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種儲能應用案例的第5部分：延緩電網擴容。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：對輸配電網的影響
輸配網絡的阻塞是電力運營商必須要解決的一個主要問題，從而保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行。阻塞管理因此成為他們的主要任務，電網運營商采用電網再調度、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）或者市場流動策略概念等方法進行管理。
當系統(tǒng)的VRE比例高時，輸配網絡阻塞風險更高。VRE的波動性和不確定性更強，會威脅到系統(tǒng)的安全和可靠性。這種情況下，電網運營商有時被迫采取VRE棄電的措施來解決阻塞問題。然而，根據IRENA對靈活性的定義，VRE棄電和輸配電網阻塞都是當前的靈活性因素指標，必須采取一系列措施來實現可再生能源的可靠并網。
最知名的因電網阻塞導致VRE棄電的案例是德國電網的例子。德國三分之二的陸上風電，和所有的海上風電場都在德國的北部，但是工業(yè)用戶都位于南部。多年以來，德國電網并沒有足夠的電網容量來將北部的風電輸送到南部，因而阻塞經常發(fā)生。這導致北部發(fā)生了風電棄電，南部熱力發(fā)電廠的高污染和昂貴電力消費還在攀升。這引起整體用能成本上升，見圖1。
聲明：圖示的邊界僅為示意，不代表任何官方或IRENA立場。
圖51 德國南部和北部的輸電阻塞
VRE的高比例也會在很多方面給分布式能源帶來影響，比如分布式光伏。Palminter等人（2016）研究表明，美國分布式發(fā)電的三個主要關注點包括：a）電壓調整，即分布式發(fā)電會使電壓超出可接受水平；b）逆向潮流，會引發(fā)控制和保護問題；c）高比例VRE使得電力保護協調困難。配網饋線的消納容量取決于在不產生負面影響的情況下多少光伏可以接入。然后，VRE接入直到可消納的容量為0，此時，必須考慮增加消納容量的方法。
2. VRE并入輸配電網的挑戰(zhàn)
為了應對這些挑戰(zhàn)，業(yè)內提出了不同的解決方案。當因輸配阻塞引起VRE棄電時，最簡單也是最常見的做法是在現有輸配電網的基礎上擴容。比如，德國已經計劃建設顯得輸配電網來將北部的電力輸送到南部，即Suedlink項目。該項目包括在地下輸送線路建設內，用于提高德國南北之間的輸送能力（Tennet，2019）。
建設輸配電網會產生一些問題，包括：a）成本；b）需要的建設時間；c）環(huán)境影響；d）社會負面影響。因此，新建或升級輸配基礎設施在很多時候可能不是最佳的解決方案。
另一個降低輸送阻塞的選項是動態(tài)增容技術，包括對線路發(fā)熱進行更全面的監(jiān)測，從而對輸送限制進行動態(tài)調整。比如，意大利電網運營商Terna已經通過對一些電力線路的熱力參數進行監(jiān)測來實現動態(tài)擴容技術。實際表明，當VRE比例較高時（Carlini，Massaro and Quaciari，2013），在特定的時段，電力線路的輸送能力可以超出其容量限制。
在配網層面，一個已經實施的解決方案是為光伏發(fā)電采用先進逆變器，這可以提供更有效的電壓調整，因而可以提高饋線的消納容量（Palminter et al.，2016）。
另外一個解決VRE給輸配網絡帶來的問題的方案是儲能。到2030年，儲能的成本會大幅降低（IRENA，2017a）。相對于輸配網絡擴容，儲能建造時間更短，社會和環(huán)境影響更小。儲能可以用于電網側，也可以用于分布式電源側，構成“虛擬電力線”。該方案的主要思路是將儲能系統(tǒng)靠近電網阻塞點布置，讓儲能系統(tǒng)吸收多余的VRE電量，并在電網不阻塞的后續(xù)時間段內再次調度（放電）。
此外，儲能可以提供無功控制和電壓調整，可以提升配電饋線的消納容量，避免分布式設備上的投資。簡而言之，在最小化VRE對輸配網絡的影響上，儲能是高度適用的。圖2解釋了儲能是如何在電網層面上提供服務的。
來源：IRENA（forthcoming-b）。
圖52 儲能用于延緩輸配電網擴容
3. 用于延緩輸配電網擴容的儲能項目
本章節(jié)介紹了一些已經建設用于延緩輸配電網擴容投資的儲能項目。
2015年，Terna在意大利Campania地區(qū)建設了38.4MW/250MWh的鈉硫電池來延緩輸配電網擴容，見圖3。當VRE發(fā)電過剩且電網容量不足以將電力輸送到北方時，Terna往往需要對VRE棄電。建設了電池系統(tǒng)之后，多余的風電可以儲存起來并在風電發(fā)電低谷時釋放，這樣就避免了輸配網絡擴容上的投資。此外，該電池還可以提供一次調頻、二次調頻、負荷平衡和電壓控制等服務（NGK，2019）。
圖3 NGK在德國Varel的NaS電池（類似意大利Campania地區(qū)項目）
2017年，德國TenneT（德國一個電網運營商）聯合電池制造商Sonnen和IBM發(fā)布了德國北部的一個試點項目，采用區(qū)塊鏈和家用儲能來吸收部分因電網阻塞導致的多余風電。Sonnen作為儲能聚合商提供sonnenCommunity，IBM提供區(qū)塊鏈技術。項目的結果是，“虛擬電力線”不僅為消費者帶來了收益，也對使用電網的每個人帶來了收益（Horchens and Bloch，2017）。
在加利福尼亞，與GreenSmith（美國最大的儲能軟件和集成服務提供商之一）建設了2MW/6MWh的電池儲能系統(tǒng)，避免San Juan Capistrano地區(qū)的配網擴容，見圖4。該項目一開始建設容量是1MW/3MWh，后來容量加倍。該電池系統(tǒng)補償了尖峰需求過載，避免了配網擴容。此外，在其控制系統(tǒng)的支持下，該電池項目還可以參與其他輔助服務（Greensmith Energy，2016）。
圖4 GreenSmith的電池儲能項目
在美國Maine州，GridSolar公司聯合Central Maine Power（CMP）公司和其他機構準備建設500kW、6小時的并網儲能設施來解決Boothbay的電網容量限制問題。一開始，CMP準備投資15億美元進行電網擴容，但是GridSolar阻止了該動議。GridSolar認為CMP的負荷預測過高，而電網擴容的時間窗口很短。采用儲能的和其他分布式能源（如需求響應或光伏）可以節(jié)約1200萬美元。項目開始于2013年第四季度，于2018年第一季度結束。因為電力負荷的增長并沒有出現，這些資源不再需要了（Chew et al.，2018）。
在美國Arizona，Arizona PublicService（APS）建設了兩個1MW/4MWh電池模塊來避免為Punkin Center的偏遠社區(qū)建設20英里的配網。項目起源于Punkin Center地區(qū)的負荷增長，這可能會導致饋線的熱過載。APS考慮了電池、柴油發(fā)電機組、光儲系統(tǒng)和儲能和線路升級。在所有選項中，電池成本最低，適用性最好。2018年3月，項目投入商業(yè)化運行，成功實現了2018年夏季的饋線削峰（APS，2019；Chew et al.，2018）。
最后，法國輸電網絡運行商RTE正在考慮于2020年在RINGO項目下發(fā)起“虛擬電力線”項目。RTE準備在3個不同的電網阻塞地點部署3個12MW/24MWh電池系統(tǒng)來吸收多余的VRE發(fā)電。原則上，在開始3年內由RTE當做“虛擬電力線”來運營，然后也可以提供其他服務（Energy Storage World Forum，2018）。
可見，目前已經建設了很多儲能項目來避免輸配電網投資或擴容。根據Navigant Research的一項研究，2017年全球此類項目的總容量是331.7MW。此外，截止到2026年，14324MW的儲能系統(tǒng)有望建成來延緩輸配電網投資（Navigant Research，2017）。
4. 結論
VRE比例提高的一個主要影響是增加了輸配網絡的阻塞。電力系統(tǒng)需要提前做好計劃來防止阻塞發(fā)生和VRE棄電。新建輸配電網是目前最直接和最普遍的做法，即使這樣做成本高、環(huán)境影響大，有時還無法被社會接受。因此，可以去考慮其他方案來避免電網投資。
儲能可能是避免阻塞和延緩電網投資的一個解決方案。一些項目已經建成并成功運營。比如，意大利Terna建設了384.MW/240MWh的鈉硫電池。美國也建設了一些項目來避免配網升級。根據Navigant Research的研究，已經有331.7MW的儲能建設規(guī)模來避免電網阻塞。到2026年，這個規(guī)模會達到14324MW。
在一些情況建設儲能，輸配電網的投資可以節(jié)約。但是，根據電網需要，有時候仍然需要建設新的輸配線路（如德國）。
5. 擴展閱讀
“虛擬電力線”是IRENA《創(chuàng)新圖景報告》中創(chuàng)新措施中的一種。更多信息參見：
IRENA（forthcoming），“Innovation Landscape Brief：Virtual power lines”，InternationalRenewable Energy Agency，Abu Dhabi.
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
