新型电力系统观察：储能、虚拟电厂是最佳解？
未来我国的能源系统将趋近于电力系统。笔者认为这是未来一个具有确定性的趋势。在终端能源消费领域，绿电正逐步替代煤炭、石油和天然气，通过使用硅基替代碳基，进一步提高了电能在工业、交通、建筑等领域的消费的比重。这一转变标志着新一轮的“新电气化”时代的开启。
但是，随着高比例的新能源电力进入电网和高比例电气化设备的大量使用，这种“双高”问题会导致我们的电力系统安全稳定运行面临非常大的风险挑战。如何破局构筑新型电力系统成为了我国新能源建设无法避开的“命题”。本文将深度解析新型电力系统带来的机遇。
(资料图)
绿电消纳问题愈演愈烈
虽然新能源清洁高效、潜力无限，但同时也具有间歇性、不可控性等特征。拿我国沿海地区的风光发电来说，“天热无风”“云来无光”，完全“靠天吃饭”，一年中具备光照发电条件的时间也有限。
根据国家电网在22年1月发布的《新能源消纳运行评估及预警技术规范》，新能源消纳监测预警的地区分为红色、黄色和绿色区域，进入红色预警的地区或面临暂停风光电接入的风险，而主要判断指标即为新能源利用率。从21年至23年一季度各省逐月利用率数据来看，利用率偏低的区域主要集中在西北地区，包括内蒙古、甘肃、宁夏、青海、新疆等省份。
目前，西北地区第一批大型风光基地装机总容量97GW已全部开工建设，其中约50%电量外送消纳。预计通过提升已建输电通道利用效率共计可提升跨区域输电能力4200万千瓦，基本满足了第一批大基地的外送需求。第二批项目(规划“十四五”期间投产200GW)正在陆续开工，其中约75%电量外送消纳。第三批项目正在进行审查。
随着第二/三批风光项目的投运，消纳问题将进一步突出。此外，二季度是弃电高峰期，消纳问题最核心的影响因素是终端用电需求，在迎峰度冬、迎峰度夏两个时间节点上用电需求旺盛可平抑短时供求矛盾。此外，2022年二季度来水偏丰，水电超发在一定程度上也影响到了风光消纳。
三种现有手段缓解“弃电”情况
随着装机倍增，多发电的时候怎么消纳，不发电的时候又如何满足高峰用电需求?
以目前的技术能力有三种手段。首先是火电灵活性改造，根据电联新媒报道，在山东负电价期间，出现了大面积的火电启停，其中很多是在同一天内进行热态启停。为了保障新能源的消纳，火电需要通过停机的手段来实现。然而，频繁启停会对火电设备产生一些负面影响，包括需要投油预热，价格较贵，从而提高整个电力系统的成本；设备加热或冷却过程中易产生损耗，隐性成本高；启停过程中出现安全事故的风险较常规发电更高。
然而，火电启停并不是长久之计，关键在于进行灵活性改造，提高煤电调节能力。煤电深度调峰改造可以将机组的最小出力降低到额定出力的20-30%，从而释放调节空间。这种改造周期短、成熟度高、度电成本低，是一种灵活性资源。
我国火电装机当前约为13亿千瓦，十三五期间国网地区完成改造1.6亿千瓦，国家发改委和国家能源局于2021年发布《全国煤电机组改造升级实施方案》，提出存量煤电机组灵活性改造应改尽改，“十四五”期间完成2亿千瓦，增加系统调节能力3000-4000万千瓦，以促进清洁能源消纳。预计十四五后，仍会有9亿千瓦以上的改造空间。
A股多家上市公司都表示火电灵活性改造正处于高景气区间。青达环保在董秘互动中表示公司的全负荷脱硝系统适用于火电机组深度调峰、灵活性改造领域，前景广阔，目前在手订单充足。2022年龙源技术期末在手订单9.55亿元，同比+53.57%，在手订单充沛。年初动力煤价格中枢下降，火电企业一季度盈利明显改善，火改意愿有望提升，有望促进此类公司的业绩提升。
图片来源：新型电力系统发展蓝皮书
第二种手段是新型储能的建设，新型储能包括机械储能、电化学储能、化学储能、热储能、电磁储能等多种技术路线。新型储能被许多机构认为是新能源发展终局必备的建设项目，然而事实上近年来储能行业还处于战略摸索期。
中电联调研的电化学储能项目实际运行效果较差，平均等效利用系数仅12.2%。其中新能源配储能利用系数仅为6.1%，火电厂配储能为15.3%，电网侧储能为14.8%，用户储能为28.3%。比较而言，新能源配储能利用系数最低，其运行策略最多做到弃电期间一天内一充一放，整体调用情况较差。
而且目前参与大储招标的公司众多。比如电池方面有动力电池龙头公司：宁德时代、比亚迪、亿纬锂能。PCS有众多光伏逆变器企业竞争比如阳光电源、锦浪科技、固德威。BMS、EMS、温控等系统的公司更是众多，比如奥特佳、电网设备公司四方股份等等。这些公司选择跨界的原因大部分是因为判断储能市场空间大，但大储依靠强制配储尚未做到有盈利的模式。
图片来源：新型电力系统发展蓝皮书
第三种手段是建设智能电网与虚拟电厂。虚拟电厂是一种通过信息技术和智能设备来管理和调度电力的系统。通过预测用电高峰和电力供应紧张的情况，虚拟电厂可以提前一周通知用户，请求他们在高峰期间减少用电。如果用户成功响应并减少用电，虚拟电厂会向他们提供每度电几块钱的补贴。这种机制可以鼓励用户积极参与电力管理和调度，从而达到节约能源和减少碳排放的目的。
此外，虚拟电厂还可以通过微操商场等大型用电单位的用电行为，例如将空调温度提高一段时间，从而在细节上省电，达到整体节约能源的效果。通过宏观上统领大局和细节上疯狂微操，虚拟电厂可以在不知不觉中帮助用户省电，同时为用户提供额外的收入。
目前电网信息化企业，依托在电力、通信领域经验技术和电网公司丰富的信息通信资源，具有开展虚拟电厂业务的先天优势，成为当前示范项目主力，如国电南瑞、国网信通、远光软件等。
这种方式看起来很美好，但是电力物联网的安全性是否经得起考验还待观察。2021年5月7日，美国最大燃油管道运营商科洛尼尔管道运输公司遭遇黑客攻击，被迫关闭整个管道系统。这导致美国多地出现燃油短缺和恐慌性购买，燃油价格飙升，甚至迫使联邦政府宣布进入国家紧急状态。恐慌持续到13日运输系统重新上线，才有所缓解。
总结：能源安全是新能源发展的底线
国家能源局组织发布《新型电力系统发展蓝皮书》中提到：需要始终坚持底线思维，全力保障能源安全，推动构建适应大规模新能源发展的源网荷储多元综合保障体系。
能源安全就是新能源发展的底线。从火灾到恶劣天气造成损失，给光伏、风电和储能等新能源行业敲响警钟——保证质量与安全是一个行业持续健康发展的底线，没有安全，一切为零。
如今新型电力系统的建设有许多方面仍值得谨慎。举个例子来说，电池储能项目不仅投资成本高，而且故障或计划外停机的风险也很高。研究表明，2015年至2022年期间，58%的储能系统故障发生在运行的前两年。三分之二的事故发生在储能系统部署后不久的第一年。
这些事故有许多不同的原因，从电池失控、风扇问题、冷却系统错误、逆变器故障、电池管理系统(BMS)故障等等。下图采用EPRI电池储能系统故障事件数据库的数据说明了这一点。
图：电池储能系统的失效率VS工作寿命
在实现碳达峰和碳中和的过程中，新能源发展至关重要。然而，这并不意味着我们需要对新能源进行泡沫式的发展。近期有文章指出，如果不大规模新增新能源装机以应对持续创新高的发电量，限电问题仍将存在。从某种程度上看，这个解决方案并无大碍，但实际上这是一种偏激的做法。用30%的电源品种去解决一个区域限电或用电量不足的问题，似乎并不客观和科学。
绿电需要大规模发展，但这一发展应该是科学的、理性的规划。为了实现国家双十二峰会宣言提出的碳排放目标，我们一方面需要加大节能力度，扩大林业规模；另一方面当然也要增加新能源等非化石能源装机比例。然而，由于新能源短期内发电量比例难以完全替代水火电，我们不能简单地将这个任务的责任归咎于储能以及虚拟电厂等未成熟的技术，更不能一次狂热地提出夸张的规划目标。
