近日，國際可再生能源機構（IRENA）發佈《能源轉型之電網靈活性》報告指出，全球能源系統正在加速邁向綠色低碳的未來，伴隨這一轉變可再生能源部署速度和規模不斷增加，尤其是風能和太陽能光伏發電，使其在電網中的佔比不斷增加。然而當前的電力系統無法同等消納隨之產生的可再生能源電力，同時可再生能源固有的波動性給電網穩定性帶來了潛在的威脅，上述問題給電力系統運營商和監管當局帶來了嚴峻挑戰。在此背景下，對現有的電力系統進行全方位的改進和升級以增強其靈活性，以應對日益增加的波動性可再生能源高比例併網帶來的電網穩定性衝擊問題顯得尤為重要。為此，報告提出了提高電網靈活性的建議，並提出評估電網靈活性的新工具FlexTool，該工具目前已用於哥倫比亞、巴拿馬、烏拉圭和泰國。
（來源：先進能源科技戰略情報研究中心 ID:CASEnergy 作者：CASEnergy）
報告要點如下：
1、能源轉型中的靈活性需求
•以化石燃料為主體的能源系統正逐步轉變成以可再生能源為主體的能源系統，意味著將消納更多可再生能源電力，這就要求電網具備更強靈活性。IRENA的全球能源轉型路線圖表明，到2050年，可再生能源將佔全球一次能源供應總量的60%。能源系統向可再生能源為主導轉變帶來了一系列挑戰，因為高佔比的波動性可再生能源（VRE）增加了對供需平衡的要求。在傳統的不包括VRE或VRE比例較低的電力系統中，通常由電力供應方提供靈活性，通過基於高效循環系統的火力發電（例如開式循環燃氣輪機）、靈活的可再生能源（如水力發電）和抽水蓄能以及儲能電池等平衡需求波動並提供備用容量。在過去五年中，太陽能和風能變化的影響已經開始在許多電力系統中體現：多個國家成功實施了若干複雜程度、時間尺度、有效性和成本各有特點的解決方案，這些方案促進了高比例VRE在大型電力系統（如丹麥）、吉瓦級電力系統（如愛爾蘭）和小島系統（如澳大利亞的金島）中的整合。解決方案主要包括分佈式風能和光伏發電、集中式風能和光伏發電、電力系統靈活性改造、改善電網基礎設施、部署先進的儲能系統、開發需求側管理計劃以及提高火力發電廠熱效率。
•為了進一步推進和實現能源轉型目標，需要充分發揮能源系統的靈活性，而需求側響應管理和終端用能耦合將在發揮系統靈活性中發揮關鍵作用。通過使用電阻制熱和熱泵來供暖，可以顯著提高需求靈活性。此外，區域供熱系統中存儲著大量熱能，可作為電力系統的能量存儲方式，提高需求靈活性，降低成本和排放，提高電力系統可靠性。公路貨運、航運和航空等部門無法使用電纜輸送的電力，只能靠燃料供能。一些工廠的加工過程也需使用燃料而非電力，如氨、聚合物生產需要氫以及某些高溫工藝需要燃料。在VRE佔比較高的系統，通過可再生電力生產氫等無碳燃料能為能源部門脫碳發揮重要作用。供暖方面，氫氣生產可以為電力系統提供靈活性（取決於電解槽的類型），最重要的是，將氫氣混合到天然氣網絡中可以實現可再生電力的季節性儲存。
•許多國家需要將太陽能和風能利用率提高到60%以上，以實現未來能源可持續發展。如丹麥和愛爾蘭是風能併網的領跑者，風電份額分別為44%和27%，最大瞬時滲透率分別超過需求的150%和60%。兩國的電力系統都經歷了一個轉型過程，其中的經驗教訓包括：1）提前設計靈活性比電力系統出現靈活性問題後再尋求解決方案更為經濟；2）通過釋放現有電力系統的靈活性而不是投資新的昂貴設施，可以整合大量的VRE；3）在選擇解決方案時，必須考慮項目開發時間，特別是許可和施工時間；4）靈活性的規劃需要採用複雜的工具和方法，這些工具和方法隨著政策、經濟和技術/科學的發展而變化。
2、電力系統靈活性
傳統電力系統靈活性主要針對非波動性電力來源。傳統電力系統不包含VRE，其主要變化來源是電力需求，這取決於氣候和社會經濟。電力系統運營商通過電力市場輔助服務，應對發電機隨機停運、負荷波動、線路故障等導致的電力系統失衡以及由於需求預測錯誤導致的實時不平衡。為系統提供基本負荷的發電機組，如煤電、生物質發電和核電，多使用蒸汽輪機發電，循環能力有限。峰值發電機專為靈活運營設計，通常是燃氣輪機和內燃機。現代聯合循環燃氣輪機和水力發電機組被稱為中間發電機，可用於提供基本負荷或峰值負荷。
隨著波動性可再生能源的份額上升，電力系統運營複雜性也在增加。在VRE份額較低時，淨負荷和需求之間差異很小。隨著VRE的增加，兩者之間出現越來越明顯的差異。靈活性不足的電力系統可能會削減VRE，在極端情況下會出現負荷損失。在凌晨以及光伏發電高峰期，則可能出現電力過剩，並導致電價下降。除了電力過剩的經濟影響之外，VRE瞬時份額過高還會造成電網慣性不足的可靠性風險，通常通過削減VRE，減少其輸出作為緩解措施，但這會產生經濟損失和環境、電力、燃料的負面影響。高比例的VRE還會導致電網淨負荷增長速度變快，為系統帶來更大考驗。在應對系統不確定性方面，電力系統監管要求運營商時刻保證一定數量的儲備電力，隨著VRE佔比提高，對VRE發電的預測誤差成為不確定性的主要來源。另外，太陽能和風能的不確定性還從時間尺度上（幾秒鐘到幾個月）影響系統運行。例如，幾秒鐘的變化會影響系統的頻率調節能力，15到30分鐘的變化會影響運行儲備的負荷跟蹤和規模，季節性變化會影響水電中期存儲規劃和電網長期容量規劃。
靈活的電力系統應在所有時間尺度上經濟、高效、可靠。主要包括如下特徵：1）滿足峰值負荷和峰值淨負荷，避免負荷損失；2）始終保持供需平衡，確保提供足夠的出力調節能力、快速啟動能力以及在低淨負荷下運行的能力；3）具有足夠的存儲容量以平衡高VRE發電時段和高需求但低VRE發電的時段；4）整合發電以調整需求應對供應短缺或電力過剩的時段；5）通過始終保持足夠的儲備供應，以減輕電力系統失穩；6）在精心設計的市場下運營，其靈活性不受市場不足的影響。
3、電網靈活性來源
•技術靈活性。技術靈活性與系統物理結構密切相關，主要包括：（1）供應側靈活性。這與發電技術密切相關，如水力發電機和開式循環燃氣輪機是最靈活的常規發電機之一。（2）儲能。抽水蓄能電站、飛輪和壓縮空氣儲能（CAES）在發電突然損失的情況下可以作為第一道防線，並且減少系統對火力發電的依賴。在幾秒到幾分鐘的時間範圍內，主要通過電池和抽水蓄能電站提供儲備。在較長時間內，通過抽水蓄能電站、CAES、長時儲能電池和蓄熱等技術提供靈活性。此外，電池還可以提供廣泛的服務，例如安裝在電動汽車中取代化石燃料，在微型電網中實現高比例VRE。在VRE集成水平很高的情況下，還可利用可再生能源生產的氫氣為工業、建築、運輸等部門提供燃料，下游的天然氣基礎設施、氫供應鏈等行業可作為VRE季節性存儲的緩衝器。（3）需求側靈活性。需求響應可以與儲能共同提高系統靈活性，通過價格信號或長期直接負荷控制協議調整用戶電力需求。通過使用時間定價機制，在電力過剩期間調整需求以支持VRE發電。電力公司通過直接負荷控制減少VRE不確定性對電網的影響，一些電力市場鼓勵負荷聚合商參與其中，提升系統靈活性。（4）電網靈活性，通過強大傳輸網絡平衡較大區域的供需；通過跨境互連確保國家或地區電力交換的靈活性（如果市場允許）；通過先進控制技術以加強系統通信，實現發電機的自動控制、需求響應的自動激活或先進電流控制（如柔性交流輸電系統<facts>）。圖1顯示了提高系統靈活性的技術。/<facts>
圖1增強系統靈活性的技術選擇
•運營靈活性。除了電網中各項技術的限制之外，運營靈活性還與監管和市場環境有關。如大型國有電力系統被分解為各省份獨立運營，通過集中調度或電力市場管理電力交換，某些情況下由於缺乏有效協調導致電力交換受到限制，抑制了系統靈活性。通過中央調度和建立根據價格信號安排電力交易的市場是解決該問題的較好方法，區域定價和節點定價也有助於解決傳輸擁堵問題，避免重新調度。電網運營決策應確保系統需求、技術限制和盈利之間的平衡。
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