电能供应与需求的矛盾问题

1.1.2.1　电力需求侧的波动特性

人们生产生活受自然周期和社会活动影响，用电负荷呈现较大幅度的波动，白天用电量大夜间用电量小的每昼夜周期波动;周六、周日用电量降低的七天周期波动，如图1-2所示;每年夏季、冬季用电高峰的年周期波动;节日及重大社会活动期间的用电变化波动等。

图1-2　周负荷曲线示意图

分析电力系统某时段的负荷曲线P=P(t)，有三个重要特征值，即最大负荷Pmax、最小负荷Pmin、平均负荷Pav。

根据日负荷曲线可以确定电力系统的基荷、腰荷和峰荷。最小负荷Pmin以下为基荷，平均负荷Pav以上为峰荷，平均负荷Pav与最小负荷Pmin之间为腰荷。

以某区域电力系统夏季日负荷曲线为例，如图1-3所示。其最大负荷Pmax为5585MW，最小负荷Pmin为2996MW，平均负荷Pav为4184MW。峰谷差(Pmax-Pmin)为2589MW，峰谷差比(Pmax-Pmin)/Pmax=0.46，日负荷率Pav/Pmax=0.75，日最小负荷率Pmin/Pmax=0.54。

图1-3　某区域电网日负荷曲线图

用电负荷的波动，源于用电侧的电能需求在时间上分布不平衡，这是电力系统的固有特性。用电负荷峰谷差比(Pmax-Pmin)/Pmax，是反映电力系统这种不平衡性的一项重要指标，多数区域电力系统的峰谷差比在40%以上。

巨大的峰谷差用电容量，必须在供电侧配备相应的可调节的发电电源，这就要求供电侧的总供电能力必须在Pmax以上的，且有(Pmax-Pmin)以上的发电能力可迅速地在0～(Pmax-Pmin)范围内随机调节，以满足电力用户需求。否则会导致电力系统电压不足或超压，供电质量下降，轻则损坏电力设备和电器，严重还有可能引发系统崩溃。

1.1.2.2　各类电源特点

电力系统的电能是由煤、燃油、燃气、核能、水能、潮汐、风能、太阳能、地热等通过汽轮机、水轮机、风机、光能电池等转换而得。

核电站的发电功率可持续稳定，但可调节性差，适合担任系统的基荷。

燃煤发电站的发电功率可持续稳定，且有一定的可调性，但深度参与调峰的技术经济性差，比较适合担任系统腰荷或基荷。

燃油、燃气发电站和可调蓄的水电站的发电功率不仅可持续稳定，而且可调节性好，适合担任系统腰荷或峰荷。(www.xing528.com)

太阳能、风能、潮汐能及径流式水电站，由于受日照、风力和水流的不确定性的变化影响，其发电功率具有非确定、非连续、非均衡和不可控等特点，不仅没有调峰能力，而且为防止其对电网的冲击，还要为其配置相应的调峰电源。例如对风电，有人戏称“疯电”，供电上网就需要配备其装机规模40%～50%的调峰电源。

每个电力系统，由于受该区域资源禀赋和技术经济能力的影响，其电力能源组成结构也各不相同。根据国内电力企业联合会统计数据显示，2016年度，中国大陆发电能源结构组成为:火电71.60%、水电19.71%、风电4.02%、核电3.56%、光伏发电1.11%。这种煤电比例居高不下，水电比例较少，风电、核电、光伏发电等新能源比例快速提高的新形势下，对电网调峰及平衡运行提出了新的挑战。

1.1.2.3　电力供需矛盾解决方法

由于电能无法大量储存，故在系统中其生产、输送、分配和消费都必须在同一时间内完成，即电能生产与消费必须时刻保持平衡。但由于电力需求随时间增长和用电负荷波动等特点，往往会导致供需失衡。

其解决方案主要从3个方面着手。一是供电侧管理，增加发电容量，调整电源结构特别是增加可调峰的电源，网际间电力互济，发展分布式电源等，这是基础之道。二是需求侧管理，建立峰、谷、平电价机制以减少用电负荷的峰谷差，峰时采取如分区分片停电、高耗电企业限产等限电措施，在许可范围内降低或提高电压等，这是重要手段。三是建立电能储蓄设施，系统用电低谷时储蓄电网富余电能，系统用电高峰时回供给电网，具备填谷削峰的双向功效，这是高效措施。

显然，从供电侧和需求侧着手的各项措施，只能部分减少电力负荷波动的峰谷差，但不能彻底解决电力供需的峰谷矛盾。根本解决问题的简单逻辑是“储丰补缺”，即在电力系统中建立电能储蓄设施，在负荷低谷时段，把电网富余的电能储蓄起来，在负荷高峰时段，把储蓄的电能返供电网，实现“削峰填谷”，从而彻底解决电力系统供需的峰谷矛盾。

1.1.2.4　蓄能电站

我们把电力系统中具有“削峰填谷”功能的电能储蓄设施称为蓄能电站。

蓄能电站加入电力系统，成为除供电方、用电方、电网之外的独特第四方，让电力系统拥有电能调蓄功能，系统由此形成电能的生产、输配、调蓄、使用四位一体的完整体系。蓄能电站既是用电方，消纳负荷低谷时段富余的电能，又是供电方，在负荷高峰时段提供电能，是电力系统的平衡手、稳定器。

有蓄能电站组网，电力系统就具备了相应的电能调蓄能力，能让供电方更加均衡上供电能，能让用电方得到更加可靠的电力保障，能让电力系统更加经济、平稳、安全地运行，并提高电力系统的事故应对能力。应环保政策要求，核电、风电、光伏等新能源电站的装机和发电量比例不断提高，电力系统中因此必须配置更多的蓄能电站。电力系统四方关系如图1-4所示。

图1-4　电力系统四方关系示意图

蓄能电站装机容量具有双倍功效，当电力系统供大于需时，即P发电＞P用电+P电网，蓄能电站是进入用电方角色，P发电=P用电+P电网+P蓄电;当电力系统供小于需时，即P发电＜P用电+P电网，蓄能电站转换成为电力系统的供电方，P发电+P蓄电=P用电+P电网。

现有的电能储蓄技术主要有机械储能、电化储能、电磁储能、相变储能等四大类型。机械储能的方式有抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能等，电化储能的方式有铅酸电池、液流电池、钠流电池、锂电池等，电磁储能的形式有超导蓄能、高能电容、超级电容等，相变储能的形式有水合物蓄能、相变材料蓄能、冰蓄冷蓄能等。

抽水蓄能电站具有储能容量大、响应速度快、技术成熟度高、单位容量投资少、工程寿命周期长、能量损耗较少等多重优势，是电力系统配置蓄能电站的第一选择。但抽水蓄能电站需要合适的工程地理条件，建设周期长、初期投资较大。