2020年3月，IRENA（國(guó)際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報(bào)告第III部分全球8種儲(chǔ)能應(yīng)用案例的第1部分：運(yùn)行備用。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1.挑戰(zhàn)：不斷上升的運(yùn)行備用需求和更快的響應(yīng)要求
為了保持電力供需平衡，發(fā)電必須時(shí)刻與需求相等。運(yùn)行備用定義為除了滿足實(shí)際負(fù)荷要求之外的額外備用容量。供電和需求之間的任何不匹配會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率偏離正常值范圍。如果發(fā)電超過(guò)需求，頻率會(huì)升高；如果發(fā)電小于需求，頻率會(huì)下降。任何頻率的突降一開始會(huì)被同步發(fā)電機(jī)的慣性削弱，然后發(fā)電機(jī)調(diào)速器的下垂控制以一定的容量來(lái)調(diào)整頻率（非同步控制器也能響應(yīng)。但是，逆變器無(wú)固有慣性，只有類似慣性的響應(yīng)特性，其響應(yīng)特性還在研究和開發(fā)中）。此外，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商會(huì)采購(gòu)進(jìn)行快速動(dòng)作響應(yīng)的運(yùn)行備用容量，來(lái)對(duì)供電和需求之間的不平衡進(jìn)行響應(yīng)。
運(yùn)行備用是在所需容量之外，用于跟隨實(shí)際負(fù)荷需求的容量（發(fā)電和負(fù)荷響應(yīng)容量），它需要保持在線或備用，在發(fā)生負(fù)荷上升或發(fā)電下降時(shí)提供備用（Ela，Milligan and Kirby，2011）。不同的電力系統(tǒng)，有不同的運(yùn)行備用類型。圖1顯示了歐洲運(yùn)行備用的概覽。
圖1 運(yùn)行備用概述
當(dāng)電網(wǎng)中VRE的比重較低時(shí)，運(yùn)營(yíng)備用需求傳統(tǒng)上是按照最大負(fù)荷的一定比例或者根據(jù)系統(tǒng)最大事故備用確定的，換句話說(shuō)，也就是此時(shí)最大的發(fā)電單元。在低VRE比例下，備用分為了FCR（頻率抑制備用）或者主備用、FRR（頻率恢復(fù)備用）或輔備用、RR（替代備用）或第三備用。FCR用于阻止頻率偏差，需要在事故第一時(shí)間動(dòng)作。FRR將頻率恢復(fù)到正常值，需要在30秒內(nèi)動(dòng)作。RR用于替代FRR，在15分鐘內(nèi)動(dòng)作。
在VRE比例低時(shí)，系統(tǒng)慣性較高，因此頻率變化率（RoCoF）較低，足以提供秒級(jí)頻率響應(yīng)。然而，當(dāng)VRE比例高時(shí)，由于風(fēng)電和光伏發(fā)電是非同步的，系統(tǒng)慣性降低，提高了RoCoF（頻率變化率）。如果沒(méi)有提前做好規(guī)劃，會(huì)威脅到系統(tǒng)穩(wěn)定性。典型案例是2016年南澳洲停電事故（2016年11月26日，龍卷風(fēng)損壞了三條輸電線路引起跳閘。這導(dǎo)致南澳洲電網(wǎng)連續(xù)發(fā)生6次電壓跌落。這些故障激發(fā)了風(fēng)力發(fā)電廠的保護(hù)措施，減少了該區(qū)域456MW發(fā)電功率，增加了Heywood通道的潮流并引發(fā)跳閘。該損失以及該區(qū)域高比例VRE和Murraylink通道的高RoCoF，引起了頻率快速下降，超出了系統(tǒng)處理能力，最終引發(fā)了停電）（AEMO，2017a）。
此外，高比例的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電意味著這些資源帶來(lái)的波動(dòng)性和不確定性必須要考慮進(jìn)來(lái)。需要增加系統(tǒng)運(yùn)行備用需要來(lái)補(bǔ)償VRE預(yù)測(cè)偏差。如何考慮預(yù)測(cè)偏差是目前在廣泛研究的內(nèi)容，不在本文研究范圍內(nèi)。
此處的簡(jiǎn)介主要是對(duì)新型運(yùn)行備用的定義，其中儲(chǔ)能是一項(xiàng)適用的技術(shù)，這些新的備用產(chǎn)品是如何促進(jìn)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中更多的應(yīng)用。
2.提供備用的創(chuàng)新產(chǎn)品
電力儲(chǔ)能具有最小閑置成本和在幾百毫秒內(nèi)提供最大出力的特點(diǎn)，是一種提供運(yùn)行備用的理想資源。電池可以提供比熱力發(fā)電更快速的響應(yīng)，意味著特定的產(chǎn)品，比如FFR（或者增強(qiáng)頻率響應(yīng)[EFR]）可以設(shè)計(jì)用來(lái)替代傳統(tǒng)的主備用產(chǎn)品。但是，儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資較高，必須與需求響應(yīng)等其他方式進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，包括VRE棄電、需求響應(yīng)。因?yàn)檫@個(gè)原因，創(chuàng)新產(chǎn)品要能夠有助于獲取儲(chǔ)能所有的系統(tǒng)價(jià)值。
基于此，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)開發(fā)了一種增強(qiáng)頻率響應(yīng)（EFR）產(chǎn)品。EFR是一種動(dòng)態(tài)服務(wù)，系統(tǒng)頻率的變化時(shí)，有功功率按照一定比例變化。EFR尤其適用于儲(chǔ)能，它要求在頻率超出閾值1秒之內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)。頻率的閾值可能是±0.05Hz（服務(wù)1，寬頻）或±0.015Hz（服務(wù)2，窄頻）。圖2展示了英國(guó)EFR和其他頻率響應(yīng)服務(wù)。
圖2 英國(guó)頻率響應(yīng)服務(wù)
除了英國(guó)已經(jīng)實(shí)施并在日常運(yùn)營(yíng)中使用的EFR產(chǎn)品之外，其他電力系統(tǒng)也有類似的產(chǎn)品，雖然還沒(méi)有實(shí)施，將會(huì)鼓勵(lì)儲(chǔ)能參與并提供備用。例如，澳大利亞能源市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商（AEMO）開發(fā)了一種FFR產(chǎn)品，AEMO將其定位為“通過(guò)發(fā)電或負(fù)荷在2秒內(nèi)快速增加或減少有功，校正供需不平衡并幫助管理電力系統(tǒng)頻率”（AEMO，2017b）。
另一個(gè)FFR產(chǎn)品是2019年1月美國(guó)田納西州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）批準(zhǔn)的產(chǎn)品，將在不遲于2020年1月投用。它是響應(yīng)備用（與FCR或一次調(diào)頻類似）（RRS）的子產(chǎn)品，會(huì)在59.85Hz（注意：在美國(guó)，電網(wǎng)頻率是60Hz，不是50Hz）頻率時(shí)觸發(fā)，需在0.25s內(nèi)進(jìn)行完全響應(yīng)并持續(xù)15分鐘（Matevosyan，2019）。最后一項(xiàng)要求對(duì)于儲(chǔ)能參與備用市場(chǎng)很關(guān)鍵，需要儲(chǔ)存足夠的能量來(lái)保證放電15分鐘。
這些產(chǎn)品的引入使得對(duì)系統(tǒng)頻率偏差的快速響應(yīng)成為可能。這將最終帶來(lái)最小在線慣性要求，如ERCOT證明的那樣，該產(chǎn)品給電網(wǎng)引入慣性約束來(lái)控制RoCoF。ERCOT計(jì)算最小（或臨界）慣性作為所需在線慣性，以便負(fù)荷資源可以在頻率下降到59.3Hz之前對(duì)最大發(fā)電單元跳閘進(jìn)行響應(yīng)（注意負(fù)荷資源可以在0.5s內(nèi)響應(yīng)）（Matevosyan，2019）。ERCOT參考了需求響應(yīng)，但是儲(chǔ)能也能提供快速響應(yīng)能力。
3.運(yùn)行備用對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用的影響
在一些儲(chǔ)能可以獲得額外收入的地區(qū)，出于快速調(diào)頻響應(yīng)、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用進(jìn)行了激勵(lì)。
例如，2016年8月，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布了200MW的EFR招標(biāo)，收到了64份報(bào)價(jià)，其中61個(gè)是電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，2個(gè)是需求響應(yīng)，1個(gè)是熱力發(fā)電。其中，國(guó)家電網(wǎng)選了8個(gè)電池供應(yīng)商，平均價(jià)格為9.44英鎊/MWh，保證4年總計(jì)201MWh的電廠儲(chǔ)能容量（national Grid，2016b）。這次競(jìng)拍中的兩個(gè)具體例子是授予LowCarbon在Glassenbury、Cleator安裝40MW、10MW鋰電池項(xiàng)目。Glassenbury容量為28MWh，Cleator容量是7MWh。這兩個(gè)項(xiàng)目目前提供了英國(guó)四分之一的EFR容量，幫助電網(wǎng)穩(wěn)定了頻率（Low Carbon，2019）。
圖3 Low Carbon的Glassenbury項(xiàng)目
另一個(gè)典型案例是特斯拉在南澳洲開發(fā)的100MW/29MWh叫做Hornsdale PowerReserve儲(chǔ)能項(xiàng)目。它靠近Jamestown的309MW風(fēng)電場(chǎng)。該項(xiàng)目也是全球最大的儲(chǔ)能電站項(xiàng)目。在2016年南澳洲停電事故后，該項(xiàng)目用于提供頻率控制和短時(shí)電網(wǎng)安全服務(wù)。該項(xiàng)目于2017年12月1號(hào)起進(jìn)入運(yùn)營(yíng)（Hornsdale Power Reserve，2019）。項(xiàng)目總投資8900萬(wàn)澳元，約合690澳元/kWh。價(jià)格看起來(lái)很高（特斯拉Powerwall的成本是642澳元/kWh），但是項(xiàng)目必須在100天內(nèi)完工，只有特斯拉可以滿足要求，因此抬高了項(xiàng)目造價(jià)（Brakels，2018）。
圖4 Hornsdale Power Reserve項(xiàng)目
4.儲(chǔ)能提供運(yùn)行備用
前述章節(jié)提到的項(xiàng)目已經(jīng)投入運(yùn)行，分別幫助其電力系統(tǒng)穩(wěn)定了頻率。
英國(guó)項(xiàng)目案例中，并沒(méi)有數(shù)據(jù)表明儲(chǔ)能是如何提供EFR的，主要是因?yàn)樵摲?wù)并沒(méi)有完全對(duì)市場(chǎng)參與者開放。但EFR有望在未來(lái)的調(diào)頻市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。這些服務(wù)目前由招標(biāo)的8個(gè)項(xiàng)目根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的要求提供。目前僅能從學(xué)術(shù)研究中獲得儲(chǔ)能是如何提供此項(xiàng)服務(wù)的相關(guān)信息（Canevese et al.，2017），這些研究中對(duì)英國(guó)以及歐洲大陸上電池提供EFR進(jìn)行了模擬。
南澳洲的項(xiàng)目中，電池的調(diào)度信息是可以在HornsdalePower Reserve網(wǎng)站上獲得的（Hornsdale Power Reserve，2019）。該電池項(xiàng)目可以從能源套利、頻率控制輔助服務(wù)（FCAS）中疊加收益，電池的總體價(jià)值目前仍不明朗。由于項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行了一年多，一些研究者已經(jīng)研究了它帶來(lái)的價(jià)值和收入。首先，Neoen作為項(xiàng)目業(yè)主每年賺了4百萬(wàn)澳元（約280萬(wàn)美元），并將在未來(lái)10年獲得這項(xiàng)收入以保證政府就可以使用90MW/10MWh的頻率控制輔助服務(wù)（FCAS）。這項(xiàng)收入類似于補(bǔ)貼（Brakels，2018）。剩下的30MW/119MWh可以參與其他不同的電力市場(chǎng)，這也是電池獲取現(xiàn)金流的大部分。
2018年，除了這4百萬(wàn)澳元外，電池提供FCAS服務(wù)和套利的收入是2500萬(wàn)澳元。此外，AEMO聲稱僅2018年第4季度，電池儲(chǔ)能就獲得了4百萬(wàn)澳元的FCAS收入（Parkinson，2019）。假設(shè)每個(gè)季度都能獲得這項(xiàng)收入，2500萬(wàn)澳元中，1600萬(wàn)澳元來(lái)自FCAS服務(wù)，9百萬(wàn)澳元來(lái)自能源套利。因此，F(xiàn)CAS是主要的收入來(lái)源。除此之外，假設(shè)年度收入是2900（2500+400）萬(wàn)澳元，項(xiàng)目將在四年后收回投資。特斯拉聲稱收到的FCAS服務(wù)費(fèi)不足三分之一，因?yàn)轫憫?yīng)太快無(wú)法計(jì)算（Cunsolo，2018）。但是，如前所述，AEMO計(jì)劃實(shí)施FFR服務(wù)，這將增加電池項(xiàng)目的現(xiàn)金流。
圖5 Hornsdale Power Reserve 2018年收入
對(duì)于價(jià)值方面，電池已經(jīng)被證明可以降低南澳洲的FCAS成本，如圖34所示。數(shù)據(jù)顯示2016年末和2017年，現(xiàn)役化石燃料發(fā)電機(jī)的支出非常高，6個(gè)星期超過(guò)了7百萬(wàn)澳元。Hornsdale項(xiàng)目建成之后，該項(xiàng)服務(wù)可以更便宜的方式提供，2018年，F(xiàn)CAS市場(chǎng)的總成本節(jié)約估計(jì)有4000萬(wàn)澳元（Parkinson，2018）。
圖6 南澳洲FCAS服務(wù)總支出
除了經(jīng)濟(jì)性，電池還能提供快速響應(yīng)，保持頻率在預(yù)設(shè)區(qū)間。2018年8月25日證實(shí)了這一點(diǎn)，電池在當(dāng)時(shí)避免了甩負(fù)荷。當(dāng)天，南威爾士州北部的電力線路遭遇雷擊，切斷了南澳洲與其他州之間的所有連接線路。事故發(fā)生時(shí)，南澳洲還需要從Victoria調(diào)入電力，因電力的不足引起了頻率下降。多虧了Hornsdale項(xiàng)目，它在0.1s內(nèi)響應(yīng)，電力系統(tǒng)保持了正常運(yùn)行（Brakels，2018）。
圖7進(jìn)行了示意。當(dāng)頻率突然下降，電池出力提高到了80MW以提供穩(wěn)定性。由于發(fā)電的大幅增加，頻率開始反向增長(zhǎng)，觸及50.4Hz。這時(shí)，電池開始以-20MW的功率進(jìn)行充電以降低頻率。此后，電網(wǎng)頻率已經(jīng)穩(wěn)定到安全范圍內(nèi)了，電池重新進(jìn)入備用狀態(tài)。
圖7 2018年8月25日Hornsdale在頻率跌落事件中的響應(yīng)
5.結(jié)論（案例1：運(yùn)行備用）
有高比例非同步發(fā)電（比如，VRE）的電力系統(tǒng)，會(huì)有較低的慣性，需要資源提供更快的頻率響應(yīng)來(lái)阻止因電力不平衡引起的頻率偏差。這些資源，如儲(chǔ)能，是能夠?qū)θ魏坞娏Σ黄胶膺M(jìn)行快速響應(yīng)的高度適用性技術(shù)。但是，需要進(jìn)行市場(chǎng)產(chǎn)品的開發(fā)，使得儲(chǔ)能可以提供快速響應(yīng)，并激勵(lì)儲(chǔ)能應(yīng)用。
英國(guó)已經(jīng)實(shí)施了EFR服務(wù)，在其電力系統(tǒng)中應(yīng)用了201MW的電池儲(chǔ)能來(lái)提供頻率響應(yīng)。在南澳洲電力系統(tǒng)中，應(yīng)用了100MW/129MWh的特斯拉電池來(lái)提供FCAS和能源套利服務(wù)。2018年，項(xiàng)目獲得了400萬(wàn)澳元的FCAS服務(wù)收益，防止了系統(tǒng)的停電事故發(fā)生。
特斯拉聲稱收到的FCAS費(fèi)用不超過(guò)三分之一，因?yàn)殡姵仨憫?yīng)太快難以計(jì)算。但是，AEMO正計(jì)劃引入FFR服務(wù)。該服務(wù)尤其適用于電池。最后，ERCOT計(jì)劃2020年實(shí)施FFR服務(wù)，該服務(wù)已在2019年2月獲批。
6.擴(kuò)展閱讀
在IRENA《創(chuàng)新圖景報(bào)告》中，創(chuàng)新的輔助服務(wù)是30種創(chuàng)新方案中的一種。參閱下文獲得更多信息：
IRENA（2019），“InnovationLandscape Brief: Innovative ancillary services”，International Renewable Energy Agency，AbuDhabi.
原文來(lái)源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
翻譯、校對(duì)及美編：
梁海文
