储能在新型电力系统电力电量平衡中的作用研究

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研究背景

截至2024年底，我国新能源装机已突破14亿kW大关，风光波动性与系统灵活性不足的矛盾日益突出，电力系统面临“保供电”与“促消纳”的双重挑战。储能(本文主要指新型储能)作为“能量调节器”成为破局关键，但在电力电量平衡中的作用机理及配置策略仍缺乏系统性分析，行业亟需回答相关的核心问题。为此，本文依托中国电科院自主研发的新能源电力系统规划配置软件，深入探索储能在“碳达峰、碳中和”场景下的优化潜力，为新型电力系统中新型储能的规划建设提供科学依据。

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主要内容及创新点

1）技术突破：基于8760h全局优化与深度强化学习的规划技术。

中国电科院新能源研究所依托新能源电力系统生产模拟平台(REPS)，自主研发了新能源电力系统规划与配置软件，融合数学优化与深度学习算法，实现了8760h全局快速优化规划计算，具备风、光、常规电源(火电)、储能、可调节负荷以及输电线路容量协同优化配置等功能。在性能方面，可将省级电网规划计算时间压缩至1h内，误差控制在1%以内，为“双碳”目标下的电力系统规划提供了科学有效的计算工具。

依托该软件，团队围绕储能促进新能源消纳、储能优化火电装机及运行、储能优化交/直流联络线等场景开展计算分析，揭示了储能在电力电量平衡中的作用机理，并分析了储能配置时长规律与运行特性等。

新能源电力系统规划与配置软件见图1。

图1 新能源电力系统规划与配置软件

2）储能如何促进新能源消纳？

随着新能源装机占比的持续增加，新能源利用率持续下降，合理优化配置储能是提升新能源利用率的重要手段。研究发现：储能配置规模取决于储能与新能源成本的比值、新能源理论发电小时数、新能源发电量占比。储能与新能源成本比值越小、新能源理论发电小时数越小、新能源发电量占比越低，储能配置规模越大(图2和图3)。但随着储能配置规模的增加，减少1kW新能源装机所需的储能容量逐渐增大，即增配储能的作用呈边际递减效应(图4)。

图2 不同成本比值下储能配置容量

图3 不同新能源电量占比下储能配置容量

图4 储能作用边际递减效应

3）储能如何优化火电装机与运行？

储能成本与常规电源成本比值越小、新能源发电量占比越高，储能配置规模越大，即可减少或替代的常规电源装机规模越大(图5)。减少1kw常规电源需要的储能容量在3~7kW左右，随着常规电源装机的减少，储能的优化作用越来越弱(图6)。火电年利用小时数随着储能规模的增加而增加，当火电减少的装机规模占最大负荷比例超过15%时，年利用小时数可提升1000h以上(图7)。

图5 不同成本比值下常规电源装机减少的规模

图6 减少1kW常规电源装机需要的储能容量

图7 常规电源在不同装机减少规模下的年利用小时数

储能优化常规电源装机主要体现在两方面：一是负荷高峰时段放电增加顶峰能力(图8)；二是充电后提供系统旋转备用(图9)。通过双重作用减少火电开机需求。

图8 典型周系统功率平衡结果

图9 典型周系统备用供需结果

4）储能如何降低输电线路容量需求？

①储能对网内输电线路的优化作用。新能源发电量占比较低时，储能集中配置在新能源侧平抑新能源出力波动；新能源发电量占比较高时，储能优先配置在负荷侧进行削峰填谷，且随着储能单位造价降低，新能源侧的储能配置规模随之增加；常规电源侧无需配置储能。(图10)

(a)新能源发电量占比25%

(b)新能源发电量占比50%

图10 储能对网内输电线路优化作用的容量配置结果

②储能对基地外送直流线路的优化作用。新能源发电量占比较低时，储能主要配置在受端，降低负荷峰谷差；新能源发电量占比较高时，储能主要配置在送端，平抑新能源波动的同时促进新能源消纳(图11)。

(a)新能源电量占比25%

(b)新能源电量占比50%

图11 储能对基地外送直流优化作用的容量配置结果

5）新型电力系统下储能的运行特性。

①储能充电集中在负荷低谷叠加新能源大发时段，放电集中在负荷晚高峰和光伏出力爬升/爬降时段(图12)。

②储能深度充放电(接近满容量状态)占比不足两成，而半容量以下的浅层充放电操作占据主导地位(图13)。

图12 储能充放电时段概率分布图

图13 储能充放电SOC概率分布图

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研究结果及结论

1）储能在新型电力系统中的作用：减少常规电源装机>减少新能源装机(消纳弃风弃光)>减少输电线路，因此储能主要用于优化新型电力系统的电源结构。

2）单位容量成本和新能源发电量占比是影响储能配置规模的重要因素，储能自身有明显的内卷效应：储能配置容量越大，效益越差。

3）风/光常规出力场景下，储能配置时长普遍为4~9h，9h以内储能可满足大部分场景需求，储能年平均循环次小于200。

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后续研究方向或讨论话题

本文研究结论适用于风/光典型代表年出力场景，后续将针对新能源长时间间歇等小概率极端场景，开展储能等多种灵活调节资源配置的研究。