關(guān)于構(gòu)建以光伏發(fā)電加物理儲(chǔ)能為主的廣域虛擬電廠的建議

肖立業(yè) 潘教峰

1 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190

2 中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院 北京 100190

3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

大力發(fā)展清潔低碳能源，是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展和國家能源獨(dú)立的必由之路。國家主席習(xí)近平于 2020 年 9 月在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上莊嚴(yán)地向全世界宣布了我國 2030—2060 年碳達(dá)峰和碳中和的“雙碳”目標(biāo)；同年 12 月，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上再次重申我國“雙碳”目標(biāo)承諾，并提出到 2030 年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá) 12 億千瓦以上的計(jì)劃。2021 年 3 月 15 日，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議進(jìn)一步指出：要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。2021 年 10 月 24 日，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》印發(fā)，提出了 2025 年、2030 年、2060 年 3 個(gè)階段目標(biāo)；到 2060 年，我國綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達(dá)到國際先進(jìn)水平，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到 80% 以上。近 1 年來，圍繞“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施路徑，我國科技界和能源產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行了廣泛的研究和討論[1,2]①丁仲禮. 中國碳中和框架路線圖研究. 北京: 中國科學(xué)院學(xué)部第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)報(bào)告, 2021-05-30.②李立浧. 建設(shè)新型電力系統(tǒng)的思考. 北京: 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)主旨報(bào)告, 2021-12-15.馮樹臣. 發(fā)電領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型新技術(shù). 北京: 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)主旨報(bào)告, 2021-12-15. 李 立浧. 建 設(shè)新 型電力 系統(tǒng) 的思 考. 北京: 中 國電 機(jī)工 程學(xué)會(huì) 學(xué)術(shù) 年會(huì)主 旨報(bào) 告, 2021-12-15.馮樹臣. 發(fā)電領(lǐng) 域低 碳轉(zhuǎn)型 新技 術(shù). 北京: 中國電 機(jī)工 程學(xué) 會(huì)學(xué)術(shù) 年會(huì) 主旨報(bào) 告, 2021-12-15.，討論的內(nèi)容主要涉及未來一次能源和終端能源結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展方向和新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建 3 個(gè)密切相關(guān)的方面。筆者圍繞這個(gè)議題進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的思考，文題已簡(jiǎn)要地指出了主要思路；現(xiàn)將一些主要觀點(diǎn)和建議呈現(xiàn)給讀者，以供研究或決策時(shí)參考。

1 構(gòu)建以光伏發(fā)電為主的電源結(jié)構(gòu)

首先大致估計(jì)了 2060 年我國光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電總量需求。根據(jù)有關(guān)研究報(bào)告，到 2060 年，我國的能源消費(fèi)總量將約為 50 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，將回到 2020 年的水平③丁仲禮, 等. 統(tǒng)籌全國力量，盡快形成面向碳中和目標(biāo)的技術(shù)研發(fā)體系. 中國科學(xué)院學(xué)部咨詢項(xiàng)目課題組. 丁仲禮, 等. 統(tǒng)籌全國力量，盡快形成面向碳中和目標(biāo)的技術(shù)研發(fā)體系. 中國科學(xué)院部咨詢項(xiàng)目課題組.。根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告 2021》，2020 年，我國全部發(fā)電量約為 7.6 萬億千瓦時(shí)，占終端能源的消費(fèi)比重為 27%，總的終端能源消費(fèi)當(dāng)量為 28.0 萬億千瓦時(shí)。到 2060 年，如果我國電力占終端消費(fèi)能源的比重達(dá)到 80%，則我國發(fā)電量將達(dá)到 22.4 萬億千瓦時(shí)。綜合來自不同部門和專家的測(cè)算報(bào)告[2]②李立浧. 建設(shè)新型電力系統(tǒng)的思考. 北京: 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)主旨報(bào)告, 2021-12-15.馮樹臣. 發(fā)電領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型新技術(shù). 北京: 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)主旨報(bào)告, 2021-12-15. 李 立浧. 建 設(shè)新 型電力 系統(tǒng) 的思 考. 北京: 中 國電 機(jī)工 程學(xué)會(huì) 學(xué)術(shù) 年會(huì)主 旨報(bào) 告, 2021-12-15.馮樹臣. 發(fā)電領(lǐng) 域低 碳轉(zhuǎn)型 新技 術(shù). 北京: 中國電 機(jī)工 程學(xué) 會(huì)學(xué)術(shù) 年會(huì) 主旨報(bào) 告, 2021-12-15.③丁仲禮, 等. 統(tǒng)籌全國力量，盡快形成面向碳中和目標(biāo)的技術(shù)研發(fā)體系. 中國科學(xué)院學(xué)部咨詢項(xiàng)目課題組. 丁仲禮, 等. 統(tǒng)籌全國力量，盡快形成面向碳中和目標(biāo)的技術(shù)研發(fā)體系. 中國科學(xué)院部咨詢項(xiàng)目課題組.，筆者預(yù)計(jì) 2060 年我國各類電力裝機(jī)及發(fā)電量如下：火力發(fā)電將以天然氣發(fā)電為主，裝機(jī)將達(dá)到 7.5 億千瓦，發(fā)電量為 3.6 萬億千瓦時(shí)；水電裝機(jī)接近 6.0 億千瓦，可提供電力約 2.0 萬億千瓦時(shí)；核電裝機(jī)將達(dá)到約 2.5 億千瓦，可提供電力 2.0 萬億千瓦時(shí)；太陽能熱發(fā)電裝機(jī) 2.0 億千瓦，可提供電力約為 1.0 萬億千瓦時(shí)；垃圾和生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī) 2.0 億千瓦，發(fā)電量約為 1.0 萬億千瓦時(shí)。因此，到 2060 年，還有大約 12.8 萬億千瓦時(shí)的能源將需要通過光伏發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電獲得。以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的平均年發(fā)電時(shí)間為 1 600 小時(shí)計(jì)算（我國 I 類地區(qū)光伏發(fā)電年有效利用時(shí)間在 1 500—1 600 小時(shí)及以上，全國風(fēng)電平均年有效利用時(shí)間可達(dá)到 2 000 小時(shí)以上），則其總裝機(jī)容量將達(dá)到 80.0 億千瓦，占總裝機(jī)容量的比重約為 80%。

比較而言，光伏發(fā)電較風(fēng)力發(fā)電具有多方面的優(yōu)勢(shì)。① 光伏發(fā)電既可以適合于建設(shè)大型發(fā)電站，也比較適合于屋頂或園區(qū)分布式發(fā)電，而風(fēng)電不太合適此類分布式發(fā)電；并且，我國可資利用的屋頂或園區(qū)分布式發(fā)電資源豐富，這為充分利用分布式光伏發(fā)電創(chuàng)造了更有利的條件。② 光伏發(fā)電出力的波動(dòng)性和間歇性較風(fēng)力發(fā)電大幅降低，對(duì)電網(wǎng)更加友好。③ 正常情況下，光伏發(fā)電與負(fù)荷的日內(nèi)功率變化曲線呈現(xiàn)一定的相似性，這對(duì)于減少日內(nèi)功率平移量有重要意義。④ 光伏組件的回收處理比當(dāng)前的風(fēng)機(jī)葉片回收處理要容易得多，對(duì)環(huán)境更加友好。⑤ 從資源豐富程度上講，我國西部和北部地區(qū)廣袤的沙漠、戈壁和草原均適合建設(shè)大型光伏電站，資源潛力十分巨大。根據(jù)國家氣候中心的調(diào)查報(bào)告[3]，我國陸地 140 米高度上風(fēng)電的技術(shù)開發(fā)量約為 51 億千瓦，而 100 米高度近海水深 5—50 米海域內(nèi)風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量為 4 億千瓦，技術(shù)開發(fā)總量約為 55 億千瓦，即使實(shí)際開發(fā)利用其中一半，也只有約 27.5 億千瓦。⑥ 更為重要的是，從經(jīng)濟(jì)性較大來看，經(jīng)過多年的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)較風(fēng)力發(fā)電顯示出越來越明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)：預(yù)計(jì)未來光伏發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)將廣泛低于 0.1 元/千瓦時(shí)，甚至可以達(dá)到 0.06 元/千瓦時(shí)以下（即低于 1 美分/千瓦時(shí)）。雖然風(fēng)力發(fā)電的度電成本也仍有下降空間，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，光伏發(fā)電在光伏材料、發(fā)電效率、使用壽命等方面取得更大突破進(jìn)展的可能性較風(fēng)力發(fā)電機(jī)要大得多，其降價(jià)潛力更大。

綜上所述，光伏發(fā)電將成為未來最主要的能源。在上述光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)中，假設(shè)光伏發(fā)電占比 80%（64 億千瓦）、風(fēng)力發(fā)電占比 20%（16 億千瓦），可以得到如表 1 所示的 2060 年我國電源裝機(jī)及發(fā)電量預(yù)測(cè)表。

表1 我國2060年各類電源裝機(jī)及發(fā)電量預(yù)測(cè)Table 1 Forecast for China’s installed power capacity and electricity in 2060

2 構(gòu)建以物理儲(chǔ)能為主的儲(chǔ)能支持系統(tǒng)

2.1 可再生能源發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能的總體需求

眾所周知，可再生能源發(fā)電特別是風(fēng)力發(fā)電的出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，光伏發(fā)電的出力具有晝夜周期性，這不僅導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)頻能力不足，而且需要相應(yīng)的能量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)出力的平滑或能量的平移；此外，由于光伏發(fā)電和風(fēng)力機(jī)組自身不具有慣性或者慣性較低，且通過電力電子裝置并網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)等效慣量極大降低，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性造成重大影響。為解決上述問題，需要配置多種形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般包括長(zhǎng)周期能量轉(zhuǎn)移型、短周期能量轉(zhuǎn)移型（日內(nèi)削峰填谷）、短時(shí)間尺度功率支撐型 3 種類型。特別是，當(dāng)光伏發(fā)電成為主要電源后，短周期能量平移將成為儲(chǔ)能系統(tǒng)最重要的任務(wù)。

長(zhǎng)周期的能量轉(zhuǎn)移，即將可再生充足時(shí)段的能量轉(zhuǎn)移至大范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣或無風(fēng)天氣時(shí)之用。這種情況比較少見，難以通過配置電池儲(chǔ)能或抽水儲(chǔ)能等來滿足要求，一般可以通過備用化石能源或可再生能源制備燃料及相應(yīng)的火電機(jī)組來應(yīng)對(duì)?？稍偕茉粗苽淙剂现饕ㄉ镔|(zhì)制燃料、電解水制氫和電解水制氫加二氧化碳制備清潔碳?xì)淙剂系确绞健８鶕?jù)筆者的粗略估計(jì)，以目前中試水平的電制燃料系統(tǒng)為例，假設(shè)光伏發(fā)電成本為 0.1 元/千瓦時(shí)，則利用光伏發(fā)電制備天然氣（甲烷）的全部成本大概為 4.25 元/立方米[4]，這與當(dāng)前我國部分地區(qū)城市居民用氣的價(jià)格基本持平。如果制備工藝進(jìn)一步成熟、制備效率進(jìn)一步提高，其成本可望進(jìn)一步降低，可見其未來發(fā)展?jié)摿ΑｉL(zhǎng)周期的能量轉(zhuǎn)移，主要是解決特殊天氣情況下能源電力供應(yīng)的充裕性問題，與電網(wǎng)的短周期能量轉(zhuǎn)移（日內(nèi)削峰填谷）或短時(shí)間尺度功率支撐等儲(chǔ)能需求無直接關(guān)系。

短周期能量轉(zhuǎn)移用儲(chǔ)能，主要解決因可再生能源間歇性或用電與可再生能源發(fā)電之間的短周期時(shí)間差異性所導(dǎo)致的功率平衡需求；而短時(shí)間尺度功率支撐需求主要用于系統(tǒng)慣量支撐（毫秒至秒級(jí)）、一次調(diào)頻（秒至分鐘級(jí)）或二次調(diào)頻需求（分鐘至 10 分鐘級(jí)）。從功率響應(yīng)特性來講，電池儲(chǔ)能可以用做虛擬慣量，也可以用于一次調(diào)頻和二次調(diào)頻；從經(jīng)濟(jì)上來講，電池儲(chǔ)能在短周期能量轉(zhuǎn)移方面也可以發(fā)揮一定的作用。例如，電池作為分布式儲(chǔ)能在短周期能量平移方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。這也是電池儲(chǔ)能研發(fā)得到廣泛關(guān)注的重要原因。

2.2 物理儲(chǔ)能比較優(yōu)勢(shì)分析

物理儲(chǔ)能在短周期能量轉(zhuǎn)移和短時(shí)間尺度功率支撐方面具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)，主要理由有 3 點(diǎn)。

（1）電池儲(chǔ)能的不足。① 對(duì)于慣量支撐、一次調(diào)頻或二次調(diào)頻的應(yīng)用場(chǎng)景，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)頻繁充放電。電池儲(chǔ)能雖然可以滿足響應(yīng)速度和放電時(shí)間上的要求，但是由于其壽命周期內(nèi)的充放電次數(shù)限制，其在該應(yīng)用場(chǎng)景下幾乎沒有應(yīng)用的可能性。② 目前能夠與抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能容量上相媲美的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仍未出現(xiàn)。近年來，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)事故頻發(fā)，其安全性問題日益受到關(guān)注。當(dāng)然，電池儲(chǔ)能技術(shù)也處在不斷發(fā)展之中，在安全性上仍有很大的改善空間，但是大量廢舊電池的處理所帶來的環(huán)保問題不容忽視——廢棄風(fēng)機(jī)葉片的回收處理問題就是例子。因此，如果有功率響應(yīng)特性、經(jīng)濟(jì)性與電池儲(chǔ)能相當(dāng)而安全性環(huán)保性更好的物理儲(chǔ)能系統(tǒng)，那么物理儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該更具優(yōu)勢(shì)，除非電池儲(chǔ)能不可替代。例如，在分布式儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景中，物理儲(chǔ)能在此種場(chǎng)合難以體現(xiàn)其規(guī)模效益，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)就十分明顯了。

（2）物理儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。物理儲(chǔ)能的共同特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、報(bào)廢后處理簡(jiǎn)單容易。在慣量支撐、一次調(diào)頻或二次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景，飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能乃至超導(dǎo)儲(chǔ)能等都是可選方案[5]；在電網(wǎng)中安裝同步調(diào)相機(jī)組或其他處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)的機(jī)組均可提供慣量支撐。以天然氣為主的火電機(jī)組將用做靈活電源并作為備用容量，也可大量地用于一次調(diào)頻或二次調(diào)頻。隨著光伏發(fā)電度電成本的不斷下降，通過在光伏電站預(yù)留光伏有功備用容量（over-built capacity）[6]，也是提供一次調(diào)頻或二次調(diào)頻功率的有效方式之一。光伏有功備用容量在不參與調(diào)頻的時(shí)候，還可直接用于加熱等；所獲熱量可以直接儲(chǔ)存并用于靈活機(jī)組發(fā)電或供暖等，以提高其綜合效益。光伏有功備用容量本質(zhì)上與當(dāng)前的“棄光”表面上意義相同，但在未來電網(wǎng)中，它將成為一種必要而合理的手段，而非當(dāng)前的負(fù)面因素?？傊趹T量支撐、一次調(diào)頻或二次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景，亦或更廣泛意義下即高頻次、快速響應(yīng)、短時(shí)間尺度的容量需求場(chǎng)景，物理儲(chǔ)能方法或光伏有功備用容量方案優(yōu)勢(shì)更加明顯。

（3）物理儲(chǔ)能系統(tǒng)的資源限制問題解決方案。抽水儲(chǔ)能具有日內(nèi)削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、平移功率、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，是建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的最為理想的儲(chǔ)能方式之一。在日內(nèi)削峰填谷用儲(chǔ)能方面，壓縮空氣儲(chǔ)能也是十分合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)。但是，大量的文獻(xiàn)報(bào)道或闡述的主流觀點(diǎn)認(rèn)為：我國抽水儲(chǔ)能資源十分有限，難以滿足未來對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的需求；而壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)成本高、效率相對(duì)較低，一般需要依靠鹽穴等天然洞穴作為儲(chǔ)氣室才具有經(jīng)濟(jì)性，而鹽穴等天然洞穴的資源也是十分有限的。這也是大眾更多地關(guān)注電池儲(chǔ)能的主要原因。但是，這些觀點(diǎn)是建立傳統(tǒng)抽水儲(chǔ)能或壓縮空氣儲(chǔ)能的實(shí)施方案不再有進(jìn)步和創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上。誠然，常規(guī)抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)需要依托必要的水資源和合適的地質(zhì)條件及山體落差，對(duì)于建設(shè)選址的要求嚴(yán)格，且也有一定環(huán)保方面的考慮，因此適合于建設(shè)常規(guī)抽水儲(chǔ)能的資源的確是有限的。對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能來說，現(xiàn)有的儲(chǔ)氣方式主要包括天然地下洞穴儲(chǔ)氣、基于金屬或復(fù)合材料的高壓儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣 2 種方式。由于高壓儲(chǔ)氣罐十分昂貴，天然地下洞穴儲(chǔ)氣似乎就成為壓縮空氣儲(chǔ)能的不二選擇，而天然地下洞穴資源也的確是十分有限的。然而，如果采用人工挖掘地下水庫或地下儲(chǔ)氣室的方式[4]，且能保障儲(chǔ)能系統(tǒng)具有足夠的經(jīng)濟(jì)性，那么適合于建設(shè)抽水儲(chǔ)能或壓縮空氣儲(chǔ)能的資源基本上是無限制的。

2.3 大規(guī)模物理儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施方案

（1）地下抽水儲(chǔ)能。自從 20 世紀(jì) 90 年代以來，日本、新加坡和俄羅斯等國家都對(duì)基于人工地下水庫的抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究[7-9]。研究表明，在較高水頭（大于 800 米）和適當(dāng)規(guī)模情況下，基于人工地下水庫的抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本與常規(guī)抽水儲(chǔ)能基本相當(dāng)。例如，俄羅斯的地下抽水儲(chǔ)能設(shè)計(jì)方案[9]為：上庫建在地面，下庫為建在地下約 1 300 米深的隧洞，隧洞長(zhǎng)度為 16 公里、直徑為 12.5 米。地下廠房在地下 1 300 米處，尺寸約為 20 米×60 米，高度約為 30—40 米，廠房?jī)?nèi)安裝 4 臺(tái)可逆式水輪機(jī)組，水輪機(jī)出力各為 250 兆瓦，總功率為 1 000 兆瓦；投資預(yù)算為 700 美元/千瓦（約人民幣 4 500 元/千瓦），甚至還低于常規(guī)抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外，由于不需要占用山體，地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)占地更小、生態(tài)環(huán)保性更佳。

（2）地下壓縮空氣儲(chǔ)能。雖然人造地下儲(chǔ)氣室建造成本較天然洞穴要高出不少，但比地面高壓儲(chǔ)罐成本低；而相比于天然地下洞穴儲(chǔ)氣室而言，人造地下儲(chǔ)氣室對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)依賴性弱，并可方便選址，可部分省去電能傳輸線路的基建成本和運(yùn)行過程中的損耗，因而總體建設(shè)成本已經(jīng)達(dá)到與抽水儲(chǔ)能相當(dāng)?shù)乃健＠?，中國科學(xué)院工程熱物理研究所正在張家口建設(shè)的 100 兆瓦/400 兆瓦時(shí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，就采用了人工地下儲(chǔ)氣室。如果基于水壓補(bǔ)償方式維持壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在恒壓工況下充放電[10]，并將空氣壓縮過程中的熱量回收利用，則可以將壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的電-電效率提升到 65%—70%[11]，而經(jīng)濟(jì)性有望進(jìn)一步大幅度提升。圖 1 顯示在不同壓強(qiáng)或上下庫落差下，基于水壓補(bǔ)償?shù)膲嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量與壓強(qiáng)（或落差）的關(guān)系；在 100 個(gè)大氣壓（即 10 兆帕，對(duì)應(yīng)上、下水庫落差為 1 000 米）的情況下，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量將達(dá)到抽水儲(chǔ)能的 3.5 倍左右。這表明基于水壓補(bǔ)償?shù)膲嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的度電成本可以大幅度降低，甚至比抽水儲(chǔ)能還要廉價(jià)。

圖1 抽水儲(chǔ)能與基于水壓補(bǔ)償?shù)膲嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度比較Figure 1 Comparison of energy density between hydro-pumped energy storage and compressed air energy storage

21 世紀(jì)以來，我國地下挖掘技術(shù)和地下工程建設(shè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。例如，我國自主研發(fā)的大口徑盾構(gòu)機(jī)技術(shù)或硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）總體上已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。我國在鐵路/公路隧道、海底/河底隧道、垂直豎井/斜井、地鐵、大型水電站的地下工程建設(shè)等方面突飛猛進(jìn)。這些工程技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的成就，使得我國地下工程的建設(shè)成套技術(shù)日趨成熟，建設(shè)工期和建設(shè)成本都大幅降低，為建設(shè)實(shí)用化的地下抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)和地下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于人造地下洞室的抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)或兩者的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)等物理儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅選址靈活、環(huán)保性好、安全性高，而且占地少、經(jīng)濟(jì)性好、廢棄后處理容易，可望成為解決短周期能量平移所需大規(guī)模電能儲(chǔ)存問題的根本性出路。此外，地下重力儲(chǔ)能、地下儲(chǔ)熱及其他地下綜合儲(chǔ)能等系統(tǒng)也是重要的發(fā)展方向。由此可見，通過選擇合理的實(shí)施方案，采用物理儲(chǔ)能完全能夠滿足我國未來對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求。

3 構(gòu)建基于可再生能源的廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）

3.1 廣域可再生能源的互補(bǔ)性與挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)的電網(wǎng)中，幾乎所有的電源均是可以調(diào)度的電源。因而，在電網(wǎng)的不斷發(fā)展過程中，一般是根據(jù)新增電源的選址和負(fù)荷需求情況，在原有電網(wǎng)基礎(chǔ)上疊加新的輸配電線路，并經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展形成了今天的電網(wǎng)。近年來，雖然可再生能源不斷地接入電網(wǎng)，但在既有電網(wǎng)上不斷疊加電源和輸配電線路的總體思路沒有根本性改變。

然而，由于可再生能源不可調(diào)度且具有時(shí)變性的特點(diǎn)，隨著可再生能源裝機(jī)在電網(wǎng)中的占比越來越高，一方面，電網(wǎng)將面臨一系列重大挑戰(zhàn)，主要包括：電網(wǎng)的調(diào)節(jié)容量嚴(yán)重不足，對(duì)于靈活調(diào)頻提出了重大需求；電力系統(tǒng)的慣量下降，導(dǎo)致頻率穩(wěn)定性問題突出；電壓穩(wěn)定和電壓控制水平下降。另一方面，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在廣域范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的時(shí)空互補(bǔ)性，在廣域范圍內(nèi)充分利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的時(shí)空互補(bǔ)性，對(duì)于提高電網(wǎng)的綜合效益是頗有裨益的。由于我國地域廣大，各區(qū)域光伏和風(fēng)力資源隨時(shí)間變化曲線的相關(guān)性弱，而體現(xiàn)為互補(bǔ)性強(qiáng)。例如，就我國具體情況而言，國家氣象數(shù)據(jù)的調(diào)查研究[12]表明：?jiǎn)蝹€(gè)站點(diǎn)的風(fēng)功率 1 分鐘波動(dòng)值最大約為 20%，而 10 分鐘波動(dòng)最大值達(dá)到了 100%；如果對(duì)全國主要的風(fēng)電基地采用統(tǒng)一的輸電骨干網(wǎng)架有機(jī)連接起來以實(shí)現(xiàn)風(fēng)資源互補(bǔ)利用，則總的風(fēng)功率 1 分鐘最大波動(dòng)值將降低到約 2.3%，而 10 分鐘最大波動(dòng)值將降低到約 9.6%。如果進(jìn)一步考慮太陽能光伏發(fā)電的時(shí)空互補(bǔ)性，則能更加有效降低光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電總體出力的波動(dòng)值。此外，光伏發(fā)電短時(shí)間尺度的波動(dòng)性比風(fēng)力發(fā)電大為降低，且考慮到風(fēng)力發(fā)電在可再生能源發(fā)電中的比例相對(duì)較低，因而就全國廣域范圍的可再生能源發(fā)電而言，其總功率的短時(shí)功率波動(dòng)率（波動(dòng)功率占總功率的比值）就會(huì)降低到更低的程度，這將極大緩解對(duì)短時(shí)間尺度儲(chǔ)能容量或備用容量的需求。

我國“三北”地區(qū)的光伏和風(fēng)電資源豐富，東部沿海也具有較為豐富的風(fēng)電資源，但負(fù)荷中心主要集中在中部和東部地區(qū)，構(gòu)建全國性統(tǒng)一電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)“西電東送、北電南送、各區(qū)互補(bǔ)”將是我國電網(wǎng)建設(shè)的長(zhǎng)期格局，這就在客觀上為合理利用廣域范圍內(nèi)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的時(shí)空互補(bǔ)性提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。因此，考慮到光伏和風(fēng)電資源的特點(diǎn)及其未來發(fā)展遠(yuǎn)景，并結(jié)合我國實(shí)際情況，對(duì)于我國輸電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的建設(shè)，需要進(jìn)行全局性的謀劃，而不宜繼續(xù)采用過去在既有電網(wǎng)基礎(chǔ)上不斷疊加電源和輸電線路的思維模式[13]。

3.2 未來電力系統(tǒng)的構(gòu)建

構(gòu)建設(shè)想：① 考慮到大量可再生能源按照傳統(tǒng)模式接入現(xiàn)有電網(wǎng)所帶來的系列挑戰(zhàn)，可以構(gòu)建覆蓋一個(gè)全國范圍內(nèi)統(tǒng)一的柔性直流電網(wǎng)，將我國主要的光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)、部分物理儲(chǔ)能電站通過柔性直流換流器接入該電網(wǎng)，以最大程度上利用廣域可再生能源的時(shí)空互補(bǔ)性，從而形成基于可再生能源的廣域源側(cè)電網(wǎng)；該源側(cè)電網(wǎng)實(shí)際上也可以視為一個(gè)廣域虛擬電廠[14]。② 以傳統(tǒng)能源（火電、水電、核電）為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)（即現(xiàn)有電網(wǎng)或負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)），仍然維持以區(qū)域交流同步電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)的模式，新增電源和輸電線路仍然維持原有的思路和模式不變，電力用戶仍然接入傳統(tǒng)電網(wǎng)；同時(shí)，分布式能源通過分布式儲(chǔ)能和用戶微電網(wǎng)接入傳統(tǒng)電網(wǎng)。③ 廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）通過柔性直流換流器多落點(diǎn)地連接傳統(tǒng)電網(wǎng)（也即負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)），并為傳統(tǒng)電網(wǎng)提供電力；落點(diǎn)的輸送功率根據(jù)傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力需求分布和安全穩(wěn)定性約束確定。因此，廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）便通過直流模式疊加到傳統(tǒng)電網(wǎng)上，即形成“網(wǎng)-網(wǎng)疊加模式”（圖 2）。④ 根據(jù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和功率實(shí)時(shí)平衡的需求，在源側(cè)電網(wǎng)直流落點(diǎn)的交流側(cè)，就地連接多種物理儲(chǔ)能系統(tǒng)、靈活電源（如氣電）、旋轉(zhuǎn)備用及電壓補(bǔ)償設(shè)備，以保障傳統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)維持足夠的慣量、可調(diào)節(jié)容量和電壓穩(wěn)定性。因此，廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）直流落點(diǎn)將成為電網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其不僅是“兩網(wǎng)”互聯(lián)和電力輸送的節(jié)點(diǎn)，也是維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的功率調(diào)節(jié)和控制中心（PRCC）。PRCC 在本質(zhì)上與換流站和變電站有根本性區(qū)別，并將成為未來電網(wǎng)的新生事物。⑤ 借助于多時(shí)間尺度的可再生能源功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)和負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，可以靈活地控制源側(cè)和各落點(diǎn)的柔性直流換流器，不僅可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功率平衡，也可在某種程度上實(shí)現(xiàn)一定的調(diào)度功能。同時(shí)，廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）不僅為光伏發(fā)電廠預(yù)留了一定的備用容量，還安裝有大量的物理儲(chǔ)能系統(tǒng)，因而廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）自身也可以某種程度上響應(yīng)短時(shí)間尺度的功率波動(dòng)性和負(fù)荷側(cè)需求的變化。

圖2 廣域虛擬電廠（源側(cè)電網(wǎng)）與傳統(tǒng)電網(wǎng)（負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)）疊加構(gòu)建新型電力系統(tǒng)Figure 2 Future power system based on traditional power system (load side grid) and wide-area virtual power plant (power-source side grid)

通過以上方式構(gòu)建以可再生能源為主的電網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)主要有：① 現(xiàn)有電網(wǎng)無須做出重大調(diào)整，而且可以按照原有模式發(fā)展和演化；高比例可再生能源接入所引起的系列問題通過構(gòu)建另外一個(gè)統(tǒng)一的源側(cè)電網(wǎng)和網(wǎng)-網(wǎng)疊加模式來解決。② 通過源側(cè)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廣域范圍的可再生能源資源互補(bǔ)利用并接入部分物理儲(chǔ)能系統(tǒng)后，使得源側(cè)電網(wǎng)自身具有一定程度的剛性和靈活性，因而功率調(diào)節(jié)和控制中心應(yīng)對(duì)短時(shí)間尺度的功率波動(dòng)就相對(duì)容易很多。③ 在滿足功率實(shí)時(shí)平衡的基礎(chǔ)上，源側(cè)電網(wǎng)的各個(gè)直流換流器相對(duì)獨(dú)立控制，因此源側(cè)電網(wǎng)具有良好的可拓展性，從而為接入新的可再生能源電廠、新的儲(chǔ)能設(shè)備或靈活電源、新的功率調(diào)節(jié)控制中心奠定了基礎(chǔ)。從這個(gè)意義上講，源側(cè)電網(wǎng)也可視為能實(shí)現(xiàn)“即插即用”的綜合能源平臺(tái)。

4 總結(jié)與建議

4.1 總結(jié)

本文結(jié)合可再生能源的特點(diǎn)，對(duì)“雙碳”目標(biāo)下的可再生能源發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)光伏發(fā)電為主的電力結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)：到 2060 年，我國總裝機(jī)將達(dá)到約 100 億千瓦，其中風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機(jī)將占 80%（80 億千瓦），而光伏發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到約 64 億千瓦。基于可再生能源接入電網(wǎng)的需求和各種儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文認(rèn)為物理儲(chǔ)能特別是地下物理儲(chǔ)能工程是解決規(guī)?；瘍?chǔ)能問題的關(guān)鍵出路。為應(yīng)對(duì)可再生能源大量接入電網(wǎng)所帶來的挑戰(zhàn)并結(jié)合可再生能源的時(shí)空互補(bǔ)性，本文提出構(gòu)建廣域虛擬電廠作為“即插即用”的綜合能源平臺(tái)，以此形成源側(cè)電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)（負(fù)荷側(cè)電網(wǎng)）相互疊加的組網(wǎng)模式；而“兩網(wǎng)”互聯(lián)節(jié)點(diǎn)作為功率調(diào)節(jié)和控制中心，可為解決高比例可再生能源電網(wǎng)所面臨的問題提供支撐。

4.2 建議

（1）加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的科技攻關(guān)和示范。為了促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施，建議大力發(fā)展新型光伏發(fā)電技術(shù)以進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本和提高其效率；大力發(fā)展地下儲(chǔ)能工程，采用物理儲(chǔ)能技術(shù)解決日內(nèi)調(diào)峰填谷問題；布局廣域虛擬電廠（源端電網(wǎng)）安全穩(wěn)定性理論、規(guī)劃設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)、核心材料與器件、關(guān)鍵裝備的研究，并適時(shí)開展示范工程試點(diǎn)的建設(shè)。

（2）積極推進(jìn)相適應(yīng)的電力體制改革。在可再生能源占主導(dǎo)的情況下，電力系統(tǒng)中的源網(wǎng)儲(chǔ)強(qiáng)相關(guān)，因而在電力體制改革也要適應(yīng)能源變革的需要和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施；建議不同層次上的電力系統(tǒng)分別由不同的企業(yè)運(yùn)營(yíng)，以便于對(duì)不同層次系統(tǒng)內(nèi)的源網(wǎng)儲(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)與控制。例如，主要可再生能源電廠和儲(chǔ)能電站及全國性的源側(cè)電網(wǎng)由一家企業(yè)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，區(qū)域傳統(tǒng)電網(wǎng)及相關(guān)的電廠和儲(chǔ)能系統(tǒng)由區(qū)域電力企業(yè)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，地方電力企業(yè)則經(jīng)營(yíng)配電網(wǎng)和分布式能源，而電力用戶主導(dǎo)微網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。這樣一來，不同層次、不同地域的電力系統(tǒng)各自作為一個(gè)統(tǒng)一整體由不同的企業(yè)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)、各司其職，通過相適應(yīng)的規(guī)范與其他系統(tǒng)互聯(lián)并由上一級(jí)系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度。

致謝本文在撰寫過程中，得到了中國科學(xué)院電工研究所孔力、王一波、胡書舉和聶子攀的有益幫助，在此向他們表示衷心的感謝！