新式电力系统中“水储能”定位与发展前景
因为新动力发电特性的随机性、波动性和间歇性，加之负荷侧发用一体，构成“源荷互动”局势，发用两边均出现高度不确认性。因而，面对新动力“大装机、小电量”下的电力供应，“高份额电力电子设备、高份额新动力”双高体系安全安稳运转要求，迫切需求添加储能设备进步体系调理才能，保证完成体系电力电量实时平衡。在新式电力体系中，“储”的定位将与“源网荷”偏重，构成源网荷储、多能互补的协同需求。
2021年，作为“十四五”局面之年，也是“双碳”战略方针实践的榜首年，国家对未来中长期展开进行了顶层规划。2021年3月发布《国民经济和社会展开第十四个五年规划 和2035年前景方针大纲》，提出加强源网荷储联接，进步清洁动力消纳和存储才能，加速抽水蓄能电站建造和新式储能技能规划化运用。
2021年9月中共中央、国务院《关于完好精确全面遵循新展开理念做好碳达峰碳中和作业的定见》作为碳达峰碳中和“1+N”方针体系的纲目，也清晰要求加速推进抽水蓄能和新式储能规划化运用，加速构成以储能和调峰才能为根底支撑的新增电力装机展开机制。2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰举动计划》，要求活跃展开“新动力+储能”、源网荷储一体化和多能互补，支撑分布式新动力合理装备储能体系。到2025年，新式储能装机容量到达3000万千瓦以上。到2030年，抽水蓄能电站装机容量到达1.2亿千瓦左右，省级电网根本具有5%以上的尖峰负荷呼应才能。
2022年1月，国家展开变革委、国家动力局印发《关于完善动力绿色低碳转型体系机制和方针方法的定见》，再次提出活跃推进流域操控性调理水库建造和惯例水电站扩机增容，加速建造抽水蓄能电站，探究中小型抽水蓄能技能运用，推行梯级水电储能；鼓舞新动力发电基地进步自主调理才能，探究一体化参加电力体系运转，完善抽水蓄能、新式储能参加电力商场的机制，更好发挥相关设备的调理效果。
在相关方针支撑层面，早在2018年国家展开变革委就托付展开黄河上游（龙羊峡-青铜峡河段），雅砻江中下流（两河口-江口河段）水电规划调整作业，提出扩机、增建抽水泵或可逆机组的水电规划调整计划。2020年5月，中共中央、国务院印发《新时代推进西部大开发构成新格局》，提出加强可再生动力开发运用，展开黄河梯级电站大型储能项目研讨，初次将梯级水电储能列入国家和区域要点研制方向。
在抽水蓄能方面，在全国乃至全球储能装机规划中占比超90%。2014年国家展开变革委《关于完善抽水蓄能电站价格构成机制有关问题的告诉》清晰了两部制电价定价机制和出资主体多元化。2021年5月，国家展开变革委再次发布《关于进一步完善抽水蓄能价格构成机制的定见》，清晰以竞赛方法构成电量电价，完善容量电价核定机制，容量电费归入输配电价收回，方针上辅导了抽水蓄能电站本钱引导问题。同年8月，国家动力局印发《抽水蓄 能中长期展开规划（2021-2035 年）》，提出加速建造抽水蓄能电站的定见，2025年投产规划在6200万千瓦以上，2030年到达1.2亿千瓦，2035年构成满意新动力高份额大规划展开需求的工业化展开。
在新式储能方面，2021年7月国家展开变革委、国家动力局在《关于加速推进新式储能展开的辅导定见》中清晰，到2025年，完成新式储能从商业化初期向规划化展开改动，装机规划达3000万千瓦以上。到2030年，完成新式储能全面商场化展开，健全新式储能价格机制和“新动力+储能”项目鼓励机制。2022年2月印发的《“十四五”新式 储能展开施行计划》，要求2025年电化学储能体系本钱下降30%以上，推进多元化技能开发和运用，加大“新动力+储能”支撑力度，2030 年商场机制、商业形式、规范体系老练健全。
在详细项目施行层面，为充沛体现储能对新动力的支撑效果，2021年7月，国家展开变革委、国家动力局印发《关于鼓舞可再生动力发电企业自建或购买调峰才能添加并网规划的告诉》鼓舞发电企业经过自建或购买调峰储能才能的方法，添加可再生动力发电装机并网规划。要求超越电网企业保证性并网以外的规划初期依照功率15%的挂钩份额（时长4小时以上）配建调峰才能，依照20%以上挂钩份额进行配建的优先并网。电力体系调峰和储能详细包含抽水蓄能、化学储能电站、气电、光热电站或具有灵敏性调理的火电。
到2020年末，我国电力储能容量的总规划3500万千瓦左右，未来可期的2030年，储能规划有望超越2.2亿千瓦，完成5倍以上添加。在双碳方针的驱动下，储能职业在担负历史使命的一起，迎来了史无前例的展开机会。
电力体系储能首要包含电物理储能、电化学储能、电磁储能等。电物理储能的代表性技能有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能；电化学储能的代表性技能有锂离子电池、铅蓄电池、液流电池；电磁储能有超级电容储能、超导储能等。
依据运用场景不同，储能设备还区分为电源侧储能、电网侧储能、负荷侧储能；依据储能时长，区分为短、中、长时储能。更有从技能老练度、商场占有率等视点，区分为抽水蓄能和新式储能。
抽水蓄能和压缩空气储能，对地势地质条件的要求较高。抽水蓄能技能更为老练，合适建造大型储能电站。压缩空气储能尚处于演示运用阶段，规划很小。小微型飞轮储能前期首要用作重要设备的不间断电源，2019年兆瓦级飞轮储能商业运用获得打破后，在调频范畴也遭到重视。
电化学储能，近年来本钱下降快，要害技能密布打破。锂离子电池的能量密度大、功率功用高、呼应速度快，运用最广泛，在电化学储能装机容量中占比近90%。铅蓄电池技能老练、本钱贱价，在前期项目运用较多，近年来受环保等要素影响，商场份额快速下降。液流电池具有储能时间长、容量大、循环周期长等优势，已接入演示运用阶段。超级电容可运用在轨道交通等非电范畴，超导储能更多被用作体系设备部件或元器件。现在跟着技能立异脚步加速，氢储能、重力势能储能等技能研制也不断获得新的打破，根本具有演示运用条件。
储能商场的全体规划上，2020年末，全球储能已投运项目装机容量超1.9亿千瓦，其间抽水蓄能1.725亿千瓦，占比90%，其次，是电化学储能1420万千瓦，占比 7.5%。到2020年末，我国储能总装机规划约3500万千瓦，其间，抽水蓄能3149万千瓦，电化学储能328万千瓦。
在一起应对气候改动、大力展开可再生动力、完成全球动力转型的时代背景下，全球储能职业迅猛展开。依据世界可 再生动力署（IRENA）《电力贮存与可再生动力：2030年的本钱与商场》，到2030年，抽水蓄能装机规划将到达2.3亿千瓦；世界动力署（IEA）《2050净零排放：全球动力路线图》估计到2030年，只考虑抽水蓄能和电化学储能添加的景象下，储能总装机容量将达8.2亿千瓦。依据我国对储能职业的规划和预期，2030年，国家电网区域内抽水蓄能电站装机将从现在的2630万千瓦进步至1亿千瓦，电化学储能由300万千瓦扩展至1亿千瓦。
世界和国内业界对储能规划猜测全体都持乐观态度。这与当时新动力开发气势和体系调理电源匮乏密切相关。从我国新动力展开规划来看，2030年我国风电、光伏等间歇性可再生动力装机容量在12亿千瓦以上。依据相关猜测，2060年，电力总装机容量达80亿千瓦，风电光伏装机规划将达50亿千瓦，装机占比超越60%，新动力发电量超9万亿 千瓦时，电量占比超越50%，成为电量供应的主体。
依据此规划，即便仅考虑15%至20%的调理电源配比，对调理才能的要求也在7.5亿～10亿千瓦。到2021年末，我国发电总装机容量23.8亿千瓦，电力体系储能规划约4000万千瓦级，因而估计2030年，我国储能规划将超出现在的规划方针，亟需促进储能职业跨越式展开。
所谓“水储能”是依据电力体系需求或合作新动力发电需求，以水体为介质，经过水库与机组进行蓄放水调理，发挥调峰填谷、盯梢负荷和电量时移等效果。抽水蓄能电站运用上下水库进行抽水蓄能，是最典型的“水储能”方法。本来惯例水电站简直都是依照独立电源规划的，机组运用小时数较大。为添加调理才能，可以在水库库容不变的情况下，经过扩机增容，或许在上下梯级间增设可逆式机组或泵站，增大电站调理才能。
储能设备依据其功用功用，服务于不同场景。一是装备在电网侧，完成调峰填谷、调频调压、黑发动、推迟体系扩容等功用；二是装备在新动力并网前的电源侧，滑润新动力出力、完成电量时移；三是装备于用户侧，满意其顶峰负荷用电需求，峰谷套利并下降用电本钱。当时储能运用场景的盈余形式首要经过价差套利和为电网供给辅佐服务，但商业形式尚不老练。
值得重视的是，跟着新式电力体系新动力浸透率不断进步，风电、光伏发电的不安稳性将从电源侧传导至源网荷储各环节。这种不安稳性不仅是波动性的——光伏发电构成的“鸭形曲线”，并且是间歇性的，长时接连无风、阴雨气候下体系有用容量彻底缺失。因而长时储能（4h以上）将成为电力储能的刚需。
关于长时储能，通常指接连运转（放电）在4小时以上，循环运用，寿数期不低于20年。2021年，在格拉斯哥联合国气候改动峰会上，英国石油公司、西门子动力公司等25家动力科技公司联合成立了长时储能理事会，鼓舞大规划部署长时储能体系。2022年，英国商业、动力和工业战略部（BEIS）拨款开发立异性储能技能，触及储热、储电、储氢等范畴，瞄准重力储能、压缩空气储能、惯例及海水抽水蓄能等高容量、高功用、低本钱、长时储能项目方向。
放眼全球，现在最具实践价值的储能调理技能是抽水蓄能电站和具有调理功用的惯例水电站。它们将在新式电力体系源网荷储的各环节起到不行代替的效果。
抽水蓄能技能经济方针最优、能量规划最大的储能种类，是“水储能”最典型方法。在构建新式电力体系的要害途径上，抽水蓄能凭仗其调峰、填谷、储能、调频、调相、事端 备用、黑发动等功用，具有增强电力体系应对突发事件才能的安全保证效果、盯梢体系需求快速反应的灵敏调理效果和全生命周期高效循环运用、减排降碳、规划效益明显的绿色储能效果。与电化学储能现在优势会集在4h以下的短时储能，要点发挥调频成效比较，抽水蓄能优势体现在6以上中长时储能，具有明显的电量时移成效和经济价值。
抽水蓄能现在首要服务于电力体系，经过健全完善电价机制，拟将经过容量电价方法引导开发本钱。与此一起，跟着新动力基地大规划开发建造，电源侧装备的抽水蓄能将以服务于特定用户的方法获取资源配套和一体化开发权益。在深度推进电力商场化变革的趋势下，抽水蓄能有望装备在用户侧，面向城市归纳动力服务和大用户的储能需求。
经济性上，现在电化学储能的初始本钱下降很快，2020年末已降至1.5元/瓦时。可是，鉴于电化学储能的运用寿数较短，比方锂离子电池电芯寿数充放电5000次左右，调峰场景下运用寿数5～10年、调频场景下3～5年。依据世界通用储能本钱点评方针——储能设备全生命周期储能平准化（度电）本钱LCOS（Levelized Cost of Storage）进行点评，现在我国电化学储能的均匀度电本钱仍高于每千瓦时0.5元（储能时长3h）。
抽水蓄能电站建造多以单位千瓦出资来衡量工程的经济水平。现在具有技能经济可行性的电站，其单位千瓦出资在5500～6500元。在当时电力体系下，因为尚缺少对抽水蓄能的调度机制，暂按年被调用小时数1000h计，电站运营期40年，换算得到均匀本钱仅0.2元/千瓦时左右。因为抽水蓄能电站较长的运用寿数，一起兼有其他运转效益和生态环境效益，因而在全生命周期的经济性和归纳效益方面远优于电化学储能以及其他储能设备。
到2021年末，全国已建在建惯例水电站约3.9亿千瓦。以流域水电基地为根底的水风景储一体化清洁动力基地正在规划之中，经过发挥惯例水电的调蓄储能潜力和“西电东送”输电才能，可以极大带动和促进相关流域风能、太阳能和生物质能资源的开发运用，构成流域可再生动力一体化开发。因而，当时景象之下，优先研讨惯例水电站的“水储能”成效，充沛发挥我国现有水电站的效果，挖潜改造、扩机增容，加大调理才能，对促进全国首要流域可再生动力开发运用具有十分重要的效果。
现在，我国正在开发或已建成的十三大流域水电基地，装机规划巨大。流域归纳规划、梯级翻滚开发，龙头水库和梯级电站等多种调理功用水库并存，流域梯级全体调理才能不断进步。在流域梯级研讨水风景互补，实质上是依托梯级水电站的“水储能”效果，为间歇性、波动性的风电、光伏发电进行补偿服务。2022年3月，国家动力局印发《关于展开全国首要流域可再生动力一体化规划研讨作业有关事项的告诉》，正是依据流域水电出力与风电、光伏发电特色的互补效果，推进完成流域可再生动力归纳集约高效一体化开发。
流域梯级水电开发的机组运用小时数一般在4000小时以上，“西电东送”直送或许打捆外送的水电站运用小时数更高。考虑到汛期防洪和其他归纳运用要求，水库现有库容无法额定满意新动力的储能补偿调理要求。为此，在大坝不改，库容不变的情况下，采纳扩机增容的方法，加大发电放水才能，优化水库调度方法，便可进步电量时移的储能效果。
惯例水电站的扩机增容可以多种多样。老旧机组可以经过设备的更新改造进行增容，经过水道和机组的改造添加过水才能，还可以直接新增发电机组。这些扩机增容方法，不需求添加水库库容，只改动水库调度运转方法，并且在水电站工程原有征地红线范围内施工，根本不新增建造用地，因而环境影响较小，工程造价较低，乃至远低于新建抽水蓄能电站。
为充沛运用水能资源，关于上下流水位联接的梯级水电站，在水库库容满意的情况下，可以考虑装置可逆式机组或储能泵站，成为一种共同的梯级水电储能方法。早在2018年，规划研讨机构就提出了黄河流域上游建造储能工厂的想象， 希望依托西北地区黄河流域充裕光伏电量和梯级电站相邻水库库容，经过削减光伏弃电、余电运用，从下流梯级水库向上游梯级水库抽水，在用电顶峰时段进行水力发电，完成电量时移，将光伏充裕贱价电转化为高质量高价水电。
自2020年梯级水电储能的概念列入西部大开发构成新格局的中央文件以来，已展开设备实验和工程可行性研讨，计划 “十四五”期间开工建造，并将作为运用推行的试点项目。若选用水泵水轮机可逆式机组，将具有容量效益，发生双倍调峰效应，而储能时长与水库库容、水泵水轮机组抽水发电水头流量等要素有关，具有长时储能的条件。
现在展开的龙羊峡-拉西瓦梯级100万千瓦试点工程，可完成日内6～8h储能，单位千瓦出资约4500元。为满意8%内部收益率要求，考虑不同的建造本钱，抽水发电价差在0.2723～0.3491元/千瓦时。该套利价差亦优于现在电化学储能的度电本钱。梯级水电储能的运用寿数与水电站相同，至少在50年以上。因而，梯级水电储能项目也将得益于项目全生命周期的本钱优势，具有服务功用和经济性优势。
抽水蓄能、惯例水电扩机、梯级水电储能等“水储能”方法，在功用定位上具有长时储能和归纳调理优势，在经济性上依托土建机电工程具有全生命周期的本钱优势。研讨标明，2030年从前，电化学储能本钱尚无法下降至拐点，抽水蓄能具有技能经济优势。2030年之后，电化学储能本钱下降30%以上，抽水蓄能仍将在长时储能的细分商场上具有差异化竞赛优势。水电扩机增容、增设可逆式机组或储能泵站，是对我国既有水电的充沛运用、二次开发，且无需新建水库、大坝，环境影响相对较小，因而，“水储能”设备应该给予优先开发位置。
一是抽水蓄能规划的全局性。抽水蓄能电站选址虽需求具有必定的地势地质条件和水源条件，但全体而言，我国地大物博，抽水蓄能站址资源丰富。不同于电化学储能，抽水蓄能是依托于地势地质要素和电网布局要素的大中型水电工程，一次性出资大、工期较长，有必要进行全国、区域和省域的全体规划，依据区域经济结构展开和电力供需局势，依据新式电力体系需求和清洁动力基地布局进行开发规划，并做好与疆土空间规划、生态环境保护规划等的和谐。
二是抽水蓄能开发的战略性。抽水蓄能电站规划体量大，触及总出资动辄数十亿元、上百亿元。前期抽水蓄能电站由电网企业自建自用，内部核算，从前面对本钱收回困难、展开动力缺乏的问题。加速抽水蓄能电站开发，需求完善商场化体系机制，榜首，清晰蓄能电站的功用定位和运用规矩。第二，清楚出资报答 途径和完成方法。第三，鼓舞出资主体多元化，公平竞赛。当新动力+调理电源的大基地开发形式建立后，各类出资开发主体很多涌入抽水蓄能商场，为抽水蓄能展开按下快进键的一起，“新动力+抽水蓄能+X”开发形式的调度运营、盈余方法尚有待商场的进一步查验，需求跳出职业看展开，久远策划。
三是抽水蓄能建造的先进性。抽水蓄能电站建造周期长，触及水 电建造的各专业和谐和全过程操控。在当时“应开尽开”的思维主导下，有或许导致职业粗野成长，恶性竞赛，构成新的“三边”工程，因而在根本建造程序和工程质量安全上仍需严格把关。榜首，要分阶段展开规划作业，满意勘测规划深度要求。第二，要和谐好新动力开发、接入体系建造进展，力求同期建造、同步投入运转，防止出资积压。第三，针对要害技能和特别难题，要展开专项研讨证明，经多计划技能经济环境比较提出可行的解决计划。要防止落入重复建造和无效出资的圈套，全方位做好项目策划，保证高质量推进开发建造。
针对水电扩机和梯级储能：
一是惯例水电站的方针定位和使命调整。要依据流域可再生动力一体化规划建造的需求，对水电站进行惯例发电使命和水风景互补使命区分，并进行相应的规区分类和功用调整。
二是充沛研讨水电站扩机增容、梯级储能的建造条件。要量体裁衣确认扩机增容的计划。要针对水库现有的库容和运转方法，经过调理核算，考虑上下流梯级联接，确认扩机容量以及互补储能调理运用方法，研讨可以互补的新动力规划。
三是研讨加速水电站扩机增容、梯级储能的建造程序。关于归入可再生动力一体化建造规划的水电站扩机和梯级储能，应在批阅程序，特别是水保环保批阅上，考虑扩机增容的特色，在不改动流域环评的根底上，简化批阅核准流程。
四是建立健全水电扩机增容、梯级储能的商场机制，进步盈余才能。关于专门用于水风景互补的项目，要研讨经过容量电价、分时电价等，或许直接经过新动力出资主体购买“水储能”服务的方法，获得收益。
以水为介质的重力储能界说为“水储能”，现阶段包含抽水蓄能和惯例水电储能。惯例水电站进行机组扩机增容、加设水泵或水泵水轮机组等梯级储能，均能有用增强水电站的调理才能。
相较于电化学储能，抽水蓄能和惯例水电储能是现在工程技能最老练，运转调控更灵敏，安全可靠，更具规划化和长寿数，全生命周期经济效益最优的电力储能方法。抽水蓄能和惯例水电储能将有助于促进可再生动力的开发和消纳，助力新式电力体系构建。
在电力储能设备加速展开的鼓励方针驱动下，“水储能”和新式储能的规划建造均要坚持全局性、体系性、可靠性和和谐性准则，深入展开研讨证明，保证安全高效推进“水储能”和新式储能工业协同和谐和可持续展开，完成工业效益和社会效益的最优化。
周建平 作者供职于我国电力建造集团有限公司
李世东 作者供职于我国水力发电工程学会
高 洁 作者供职于水电水利规划规划总院
