電力系統(tǒng)靈活性定義及資源特性

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電源主要以出力可控的火電機(jī)組、水電機(jī)組為主，這些電源都具有較強(qiáng)的負(fù)荷跟蹤能力和調(diào)節(jié)性能。而隨著大規(guī)模風(fēng)、光可再生能源發(fā)電和分布式電源的不斷發(fā)展，電源結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)能力不足、出力具有較強(qiáng)不確定性的電源占比明顯增加；同時(shí)伴隨第三產(chǎn)業(yè)和居民用電比重的提升，電網(wǎng)負(fù)荷特性不斷惡化，系統(tǒng)峰谷差持續(xù)拉大，負(fù)荷率不斷下降，也極大增加了電力系統(tǒng)的不確定性。應(yīng)對持續(xù)增加的不確定性已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)，系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行需要充分調(diào)動“源 - 網(wǎng) - 荷 - 儲”各類資源的靈活性，才能保證系統(tǒng)在供給或需求發(fā)生變動時(shí)及時(shí)做出反應(yīng)。

電力系統(tǒng)靈活性定義

電力系統(tǒng)靈活性的概念于近幾年才被正式提出，并得到國際能源署（IEA）和北美電力可靠性委員會（NERC）等國際組織的認(rèn)可。IEA 將電力系統(tǒng)靈活性定義為在一定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下，電力系統(tǒng)對供應(yīng)或負(fù)荷大幅波動做出快速響應(yīng)的能力。NERC 將電力系統(tǒng)靈活性定義為利用系統(tǒng)資源滿足負(fù)荷變化的能力。與此同時(shí)，學(xué)術(shù)領(lǐng)域也開展了大量關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性的研究。Lannoye 等人將靈活性定義為電力系統(tǒng)利用其靈活性資源應(yīng)對凈負(fù)荷變化的能力，其中波動性和不確定性主要來自于供需和設(shè)備故障。研究團(tuán)隊(duì)將電力系統(tǒng)靈活性定義為在合理的成本和不同的時(shí)間尺度下，系統(tǒng)應(yīng)對波動性和不確定性的能力。Ma 等人將電力系統(tǒng)靈活性定義為系統(tǒng)以最小成本應(yīng)對波動性和不確定性、并保證系統(tǒng)可靠性的能力。綜合來看，當(dāng)前電力系統(tǒng)靈活性的定義并不統(tǒng)一，在前人研究的基礎(chǔ)上報(bào)告定義電力系統(tǒng)靈活性為：在滿足一定經(jīng)濟(jì)性和可靠性前提下，系統(tǒng)應(yīng)對不確定性的能力。這種靈活能力可分為“上調(diào)節(jié)”和“下調(diào)節(jié)”，“上調(diào)節(jié)”即向系統(tǒng)提供額外的功率，發(fā)電機(jī)組增加出力或削減負(fù)荷均能夠起到相同的作用；“下調(diào)節(jié)”即削減系統(tǒng)中多余的功率，發(fā)電機(jī)組削減出力或增加負(fù)荷也均能起到相同的作用。電力系統(tǒng)的靈活性資源分布于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，儲能也成為電力系統(tǒng)不容忽視的靈活性來源。相較電力系統(tǒng)運(yùn)行基本要求的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，靈活性伴隨當(dāng)前電力系統(tǒng)不確定性的大幅提高，已成為衡量系統(tǒng)運(yùn)行特性不可缺少的重要指標(biāo)。

電源側(cè)靈活性資源特性

常規(guī)水電

常規(guī)水電利用江河水體中的位能進(jìn)行發(fā)電，按水庫調(diào)節(jié)性能可分為多年調(diào)節(jié)水電站、年調(diào)節(jié)水電站、季調(diào)節(jié)水電站、周調(diào)節(jié)水電站、日調(diào)節(jié)水電站和無調(diào)節(jié)能力的徑流式水電站等。具有調(diào)節(jié)能力的水電站擁有開停機(jī)迅速、負(fù)荷調(diào)節(jié)快等靈活特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中起著調(diào)頻、調(diào)峰和備用的作用，不同調(diào)節(jié)能力的水電站各自的出力特性如下。

（1）徑流式水電站：無水庫，基本上來水多少決定發(fā)電多少。

（2）日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、月調(diào)節(jié)式水電站：具備較小水庫庫容，水庫的調(diào)節(jié)周期為一晝夜 / 一周 / 一月；三種類型水電站蓄水能力和適應(yīng)用電負(fù)荷要求的調(diào)節(jié)能力較弱，水電站只能根據(jù)上游的來水情況通過夜間蓄水少發(fā)、白天多發(fā)，或上旬蓄水少發(fā)、下旬多發(fā)來滿足電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需要。

（3）季調(diào)節(jié)類型水電站：具有相對較大的水庫庫容，可以根據(jù)當(dāng)年河流的來水情況確定在某一季節(jié)，如：汛期少發(fā)電多蓄水，所蓄的水量留在另一季節(jié)（如枯期）多發(fā)電，以達(dá)到對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的目的；

（4）年調(diào)節(jié)式水電站：可以實(shí)現(xiàn)對一年內(nèi)各月天然徑流進(jìn)行優(yōu)化分配和調(diào)節(jié)，將豐水期多余的水量存入水庫，保證枯水期放水發(fā)電。

（5）多年調(diào)節(jié)式水電站：將不均勻的多年天然來水進(jìn)行優(yōu)化分配、調(diào)節(jié)；多年調(diào)節(jié)的水庫容量較大，可以根據(jù)歷年來的水文資料和實(shí)際需要確定當(dāng)年的發(fā)電量和蓄水量，還可以將豐水年所蓄水量留存到平水年或枯水年使用，以保證電廠的可調(diào)能力；多年調(diào)節(jié)式水電廠對于天然洪水也具有較強(qiáng)的調(diào)控能力，不僅能滿足電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)需要，還可以通過水庫調(diào)度實(shí)現(xiàn)消洪、錯(cuò)洪，對于大江、大河的防汛工作也具有十分重要的作用。

火電

火電是將化石燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備，按燃料類型火電廠一般可以分為燃煤發(fā)電廠、燃?xì)獍l(fā)電廠和燃油發(fā)電廠。影響火電機(jī)組靈活性的參數(shù)主要包括最小穩(wěn)定出力、爬坡速度和啟動時(shí)間等，其中最小穩(wěn)定出力決定了火電機(jī)組能夠提供的調(diào)節(jié)空間，爬坡速度則決定了系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度下的調(diào)節(jié)能力，啟動時(shí)間主要反映了冷備用機(jī)組在負(fù)荷增長、可再生能源出力降低情況下為系統(tǒng)提供靈活性的響應(yīng)速度。不同類型火電機(jī)組出力特性如下。

（1）燃煤發(fā)電機(jī)組：從最小穩(wěn)定出力來看，未改造的燃煤機(jī)組最小穩(wěn)定出力通常為 50% 的額定容量，最新運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明大多數(shù) 60 萬千瓦及其以下機(jī)組的最小穩(wěn)定出力在不增加任何改造投入的情況下，可壓至額定容量的 40% 左右；通過熱電解耦、低壓穩(wěn)燃等技術(shù)改造，煤電機(jī)組的最小穩(wěn)定出力可以降至 20%-30% 的額定容量。從爬坡速率來看，燃煤機(jī)組的爬坡速度一般為額定容量的 1-2%/ 分鐘，較新機(jī)組的爬坡速度可達(dá)到額定容量的 3-6%/ 分鐘，但仍低于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組；提高燃煤機(jī)組爬坡速度既需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級，也需要對機(jī)組設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，爬坡速度改變通常不會對電廠的平均效率產(chǎn)生影響，但會對部分機(jī)組部件使用壽命產(chǎn)業(yè)不可避免的傷害。從啟動時(shí)間來看，燃煤機(jī)組啟動時(shí)間通常取決于是熱態(tài)啟動、暖態(tài)啟動還是冷態(tài)啟動，其中熱態(tài)啟動是指燃煤機(jī)組停運(yùn)時(shí)間不足 8 小時(shí)情況下的啟動，暖態(tài)啟動一般是指燃煤機(jī)組已經(jīng)停運(yùn) 8-48 小時(shí)后的啟動，冷態(tài)啟動則表示燃煤機(jī)組已經(jīng)停機(jī)超過 48 小時(shí)情況下的啟動；燃煤機(jī)組的熱態(tài)啟動一般在 3-5 小時(shí)之間，通過技術(shù)改造目前國際最先進(jìn)燃煤機(jī)組的熱態(tài)啟動時(shí)間可短至1.5 小時(shí)左右。

（2）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組：與燃煤機(jī)組相比，燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在效率、環(huán)保特性、造價(jià)等方面都具有很大的優(yōu)勢，并且還具有啟動快、調(diào)峰性能好等特性，常被用作首選的調(diào)峰手段。同時(shí)由于燃?xì)怆姀S在占地面積、用水量、環(huán)保等方面均優(yōu)于其他類型電廠，這也使得燃?xì)怆姀S通常建設(shè)在負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)就地供電。特別是隨著分布式可再生能源的快速發(fā)展，燃?xì)獍l(fā)電的優(yōu)勢越來越凸顯，可以有效減輕電網(wǎng)建設(shè)和輸電的壓力，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）燃油發(fā)電機(jī)組：燃油機(jī)組也具備啟動迅速、調(diào)峰性能好、效率高、排放污染小等優(yōu)點(diǎn)，也是電力系統(tǒng)公認(rèn)的調(diào)峰機(jī)組，不僅如此，燃油機(jī)組還可以為系統(tǒng)提供調(diào)頻、備用、黑啟動等服務(wù)，但由于其發(fā)電成本較高，目前燃油發(fā)電應(yīng)用相對較少。

電網(wǎng)側(cè)靈活性資源特性

電網(wǎng)是輸送電力的載體，也是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵，良好的電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行調(diào)度能夠保障電力供給的安全性和可靠性，增強(qiáng)電力系統(tǒng)融合可再生能源發(fā)電的能力，保證電力資源的高效配置。電網(wǎng)主要靈活性資源特性如下。

互聯(lián)互濟(jì)

大型電力系統(tǒng)通常劃分為多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)，各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)由聯(lián)絡(luò)線連接，區(qū)域間依靠聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)電力電量交換。對于某一區(qū)域 A 而言，依靠電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)，具備傳輸能力的聯(lián)絡(luò)區(qū)域 B 既可看作是區(qū)域 A 的電源，又可以認(rèn)為是區(qū)域 A 的負(fù)荷。電網(wǎng)互聯(lián)互濟(jì)可以利用各地區(qū)用電的非同時(shí)性進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，減少備用容量和裝機(jī)容量；各地區(qū)之間通過互供電力、互通有無、互為備用，還能有效減少事故備用容量，增強(qiáng)系統(tǒng)抵御事故的能力，提高電網(wǎng)安全水平和供電可靠性；另外互聯(lián)互濟(jì)還有助于系統(tǒng)承受較大的負(fù)荷沖擊和電源波動，改善電能質(zhì)量，吸納更多風(fēng)光波動性電源。

柔性輸電

靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。它應(yīng)用電力電子技術(shù)最新發(fā)展成果，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)，使電網(wǎng)電壓、線路阻抗及功率角等可按系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整；在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，使電網(wǎng)的功率傳輸能力以及潮流和電壓的可控性大為提高，可有效降低功率損耗和減少發(fā)電成本，大幅度提高電網(wǎng)靈活性、穩(wěn)定性、可靠性。FACTS 的主要功能可歸納為： 1）較大范圍地控制潮流使之按指定路徑流動；2）保證輸電線路的負(fù)荷可以接近熱穩(wěn)定極限又不過負(fù)荷；3）在控制的區(qū)域內(nèi)可以傳輸更多的功率，減少發(fā)電機(jī)組熱備用；4）限制短路和設(shè)備故障影響，防止線路串級跳閘；5）為設(shè)備損壞或者過載帶來的電力系統(tǒng)震蕩提供一定的阻尼。

微電網(wǎng)

微電網(wǎng)以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，由分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、控制系統(tǒng)等組成，形成模塊化、分散式的供電網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)是一個(gè)可以自治的單元，可根據(jù)電力系統(tǒng)或微電網(wǎng)自身的需要實(shí)現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式間的無縫轉(zhuǎn)換，有利于提高電力系統(tǒng)的可靠性、電能質(zhì)量以及靈活性。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可以作為大小可變的智能負(fù)荷，能在數(shù)秒內(nèi)做出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)需要，為電力系統(tǒng)提供靈活支撐；此外，微電網(wǎng)將間歇性、波動性較強(qiáng)的可再生能源整合并納入同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中，通過儲能裝置和控制系統(tǒng)平滑輸出波動，提高可再生能源的可用容量。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，又可利用儲能裝置和控制系統(tǒng)保持內(nèi)部電壓和頻率的穩(wěn)定，保證網(wǎng)內(nèi)用戶的電力供應(yīng)。

用戶側(cè)靈活性資源特性

電力需求側(cè)管理是電力系統(tǒng)靈活性的另一重要來源，它通過采取各種措施引導(dǎo)用戶優(yōu)化用電方式，不僅可以平抑用電負(fù)荷的波動性，減小負(fù)荷的峰谷差，提高電網(wǎng)利用效率，而且還可以通過調(diào)動負(fù)荷側(cè)的響應(yīng)資源來滿足系統(tǒng)靈活性需求，保障系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行和促進(jìn)更多可再生能源的利用。電力需求側(cè)管理主要通過兩類舉措對電力負(fù)荷。進(jìn)行管理：激勵(lì)型和電價(jià)型，這兩類需求側(cè)管理都能從需求側(cè)出發(fā)來應(yīng)對電力系統(tǒng)功率的不平衡問題。從廣義的角度看，需求側(cè)管理可被認(rèn)為是一種虛擬的發(fā)電資源，可以實(shí)現(xiàn)不同容量的秒級、分鐘級、10 分鐘級以及中長期等時(shí)間尺度反應(yīng)，能夠快速滿足系統(tǒng)需求側(cè)變化的要求，提升電力系統(tǒng)的靈活性。

激勵(lì)型需求側(cè)管理

激勵(lì)型需求側(cè)管理是針對具體的生產(chǎn)工藝和生活習(xí)慣，通過行政等手段對其用電方式進(jìn)行管理和約束，推動采用先進(jìn)節(jié)電技術(shù)和設(shè)備來提高終端用電效率或改變用電方式。目前激勵(lì)型需求側(cè)管理具體包括：

（1）改變用電方式：利用時(shí)間控制器和需求限制器等自控裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的循環(huán)和間歇控制，達(dá)到負(fù)荷需求的錯(cuò)峰調(diào)劑；通過行政手段，安排用戶進(jìn)行有序用電，減少負(fù)荷高峰期的用電負(fù)荷，進(jìn)行負(fù)荷的有效轉(zhuǎn)移。

（2）提高終端用電效率：推廣節(jié)能型電冰箱、節(jié)能型電熱水器、變頻空調(diào)器、熱泵熱水器等；推動用戶選擇高效節(jié)能照明器具替代傳統(tǒng)低效的照明設(shè)備，使用先進(jìn)的控制技術(shù)以提高照明用電效率和照明質(zhì)量；促進(jìn)電動機(jī)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，降低空載率，實(shí)現(xiàn)節(jié)電運(yùn)行；推廣遠(yuǎn)紅外加熱、微波加熱、中高頻感應(yīng)加熱等高效加熱技術(shù)。

電價(jià)型需求側(cè)管理

電價(jià)型需求側(cè)管理主要根據(jù)負(fù)荷特性，發(fā)揮價(jià)格杠桿調(diào)節(jié)電力供求關(guān)系，刺激和鼓勵(lì)用戶改變消費(fèi)行為和用電方式，減少電力需求和電量消耗。目前常用的手段包括：

（1）調(diào)整電價(jià)結(jié)構(gòu)：國內(nèi)外通行的方法主要有設(shè)立容量電價(jià)、峰谷電價(jià)、季節(jié)性電價(jià)、可中斷負(fù)荷電價(jià)等，通過價(jià)格體現(xiàn)電能的市場差別，不僅激發(fā)電網(wǎng)公司實(shí)施需求側(cè)管理的積極性，又促進(jìn)用戶主動參與需求側(cè)管理活動。

（2）開展需求側(cè)競價(jià)：電力終端用戶采取節(jié)電措施消減負(fù)荷，用戶削減的電力和電量在電力交易所通過招標(biāo)、拍賣、期貨等進(jìn)行交易，獲取經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

（3）直接激勵(lì)措施：給予購置削峰效果明顯的優(yōu)質(zhì)節(jié)電產(chǎn)品用戶、推銷商或生產(chǎn)商適當(dāng)比例的補(bǔ)貼，吸引更多的參與者參與需求側(cè)管理活動，形成節(jié)電的規(guī)模效應(yīng)；對于優(yōu)秀節(jié)電方案給予“用戶節(jié)電獎勵(lì)”，激發(fā)更多用戶提高用電效率的熱情；向購置高效節(jié)電設(shè)備，尤其是初始投資較高的用戶提供低息或零息貸款，以減少它們參加需求側(cè)管理項(xiàng)目在資金方面存在的障礙；對收入較低或?qū)π枨髠?cè)管理反應(yīng)不太強(qiáng)烈的用戶實(shí)行節(jié)電設(shè)備免費(fèi)安裝或租賃，以節(jié)電效益逐步回收設(shè)備成本。

儲能靈活性資源特性

儲能技術(shù)不僅可以削峰填谷，平滑負(fù)荷，還可以提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動，特別是儲能技術(shù)與可再生能源的結(jié)合，能顯著提高可再生能源的利用效率。現(xiàn)有的儲能技術(shù)主要包括：電池儲能、抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等，其中抽水蓄能將負(fù)荷低谷期多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻迤诟邇r(jià)值的電量，不僅適用于調(diào)頻、調(diào)相、穩(wěn)定電力系統(tǒng)周波和電壓，而且適宜作為事故備用，是當(dāng)前電力系統(tǒng)主要的靈活性資源。

表 1 給出了一般情況下各種儲能技術(shù)的性能對比，電池儲能和飛輪儲能響應(yīng)時(shí)間很短，但存儲容量較小，經(jīng)濟(jì)性較差；壓縮空氣儲能存儲容量最大可至 100 吉瓦時(shí)，但響應(yīng)時(shí)間較慢。儲能技術(shù)本身可為電力系統(tǒng)提供或吸收大量的有功功率，抽蓄等儲能技術(shù)是電力系統(tǒng)靈活性的重要來源；伴隨技術(shù)的快速發(fā)展，不同儲能方式可滿足不同時(shí)間尺度下靈活性需求。