中国柔性化和脱碳电力系统的储能：路径与区域部署

《Journal of Energy Storage》：Energy storage for a flexible and decarbonized power system in China: Pathways and regional deployment

　　

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  量化了中国在双碳目标下的长期储能路径。
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  揭示了电力系统转型各阶段储能的时间序列。
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  揭示了区域储能部署路径和技术异质性。
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  证明了协同储能增强了灵活性和电网稳定性。

引言

为应对全球变暖，中国宣布了"双碳"目标，即2030年前碳达峰、2060年前实现碳中和[1]，[2]。由于电力系统的碳排放占中国总排放量的40%以上，加速可变可再生能源（VRE）扩张、加强区域间电力输送以及完善市场机制对于推进电力系统转型和实现这些目标至关重要[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。以风能和太阳能为代表的VRE装机容量快速扩张，在通过替代化石燃料发电减少碳排放的同时，由于其波动性也大幅增加了灵活性需求[8]，[9]。储能通过双向充放电，可以跨时间转移电力，缓解负荷波动，为电力系统转型提供运行灵活性。

随着大规模VRE并网，储能可以提供容量支持、满足备用需求和促进多时间尺度的电力调度。可调度的火电机组、需求响应和Power-to-X技术也可以提供灵活性，但其效果往往受限于燃料结构、用户响应性或能源转换效率。因此，储能在电力系统转型中作为灵活的平衡资源具有独特优势[10]，[11]。如表1所示，储能包括多种技术，如抽水蓄能（PHS）、电池储能系统（BESS）、压缩空气储能（CAES）、氢储能（HS）和热储能（TES），它们在成本效益、技术成熟度和应用场景上差异显著[12]。在BESS中，锂离子电池凭借其相对于其他电池技术的成本竞争力和技术性能优势主导了当前部署。抽水蓄能提供大容量和持续调节能力，而BESS提供模块化部署和短时平衡灵活性。抽水蓄能和BESS结合了相对较高的储能效率和商业成熟度以及互补的系统角色，使其成为电力系统应用中的主要储能技术。

政策引导在电力系统转型的储能发展战略中发挥着重要作用。抽水蓄能发展与国家规划和资源开发紧密协调。通过确定部署目标和引导投资，政策支持为抽水蓄能建设提供了制度基础，促进了项目实施，并加强了其在支持电力系统转型中的作用。相比之下，BESS的发展是由VRE扩张和新型储能支持政策共同推动的[13]。BESS在选定的风能和太阳能基地的协调部署进一步推动了BESS装机容量的增长。尽管政策支持加速了抽水蓄能和BESS装机容量的扩张，但储能发展尚未完全与电力系统的灵活性需求相匹配。这种不匹配在VRE丰富的地区尤为突出，那里储能部署不足限制了高比例VRE并网、区域负荷平衡和区域间电力输送。

现有研究从多个角度探讨了双碳目标下电力系统转型的储能发展路径。市场均衡和电力系统规划模型被广泛用于评估转型路径，为储能平衡作用在VRE扩张、区域间电力输送和政策设计背景下提供了初步见解[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。相关研究表明，充足的储能装机容量可以缓解VRE波动性、减少弃风弃光并增强系统灵活性[22]，[23]，[24]。在区域间输电瓶颈节点和区域电网内部署储能可以进一步提高系统经济性并降低碳排放[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。关于抽水蓄能的研究强调了其在高VRE渗透率电力系统中容量支持、持续调节和脱碳方面的价值[31]，[32]，[33]，[34]，并进一步考察了抽水蓄能-风电混合系统的负荷平衡机制和市场策略[35]，[36]。关于BESS的研究侧重于空间部署、充电策略及其对碳排放、系统成本和负荷平衡的影响[37]，[38]，[39]，[40]。其他技术，包括HS和集成Power-to-Heat储能，也作为改善VRE消纳的潜在选项进行了评估[41]，[42]，[43]。尽管取得了这些进展，但仍存在几个缺口。首先，抽水蓄能和BESS通常被单独考察，在考虑政策变化和技术进步的统一框架中对它们的动态配置考虑有限。其次，储能部署的区域异质性通常以容量分布来表征，而由VRE资源、负荷波动和区域间电力输送驱动的分配机制仍解释不足。第三，储能调节机制研究不足，使得难以识别抽水蓄能和BESS在省电网运行中的差异化角色。

为弥补这些缺口，本研究应用SWITCH-China模型和情景分析考察中国电力系统转型中的储能发展路径。主要贡献总结如下：

• (1)
  本研究将政策变化和技术进步纳入电力系统储能规划，开发了包含碳约束和替代抽水蓄能发展战略的情景，揭示了电力系统转型不同阶段抽水蓄能和BESS的协调部署和替代动态。
• (2)
  本研究表征了抽水蓄能和BESS空间配置的差异。它解释了储能部署与VRE资源禀赋、负荷波动和区域间电力输送的关系，揭示了驱动储能装机容量和技术组合区域差异的机制。
• (3)
  本研究开发了储能调节指标体系，用于评估抽水蓄能和BESS在区域电网运行中的利用强度、参与频率和循环特征。这些指标进一步揭示了两项技术在容量支持、持续调节和区域平衡中的互补角色。

本文其余部分组织如下。第2节描述了SWITCH-China模型、数据和情景设计。第3节展示了储能发展路径和运行调节。第4节总结了主要结论和政策启示。

各节片段

SWITCH-China模型

中国能源系统的宏观研究主要依赖长期规划模型；然而，有限的时间和空间分辨率限制了区域间输送和VRE间歇性的表征[19]，[20]。基于SWITCH框架，He等人开发了中国电力系统规划的SWITCH-China模型[44]。该模型被广泛应用于考察高VRE渗透率下的电力系统转型路径，并扩展了考虑煤炭

双碳目标下的电力系统转型和储能扩张

如图1a所示，在CarCap情景下，到2050年总装机容量将达到9112.9 GW。低碳转型将电力结构从化石燃料主导重新配置为VRE和灵活电源的协调扩张。燃煤容量份额下降，而风能和太阳能成为容量增长的主要来源，支持碳减排[15]。储能装机容量份额增加到11.1%，将储能定位为

结论

本研究使用电力系统规划模型和情景分析考察了中国双碳目标下的储能发展路径。主要结论如下。

• (1)
  储能是电力系统转型的关键灵活性资源，抽水蓄能和BESS形成阶段性互补的技术组合。双碳目标加速了VRE对化石燃料发电的替代，增加了对电力平衡资源的需求，加强了

CRediT作者贡献声明

李坤：写作-审阅和编辑，写作-原稿，方法论，概念化。谢百辰：方法论，概念化。杨雁升：监督，方法论。王波：监督，概念化。胡文豪：写作-审阅和编辑，监督。

作者声明

稿件标题：中国灵活脱碳电力系统的储能：路径和区域部署。

稿件编号：EST-D-26-05339

所有作者都对这项工作做出了实质性贡献，并批准了提交修订后的稿件。所有作者同意对工作所有方面负责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文中报道的工作。

致谢

我们要衷心感谢编辑和审稿人对原稿提出的积极评论和富有见解且详细的建议。我们要衷心感谢中国国家自然科学基金的资助（资助编号：72243009，72174141和72104173）以及中国国家社会科学基金重大项目的支持（资助编号：22&ZD104）。

李坤|谢百辰|杨雁升|王波|胡文豪