储能系统和新能源发电装机容量对电力系统性能的影响

储能系统和新能源发电装机容量对电力系统性能的影响

霍应聪,刘姚鑫,丁丁,贺正良，

华电甘肃能源有限公司

摘要：随着能源危机和环境污染的日益加剧，大力使用和发展非化石能源，尤其是以风能、太阳能为代表的新能源，被能源行业视为减少温室气体排放、缓解气候变化和实现可持续性的最有效途径之一。凭借清洁、低碳等优势，新能源成为各国制定能源政策的主要选择，在世界各国得到迅速发展。随着双碳时代的到来，构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳中和、碳达峰的主要举措。而电力系统的合理规划将是可持续发展战略的重要内容。基于此，本篇文章对储能系统和新能源发电装机容量对电力系统性能的影响进行研究，以供参考。

关键词：储能系统；新能源发电装机容量；电力系统

引言

目前我国的电力供应依然以火电为主，2022年第一季度风电和光伏发电量占全国总发电量比例仅为13.4%。随着持续推进“双碳”目标和能源供给侧改革，我国的风电和光伏等新能源发电将逐步替代火电，迎来更大的发展空间。新能源发电具有较大的波动性和不确定性，会对电网稳定性造成冲击，必须配备储能系统以提高电网对新能源发电的消纳能力。因此，提出集中式光伏项目需配备适当的储能系统，并计划在2025年实现储能容量不低于新能源装机的10%和最大负荷的5%。研究新能源装机容量和储能系统装机容量变化对电力系统性能的影响就具有重要的实际意义。

1风力发电装机容量极限分析

风力是一种清洁、可再生能源，来源网络协调规划基础上，能够对风电场的容量限制进行详细分析，为后续设备的容量分配奠定坚实的基础。大多数风电场位于电力系统边缘，当风进入电网时，风电场的容量对整个电网的经济性和可靠性至关重要。近年来风力发电和电网规模不断增大，风电场输出功率的随机特性对电力系统输出电压的稳定性产生不利影响。对于较小的风电场，如研究结果所示，随着充电器容量的增加，效益会提高。当风电场的规模达到极限时，随着设备容量的增加，综合效益会下降。经济实惠地看，风电场的容量已饱和。要验证风力发电机的能力，选择风力发电性能极限与风电场短路能力的两个性能指标。短路容量是指在风电场正常运行时三相短路故障时反映风电场性能的功率值。在电力系统中，风网节点主要位于变压器的高侧，节点短路尺寸一般较小，表明电力系统受风暴潮影响较小。发达国家风电场短距离为3.3%至5%，而中国电力系统体系结构较为薄弱，风电场边缘较小，节点连接较短，风电场规模因采用国外标准而受到严重限制。因此，我国风电场的短路能力实际上超过10%，对我国风力发电技术有所帮助。

2储能系统容量对电网性能的影响

储能系统具有快速响应的特点，可以有效降低火电机组的备用容量，提高运行经济性，提高新能源消纳率，降低电力系统的碳排放。但储能系统的容量配备需要与当前电网中火电、风电和光伏的容量相匹配，为了研究不同电网场景下储能系统容量对电网性能的影响，表1列出了四个电网装机组成场景。由图1可见，在四种场景内运行成本均随着储能系统装机容量的增加而降低，成本的降低幅度从5%提高至14.4%。同时，新能源发电装机容量越小，曲线斜率越大，储能容量增加带来的成本降低就越明显。而且，储能容量增加对成本的降低效应是边际递减的，即随着储能容量的增加成本降低的速度越来越慢。由图2和图3可见，储能容量的增加有利于提高新能源发电在总发电量中的占比以及新能源消纳率。对于新能源装机较少的情况（Case1和Case2），由于火电已经能够较好地承担调频调峰任务，因此储能系统对新能源发电占比和消纳率的提高并不显，当储能容量达到5GW时，已经实现了新能源100%消纳。而在新能源装机较多的情况（Case3和Case4）下，储能容量的从0GW增加至15GW可以使得新能源发电占比和新能源消纳率提高约22%。由此可见，在电网各组分的容量配置中必须将新能源装机容量与储能容量协调考虑。由图4可见，随着储能系统容量的增加，Case1和Case2的电网频率波动率逐渐下降，显然这得益于储能系统的快速响应能力提高了电网的调峰调频能力。但是在Case3和Case4中，电网频率波动情况反而随着储能容量的增加而扩大了。为了分析这一反常规律的原因，将储能容量的分析范围从0-15GW拓展至0-30GW，并得到了图5所示的频率波动率与新能源消纳率的关联关系。发现当新能源装机容量较高时，储能容量的提高主要作用于提高新能源消纳率，也因此带来了频率波动率的提高。当新能源消纳率达到95%以后，频率波动率才会随着储能容量的增加而降低。

表1四种电力系统装机容量场景

图1储能系统容量变化对电力系统运行成本的影响

图2储能系统容量变化对新能源发电占比的影响

图3储能系统容量变化对新能源消纳率的影响

图4储能系统容量变化对电力系统频率波动的影响

图5储能系统容量变化时频率波动与新能源消纳率的关系

3碳中和时在运的风电、光伏发电装机容量

根据21世纪全球能源政策网络(REN21)世界会议(2021年)的报告，可再生能源在2019年占全球能源消耗总量的11.2%，其中生物量、乙醇和生物量、太阳能、地热能源等可再生能源占6%，非再生能源占5.2%。到2020年，可再生能源占我国能源消费总量的13.6%，其中约1.0%用于一次性能源消费。今后，非能源消耗的可再生能源比例将成为促进发展和统计系统，如可再生能源变暖等，成为我国能源消耗的一部分，中期至中期将有所增加，对资源、使用条件等的依赖将保持相对稳定。如果保持碳中和，我们将使用可再生能源约占总能耗的5%，约占总能耗的65%。对可再生能源的进一步分析认为，水力发电和可再生能源，如地热、海洋能源和地热能源的能力稳定在由风能和光伏能源等可再生能源的资源条件、技术特点和主导力量所造成的水平上。在二氧化碳中性导体的测量中，在输送机能力的计算中，在风能和光伏能源的计算中，1.5:1:1.5的比率是风力涡轮机的风机能力与灯具能力的比率平均二氧化碳排放率为90%时，输送能量、光伏发电设备的总和为44-40亿千瓦。

4储能项目的建设

一方面对新增的新能源项目，应优先引导其配置储能。对于已投产的新能源项目，应结合安全性需求，进一步评估需要增加的储能配置。另一方面，应进一步完善峰谷电价差及辅助服务市场机制，探索搭建共享储能市场交易体系，推进共享储能电站从试点走向应用。此外，在电源侧资源富集区域，合理配置电化学储能，保障新能源高效消纳利用，提升并网友好性和支撑能力。在电网侧进一步加强新型储能配置，提升系统惯量，充分发挥调峰、调频、调压优势。在用户侧推动不间断电源、充换电设施等分散式储能设施建设，探索推广双向互动智能充放电等技术应用。

结束语

本文建立了包含风光火储在内的电力系统调度模型，应用蒙特卡洛方法，在充分考虑风电、光伏和用户侧负荷不确定性的前提下，分析了新能源装机容量和储能系统容量增加将会对电网的发电成本、新能源发电占比、新能源消纳率和频率波动率的影响。对于提高新能源消纳，提高电网稳定性而言，储能系统在成本和性能上均优于火电机组，既可以通过提高储能系统装机容量来替代部分火电机组，提高系统整体稳定性和经济效益。

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