運(yùn)-用”技術(shù)，電網(wǎng)如何更加合理快速布局建設(shè)解決“源-荷”之間的空間矛盾，全國(guó)已存在的調(diào)峰資源如何統(tǒng)一智能調(diào)用解決“源-荷”之間的時(shí)間矛盾，是解決未來(lái)調(diào)峰問(wèn)題所需的技術(shù)突破點(diǎn)。