高质量建成新型电力系统，加速发展低零碳灵活性资源

高质量建成新型电力系统，加速发展低零碳灵活性资源 2024.6 关于落基山研究所（RMI） 落基山研究所(RockyMountainInstitute,RMI)是一家于1982年创立的专业、独立、以市场为导向的智库，与政府部门、企业、科研机构及创业者协作，推动全球能源变革，以创造清洁、安全、繁荣的低碳未来。落基山研究所着重借助经济可行的市场化手段，加速能效提升，推动可再生能源取代化石燃料的能源结构转变。落基山研究所在北京、美国科罗拉多州巴索尔特和博尔德、纽约市及华盛顿特区设有办事处。 作者与鸣谢 作者 落基山研究所：陈梓浩，高硕，李婷，刘雨菁，刘子屹，田嘉琳，张沥月，周勤 清华大学能源互联网创新研究院：戴璟，高钰，孟垚，秦佩欣，许庆宇中国电建集团青海省电力设计院有限公司：李洛，吕钧章 作者姓名按姓氏首字母顺序排列。 联系方式 刘雨菁，yujingliu@rmi.org 张沥月，liyue.zhang@rmi.org 引用建议 张沥月，许庆宇，刘雨菁等.高质量建成新型电力系统，加速发展低零碳灵活性资源，落基山研究所，2024, https://rmi.org.cn/insights/clean_power_system_flexibility_resources RMI重视合作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过知识共享CCBY-SA 4.0许可参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/除特别注明，本报告中所有图片均来自iStock。 鸣谢 本报告作者特别感谢以下来自企业和研究机构的专家对报告撰写提供的洞见与建议。 陈耀国家电网青海省电力公司 鲁宗相清华大学能源互联网创新研究院 申展中国南方电网有限责任公司 张文松中国电建集团青海省电力设计院有限公司 特别感谢ClimateImperativeFoundation对本报告的支持。 本报告所述内容不代表以上专家和所在机构，以及项目支持方的观点。 目录 导言7 一、充裕的灵活性是新型电力系统的核心特征9 1.1新型电力系统的特征9 1.2电力系统灵活性的内涵10 1.3电力系统灵活性的供需平衡12 1.4电力系统灵活性充裕度评估指标体系15 1.4.1灵活性指标综述15 1.4.2直观型灵活性指标体系设计18 二、加速发展低零碳灵活性技术迫在眉睫20 2.1中国电力系统灵活性供需的具体现状20 2.2电力系统灵活性技术概况21 2.2.1源侧灵活性技术22 2.2.2储侧灵活性技术23 2.2.3荷侧灵活性技术25 2.2.4网侧灵活性技术27 三、省级电力系统灵活性分析-以青海省和广东省为例28 3.1新能源外送大省低零碳灵活性技术的大规模应用28 3.1.1青海省构建零碳电力系统的现状与愿景28 3.1.2青海省2023-2030年电力系统灵活性评估29 3.2电力消费大省的系统灵活性挑战与应对之道37 3.2.1广东省构建零碳电力系统的现状与愿景37 3.2.2广东省2023-2030年电力系统灵活性评估38 3.3小结49 四、政策建议50 附录52 附录一确定型灵活性指标计算公式52 附录二青海省电力模型关键输入、假设和结果54 附录三广东省电力模型关键输入、假设和结果55 图表目录 图表1各组织对电力系统灵活性的定义9 图表2部分国际知名学者对灵活性的定义10 图表3不同时间尺度的电力系统灵活性供需情况11 图表4美国加州春季（3月-5月，2015-2023年）最低净负荷日的净负荷小时曲线12 图表5美国得克萨斯州2021年2月极端低温下用电负荷（2月7日至2月13日）14 图表6中国风电、光伏、水电利用小时数年度变化15 图表7灵活性指标类型总结15 图表8FlexibilityChart示意图16 图表9山东省2019年单小时净负荷爬坡持续时间曲线（模拟数值）17 图表10灵活性缺额不同时间尺度折线图（例图）18 图表11本报告设计的灵活性指标体系示意图19 图表12中国各类型发电装机占比（2011-2023年）20 图表13各类灵活性技术评分21 图表14直流输电技术比较27 图表15青海省2030年枯水季（1月）和丰水季（7月）日内平均负荷与新能源发电能力（模拟结果）30 图表16青海省2023-2030年各月最大1小时向上和向下调节需求（模拟结果）30 图表17青海省枯水季（1月）和丰水季（7月）日内1小时爬坡需求年度变化（模拟结果）31 图表18青海省枯水季（1月）和丰水季（7月）日内8小时爬坡需求年度变化（模拟结果）31 图表19既有政策情景下青海省2023-2030年系统灵活性充裕度指标雷达图（模拟结果）32 图表20既有政策情景下青海省2023-2030年资源灵活性参数类指标雷达图（模拟结果）32 图表21既有政策情景下青海省2023-2030年资源灵活性可利用空间类指标雷达图（模拟结果）33 图表22既有政策情景下青海省2023-2030年资源灵活性爬坡类指标雷达图 (左侧：1小时向上爬坡；右侧：1小时向下爬坡)（模拟结果）33 图表23青海省2023-2030年需求响应情景较既有政策情景日内最大1小时向下调节变化天数占比（模拟结果）.34图表24青海省储能需求响应情景和既有政策情景储能发电量对比(左：电化学储能；右：抽水蓄能)（模拟结果）34图表25青海省需求响应情景和既有政策情景向下爬坡缺额对比（模拟结果）35 图表26青海省源荷复合情景和需求响应情景火电发电量对比（模拟结果）35 图表27青海省源荷复合情景和需求响应情景弃风弃光量对比（模拟结果）36 图表28青海省既有政策情景下省内输电平均利用率（左）和阻塞率（右）（模拟结果）36 图表29海西地区至西宁及周边地区通道2030年枯水季（1月，上）和丰水季（7月，下） 日内各小时平均利用率（模拟结果）37 图表30广东省2030年不同季节平均日内负荷和新能源出力（模拟结果）39 图表31广东省2025年和2030年不同季节日内平均1小时灵活性调节需求（模拟结果）40 图表32广东省2025年和2030年不同季节日内平均8小时灵活性调节需求（模拟结果）40 图表33既有政策情景下广东省2023-2030年系统灵活性充裕度指标雷达图（模拟结果）41 图表34既有政策情景下广东省2023-2030年资源灵活性参数类指标雷达图（模拟结果）41 图表35既有政策情景下广东省2023-2030年资源灵活性可利用空间类指标雷达图（模拟结果）42 图表36既有政策情景下广东省2023-2030年资源灵活性爬坡类指标雷达图 (左侧：1小时向上爬坡；右侧：1小时向下爬坡)（模拟结果）42 图表37广东省需求响应情景下2030年各月需求响应电量（模拟结果）43 图表38广东省需求响应情景和既有政策情景向上爬坡缺额对比（模拟结果）43 图表39广东省2023-2030年需求响应情景较既有政策情景煤电和气电发电量减少量（模拟结果）44 图表40广东省需求响应情景和既有政策情景储能发电量对比（左：电化学储能；右：抽水蓄能）（模拟结果）44 图表41广东省2023-2030年需求响应情景较既有政策情景碳排放减少量(左) 和总系统成本减少量(右)（模拟结果）45 图表42广东省严控煤电情景和需求响应情景煤电发电量和容量系数对比（模拟结果）42 图表43广东省严控煤电情景较需求响应情景省间外购电量年度变化（模拟结果）42 图表44广东省严控煤电情景和需求响应情景下需求响应电量对比（模拟结果）47 图表45广东省既有政策情景下2024-2030年储能利用系数和运行系数（模拟结果）48 图表46广东省既有政策情景下抽水蓄能2023-2030年平均每小时充放电情况（模拟结果）48 图表-附录1计算机组可调节能力所需数据52 图表-附录2传统火电机组灵活性调节能力计算方式53 导言 随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，能源领域碳减排，尤其是以清洁低碳为核心目标的新型电力系统建设，是“双碳”目标实现的重要路径。在此背景下，我国大力发展以风电、光伏发电为主的新能源。2023年风电和光伏发电新增装机量在总新增装机量中占比为82%，并且截至2023年底累计装机量占比已从截至2020年底的24%增加到36%。 电源结构的变化和日益增长的用电需求对电力系统的调节能力和支撑能力带来了挑战。新能源自身的间歇性、随机性、波动性增加了系统调节需求，但其电力支撑能力又较常规电源不足。综合来看，新能源大规模高比例的发展不仅为电力的安全稳定供应增加了难度，也增加了新能源自身的消纳风险。另一方面，我国经济社会的发展将推动电力需求保持稳定增长，并且尖峰负荷规模持续增加，进一步增加了电力系统的调节需求。 在系统灵活性问题愈发凸显的背景下，新型电力系统的建设强调将柔性灵活作为重要支撑，要求不断提升源网荷储灵活互动和需求侧响应能力。我国持续推进各类灵活性资源建设，先后针对煤电机组改造升级、抽水蓄能和新型储能发展出台相关规划和指导意见；组织修订了《电力需求侧管理办法》，挖掘需求侧资源；并于2024年1月出台了《关于加强电网调峰储能和智能化调度能力建设的指导意见》，着力提升电力系统调节能力。 由于煤电资源禀赋充足、技术成熟并且具有成本优势，我国近期的灵活性调节能力建设仍以拥有灵活性调节能力煤电为主（包括煤电灵活性改造和新建煤电机组）。2022年和2023年，煤电项目核准速度加快，新核准的煤电项目分别为104GW和114GW，而在2017-2021年间每年平均新核准的煤电项目不超过50GW。截至2023年底，我国在建的煤电项目为140GW，宣布或者核准的煤电项目达268GW。然而，过度依赖煤电不仅使得灵活性供应结构过于单一，难以满足多时间尺度的灵活性需求，更在长期为“双碳”目标的实现带来了压力，并且煤电灵活性改造使得煤电机组能够在更低工况下运行，导致煤耗上升、设备寿命缩短、脱硫脱硝效果降低等问题出现。 除煤电以外的其他灵活性资源在清洁低碳方面更具优势，但在实际开发利用中仍面临挑战。一方面，部分灵活性资源技术成熟度有待提升，商业规模化程度有限；更重要的是，目前在电力规划、调度运行和市场交易等方面均未将低零碳灵活性资源充分纳入，并且相关政策制定者、系统规划和运行人员对此类新技术信心不足，在发展和应用低零碳灵活性资源方面动力有限，致使上述各类灵活性资源尚未在实际电力系统运行中充分发挥作用。 为更好地与“双碳”目标保持一致，高质量建成新型电力系统，我国急需加速发展低零碳灵活性资源，提前优化布局全面多元、清洁低碳的电力系统灵活性供应体系。在这一过程中，相关政策制定者、系统规划和运行人员需准确了解系统灵活性充裕度情况，有效评估各类资源在系统中的灵活性供应能力，从而确定最优的灵活性资源部署和调用方案，充分激发各类灵活性资源的潜力。 落基山研究所多年来深耕中国电力系统的低碳转型进程，在全国及地方等多个层面，针对政策法规、电力市场、技术创新等多个方面开展了一系列的研究。2022年以来，我们工作的核心关注点之一便是加速提升电力系统的灵活性与可靠性，支撑“安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合”的新型电力系统。在近年的工作中，我们发现针对系统灵活性问题，目前国内缺乏能够定量且直观评估电力系统灵活性供需的指标体系，低零碳灵活性资源在系统中发挥的作用难以得到有效评估，致使各相关方对低零碳灵活性资源的价值认识不足，阻碍了灵活性资源能力的有效释放。 为此，本报告从指标体系搭建、技术评估对比、省级案例分析等方面对我国电力系统灵活性资源的发展和评估进行了研究，并结合具体省份新型电力系统建设情况分析了低零碳灵活性资源在其中发挥的作用，最后针对研究中识别的低零碳灵活性资源发展障碍提出相应的政策建议。 •在总结各类灵活性定义和灵活性指标的基础上，设计了直观型灵活性指标体系，从系统灵活性充裕度和资源灵活性大小这两方面