張發(fā)祥
(廣東佛山聯(lián)創(chuàng)工程研究生院,廣東 佛山 528000)
活躍的市場(chǎng)需求推動(dòng)了新能源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,尤其是開展新型儲(chǔ)能應(yīng)用的產(chǎn)品和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。在此背景下,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)能否通過新技術(shù)應(yīng)用的突破,打造創(chuàng)新的電網(wǎng)應(yīng)用模式,在快速推進(jìn)布局發(fā)展中應(yīng)該如何穩(wěn)固企業(yè)的生存與盈利,值得我們對(duì)新型電力儲(chǔ)能行業(yè)的深思。
1)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能建設(shè)規(guī)模。截至2021 年底,國(guó)內(nèi)新增投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模首次突破10 GW,達(dá)到10.5 GW,其中,抽水蓄能新增規(guī)模8 GW,同比增長(zhǎng)437%;新型儲(chǔ)能新增規(guī)模首次突破2 GW,達(dá)到2.4 GW,同比增長(zhǎng)54%。新型儲(chǔ)能中,鋰離子電池和壓縮空氣均有百兆瓦級(jí)項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行,特別是后者,在2021 年實(shí)現(xiàn)了跨越式增長(zhǎng),新增投運(yùn)規(guī)模170 MW,接近2020 年底累計(jì)裝機(jī)規(guī)模的15 倍??梢?,在新型儲(chǔ)能中,鋰離子電池在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮腫1]。
2)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能市場(chǎng)走向。“雙碳”是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革,對(duì)于能源行業(yè)既是艱巨的挑戰(zhàn),也是難得的機(jī)遇[2]。在這場(chǎng)變革中能源成為了主戰(zhàn)場(chǎng),電力是主力軍,新能源是關(guān)鍵。2021 年可再生能源占全球新增發(fā)電裝機(jī)容量超過90%。未來,可再生能源裝機(jī)仍會(huì)保持較快的增長(zhǎng)。
3)產(chǎn)業(yè)政策與技術(shù)積累。2022 年7 月,國(guó)家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》,這是繼2017 年《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》出臺(tái)后第二份針對(duì)儲(chǔ)能發(fā)展的“頂層設(shè)計(jì)”,也是“十四五”期間儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)綱領(lǐng)。文件首次明確提出量化的儲(chǔ)能發(fā)展目標(biāo),即到2025年,實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉(zhuǎn)變,到2030 年,實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。2023 年3 月,《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》的出臺(tái)在《指導(dǎo)意見》的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確發(fā)展目標(biāo)和細(xì)化重點(diǎn)任務(wù),提升了規(guī)劃落實(shí)的可操作性。又如,2022 年3 月發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》,指明“兩個(gè)一體化”,即“風(fēng)光儲(chǔ)一體化”、“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”是新能源項(xiàng)目未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。能源促進(jìn)人類的社會(huì)發(fā)展,首先表現(xiàn)為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3]。短期來看,政策是我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力,而系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提升才能打開中長(zhǎng)期規(guī)模化發(fā)展的空間。因而,隨著市場(chǎng)機(jī)制的逐步改善。儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的拐點(diǎn)也在“漸行漸遠(yuǎn)”。從更長(zhǎng)期的發(fā)展前景看,液流電池和鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充[4]。對(duì)于儲(chǔ)能電池,持續(xù)時(shí)長(zhǎng)通常也是重要考量因素。而鋰離子電池要實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能,需面臨產(chǎn)品安全和成本兩大困境。目前液流電池和鈉離子電池仍存在能量密度偏低、生產(chǎn)成本偏高、配套供應(yīng)鏈不完善等問題,仍需技術(shù)環(huán)節(jié)的進(jìn)步及商業(yè)化的探索。
國(guó)務(wù)院多次發(fā)文,鼓勵(lì)支持拓展新型儲(chǔ)能的商業(yè)模式,建立健全適應(yīng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的市場(chǎng)機(jī)制,從而形成多元化售電競(jìng)爭(zhēng)主體的開放售電市場(chǎng)環(huán)境。在市場(chǎng)變革的背景下,微電網(wǎng)將具備極強(qiáng)的靈活性和商業(yè)發(fā)展盈利方式[5]。
微電網(wǎng)是由分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型電力發(fā)電系統(tǒng),是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自控系統(tǒng),既可以與公用電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,也可以獨(dú)立離網(wǎng)運(yùn)行。
1)區(qū)域(省級(jí))。依托區(qū)域(?。┘?jí)電力輔助服務(wù)、中長(zhǎng)期和現(xiàn)貨市場(chǎng)等體系建設(shè),引入電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)、獨(dú)立電儲(chǔ)能等市場(chǎng)主體,推動(dòng)建立市場(chǎng)化交易用戶參與承擔(dān)輔助服務(wù)的市場(chǎng)交易機(jī)制。依托5G 等現(xiàn)代信息通訊及智能化技術(shù),建立源網(wǎng)荷儲(chǔ)靈活高效互動(dòng)的電力運(yùn)行與市場(chǎng)體系機(jī)制。
2)市(縣)級(jí)。在重點(diǎn)城市開展源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化堅(jiān)強(qiáng)局部電網(wǎng)建設(shè),提出保障電源以及自備應(yīng)急電源配置方案。結(jié)合清潔取暖和清潔能源消納工作開展市(縣)級(jí)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化示范,研究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、新能源電站、靈活運(yùn)行電熱負(fù)荷一體化運(yùn)營(yíng)方案。
3)園區(qū)(居民)用戶級(jí)。以現(xiàn)代信息通訊、大數(shù)據(jù)、人工智能、儲(chǔ)能等新技術(shù)為依托,運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”新模式。在城市商業(yè)區(qū)、綜合體、居民區(qū),依托光伏發(fā)電、并網(wǎng)型微電網(wǎng)和充電基礎(chǔ)設(shè)施等,開展分布式發(fā)電與電動(dòng)汽車(用戶儲(chǔ)能)靈活充放電相結(jié)合的園區(qū)(居民區(qū))級(jí)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化建設(shè)。在工業(yè)負(fù)荷大、新能源條件好的地區(qū),支持分布式電源開發(fā)建設(shè)和就近接入消納,結(jié)合增量配電網(wǎng)等工作,開展源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化綠色供電園區(qū)建設(shè)。
例如共享儲(chǔ)能電站是由第三方或廠商負(fù)責(zé)投資、運(yùn)維,并作為出租方將儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量以商品形式租賃給目標(biāo)用戶的另一種商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式,秉承“誰受益、誰付費(fèi)”的原則向承租方收取租金。其獨(dú)立性體現(xiàn)在可以獨(dú)立主體身份直接與電力調(diào)度機(jī)構(gòu)簽訂并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議,不受位置限制。如圖1 所示。
圖1 配儲(chǔ)解決方案
電力系統(tǒng)是一個(gè)需要維持瞬時(shí)平衡的系統(tǒng),在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,主要通過發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、調(diào)頻能力根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行發(fā)電量調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)電力平衡,即所謂的“源隨荷動(dòng)”。為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行,必須加速推進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展,保障大規(guī)模新能源順利消納,源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化應(yīng)運(yùn)而生。
與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比,新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)展將形成大電網(wǎng)主導(dǎo)、多種電網(wǎng)形態(tài)相融并存的格局。未來以家庭、社區(qū)、園區(qū)等不同大小的區(qū)域形成多層級(jí)微電網(wǎng),解決規(guī)模化新能源與新型負(fù)荷大量接入、即插即用的問題。將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“發(fā)-輸-變-配-用”的單向過程,形成“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的一體化循環(huán)過程,提高新能源發(fā)電消納占比。如圖2 所示。
圖2 源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化示意圖
1)面臨困難。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比,新型電力系統(tǒng)的供給側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、消費(fèi)側(cè)及二次系統(tǒng)將發(fā)生革命性變化。具體而言,從供給側(cè)看,能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生巨大改變,可再生能源將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用,逐步取代化石能源。預(yù)計(jì)到2030 年,我國(guó)新能源在裝機(jī)規(guī)模上將成為第一大電源,對(duì)電力系統(tǒng)供需平衡和清潔能源消納能力提出了更高要求,需要增加電源裝機(jī)的容量冗余度,并配套建設(shè)相應(yīng)的靈活調(diào)節(jié)能力。
從電網(wǎng)側(cè)看,將由以常規(guī)電源、單向供電為主向高比例電力電子化和新能源、雙向供電的電網(wǎng)形態(tài)轉(zhuǎn)變。隨著大型風(fēng)光電基地的開發(fā),跨區(qū)送電將繼續(xù)增加,需加大特高壓及各級(jí)電網(wǎng)發(fā)展力度,提升高比例新能源外送消納能力、多直流承載能力。另外,我國(guó)中東部地區(qū)分布式新能源大規(guī)模開發(fā),對(duì)配電網(wǎng)的接入能力提出了更高要求。只有通過大電網(wǎng)與配電網(wǎng)靈活互濟(jì)、協(xié)調(diào)運(yùn)行,才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
從消費(fèi)側(cè)看,將由用戶側(cè)單向用電向電能雙向傳輸轉(zhuǎn)變。多元用電負(fù)荷、分布式電源、新型儲(chǔ)能將快速發(fā)展,負(fù)荷特性由傳統(tǒng)的剛性用電需求、單向用電向柔性用電需求、用戶電能雙向傳輸轉(zhuǎn)變,終端能源側(cè)的電力產(chǎn)消者將大量出現(xiàn),電力供需平衡模式由“源隨荷動(dòng)”向“源荷互動(dòng)”轉(zhuǎn)變。
2)產(chǎn)業(yè)思考。電力平衡理念由確定性向概率性轉(zhuǎn)變。未來電力平衡工作將由確定性的“缺不缺、缺多少”逐步轉(zhuǎn)向概率性的“不同概率、不同時(shí)長(zhǎng)”。結(jié)合不同規(guī)模電力缺口的出現(xiàn)概率、持續(xù)時(shí)間、保障難度等多方面因素,運(yùn)用創(chuàng)新概率化供需平衡分析方法,精準(zhǔn)制定保供措施打牢基礎(chǔ)。
未來隨著需求增速逐步穩(wěn)定、用電結(jié)構(gòu)持續(xù)轉(zhuǎn)型,以及新能源、儲(chǔ)能、新型負(fù)荷等新元素的不斷滲透,既要保持電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、聯(lián)絡(luò)不斷加強(qiáng)的“剛性”模式,還要考慮靈活、智能等“柔性”需求,實(shí)現(xiàn)“剛?cè)峄?jì)”,繼續(xù)構(gòu)筑能源資源大范圍優(yōu)化配置平臺(tái),實(shí)現(xiàn)源、荷、儲(chǔ)便捷友好接入和智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。
雖然在能源轉(zhuǎn)型和“碳中和”目標(biāo)的激勵(lì)下,儲(chǔ)能行業(yè)有著理想的發(fā)展前景,但從目前市場(chǎng)及政策狀況來看,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并非一馬平川,在機(jī)遇面前,也將面臨著來自各方面的挑戰(zhàn)。其中氫能作為“未來能源”,儲(chǔ)氫也是一種具有很大潛力的儲(chǔ)能方式,氫能具有清潔、可儲(chǔ)存、調(diào)配損耗低等特點(diǎn),未來成熟的氫能技術(shù)可以使能源供應(yīng)和調(diào)配方式發(fā)生很大的改變,目前儲(chǔ)氫仍然處于技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用試點(diǎn)階段,重點(diǎn)在于降低生產(chǎn)和儲(chǔ)存成本、提高安全性等[6]。未來數(shù)十年,主要還是以電化學(xué)儲(chǔ)能為研究方向,結(jié)合儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱等各類新型儲(chǔ)能技術(shù)的研究探索,必將擁有巨大的市場(chǎng)空間,一旦技術(shù)成熟,勢(shì)必會(huì)在能源市場(chǎng)中擁有獨(dú)特的發(fā)揮空間。
1)市場(chǎng)的需求未達(dá)到規(guī)?;?。在現(xiàn)有環(huán)境下,單就儲(chǔ)能技術(shù)的成本來看,尚不能完全滿足商業(yè)應(yīng)用[7]。一些影響儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?;袌?chǎng)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸還需進(jìn)一步突破,包括整機(jī)的效率、安全、可靠及循環(huán)壽命、系統(tǒng)響應(yīng)等,因此評(píng)價(jià)一種儲(chǔ)能技術(shù)能否長(zhǎng)久地規(guī)?;袌?chǎng)化的應(yīng)用,將是未來重點(diǎn)突破的方向。
2)關(guān)鍵技術(shù)待突破。在直流輸電技術(shù)方面,重點(diǎn)開展常規(guī)直流系統(tǒng)適應(yīng)性能提升技術(shù)、基于柔性換相換流器的直流設(shè)計(jì)技術(shù)以及大容量IGBT 器件、換流變壓器等關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研發(fā);在二次信息系統(tǒng)方面,重點(diǎn)開展數(shù)字與能源深度融合技術(shù)、智能(DGS)調(diào)度運(yùn)行控制技術(shù)等研究[8]。
新能源技術(shù)方面,當(dāng)前新能源機(jī)組涉網(wǎng)性能不足,大量并網(wǎng)后系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力顯著下降,易發(fā)生暫態(tài)過電壓導(dǎo)致的大規(guī)模脫網(wǎng)及連鎖故障。未來,新能源需要實(shí)現(xiàn)從“并網(wǎng)”到“組網(wǎng)”的角色轉(zhuǎn)變,亟需開展新能源發(fā)電虛擬同步控制等技術(shù)研究。同時(shí),新能源頂峰能力不足,需研究不同時(shí)間尺度的新能源精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和控制技術(shù)。外送輸電技術(shù)方面,大型風(fēng)光電基地開發(fā)外送面臨交流弱支撐問題,部分受端電網(wǎng)存在多直流饋入、交直流系統(tǒng)耦合緊密、系統(tǒng)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)大等問題,需研究新能源直流外送系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)方式優(yōu)化、受端電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)技術(shù),攻克新能源孤島直流外送技術(shù)。新型電力系統(tǒng)建設(shè),是一項(xiàng)國(guó)家重大戰(zhàn)略意義的歷史任務(wù)。目前在研或需要改造升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù),送端高比例新能源電力系統(tǒng)電壓支撐能力薄弱、暫態(tài)過電壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重,這些問題亟需解決。