【能源互联网洞悉】未来高比例新能源接入的电力系统如何平衡？——源网荷储各环节灵活性能力需求及资源潜力分析
编者按：当前世界范围内能源转型加速，国家电网公司也提出建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业的战略目标。建设能源互联网是承接国家能源安全新战略，推动电网和发展高质量发展的关键。在新时代和新战略下，对能源互联网的认识也需要不断深化。国网能源研究院能源互联网研究所聚焦于能源互联网基础理论、综合能源系统规划优化与市场机制、能源电力转型发展、能源互联网新技术新元素、城市智慧能源系统等领域开展了深入研究。本专栏围绕能源互联网关键问题，从理论研究、模型方法和经验实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。
文章导读：随着新能源渗透率持续提升，其高度随机性和间歇性的特点给电力系统供需平衡带来了严峻挑战，系统灵活性需求持续扩大。另一方面，未来电力系统中灵活性资源的来源将趋于广泛，在电源、电网、负荷、储能侧均有涉及。虽然在电源侧新建机组项目是当前的常规选项，但在电网侧全局优化挖潜、在负荷侧和储能侧加快培育新动能，既是高质量发展的应有之义，也是未来发展的必然趋势。
未来高比例新能源接入的电力系统如何平衡？——源网荷储各环节灵活性能力需求及资源潜力分析
执笔人：卢静、张宁
（国网能源研究院 能源互联网研究所）
传统电力系统中的波动因素主要是负荷需求，灵活调节手段主要包括燃气机组、水电和抽水蓄能等常规电源。随着新能源渗透率持续提升，其高度随机性和间歇性的特点给电力系统供需平衡带来了严峻挑战，产生了巨大的灵活调节需求。而另一方面，随着能源互联网发展，灵活性资源的来源有望趋于多元化。未来，随着传统电力系统向以高比例新能源电力系统转变，亟需充分挖掘各个环节的灵活性，提高系统优化运行能力。
一、未来高比例新能源产生的灵活性需求持续扩大
随着间歇性可再生能源的装机规模不断扩大，风电和光伏出力波动范围日益变大。间歇性可再生能源与负荷叠加后的净负荷日峰谷差增大，系统灵活性需求总量逐步提高，且不确定有所增强，调峰难度显著增加。
从日内特性来看，午间负荷高峰成为净负荷低谷，每日12时至20时之间灵活性需求最大。随着间歇性新能源（尤其是光伏发电）并网装机比例持续扩大，净负荷日曲线呈现“鸭子”形状，12时至20时之间，净负荷出现快速增长。午间光伏大发时，原本的负荷高峰会成为净负荷低谷，甚至在午间可能出现净负荷为负的情况。在15点至20点之间，用电负荷逐渐增长叠加光伏出力快速衰减。
图1 2035年、2050年华北地区典型日负荷曲线
（数据来源《中国能源电力发展展望2019》）
从季节特性来看，系统灵活性需求的分布规律有所改变，部分地区调节压力向春秋季转移。以华北地区为例，负荷日峰谷差在夏季和冬季较大，而日净负荷峰谷差在春季和秋季较大。这是由于夏季空调负荷比重大，在气温最高的中午形成峰值，而光伏发电日特性与空调负荷特性具有一定的正相关性，平抑了夏季的净负荷波动。由于冬季电采暖负荷比重较大，在气温较低的夜间形成峰值，而华北地区风电日特性与电采暖负荷特性具有一定的正相关性，一定程度平抑了冬季的净负荷波动。春秋季负荷需求与新能源出力正相关性相对较低，且负荷需求水平低于夏季和冬季，净负荷峰谷差受新能源影响程度更大。
图2 2035年华北地区日负荷峰谷差季节特性箱型图
（数据来源《中国能源电力发展展望2019》）
分区域来看，西北地区和华北地区的电力系统灵活性需求量和需求比例最高，对系统灵活调节能力提出了较高要求。2035年，西北地区日负荷峰谷差最大值约为1.8亿千瓦，占西北地区最大负荷的64.8%，华北地区日负荷峰谷差最大值约为1.8亿千瓦，占华北地区最大负荷的46.2%，而到2050年，西北地区日负荷峰谷差最大值达到约3.6亿千瓦，占西北地区最大负荷的92.9%，华北地区日负荷峰谷差最大值约4.1亿千瓦，占西北地区最大负荷的75.8%，系统灵活调节能力亟需改善。
图3 2035年和2050年各区域及全国净负荷峰谷差数据分析
（数据来源《中国能源电力发展展望2019》）
二、源-网-荷-储各环节灵活性资源进一步挖掘
未来电力系统中灵活性资源的来源将趋于广泛，在电源、电网、负荷、储能侧均有涉及。传统电力系统中，灵活性资源主要以各类可调节电源及抽水蓄能电站为主。随着能源互联网逐步建成，电网运行方式将更加灵活优化，需求响应和各类新型储能将更加高频地参与电力供需平衡，灵活性资源的形式日益多元。在电源侧，气电和水电是优质的灵活调节电源，同时可通过合理的辅助服务市场机制结合灵活性改造激发煤电调节潜力，未来光热电站发展成熟后也将为系统灵活调节做出一定贡献。在电网侧，可统筹送受端的调峰安排，制定更加灵活的电网运行方式，鼓励跨省、跨区共享调峰与备用资源。在负荷侧，可大力发展需求响应，设计合理的激励资金保障机制，优化峰谷电价和尖峰电价机制，结合现货市场建设探索实时电价。在储能侧，可在条件适宜地区稳步推进抽水蓄能发展，鼓励电化学储能等新型储能投资建设。
表1 电力系统各类灵活性资源优劣势分析
灵活性提升宜“源网荷储”多措并举，形成系统优化方案。虽然在电源侧新建机组项目是当前的常规选项，但在电网侧全局优化挖潜、在负荷侧和储能侧加快培育新动能，既是高质量发展的应有之义，也是未来发展的必然趋势。全国整体来看，源、网、荷、储四个环节灵活性资源比重将由当前的以电源调节为主逐步演变为2035年的61%:12%:10%:17%、2050年的44%:12%:13%:31%。可见，电源侧各类资源仍将长期发挥关键作用，但跨区互济、需求响应、储能等新型灵活性资源的重要性愈加凸显。
图4 电气化加速情景下各区域各类灵活性资源调节容量
（数据来源《中国能源电力发展展望2019》）
作者介绍
卢静，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，电力系统及其自动化专业硕士。主要长期从事能源互联网、综合能源服务、新能源资源评估与功率预测等领域的研究工作。参与了多项新能源并网领域的国家863项目，承担了多项国家源局、国家电网公司等单位委托的重大科研项目。编写出版《中国能源电力发展展望报告》、《风能评价及风电规划与并网》等；获得中国电力科学技术奖1项、国家电网公司科技进步奖多次。
张宁，国网能源研究院能源互联网研究所研究员，博士，高工，从事能源电力规划、能源转型、能源互联网、综合能源等领域研究。发表SCI、EI检索论文30余篇，出版中文专著4部，英文专著3部，参编国网标准3项。曾获行业级一等奖、二等奖，国家电网公司特等奖、一等奖、二等奖等奖项。
团队简介：国网能源研究院能源互联网研究所（简称互联网所）于2015年7月份成立，主要负责能源互联网市场分析及技术经济研究、能源互联网发展政策与战略规划研究、综合能源系统规划运行、城市智慧能源系统研究、综合能源服务业务发展及市场分析、国际能源政策及战略研究等。互联网所内设国际能源政策研究室、物联网经济研究室、综合能源研究室，共有19名员工，平均年龄34岁，其中博士12人，具有高级职称14人，专业覆盖电气工程及其自动化、经济学、环境科学与工程、法学、计算机科学等。曾多次获得“国家电网公司先进集体”、“国家电网公司先进班组”、“国网能源研究院先进集体”、“先进党支部”以及“课题攻关党员创新团队”等称号。
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编辑：杨彪
审核：许晓艳
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