2020年3月，IRENA（國際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報告第III部分全球8種儲能應(yīng)用案例的第1部分：運行備用。
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)電必須時刻與需求相等。運行備用定義為除了滿足實際負(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導(dǎo)致電網(wǎng)頻率偏離正常值范圍。如果發(fā)電超過需求，頻率會升高；如果發(fā)電小于需求，頻率會下降。任何頻率的突降一開始會被同步發(fā)電機的慣性削弱，然后發(fā)電機調(diào)速器的下垂控制以一定的容量來調(diào)整頻率（非同步控制器也能響應(yīng)。但是，逆變器無固有慣性，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)運營商會采購進(jìn)行快速動作響應(yīng)的運行備用容量，來對供電和需求之間的不平衡進(jìn)行響應(yīng)。
運行備用是在所需容量之外，用于跟隨實際負(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)電下降時提供備用（Ela，Milligan and Kirby，2011）。不同的電力系統(tǒng)，有不同的運行備用類型。圖1顯示了歐洲運行備用的概覽。
圖1 運行備用概述
當(dāng)電網(wǎng)中VRE的比重較低時，運營備用需求傳統(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，也就是此時最大的發(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，需要在事故第一時間動作。FRR將頻率恢復(fù)到正常值，需要在30秒內(nèi)動作。RR用于替代FRR，在15分鐘內(nèi)動作。
在VRE比例低時，系統(tǒng)慣性較高，因此頻率變化率（RoCoF）較低，足以提供秒級頻率響應(yīng)。然而，當(dāng)VRE比例高時，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）。如果沒有提前做好規(guī)劃，會威脅到系統(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的波動性和不確定性必須要考慮進(jìn)來。需要增加系統(tǒng)運行備用需要來補償VRE預(yù)測偏差。如何考慮預(yù)測偏差是目前在廣泛研究的內(nèi)容，不在本文研究范圍內(nèi)。
此處的簡介主要是對新型運行備用的定義，其中儲能是一項適用的技術(shù)，這些新的備用產(chǎn)品是如何促進(jìn)儲能在電力系統(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，是一種提供運行備用的理想資源。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（或者增強頻率響應(yīng)[EFR]）可以設(shè)計用來替代傳統(tǒng)的主備用產(chǎn)品。但是，儲能系統(tǒng)的投資較高，必須與需求響應(yīng)等其他方式進(jìn)行競爭，包括VRE棄電、需求響應(yīng)。因為這個原因，創(chuàng)新產(chǎn)品要能夠有助于獲取儲能所有的系統(tǒng)價值。
基于此，英國國家電網(wǎng)開發(fā)了一種增強頻率響應(yīng)（EFR）產(chǎn)品。EFR是一種動態(tài)服務(wù)，系統(tǒng)頻率的變化時，有功功率按照一定比例變化。EFR尤其適用于儲能，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EFR和其他頻率響應(yīng)服務(wù)。
圖2 英國頻率響應(yīng)服務(wù)
除了英國已經(jīng)實施并在日常運營中使用的EFR產(chǎn)品之外，其他電力系統(tǒng)也有類似的產(chǎn)品，雖然還沒有實施，將會鼓勵儲能參與并提供備用。例如，澳大利亞能源市場運營商（AEMO）開發(fā)了一種FFR產(chǎn)品，AEMO將其定位為“通過發(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FFR產(chǎn)品是2019年1月美國田納西州電力可靠性委員會（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，會在59.85Hz（注意：在美國，電網(wǎng)頻率是60Hz，不是50Hz）頻率時觸發(fā)，需在0.25s內(nèi)進(jìn)行完全響應(yīng)并持續(xù)15分鐘（Matevosyan，2019）。最后一項要求對于儲能參與備用市場很關(guān)鍵，需要儲存足夠的能量來保證放電15分鐘。
這些產(chǎn)品的引入使得對系統(tǒng)頻率偏差的快速響應(yīng)成為可能。這將最終帶來最小在線慣性要求，如ERCOT證明的那樣，該產(chǎn)品給電網(wǎng)引入慣性約束來控制RoCoF。ERCOT計算最?。ɑ蚺R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)，但是儲能也能提供快速響應(yīng)能力。
3.運行備用對儲能應(yīng)用的影響
在一些儲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)計的需求，對儲能的應(yīng)用進(jìn)行了激勵。
例如，2016年8月，英國國家電網(wǎng)發(fā)布了200MW的EFR招標(biāo)，收到了64份報價，其中61個是電池儲能項目，2個是需求響應(yīng)，1個是熱力發(fā)電。其中，國家電網(wǎng)選了8個電池供應(yīng)商，平均價格為9.44英鎊/MWh，保證4年總計201MWh的電廠儲能容量（national Grid，2016b）。這次競拍中的兩個具體例子是授予LowCarbon在Glassenbury、Cleator安裝40MW、10MW鋰電池項目。Glassenbury容量為28MWh，Cleator容量是7MWh。這兩個項目目前提供了英國四分之一的EFR容量，幫助電網(wǎng)穩(wěn)定了頻率（Low Carbon，2019）。
圖3 Low Carbon的Glassenbury項目
另一個典型案例是特斯拉在南澳洲開發(fā)的100MW/29MWh叫做Hornsdale PowerReserve儲能項目。它靠近Jamestown的309MW風(fēng)電場。該項目也是全球最大的儲能電站項目。在2016年南澳洲停電事故后，該項目用于提供頻率控制和短時電網(wǎng)安全服務(wù)。該項目于2017年12月1號起進(jìn)入運營（Hornsdale Power Reserve，2019）。項目總投資8900萬澳元，約合690澳元/kWh。價格看起來很高（特斯拉Powerwall的成本是642澳元/kWh），但是項目必須在100天內(nèi)完工，只有特斯拉可以滿足要求，因此抬高了項目造價（Brakels，2018）。
圖4 Hornsdale Power Reserve項目
4.儲能提供運行備用
前述章節(jié)提到的項目已經(jīng)投入運行，分別幫助其電力系統(tǒng)穩(wěn)定了頻率。
英國項目案例中，并沒有數(shù)據(jù)表明儲能是如何提供EFR的，主要是因為該服務(wù)并沒有完全對市場參與者開放。但EFR有望在未來的調(diào)頻市場中占據(jù)一席之地。這些服務(wù)目前由招標(biāo)的8個項目根據(jù)電網(wǎng)運營商的要求提供。目前僅能從學(xué)術(shù)研究中獲得儲能是如何提供此項服務(wù)的相關(guān)信息（Canevese et al.，2017），這些研究中對英國以及歐洲大陸上電池提供EFR進(jìn)行了模擬。
南澳洲的項目中，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，電池的總體價值目前仍不明朗。由于項目已經(jīng)運行了一年多，一些研究者已經(jīng)研究了它帶來的價值和收入。首先，Neoen作為項目業(yè)主每年賺了4百萬澳元（約280萬美元），并將在未來10年獲得這項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）。這項收入類似于補貼（Brakels，2018）。剩下的30MW/119MWh可以參與其他不同的電力市場，這也是電池獲取現(xiàn)金流的大部分。
2018年，除了這4百萬澳元外，電池提供FCAS服務(wù)和套利的收入是2500萬澳元。此外，AEMO聲稱僅2018年第4季度，電池儲能就獲得了4百萬澳元的FCAS收入（Parkinson，2019）。假設(shè)每個季度都能獲得這項收入，2500萬澳元中，1600萬澳元來自FCAS服務(wù)，9百萬澳元來自能源套利。因此，F(xiàn)CAS是主要的收入來源。除此之外，假設(shè)年度收入是2900（2500+400）萬澳元，項目將在四年后收回投資。特斯拉聲稱收到的FCAS服務(wù)費不足三分之一，因為響應(yīng)太快無法計算（Cunsolo，2018）。但是，如前所述，AEMO計劃實施FFR服務(wù)，這將增加電池項目的現(xiàn)金流。
圖5 Hornsdale Power Reserve 2018年收入
對于價值方面，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)電機的支出非常高，6個星期超過了7百萬澳元。Hornsdale項目建成之后，該項服務(wù)可以更便宜的方式提供，2018年，F(xiàn)CAS市場的總成本節(jié)約估計有4000萬澳元（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日證實了這一點，電池在當(dāng)時避免了甩負(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，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項目，它在0.1s內(nèi)響應(yīng)，電力系統(tǒng)保持了正常運行（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，觸及50.4Hz。這時，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：運行備用）
有高比例非同步發(fā)電（比如，VRE）的電力系統(tǒng)，會有較低的慣性，需要資源提供更快的頻率響應(yīng)來阻止因電力不平衡引起的頻率偏差。這些資源，如儲能，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)行市場產(chǎn)品的開發(fā)，使得儲能可以提供快速響應(yīng)，并激勵儲能應(yīng)用。
英國已經(jīng)實施了EFR服務(wù)，在其電力系統(tǒng)中應(yīng)用了201MW的電池儲能來提供頻率響應(yīng)。在南澳洲電力系統(tǒng)中，應(yīng)用了100MW/129MWh的特斯拉電池來提供FCAS和能源套利服務(wù)。2018年，項目獲得了400萬澳元的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費用不超過三分之一，因為電池響應(yīng)太快難以計算。但是，AEMO正計劃引入FFR服務(wù)。該服務(wù)尤其適用于電池。最后，ERCOT計劃2020年實施FFR服務(wù)，該服務(wù)已在2019年2月獲批。
6.擴展閱讀
在IRENA《創(chuàng)新圖景報告》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、校對及美編：
梁海文
