1、 HYPERLINK / 2021年10月 HYPERLINK / 專題報告 HYPERLINK / 電力系統靈活性提升：技術路徑、經濟性與政策建議目 錄 HYPERLINK l _bookmark0 摘要 01 HYPERLINK l _bookmark1 1 背景 16 HYPERLINK l _bookmark2 2 電力系統靈活性 19 HYPERLINK l _bookmark2 21 電力系統靈活性定義 19 HYPERLINK l _bookmark3 22 靈活性需求分析 20 HYPERLINK l _bookmark4 23 靈活性平衡分析 23 HYPERLINK l _

2、bookmark5 3. 電力系統靈活性資源 25 HYPERLINK l _bookmark5 31 電源側資源 25 HYPERLINK l _bookmark5 煤電靈活性改造 25 HYPERLINK l _bookmark6 燃氣發電 32 HYPERLINK l _bookmark7 其他可控電源 33 HYPERLINK l _bookmark8 32 需求側資源 36 HYPERLINK l _bookmark8 負荷特性變化與優化 36 HYPERLINK l _bookmark9 需求響應 38 HYPERLINK l _bookmark10 電動汽車 40 HYPERLI

3、NK l _bookmark11 微電網 41 HYPERLINK l _bookmark12 33 儲能資源 42 HYPERLINK l _bookmark13 短時儲能 43 HYPERLINK l _bookmark14 長時儲能 45 HYPERLINK l _bookmark15 綠氫儲能 46 HYPERLINK l _bookmark16 34 電網側資源 49 HYPERLINK l _bookmark17 專欄一 區域互濟與靈活性提升 51 HYPERLINK l _bookmark18 35 市場機制 52 HYPERLINK l _bookmark18 合理的市場機制釋

4、放靈活性 52 HYPERLINK l _bookmark19 國外典型靈活市場規則 54 HYPERLINK l _bookmark20 專欄二 更短期的市場交易與運行管理提升靈活性 55 HYPERLINK l _bookmark21 我國市場規則調整 56 HYPERLINK l _bookmark22 36 新能源發電提供靈活性 57 HYPERLINK l _bookmark22 技術可行性 57 HYPERLINK l _bookmark23 配套政策機制 59 HYPERLINK l _bookmark24 國內外經驗 60 HYPERLINK l _bookmark25 4 資

5、源技術對比與經濟性分析 62 HYPERLINK l _bookmark25 41 靈活性技術特性對比 62 HYPERLINK l _bookmark26 42 靈活性提升成本分析 64 HYPERLINK l _bookmark26 靈活性成本組成 64 HYPERLINK l _bookmark27 電源側資源提供靈活性的成本 65 HYPERLINK l _bookmark28 電網互聯互濟提供靈活性的成本 67 HYPERLINK l _bookmark28 需求側資源提供靈活性的成本 67 HYPERLINK l _bookmark29 長短時儲能提供靈活性的成本 68 HYPER

6、LINK l _bookmark30 43 資源提升靈活性的成本構成 69 HYPERLINK l _bookmark31 5 電力系統靈活性提升效果分析 71 HYPERLINK l _bookmark31 51 系統靈活性提升分析框架 71 HYPERLINK l _bookmark32 52 靈活性資源評估 73 HYPERLINK l _bookmark33 53 靈活性多元提升 80 HYPERLINK l _bookmark34 多元組合提升系統效益 81 HYPERLINK l _bookmark35 多元提升情景橫向對比 82 HYPERLINK l _bookmark36 5

7、4 中短時間尺度靈活運行差異 83 HYPERLINK l _bookmark37 6 電力系統靈活性提升路線圖 85 HYPERLINK l _bookmark38 7 研究結論與政策建議 89 HYPERLINK l _bookmark38 71 主要結論 89 HYPERLINK l _bookmark39 72 政策建議 91 HYPERLINK l _bookmark40 參考文獻 95 HYPERLINK l _bookmark41 附錄 97 HYPERLINK l _bookmark41 A 粗細顆粒度運行模擬方法 97 HYPERLINK l _bookmark42 B 靈活

8、性多元提升情景設置 100 HYPERLINK l _bookmark43 C 典型日粗細顆粒度運行模擬結果圖 104摘要在清潔化、低碳化和智能化的能源革命背景下，大力發展新能源，實現能源生產向新能源轉型，是經濟與能源可持續發展的必然選擇。2020 年 12 月，我國在氣候雄心峰會上宣布，到 2030 年風電、太陽能發電總裝機容量將達到 12 億千瓦以上。高比例新能源將成為未來電力系統的發展趨勢和重要特征。傳統以煤電為主的電力系統中，新能源比例較低且負荷特性相對穩定，源荷兩端供需不確定性和波動性較低，依靠增加可控電源裝機的方式能夠保障電力系統供需平衡和安全穩定運行。但隨著集中式和分布式新能源大

9、規模并網，源、荷兩端呈現高度不確定性，電力系統的供電安全與穩定運行機制趨于復雜，高比例新能源電力系統整體特征發生巨大改變。受制于靈活性資源短缺和電力運行機制體制相對僵化，我國電力系統靈活性明顯不足，導致較長時期存在新能源消納難題。若不加以重視和提升，未來我國電力系統靈活性困境將進一步加劇，屆時靈活性不足將從制約新能源消納的發電經濟性問題擴展至威脅電力供給安全性和經濟性的雙重問題。在此背景下，本報告首先探究了電力系統靈活性在不同時間尺度上的特點與內涵，聚焦近中期電力系統靈活性需求特性的變化，劃分了靈活性類型及其主要作用階段；其次系統梳理和對比了各類靈活性資源技術的經濟特點和運行機制；然后對不同靈

10、活性資源及組合參與的電力系統運行狀態進行了模擬分析，評估了系統靈活性提升成效及成本差異；最后設計了適于我國的電力系統靈活性提升路線圖，提出了“十四五”電力系統靈活性提升的相關政策建議。一、主要結論電力系統靈活性分析應考慮方向性和時間特性，從電力供給和需求兩端提升系統短、中、長時間尺度的向上和向下靈活調節能力。電力電量平衡是電力系統運行的核心，隨著波動性電源并網比例擴大，電力系統有功功率不平衡時電力供需兩端相互匹配調節的速率需求及幅度需求都明顯增加，需要資源更為靈活地調節發電出力或用電需求以滿足供需平衡。電力系統靈活性按照調節方式的不同可分為供給和需求的向上 / 下靈活性，供給向上靈活性和需求向

11、下靈活性分別通過電源提高出力和需求側資源降低需求來實現，保障電力供應安全；供給向下靈活性和需求向上靈活性與之相反，主要為了增加新能源消納和減少資源浪費，兩者側重解決的問題不同。負荷曲線供給向上靈活性需求向下靈活性供需匹配風力發電光伏發電供給向下靈活性需求向上靈活性常規電源出力部分時段6:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00圖 1 電力系統靈活性維持供需平衡示意圖按照調節起始和終止點所跨時間尺度以及作用持續時長不同，靈活性可分為短時間尺度、中時間尺度和長時間尺度靈活性：短時間尺度靈活性應對秒級、分鐘級供需

12、不平衡，進行頻率調整；中時間尺度靈活性應對小時級、跨日的電力供需不匹配問題，主要解決系統調峰和運行優化問題；長時間尺度靈活性應對跨周、跨季度乃至跨年的電力供需平衡問題，保障靈活性容量充裕度。表 1 不同類型的靈活性需求劃分時間尺度劃分時間尺度價值作用短時間尺度靈活性秒、分鐘功率擾動發生后將電網頻率穩定在可控區間，應對凈負荷瞬時波動中時間尺度靈活性小時、日內、多日功率 + 能量削峰填谷，平衡日內調峰需求，優化運行長時間尺度靈活性周、月、季度容量應對緩慢但變化幅度大的可預見性電力需求變化，保障靈活性充裕度調節方式劃分應用場景實現方式示例供給向上靈活性電力供給小于需求電源提高出力火電提高出力、儲能放

13、電、抽蓄發電需求向下靈活性用戶減少需求需求響應中斷或轉移負荷需求、電動汽車放電供給向下靈活性電力供給大于需求電源壓減出力火電深度調峰、水電減少出力等需求向上靈活性用戶提高需求需求響應轉移的負荷需求、電動汽車有序充電、儲能充電等靈活性資源的對比選擇需重點關注技術特點和經濟性，需求響應和煤電靈活性改造成本優勢明顯，抽水蓄能和短時儲能調節性能占優。電力系統靈活性資源來源于源- 網- 荷- 儲各環節，不同靈活性資源技術特性差異明顯，提供靈活性的成本也各不相同，靈活性成本主要包括新改建投資成本、靈活運行產生的額外運維成本、加速折舊成本和發電收益損失的機會成本。表 2 部分資源靈活性特性資源類型資源特性靈

14、活性提升特點運行范圍（%）爬坡速率（Pn/ min）啟停時間 (h)調節方向調節時間尺度供/需向上/下供/需向下/上供/需向上/下速率供/需向下/上速率短時中時長時電源側常規煤電未改造50-1001-2%6-10已改造30-1003-6%4-5燃煤熱電聯產未改造80-1001-2%6-10已改造50-1003-6%4-5氣電20-1008%2常規可調節水電0-10020%1核電30-1002.5-5%儲能抽水蓄能-10010010-50%0.1電化學儲能-100100100%0.1綠氫需求側需求響應用電負荷的 3-5%瞬時0微電網電動汽車電網側互聯互濟實現電力供需再空間的擴展和互補，依靠提前簽

15、訂的送電協議運行市場機制通過更靈活的市場發用電計劃申報機制、市場調度機制等優化運行；提出靈活調節產品，適宜的靈活性補償機制能夠釋放系統已有靈活性注： 1. 表中表示資源適宜程度，越多代表資源更適宜提供對應靈活性。色塊表示技術具備的靈活性優勢。表中煤電靈活性提升分析立足于煤電存量機組改造，重點在于改造前后煤電向下調節能力的提升。氣電、常規可調節水電和核電的靈活性提升分析立足于新建氣電、水電或核電機組。經過靈活性改造的煤電機組最小出力能夠降至額定容量的 30%，適宜提供中時間尺度靈活性。靈活性成本主要包括單位調節容量改造成本 600-700 元，以及低負載運行增加煤耗 14-20 克 / 千瓦時對

16、應的可變成本；儲能和抽水蓄能能夠在 1-2 分鐘內完成從零至滿出力的調整，調節范圍為額定容量的-100%100%，其投資建設成本分別為 1.5 元/ 瓦時和 6300-7200 元 / 千瓦；需求響應規模一般可達到最大負荷的 3-5%，考慮推廣費用和相關智能設備以及管理平臺成本后，單位投資為 200400 元 / 千瓦，需求響應提升系統靈活性的成本相較于其他資源更低。表 3 部分資源提供靈活性成本組成資源靈活性成本構成固定成本投入 1成本增量機會成本電源側靈活性改造煤電常規煤電靈活性改造投資成本 2600-700 元 / 千瓦低負載運行產生的可變成本增量 14-20 克 / 千瓦時機組的加速折

17、舊和部件磨損、更換成本增量損失部分發電收益燃煤熱電聯產靈活性改造投資成本 2300-500 元 / 千瓦低負載運行產生的可變成本增量機組的加速折舊和部件磨損、更換成本增量損失部分發電收益燃氣電廠建設投資成本氣電置換煤電：7013-9457元/ 千瓦 3運行維護成本低負載運行時高于 0.56-0.58 元/ 千瓦時常規水電頻繁變水流量導致水輪機葉片壽命損耗損失部分發電收益核電無燃料循環成本增量設備維護更換成本增量損失部分發電收益抽水蓄能投資建設成本 6300-7200 元 / 千瓦運行維護成本電化學儲能投資建設成本1.5 元 / 瓦時運行維護成本退役處置成本儲能投資建設成本綠氫1.71 元 /N

18、m3生產成本2065 元 / 千克運輸成本3.913 元 /千克損失部分發電收益產生其余儲能投資建設成本生產成本運行維護成本損失部分發電收益資源靈活性成本構成固定成本投入 1成本增量機會成本需求響應需求側前期平臺建設、設備更換等投入微電網主、微網連接的平臺建設、設備更換投入運行維護成本中斷、轉移生產的機會成本200400 元 / 千瓦平臺建設和設備更換投入運行維護成本中斷、轉移生產的機會成本電動汽車充電樁 2000-6000 元其他成本約 70 元 /m2運行維護成本電網側互聯互濟建設投資成本1.56 元 / 千米瓦運行維護成本市場優化運行更短時調度策略、更靈活的運行方式和市場機制有助于降低靈

19、活性成本機制1：區別于單位裝機容量的投資，此處為單位千瓦靈活性提升對應固定成本投入2：為單位千瓦靈活性提升規模的成本，區別于電源裝機容量單位造價3：指通過氣電（最小出力為額定出力的 20%）替換煤電（最小出力為額定出力的 50%）的方式提升供給向下靈活性相同規模的不同靈活性資源投入所帶來的系統效益不同，合理配置靈活性資源，通過資源優化組合提升綜合效益。模擬結果表明，電源側靈活性資源中煤電靈活性改造和新建抽水蓄能電站分別為成本和提升效果的第一梯隊。風光滲透率約為 29% 的背景下，同樣提升系統 10GW 靈活調節能力時，煤電靈活性改造節約年投資運行費用 10 億元，對應新能源棄電率從 5.7%

20、降低至 4.1%；新建抽水蓄能電站需額外付出 10 億元，但新能源棄電率顯著降低至 2.17%。總的來看，煤電靈活性改造提升效果較弱，但成本優勢明顯；氣電置換煤電效果較好，但成本較高；新建抽水蓄能電站效果最好，成本稍高；新建儲能電站的靈活性提升效果略弱于抽蓄，投資運行成本也稍低，但儲能當前收益不明晰，整體經濟性不佳。80成本差值（億元）40040806%6.3%463.5%5.6%5.2%3.2%1.6%2.6%2.7%1011016556368煤電改造氣電抽蓄儲能煤電改造氣電抽蓄儲能風光低滲透率（29%）風光高滲透率（54%）4%棄電率絕對降幅2%0%2%4%6%1208%發電可變成本煤電啟

21、停成本年化投資成本氣電啟停成本提升靈活性額外成本新能源棄電率降低圖 2 系統靈活運行成本變化圖精細化的模擬分析有助于識別電力系統靈活性在不同時間尺度上面臨的挑戰，僅靠煤電靈活性改造難以滿足系統需求，需提前布局并加快其他靈活性資源開發建設。粗顆粒度的運行管理視角難以全面地體現電力系統靈活性需求，精細化的運行模擬才能更全面地刻畫電力系統不同時間尺度的靈活性需求和靈活性供給能力。風光出力波動性對短時電力平衡的影響愈加顯著，電力系統短時間尺度靈活性需求增強，要求系統能夠更快速、頻繁地匹配供需平衡。15 分鐘和 1 小時顆粒度的運行模擬結果顯示，氣電、抽蓄和儲能在 15 分鐘顆粒度的運行中降低新能源棄電

22、率的效果略低于 1小時顆粒度的效果，但較為接近。然而，15 分鐘顆粒度的運行下，煤電靈活性改造降低新能源棄電率效果明顯變差，較 1 小時顆粒度下的棄電率增加了近 5 個百分點。這表明煤電靈活性改造方式不適宜提供短時間尺度的靈活性，因此過度依賴煤電靈活性改造并不合理，系統需要更優質的快速調節資源來滿足短時靈活性需求。基準情景煤電靈活性改造13.5%15.9%21.1%22.9%20.7%氣電抽水蓄能7.7%9.3%11.3%15.0%儲能0%5%10%13.2%15%20%25%新能源棄電率小時級15分鐘圖 3 各情景不同顆粒度典型日模擬結果另一方面，新能源發電占比提高后，系統電力供應不確定性增

23、強，極端天氣下電力電量供應不足的情況可能發生，提升長時間尺度靈活性是電力供應充裕性的有效保障，其中發展長時儲能是主要手段。抽水蓄能是目前廣泛應用的長時儲能技術方案，單位分鐘的爬坡能力為額定容量的 10%-50%，單位投資約為 6300-7200 元/ 千瓦，但受限于水庫容量，其持續放電時間一般為 6-12h，不能實現跨日乃至跨周的長時間持續出力。壓縮空氣儲能、熔融鹽儲能和氫儲都是具有發展前景的長時儲能技術，其中氫儲能在電力、交通和工業等領域具有廣泛的應用場景，新能源制氫將成為未來主流的制氫方式。源 - 網 - 荷 - 儲各環節靈活性資源存在優勢互補，靈活性多元提升方案能夠兼顧提升效果和經濟性，

24、實現電力系統多時間尺度靈活性的整體提升。多元組合提升能夠吸收各靈活性資源的優勢，揚長避短，實現靈活性提升效果和系統投資運行成本的平衡。電源側多元提升情景和源荷側多元提升情景對比結果表明需求側資源能夠顯著降低靈活性提升的成本，源荷儲多元提升表明儲能資源能夠在較低成本投入的基礎上獲得較好的靈活性提升效果。因此，應注重多元提升手段，充分挖掘源 - 網 - 荷 -儲各環節靈活性資源，實現各類靈活性資源的協調發展和有序銜接，促進電力系統靈活性的持續穩定提升。近期大力推動煤電靈活性改造和抽水蓄能建設，因地制宜建設氣電補充系統中短時靈活性，重視需求側資源開發，完善儲能收益機制，通過市場化手段推動儲能成本的降

25、低和規模化應用。未來煤電向兜底保障電力型電源轉型，抽蓄、需求響應、長短時儲能等資源將在系統靈活性提升方面發揮重要作用。二、需求側管理優化用電曲線實現靈活性供增需減隨著我國經濟進入高質量發展階段，消費對經濟的拉動起主導作用，第二產業用電比重穩步下降，第三產業和居民用電占比逐年提高。受經濟發展方式驅動和第三產業及居民用電特性影響，我國電力負荷特性呈現日負荷峰谷差拉大、負荷冬夏季雙峰特征明顯和最大負荷增速高于用電等新特點。從保障電力供給安全和穩定運行的角度來看，負荷特性變化提高了電力安全穩定供應的難度。可中斷負荷原負荷曲線 優化曲線 峰谷差優化負荷曲線負荷自發優化可轉移負荷節能提效分時電價部分時段原

26、曲線峰谷差圖 4 需求側資源優化負荷曲線示意圖需求側管理通過提前部署和調度需求側資源能夠引導用戶行為，優化負荷需求曲線，降低電力供應難度和成本，需求側資源優化負荷曲線如圖 4 所示。具體而言，設計合理的電價機制以及提倡節能高效的生活方式等措施都能夠引導負荷用戶改變用電行為、自發優化負荷曲線，在電力規劃和運行管理之前或期間減少部分峰谷差、平滑和整體降低負荷曲線，提升電力系統的靈活性，繼而在運行管理時調度可調用需求側資源，多環節多層次通過需求側管理降低電力安全穩定運行的難度和成本。形象地說，需求側管理可使負荷先“自掃門前雪”，利用自身能力增供減需來部分解決靈活性難題。電力需求側管理的具體手段包括階

27、梯電價、分時電價、價格型需求響應、激勵性需求響應等。三、電力市場機制優化完善釋放靈活性潛力市場本身并不創造新的靈活性，但通過對不同市場中交易機制的合理調整，可以使得系統中已有的靈活性潛力得到充分釋放，且激勵電力系統靈活性提升。在輔助服務市場中，針對高比例可再生能源接入系統帶來的短時靈活性需求，國外已有市場提出更為細分的靈活性產品，如快速爬坡產品（Flexible Ramping Products，FRP）等，通過對產品進行更細致的劃分，完善輔助服務市場對資源提供短時靈活性的補償和激勵機制，有助于市場提供功能更匹配的輔助服務，釋放短時間尺度的靈活性潛力。在現貨市場中，開展更靈活的市場交易和允許更

28、短期的交易時間尺度，給予市場參與主體進行出力或需求的近實時調整，以及系統對電廠近實時的調度的可能，能夠減少系統靈活性需求，充分釋放中時間尺度靈活性潛力。德國電力現貨市場中更短期的市場交易運行結果也證明了這一點。在容量市場中，基于合理的收益保障機制，激勵市場主體投資建設長時間尺度靈活性資源，保障系統長期靈活性容量充裕度，維持未來較長時間內的靈活性資源充足供應。跨周、跨月乃至跨季度、跨年相互關聯有機銜接長時間尺度適時開展建設，滿足緩慢增加的大規模向上出力需求容量市場保障長期充裕度小時級、跨日中時間尺度市場機制靈活，交易時間尺度縮短秒級、分鐘級短時間尺度設計功能匹配的輔助服務產品電力現貨市場釋放中時

29、間尺度靈活性潛力輔助服務市場釋放短時間尺度靈活性潛力圖 5 電力市場釋放靈活性示意圖四、電力系統靈活性提升路線圖我國近中期電力系統靈活性提升的基本思路如圖 6 所示。“十四五”時期電力系統靈活性提升主要依靠煤電靈活性改造、新建抽水蓄能等資源，重視需求側資源建設和應用。“十五五”時期，風光滲透率進一步提高，短時間尺度和長時間尺度靈活性的重要性凸顯，系統靈活性提升主要依靠氣電、抽水蓄能、煤電靈活性改造和需求響應等，儲能和電動汽車 V2G 作為輔助資源參與靈活性調節。“十六五”時期，電力系統靈活性需求更多樣，包括短時間尺度、中時間尺度和長時間尺度，電化學儲能、抽水蓄能、氣電、煤電和需求側資源將共同成

30、為保障電力系統靈活性的主力，其中靈活性提升貢獻主體為儲能和需求側資源。除此之外，成熟的電網互聯互濟系統、完善的市場機制以及合理的電力規劃是充分釋放和發揮電力系統靈活性的物理基礎和機制保障，提升系統靈活性不僅要推動靈活性資源發展，還應重視電網建設，不斷完善市場機制，同時在規劃中要充分考慮不同時間尺度的靈活性需求。氣電短時儲能抽水蓄能電動汽車煤電靈活性改造需求響應長時儲能氣泡大小：資源發展規模主要靈活性資源發展初期的資源發展優先級高低“十四五”時期“十五五”時期“十六五”時期圖 6 我國電力系統靈活性提升思路示意圖ERR 能研微訊 微信公眾號：Energy-report歡迎申請加入 ERR 能研微

31、訊開發的能源研究微信群，請提供單位姓名（或學校姓名），申請添加智庫掌門人（下面二維碼）微信，智庫掌門人會進行進群審核，已在能源研究群的人員請勿申請；群組禁止不通過智庫掌門人拉人進群。ERR 能研微訊聚焦世界能源行業熱點資訊，發布最新能源研究報告，提供能源行業咨詢。本訂閱號原創內容包含能源行業最新動態、趨勢、深度調查、科 技發現等內容，同時為讀者帶來國內外高端能源報告主要內容的提煉、摘要、翻譯、編輯和綜述，內容版權遵循 Creative Commons 協議。知識星球提供能源行業最新資訊、政策、前沿分析、報告（日均更新 15 條+，十年 plus 能源行業分析師主理）提供能源投資研究報告（日均更

32、新 812 篇，覆蓋數十家券商研究所）二維碼矩陣資報告號：ERR 能研微訊 訂閱號二維碼（左）丨行業咨詢、情報、專家合作：ERR 能研君（右)視頻、圖表號、研究成果：能研智庫 訂閱號二維碼（左）丨 ERR 能研微訊頭條號、西瓜視頻（右)能研智庫視頻號（左）丨能研智庫抖音號（右)| 12 |電力系統靈活性提升：技術路徑、經濟性與政策建議在上述電力系統靈活性提升思路的基礎上，結合我國電力系統發展現狀，參考各細分領域的相關規劃和政策文件要求，繪制出我國電力系統靈活性提升路線圖，如下圖 7 所示：電力系統靈活性多元提升路線圖資源發揮調節作用主要時期最大負荷的5% 7000萬千瓦擴大工業用戶需求響應規模

33、最大負荷的5%電網與市場機制工商業需求響應規模進一步擴大工商業需求響應發揮重要作用不同時期主力靈活調節資源加快電動汽車基礎設施建設電動汽車V2G參與電力平衡市場主體放開 電動汽車有序充放電發揮作用負荷側負荷聚集商參與市場虛擬電廠、負荷聚合商參與市場居民負荷參與需求響應 靈活性需求 長時儲能成本快速下降 分布式能源 電動汽車 短時儲能靈活性資源主力抽水蓄能主要靈活性電源氣電調節電源煤電靈活性改造基本結束電力輔助調節長時儲能推廣試點短時儲能大規模應用1.5億千瓦源儲側獨立第三方主體工業需求響應商業、居民響應長時儲能需求側資源聚合商短時儲能3000萬千瓦抽水蓄能1.2億千瓦短時新型儲能儲能氣電2.2

34、億千瓦抽水蓄能6200萬千瓦氣電1.5億千瓦大力推動煤電靈活性改造抽水蓄能供給側燃氣發電大型可控電源持續推進煤電靈活性改造靈活性改造煤電203020352025電網互聯互濟靈活市場體制機制更短時的優化運行管理充分釋放系統已有靈活性和挖掘靈活性潛力圖 7 我國電力系統靈活性提升路線圖五、政策建議1 明確靈活性資源發展定位，加強規劃統籌銜接，源網荷儲多維度協同提升新型電力系統靈活調節能力。“十四五”時期是能源低碳轉型的重要窗口期，可再生能源將進入高質量躍升發展新階段，必須加快構建新型電力系統，全方位提升系統靈活性，促進可再生能源大規模、高比例、市場化、高質量發展。明確靈活性資源在新型電力系統中的定

35、位，加快各類靈活性資源開發建設，提升新型電力系統對高比例可再生能源的適應能力；改善新能源發電涉網性能，提升新能源存儲能力，統籌新能源高比例消納和系統整體優化，科學制定新能源合理利用率指標；立足區域特點，準確評估不同時間尺度下新型電力系統靈活性需求，加強近中遠期系統靈活性提升方案的銜接；加強各類能源電力規劃方案的統籌協調，出臺靈活性資源專題規劃，加強各類靈活性資源建設的銜接；全面細化分析源網荷儲各環節靈活性資源的技術和經濟特性，科學評估不同靈活性資源組合的綜合效益，重視市場機制對靈活性資源潛力釋放的引導作用，推動源網荷儲多維度靈活性協同提升，更加經濟地提升新型電力系統各階段的靈活調節能力。2 提

36、升電源側靈活性資源建設與利用水平，分步驟緊密銜接電源建設和靈活性挖掘策略。“十四五”時期，電力系統靈活性提升主要依靠煤電靈活性改造、新建氣電和抽水蓄能等資源，根據工程周期長短按照煤電改造、氣電到抽水蓄能的順序做好項目建設銜接，把控靈活性能力持續提升的節奏；現階段通過改變現有機組的運營模式、進行設備靈活性改造以及創新電廠靈活性發電方式提升系統靈活性；長期需合理控制煤電裝機規模，強化多類型靈活性電源的組合發展，通過調控多種靈活性電源的結構占比降低系統提升靈活性的總成本。重視可再生能源自身的調節能力，深挖大規模可再生能源靈活性潛力。利用數字化技術提升新能源出力的預測精度，配合更為精細的電網調度指令，

37、減少臨時調節需求，來“等效”提升系統靈活性；通過儲能和跨區輸電“改變”新能源的出力曲線，滿足本地的負荷實時平衡；常規水電在適宜地點增設蓄水庫，獲得一定的調節能力；統籌靈活性提升與新能源發展，依據實際需求制定切實可行的差異化路線圖，實現電力系統靈活性提升“有主次、分先后、能互補”。3 加強電網基礎設施建設及智能化升級，提升電網的靈活運行能力和靈活性資源優化配置能力。利用跨區輸電減輕送端省份新能源消納壓力，加強智能配電網建設更好支撐分布式能源發展，提升新能源的外送消納和就近消納水平；“十四五”期間著重提升跨省區輸電線路利用率，加強配套電源建設、開發新能源輸電安全穩態技術、消除省間交易壁壘，發揮特高

38、壓輸電網絡的優勢，重組電網格局，減少因電網阻塞而產生的額外靈活性需求；重視電網控制技術理念革新，在分布式電源大規模接入柔性直流配電網的拓撲結構優化與故障主動控制、交通網與分布式配電網的銜接融合、區域交直流配電網區間動態估計、主配網協同的發用電優化控制、靈活智能電網對源荷互動和長短期儲能結構化配比的兼容優化等方面提升電網的靈活調節能力。4 深挖負荷側資源系統價值，作為應對電力系統靈活調節高邊際成本問題的關鍵手段。電力系統調節需求的增加導致調節服務的邊際成本快速上漲，應避免利用傳統電源滿足尖峰負荷所導致的極高單位供電成本；通過需求響應資源（可中斷、可轉移、可調節負荷）的“削峰填谷”實現負荷曲線優化

39、，降低電力系統調度平衡壓力；“十四五”期間需充分利用峰谷分時電價、需求響應市場化報價等手段，引導用電負荷的時段性偏移，在基礎條件較好的地區實現 5% 甚至更高水平的需求響應規模；鼓勵用戶的用電和運營模式創新，使用電負荷更加契合新能源發電出力的時段性特征，形成“虛擬電廠”調節效應。5 加快新型儲能創新進步，實現新型電力系統的大規模電能時空調度。積極推動儲能發展，在“十四五”、“十五五”期間實現顛覆性的技術進步和成本下降；擴大以電化學儲能為代表的短時儲能在電源側、電網側和用戶側的部署規模，重視用戶側電動汽車、冰蓄冷、儲熱器等經濟性儲能資源的利用；穩妥推進抽水蓄能建設，在北方地區大規模開展熱電解耦，

40、通過橫跨數天的電 - 熱大規模集中轉換實現中時儲能效果；積極開展長時儲能技術研發，為高比例新能源電力系統長周期平衡提供支撐保障，創造新的集群產業經濟增長點和商業模式。6 完善電力市場機制，引導靈活性資源在不同市場中更大程度釋放其靈活性潛力。需要創建快速響應的實時現貨市場，將交易時間尺度縮短到分鐘級，使靈活性資源潛力通過市場機制充分釋放。完善輔助服務市場建設，引入考慮快速爬坡能力、向上和向下爬坡速率以及響應準確度等特性的輔助服務新產品，對靈活性資源進行合理定價，實現靈活性資源的優勝劣汰。加快建設差異化的容量激勵機制，鼓勵建設具有快速響應的容量設施和需求側響應管理來削減短時尖峰負荷，增加靈活性容量

41、的價值，保障電力系統靈活調峰所需要的機組能夠通過容量市場回收資本成本并獲得一定的收益。1背景應對氣候變化和能源危機背景下，綠色低碳轉型已成為實現全球經濟與能源可持續發展的廣泛共識。作為最大的能源消費國，我國在 2014 年提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，尋求能源轉型和高質量發展。2020 年，我國正式作出了“二氧化碳排放力爭 2030 年前達到峰值、2060 年實現碳中和”的莊嚴承諾，著力解決資源環境約束突出問題，推動能源綠色低碳轉型，構建現代能源體系。2021 年，中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見中明確提出，到 2030 年，風電、太陽能發電總

42、裝機容量達到 12 億千瓦以上，高比例新能源將成為未來我國電力系統的必然發展趨勢和重要特征。傳統以煤電為主的電力系統中，新能源比例較低，電力負荷的不確定也相對較低，因此維持電力系統功率平衡、保障系統安全穩定運行的問題通過增加可控電源裝機的方式就能夠得到解決。但隨著集中式和分布式新能源大規模并網，電力系統源、荷兩端都呈現出高度不確定性，電力系統的穩定運行機理變得更加復雜，高比例新能源電力系統的整體特征發生巨大改變。新能源出力的不確定性和波動性造成了電力系統在不同時間尺度和空間尺度上的電力電量不平衡問題愈加凸顯，電力電量平衡由確定性向概率性轉變；未來新能源將逐步從集中式為主的發展方式轉變為集中式、

43、分布式并舉，系統中傳統的電能消耗者也可能成為電能的提供者，即產消者，電力系統將變得更加扁平化，配電系統從放射狀變為多電源結構，源、荷界限也將更加模糊；系統靈活性資源短缺而靈活調節需求大幅增加，應對持續增加的不確定性已成為當前和未來電力系統的主要挑戰，系統的安全可靠運行需要充分調動“源 - 網- 荷- 儲”各類資源的靈活性，才能保證系統在供給或需求發生變動時及時做出反應。從我國電力系統發展現狀看，靈活性不足制約新能源消納的問題尚未得到根本性解決。過去幾年，大量的棄風、棄光問題難以解決，棄風率在 2016 年達到 17.1%，棄光率在 2014 年高達 10.5%。2016-2018 年間，我國棄

44、風和棄光電量共計 1389 億千瓦時 1, 2。近些年由于新能源發電消納保障措施的實施和靈活性資源投入的加大，棄風、棄光率逐步回落到 5% 以下。2021 年全國棄風電量 206.1 億千瓦時，平均棄風率降至 3.1%；棄光電量 67.8 億千瓦時，平均棄光率降至 2.1%3，如圖 1-1 所示。隨著新能源比例的逐步提升，電力系統凈負荷波動加劇，峰谷差進一步拉大，依靠現有火電和抽水蓄能的調節容量和調節能力難以滿足系統安全運行的靈活性要求。除靈活性資源短缺外，我國電力系統靈活性的發展還面臨體制機制障礙。德國等歐洲國家在風電、光伏發電比重大幅增加情況下，得益于統一的電力市場建設，并沒有出現持續性的

45、棄風、棄光。電力市場使參與者能夠根據價格變化對電力生產與負荷的波動及時地做出反應，從而提供市場機制層面的靈活性。當前我國電力市場建設還處于起步階段，現貨市場與輔助服務市場的相關制度以及定價機制皆不成熟。不完善的市場機制無法使源、荷兩側的靈活性完全發揮作用，阻礙了電力系統靈活性的提升。除此之外，隨著分布式新能源以及微電網的接入，源荷界限模糊化將導致電力系統中電能轉變為雙向流動，傳統電力體制中“重輸輕配”的投資結構使得電網結構薄弱，信息化自動化水平低，無法應對電力系統轉型帶來的挑戰。為滿足電力系統靈活性發展需要，需促進增量配網改革以推動電力體制改革，加快配電網建設，使大量配電資產得到充分有效的利用

46、。1200010000億千瓦時8000600040002000020112012201320142015201620172018201920202021棄光電量棄風電量光伏發電量風電發電量棄風率 棄光率18%17%17%16%16%11%12%10%11%10%8%7%6%3%4% 3%3%1%2% 2%2%16%14%風光棄電率12%10%8%6%4%2%0%圖 1-1 2011-2019 年我國風光發電量及棄風、棄光率變化情況在上述各方面的綜合背景下，本報告探究電力系統靈活性內涵和需求，分析靈活性資源特點和運行機制，聚焦近中期電力系統靈活性需求的特點，基于不同靈活性資源的技術經濟性設計適合

47、我國現狀的靈活性提升路線，并提出“十四五”電力系統靈活性提升的相關政策建議。2電力系統靈活性電力系統靈活性定義目前國際上對于電力系統靈活性的研究內涵較為接近，但定義尚未統一，國際能源署（International Energy Agency，IEA）認為電力系統靈活性是指在一定經濟成本約束下電力系統快速響應供需兩側大幅度功率與電能波動的能力 4。北美電力可靠性協會（North American Electric Reliability Corporation，NERC）認為電力系統的靈活性是指利用系統資源滿足負荷變化的能力 5。學者們提出的靈活性定義通常也包含調用資源、節約成本、應對供需變化和

48、不平衡等關鍵要素 6-10。本報告認為靈活性是主體為滿足特定目標迅速改變原有狀態的能力，將電力系統靈活性定義為：電力系統的各類資源快速改變自身發用電特性以維持系統有功功率平衡的能力。不論是以化石能源為主的傳統電力系統還是新能源占比逐漸提高的新型電力系統，電力供需平衡都是電力系統的核心。但在新型電力系統中，新能源的波動性、不確定性以及需求側用電特性的顯著變化加大了保障電力平衡的難度，對電力供需調節速率及調節幅度的要求明顯增加，體現為各類資源需要更為靈活地調節發電出力或用電需求以滿足供需平衡。靈活性需求分析隨著新能源并網比例提升，電力系統不確定性增加，電力系統靈活性需求的重點亦隨之變化，按照調節方

49、式和調節的時間尺度劃分靈活性需求類型有助于準確地分析靈活性需求變化趨勢和靈活性資源技術特性。按調節方式劃分電力系統供需平衡維持是動態的過程，1）若下一時段電力供給小于需求，電力系統需要電源提高出力或需求側削減負荷需求，滿足下一時段的電力供需平衡，定義為供給向上靈活性或需求向下靈活性。若供給向上靈活性和需求向下靈活性總和不足，系統電力安全和電能質量難以保障，嚴重時會導致失負荷情況，影響社會生產生活。2）若下一時段電力供給大于需求，電力系統需要通過壓減電源出力、儲能吸收多余電能或需求側提高負荷需求的方式達到電力平衡，定義為供給向下靈活性或需求向上靈活性。若供給向下靈活性和需求向上靈活性總和不足，會

50、導致棄風、棄光或棄水等資源浪費情況，損害電力系統發電經濟性，一定程度上限制新能源發展的積極性。不同方向上的靈活性需求原理如表2-1、圖 2-1 所示。表 2-1 不同方向靈活性需求原理應用場景靈活性需求方向實現方式示例電力供給小于需求供給向上靈活性電源提高出力火電提高出力、儲能放電、抽蓄發電需求向下靈活性用戶減少需求需求響應中斷或轉移負荷需求、電動汽車放電電力供給大于需求供給向下靈活性電源壓減出力火電深度調峰、水電減少出力等需求向上靈活性用戶提高需求需求響應轉移的負荷需求、電動汽車有序充電、儲能充電等負荷曲線供給向上靈活性需求向下靈活性供需匹配風力發電光伏發電供給向下靈活性需求向上靈活性常規電

51、源出力部分時段6:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00圖 2-1 靈活性方向作用原理（2）按調節的時間尺度劃分按照系統供需起始狀態所跨的時間尺度和調節持續時間不同，將靈活性需求劃分為短時間尺度、中時間尺度和長時間尺度三種類型。系統靈活性在時間尺度上與電力系統安全性和容量充裕度存在耦合關系，短時間尺度的靈活性包含電力系統抗瞬時擾動保障電力質量的能力，長時間尺度靈活性中的向上長時間尺度靈活性體現電力系統滿足容量充裕度的能力。從短時的秒級至長時間尺度的跨季節乃至年度靈活性具有連續性，短、中、長時間尺度靈活性不

52、是割裂存在的，更長時間尺度的靈活性部分隱含了更短時間尺度的靈活性，如圖 2-2 所示。7月1日8：007月1日18：00跨小時調節需求7月1日10：007月1日10：15分鐘級功率調節中時間尺度短時間尺度9:56 9:59 10:02 10:05 10:08 10:11 10:13 10:15 10:17 10:207:30 9:00 10:3012:0013:3015:0016:3018:00跨季節調節需求起始終止長時間尺度1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月 11月 12月圖 2-2 不同時間尺度靈活性連續性高比例風光發電的隨機波動性影響下，電力系統短時功率波動的頻度和幅度都更為復雜

53、且劇烈，短時間尺度靈活性能夠更好地調整供需功率波動，保證系統頻率穩定，發揮功率價值。電力系統短時間尺度靈活性通過有功平衡完成頻率調整，對應當前電力市場輔助服務中的二次調頻，我國當前電力系統以火電為主，在新能源滲透率仍較低時，可以依靠發電機組自身調速系統靜態特性和 AGC 調度實現頻率的一次調節和二次調節。但未來隨著風光滲透率進一步增加，以及可控傳統電源逐步退出，風光高度波動性影響下系統瞬時功率變化更為頻繁且幅值增加，產生短時間尺度靈活性需求，要求系統具備快速頻繁調節出力或改變負荷需求的功率支持能力，因此短時靈活性的價值主要體現為功率的快速改變。風光發電的反調峰特性使得風光發電電量消納難題突出，

54、中時間尺度靈活性主要解決小時級的有功功率平衡問題，其中供給（需求）向下（上）靈活性通過跨小時的持續作用能夠促進風光消納，提高電力系統發電經濟性，發揮功率和能量雙重價值。中時間尺度靈活性需求是目前較為常見的一種靈活性需求，解決小時級、跨日的調峰需求，實現運行優化和成本節約。高比例風光并網后，系統易出現峰谷時期供需不匹配的情況，利用中時間尺度靈活性資源發揮削峰填谷作用，能夠較好地優化系統運行，促進新能源消納。由于中時靈活性需要資源持續出力，轉移電量和電力，因此資源滿足中時間尺度靈活性需求的價值體現在功率的連續改變和在時間維度上積分的電能量轉移。新能源發電占比不斷提高，但其對于傳統穩定電源主要是電量

55、替代作用，缺少容量替代效益，使得負荷高峰時段容量充裕性短缺問題凸顯。而長時間尺度靈活性，尤其是供給向上和需求向下長時間尺度靈活性，是經濟地滿足電力跨月、跨季節乃至跨年供應安全的有效手段，主要體現容量價值。長時間尺度靈活性需求是指緩慢但變化幅度大的可預見的電力需求變化，通常為向上提高出力對應的容量充裕度問題。長時間尺度靈活性需求主要受節假日、季節性用電特性和電源出力特性變化影響，由于長時間尺度系統靈活性跨越周期長且靈活性資源建設周期較長，因此長時靈活性容量充裕度應在前期電力規劃中充分考慮，并提前部署，其價值主要體現為滿足跨周、跨月乃至跨季度的靈活調節需求的容量價值。三類靈活性特點如表 2-2 所

56、示。表 2-2 不同時間尺度靈活性特點靈活性類型短時間尺度靈活性中時間尺度靈活性長時間尺度靈活性作用擾動發生后將電網頻率穩定在可控區間，應對瞬時波動削峰填谷，平衡日內調峰需求，優化運行應對緩慢但變化幅度大的可預見性電力需求變化，保障靈活性充裕度跨越時間尺度秒級 分鐘級小時級、日內或多日周、月及季度持續作用時長數秒 數分鐘數小時數分鐘 數日價值功率功率 + 能量容量靈活性平衡分析靈活性平衡是指電力系統中資源在不同時間尺度和不同方向上的靈活性供給能力相較于靈活性需求的充裕度水平滿足要求。與傳統電力平衡方式不同的是新型電力系統中有功功率平衡的手段不再是電源跟蹤負荷，而是源荷互動、源 - 網 - 荷

57、- 儲共同應對的方式。這樣的靈活性平衡方式下，可以是電源側電源靈活調節出力應對供需兩側波動，也可以是負荷調整匹配供需波動，例如需求響應。靈活性平衡分析首先要確定靈活性分析的時間尺度。不同時間尺度的靈活性需求對應的電力平衡問題不同，需求量不同，解決措施也不同。靈活性分析時間尺度作為平衡分析的邊界，影響著靈活性供應充裕度多少；其次，預測對應時間尺度下的負荷需求、波動性電源出力和誤差范圍，較為精確的預測是確定需求、配置供給的前提；最后，根據預測結果確定負荷需求和波動電源出力的波動，保障系統靈活性供應能力超過負荷和電源出力波動范圍。舉例而言，為滿足中時間尺度的向上靈活性需求，單位小時內電源提高出力的空

58、間與負荷削減需求的空間之和需要高于負荷需求增加的波動量與電源降低出力的波動量之和。3電力系統 靈活性資源電源側資源煤電靈活性改造中國的資源稟賦決定了燃煤發電的主導地位，過去煤電更多發揮基荷電源的作用。隨著新能源發電所占份額不斷增加，電力系統對調節能力的需求日益增長，在儲能等資源尚未規模化應用的階段，煤電機組參與調節成為必要手段，尤其在抽水蓄能電站較少的省份和熱電聯產機組居多的“三北”地區。（1）煤電靈活性改造目的煤電機組單機容量大、輸出穩定，但未經靈活性改造的火電機組調節范圍受限、調節速率慢且啟動時間較長 11。以深度調峰能力為例，我國純凝汽式機組的最小穩定出力通常為額定功率的 50%，而熱電

59、聯產機組供熱工況下僅為額定功率的 80%，遠低于國際先進水平，如表 3-1 所示。煤電極不靈活的運行方式和特性導致了系統調峰能力嚴重不足，也成為我國新能源消納的關鍵掣肘。（2）煤電靈活性改造方式靈活性改造后煤電機組能夠顯著提高運行靈活性，即適應出力大幅波動、快速響應各類變化的能力。目前，國內煤電靈活性改造的核心目標是降低最小出力、快速啟停、快速升降負荷等，其中降低最小出力即增加調峰能力，是目前最為廣泛和主要的改造目標。煤電靈活性改造的方式主要包括鍋爐側的鍋爐低負荷穩燃技術、寬負荷脫硝技術，汽輪機側的汽輪機通流設計與末級葉片性能優化技術、供熱機組熱電解耦技術、提高負荷響應速率協調優化控制技術和水

60、冷壁安全防護技術等。對于常規火電機組改造，包括對鍋爐、汽輪機等主機設備的改造，也包括對控制系統、脫硝系統、冷凝水系統等輔助設備的改造；對于供熱機組，在上述改造基礎上，還可進一步通過低壓缸旁路改造、增加蓄熱罐、增加電鍋爐等方式，改變原有發電與供熱間的耦合關系，釋放機組的運行靈活性。（3）煤電靈活性改造成效煤電機組的最小穩定出力在通過熱電解耦、低壓穩燃等技術改造后，在純凝工況下可以降至 20%-30% 的額定容量，供熱工況下也能降至 50% 左右，有效避免通過增加啟停次數的方式消納新能源，能顯著減少排放、降低成本。未改造前的煤電機組爬坡速率一般為 1-2% 額定容量/ 分鐘，經過改造后部分新機組的