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新型电力系统对抽水蓄能的需求及未来发展建议
文章来源:北极星储能网发布日期:2021-08-20董超

        积极试点抽水蓄能以市场独立主体参与电力市场交易的方式,探索电力中长期交易、现货交易、辅助服务市场交易规则和盈利模式。探索抽水蓄能与新能源、核电的合作交易方式,引导营收模式的多元化。

        2021年3月15日,习近平总书记对电力发展作出重要部署,强调要构建以新能源为主体的新型电力系统,为实现碳达峰、碳中和目标作出中国的贡献。新型电力系统的构建是一项系统工程,将重构电力生产、消费、储运格局,对电力的绿色可持续发展提供了可行的解决方案。随着新型电力系统的推进,电力系统将呈现高比例可再生能源、高比例电力电子设备的“双高”特征,给电网安全稳定运行带来挑战。而抽水蓄能作为目前世界上技术最成熟的储能方式,具有容量大、响应快、可靠性高的特点,势必为新型电力系统安全运行提供重要支撑和保障,在新型电力系统中更好地发挥稳定器、调节器、平衡器的作用。

        一、新型电力系统的发展前景

        截至2020年底,我国煤电装机10.8亿千瓦,占比49.1%,发电量占比为60.8%;而风电、光伏发电装机5.3亿千万,占比24.3%,发电量仅占9.5%。为积极应对全球气候变化,2030年风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上,新能源发电量占比预计将提高到25%以上。

        我国幅员辽阔和能源资源分布的不均衡性,决定了由远距离、高电压、大容量的特高压交直流线路构成电网的主网架,同时大规模接入的新能源发电的波动性、不稳定性,都将增加电力系统的复杂性,大电网安全问题日益突出。2019年8月9日英国伦敦大停电、2020年8月14日美国加州大停电的事后调查报告,均将事故原因指向了新能源的高比例接入、机组涉网性能指标不达标、电网频率特性差、系统调节能力不足等因素。抽水蓄能在电源负荷集中点建设,具有容量大、调节速度快、可靠性高的特点,在国内外历次停电事故事件中有效地防止了事故的进一步扩大。

        二、新型电力系统对抽水蓄能发展的需求

        随着新型电力系统建设的推进,抽水蓄能的作用将日益凸显,电网对其高质量发展也提出了需求,具体有以下几个方面。

        (一)要规模化快速建设,满足新型电力系统协调发展的需求

        截至2020年底,我国抽水蓄能装机容量占比仅为1.43%,与其他国家相比存在较大差距,日本在役抽水蓄能装机占电源总装机的比重最高,达到8.5%,其次为意大利、西班牙、德国、法国,比重在3.5%~6.6%之间。

        新型电力系统的调节能力无法一蹴而就。在新能源大规模发展、电力系统灵活性亟待提升的背景下,抽水蓄能不仅是当前最成熟的储能技术,而且是增强电力系统应对事故能力、保障电力系统安全可靠且全生命周期环境效益最明显的规模化储能手段。新型电力系统在发展新型能源的同时,必定要发展储能技术以保障电网的安全运行,只有两者协调发展才能保障新型电力系统的有序推进。

        (二)要国产化自主供应,满足新型电力系统自主可控的要求

        随着国内仙居、深圳等蓄能电站的建成,抽水蓄能的发电机、水轮机等国产化主机设备已经得到了工程验证;励磁、SFC(静止变频器)、监控系统也逐步开始国产化试点。作为电力系统稳定器、调节器、平衡器,要求抽水蓄能具备更高的可靠性,在一些关键的核心元器件和工艺材料方面,国产设备仍存在可靠性不足、性能不达标的问题。目前发电机设备的绝缘材料主要还依赖进口;适用于大电流频繁开断的发电机出口断路器、励磁系统直流开关依旧被部分国外厂家垄断;电力控制系统的核心芯片仍然不能自主应用;励磁系统、SFC系统的关键核心器件依旧依赖进口;高可靠性的液压适配阀、电磁阀、高精度传感器仍是国外产品占市场主导地位。

        随着新型电力系统的发展,必然要求减少对国外厂家的供应链依赖,降低抽水蓄能的建设运营成本,促进国内上下游产业的健康发展,促进形成以国内大循环为主的新发展格局。构建新型电力系统背景下,抽水蓄能规模化建设为自主国产化研发和应用提供了广大的市场,设备的自主可控国产化是必然趋势。国产化设备的“最后一公里”攻克势在必行,抽水蓄能的关键核心技术必定要实现自主可控。

        (三)要智能化经济调度,满足新型电力系统智能运行的要求

        抽水蓄能凭借启停快、工况转换灵活等特点,在电网中发挥着调峰调频、调相调压、黑启动备用等功能。其功能通过电力调度的控制来实现,其运行性能通过运行和设计指标来衡量。运行指标主要包括启动成功率、等效可用系数、强迫停运率、综合效率、利用小时数等;设计指标主要是发电上网电量、抽水下网电量等。但是这些指标未能完全覆盖抽水蓄能的作用,旋转备用、负荷调节、事故备用等功能无法通过上述指标完全衡量。这给抽水蓄能的功能发挥和调度评价带来了挑战。

        新型电力系统需要构建清洁、低碳、安全、高效能源体系,需要在保证安全裕度的条件下最大限度地吸收新能源并网电量。这就要求抽水蓄能在灵活、经济、可靠、智能调度下发挥其最大价值,能够定量地进行功能评价。

        (四)要专业化精益管理,满足新型电力系统可靠运行的要求

        抽水蓄能电站受投产时间、运营方式、地质条件、设备选型、装机规模、技术水平、设备状态、调用机制等因素影响,电站运维标准存在差异,设备运行可靠性也存在较大不同。抽水蓄能的高转速、启停频繁、工况转换多等特点导致设备故障率较高,运维的复杂程度也较高。

        新型电力系统对安全运行提出了更高要求。抽水蓄能应更好地发挥调峰调频、事故备用的功能。需要对抽水蓄能设备更专业地管理,提升设备安全运行水平和可靠性,提升资产使用效益,实现电站运营风险、效能、成本综合最优。

        (五)要市场化高效运营,满足新型电力系统持续发展的要求

        《国家发展改革委关于进一步完善抽水蓄能价格形成机制的意见》完善了容量电价核定机制,规定了以竞争性方式形成电量电价,健全了抽水蓄能电站费用分摊疏导方式,建立起完整的成本回收与分摊机制,解决了电费“如何疏导”的问题。同时经营期内资本金内部收益率按6.5%核定,给予了较为稳定的预期投资回报,对社会资本参与抽水蓄能投资建设起到激励作用,有利于实现产业可持续发展。但是抽水蓄能参与市场的方式存在一定的不确定性。电量按照市场定价进行结算,又不参与市场交易,仅依靠调度进行管控,给后续的盈利方式带来了不利因素。

        新型电力系统的健康持续发展需要建立健全市场价格体制,通过市场机制理顺新能源和抽水蓄能的盈利模式,促进新型电力系统的的稳定经营。

        三、抽水蓄能后续发展的思考及建议

        (一)利益多元推动建设的健康有序发展

        一是鼓励投资主体多元化,试点使用REITs(基础设施领域不动产投资信托基金)筹措资金,解决抽水蓄能建设周期长、一次投入大、回收利润时间长的问题,促进建设的可持续发展。二是要建立抽水蓄能的价值链整合平台,推动设计一体化、设备制造标准化、基建建设标准化,将建设经验归纳总结形成标准,加速工程建设的规模化快速发展。三是将地方政府、当地移民纳入统一利益共同体,完善地方政府税收、乡村振兴等配套措施,加快解决项目在地方落地难的问题。四是要建立以最低造价形式竞标抽水蓄能站点的建设模式,降低建设成本,不断优化体制和机制,形成良性循环。

        (二)科技创新提速设备的自主可控制造

        一是对于市场范围应用广、行业适用性强的技术,依托行业的科技发展逐步在抽水蓄能相关设备上推动试点应用,如电力芯片、核心电力电子器件等产品。二是对于市场应用较窄、行业适用性窄的技术,与设备厂家联合建立科技攻关项目,进行研制、试点、推广,如适用于大电流频繁开断的发电机出口断路器、励磁系统直流开关等。三是对于涉及材料基础科学的研发应用,依托科研院所、设备制造企业联合研发,利用抽水蓄能行业的规模化发展效应,推进产学研的合作。

        (三)智能调度确保功能的高效智能发挥

        一是建立抽水蓄能与新能源消纳的灵活调用机制,以最大化消纳新能源、确保电网安全、综合成本最优为目标,以数字电网建设为载体,建立智能调度的策略。二是建立抽水蓄能综合评价机制,解决抽水蓄能功能发挥相互冲突而带来的评价难题,引导调度的合理调用,最大化发挥抽水蓄能能力。三是适时考虑奖惩机制,对抽水蓄能功能发挥进行考核,推动运营管理水平的整体提升。

        (四)资产管理提升设备的综合利用效能

        一是建立适用于抽水蓄能的资产全生命周期管理体系,以体系标准、业务框架、职能要求为载体形成标准,从规划设计、设备选型、工程建设、维护检修、退役报废全生命周期的各个环节统一业务目标,提升设备的安全可靠性,发挥设备的最大效力和价值,实现在设备风险、成本、效益方面的综合最优。二是适时推进抽水蓄能设备的状态检修,借鉴以可靠性为中心的管理理念提升设备的可靠性管理,最大化地提升设备的利用效能。三是推进数字化建设水平,提升资产设备的全时空感知能力,推动管理效率的提升。

        (五)参与市场促进经营的合规高效发展

        一是积极试点抽水蓄能以市场独立主体参与电力市场交易的方式,探索电力中长期交易、现货交易、辅助服务市场交易规则和盈利模式。二是探索抽水蓄能与新能源、核电的合作交易方式,引导营收模式的多元化。三是探索抽水蓄能规模化发展后对社会整体电价的影响,形成更加充分反映用电成本、供求关系和资源稀缺程度的电价机制。

        四、结语

        构建新型电力系统切合新发展理念,对抽水蓄能的发展提出了迫切的需求。抽水蓄能需要在建设规模提速、设备制造自主可控、智能调度、资产管理、市场运营方面解决关键问题,才能更好地发挥电网稳定器、调节器、平衡器的作用。