在可再生能源主导的中国电力系统情景下提高电网灵活性

国际能源分析部能源分析和环境影响司劳伦斯伯克利国家实验室在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性江林*、Nikit Abhyankar*、何刚、Xu Liu2 和音胜飞*两位作者对本分析的贡献相同1石溪大学，2北京大学2021 年 8 月 免责声明本文件是作为对美国政府赞助的工作的描述而编写的。虽然本文件被认为包含正确的信息，但美国政府或其任何机构、加利福尼亚大学的董事或其任何雇员均不作出任何明示或暗示的保证，也不承担任何法律责任。披露的任何信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或有用性，或表示其使用不会侵犯私有权利。在此通过其商品名称、商标、制造商或其他方式提及任何特定商业产品、流程或服务，并不一定构成或暗示其得到美国政府或其任何机构或董事会的认可、推荐或青睐加州大学的。此处表达的作者的观点和意见不一定代表或反映美国政府或其任何机构或加州大学董事会的观点和意见。劳伦斯伯克利国家实验室是一个机会均等的雇主。版权声明本手稿由劳伦斯伯克利国家实验室的一位作者根据与美国能源部的合同编号 DE-AC02-05CH11231 撰写。美国政府保留，出版商通过接受文章出版，承认美国政府保留非排他性、已付费、不可撤销、全球范围的许可来出版或复制本手稿的出版形式，或允许其他人这样做，是为了美国政府的目的。 在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性│ PAGE \* roman1致谢本研究中描述的工作是在劳伦斯伯克利国家实验室进行的，并得到了 Hewlett 基金会、Growald 家庭基金会、中国能源基金会和 MJS 基金会以及美国能源部的支持，合同号为 DE-AC02-05CH11231。作者感谢以下专家审阅本报告（附属机构并不意味着这些组织支持或认可这项工作）：Fredrich Kahrl 3Rail IncMax Dupuy 监管援助项目远景能源基金会中国Robert Weisenmiller 加州大学伯克利分校达拉斯南卫理公会大学王建辉Chris Marnay Lawrence 伯克利国家实验室 James Hyungkwan Kim Lawrence 伯克利国家实验室 Junfeng Hu 华北电力大学，中国袁嘉海华北电力大学，中国 在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性│ PAGE \* roman2目录..................................................................................................................................................................一世........................................................................................................................................................................ii......................................................................................................................................................................三1..................................................................................................................................................................12..................................................................................................................................................................13..................................................................................................................................................................24..................................................................................................................................................................35................................................................................................................................................................116................................................................................................................................................................12 在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性│ PAGE \* roman3图表图 1. 2030 年不同碳减排情景下的装机容量和发电量 (1a) 和当前省级平衡 (1b) ....................................................4图 2. 中国在四种可再生能源情景下两级煤炭灵活度技术年发电量 (2a) 和可再生能源情景下两级煤炭灵活度全国平均调度 (2b).............................................................................................................................................5图 3. 中国全国年发电量（所有情景）（3a）和典型月份平均调度（可再生能源情景），省、地区和国家平衡（3b）..........................................................................................................................................................7图 4. 中国全国年发电量 (4a) 和平均调度 (RE 情景) 没有传输障碍率与 1000 美元/MW-km 传输障碍率 (4b) 在省级平衡下的比较................................................................................................................................................8图 5. 中国全国年发电量（所有情景）（5a）和平均调度（可再生能源情景），没有输电障碍率，省级平衡区与 1000 美元/MW-km 输电线路投资约束（5b）相比，具有更大的平衡区 ......................................................10图 6 不同场景下的平均电力批发成本（包括固定成本）...................................................................................11 在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性│11. 介绍中国电力行业是世界上最大的排放国之一，约占全球能源相关碳排放量的 14%。1可再生能源和存储成本的下降为电力部门的快速脱碳创造了重要的新机会，这在几年前是不可能的。最近使用最新的可再生能源和电池成本趋势的一些研究表明，到 2030 年，中国可以经济高效地将 60% 的电力部门脱碳。2中国认识到提升气候领导力和可持续发展的机会越来越多，承诺在 2020 年 9 月到 2060 年实现碳中和。此外，它设定了到 2030 年安装 1200 吉瓦太阳能和风能的目标。3虽然电力部门的快速脱碳和其他终端使用部门的电气化被认为是实现碳中和的关键战略，但在中国内部，对于维持以可再生能源为主导的电力系统的运营挑战，仍有相当多的争论。4,5在本文中，我们使用省级每小时系统调度和运行模拟来评估到 2030 年中国电力部门近乎完全脱碳的运行可行性。正在考虑的措施包括扩大当前省界以外的平衡区，扩大输电能力，提高现有燃煤电厂的灵活性，以及将可再生能源选址在负荷中心附近。2. 文献评论克服将更高渗透率的可再生能源并网的运营挑战需要改变运营、市场和投资规划。现有关于解决可再生能源可变性和促进可再生能源整合的研究集中在几个主要路线图上：6–8传播，9更大的平衡区域，存储，10需求响应、电力系统运行、电力市场和整合供荷传输。11Cochran (2015) 和 Martinot (2016) 总结了关键的电网整合战略，并将市场和系统运营确定为提高电网灵活性的最低成本来源。8,12电池和其他储能资源，尤其是长效储能，在渗透率更高的情况下也变得至关重要。10,13需求响应可用于提高电网灵活性，为供应侧投资提供可行、具有成本效益的替代方案。14–16市场设计对于确保资源充足性和足够的收入以在需要这些资源以实现可再生能源的高渗透率的长期可靠性时收回成本也至关重要，17并与排放交易系统 (ETS) 等其他市场工具保持一致。18在区域范围内，NREL 的可再生电力未来研究探讨了美国非常高的可再生发电水平的影响和挑战它表明到 2050 年有可能实现 80% 的可再生电网，而电网灵活性来自供应和需求侧选项，包括灵活的传统发电、电网存储、新输电、响应性更强的负载以及电力系统运行的变化。19–21最近的一项研究表明，由于太阳能、风能和存储成本的下降，到 2035 年实现 90% 的无碳电力是可能的。22类似的结果报告在 在中国可再生能源主导的电力系统情景下提高电网灵活性│2欧盟、印度和世界其他地区。例如，欧盟能源路线图 2050 显示了欧盟通过强调存储和氢的作用，可以实现 100% 可再生电网。23,24Deshmukh (2021) 和 Abhyankar (2021) 评估了印度的可再生能源整合，发现需要相当于平均每日可再生能源发电量的 10% 左右的昼夜储能才能可靠地整合高达 40-50% 的可再生能源渗透率。25多项研究评估了中国电力系统脱碳的整体潜力；很少有人研究关键的操作级细节和挑战。中国能源研究院 (2015) 探索了到 2050 年可再生能源占能源消耗的 60% 以上和电力消耗的 85% 以上的途径。4他等人。 (2020) 确定，到 2030 年，低成本可再生能源将促进中国 60% 以上的电力来自低碳能源。袁等人。 (2020) 以吉林省为案例研究，以 40% 的可再生能源渗透率评估系统灵活性，并建议升级煤炭和天然气发电厂并整合供应、传输、负载和存储资产。26丁等人。 (2021) 以江苏为例，表明改造燃煤机组