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4部分：VRE出力平滑。
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https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：VRE出力波動(dòng)
VRE的特征是波動(dòng)性和不確定性。這意味著VRE資源不能提供穩(wěn)定的出力，而是波動(dòng)的、不可調(diào)度的輸出。對(duì)于光伏發(fā)電，出力波動(dòng)主要是云層的運(yùn)動(dòng)引起的。如果陽光條件好，光伏板能夠以最大功率發(fā)電。當(dāng)云層突然遮擋陽光，發(fā)電功率會(huì)突然下降。當(dāng)云層移開后，又會(huì)突然增加。對(duì)于風(fēng)電，出力波動(dòng)主要來自風(fēng)速的變化。
這種波動(dòng)會(huì)降低電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，而電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要通過平衡電力供需來保持電網(wǎng)穩(wěn)定性，這就為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商帶來了挑戰(zhàn)。出力波動(dòng)還會(huì)帶來電壓和頻率的不穩(wěn)定。然而，出力波動(dòng)通常會(huì)隨光伏和風(fēng)力發(fā)電的增加而降低，這是因?yàn)閂RE資源在電網(wǎng)系統(tǒng)中的地理分散性增加了。因此，在VRE分散的互連電網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)單個(gè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者光伏發(fā)電板發(fā)生類似波動(dòng)時(shí)，總的VRE出力還是能總體保持平滑的。但是，在小型孤立的電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于地理空間有限并且缺乏廣泛互連，這種波動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。出力波動(dòng)的影響必須要重視，在提供方案是必須找到平滑VRE出力的策略。
2012年，Puerto Rico電力局（PREPA）設(shè)定了實(shí)現(xiàn)光伏和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的最低技術(shù)要求。在這些要求中，PREPA設(shè)定了VRE每分鐘10%額定容量的變化率限制（Gevorgian and Booth，2013）。如果光伏發(fā)電廠的額定裝機(jī)容量是1MW，那么它1分鐘之內(nèi)的最大出力波動(dòng)時(shí)±0.1MW。
另一個(gè)現(xiàn)實(shí)的案例是美國(guó)Hawaii的案例。Hawaii電力公司（HECO）將25-50MW項(xiàng)目的波動(dòng)限制在2~3MW/分鐘（Gevorgian and Carbus，2013）。
在這兩個(gè)案例中，如果VRE的出力波動(dòng)超出了限制，這部分發(fā)電必須被切除以保證出力的平穩(wěn)，雖然這樣做可能不是最佳的選擇。最佳的方案應(yīng)該是平滑VRE出力而不是棄電。
2. 解決方案
展望一下，一種平滑光伏和風(fēng)力發(fā)電的方案應(yīng)該是儲(chǔ)能，因?yàn)閮?chǔ)能能夠快速響應(yīng)出力變化。電力儲(chǔ)能與VRE相結(jié)合，可以平滑光伏和風(fēng)力發(fā)電的出力波動(dòng)，避免頻率和電壓波動(dòng)，避免VRE棄電，提高系統(tǒng)可靠性。這就是VRE平滑的方案。
假設(shè)電網(wǎng)要求的波動(dòng)限制是r_Max，t時(shí)刻到t+1時(shí)刻的VRE出力波動(dòng)是ΔP。一開始，電網(wǎng)會(huì)嘗試盡可能吸收整個(gè)ΔP，但是，如果ΔP超出了最大波動(dòng)感限制，ΔP的一部分就必須被放棄（如果ΔP是正的），或者被其他諸如柴油發(fā)電機(jī)的資源替代（如果ΔP是負(fù)的）。儲(chǔ)能可以做的就是吸收掉超出的部分，并在一定時(shí)機(jī)放電以避免化石燃料發(fā)電損失甚至甩負(fù)荷。圖1闡述了這個(gè)過程。圖中顯示了在電網(wǎng)波動(dòng)限制下，VRE發(fā)電是如何通過棄電、儲(chǔ)能被平滑的。
圖1 當(dāng)VRE波動(dòng)超出變動(dòng)限制時(shí)的平滑過程
3. VRE平滑的儲(chǔ)能應(yīng)用
一些儲(chǔ)能項(xiàng)目已經(jīng)被用來提供VRE出力平滑。比如，新墨西哥的公共服務(wù)公司（PNM）建設(shè)了Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目，主要用于兩個(gè)目的：提供光伏發(fā)電場(chǎng)的出力平滑、提供能量轉(zhuǎn)移。該項(xiàng)目包括500kW的光伏發(fā)電和兩種電池形式，一種是0.25MW/1MWh鉛酸電池用于能量轉(zhuǎn)移，另一種是0.5MW/0.35MWh的鉛酸電池用于出力平滑。
圖2 新墨西哥儲(chǔ)能電池
Hawaii也安裝了風(fēng)電出力平滑用的電池。比如，NEC能源解決方案公司提供了用于風(fēng)電出力平滑的鋰電池，部署在Maui島的Auwahi 21MW風(fēng)電場(chǎng)附近，見圖3。該電池的容量是11MW/4.3MWh，采用的是磷酸鋰鐵電池，主要是因?yàn)榱姿徜囪F電池的耐久性、安全性，并且已經(jīng)在全球成功應(yīng)用（IRENA，2015b）。還有一個(gè)案例，Kaheawa風(fēng)電場(chǎng)，也位于Maui。該風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)是51MW，同時(shí)采用了11.5MW/21MWh的先進(jìn)鉛酸電池來提供出力平滑（Roose，2018）。2018年，電場(chǎng)業(yè)主TerraForm和電池制造商Younicos簽署了一項(xiàng)協(xié)議，將采用鋰電池替換掉鉛酸電池以實(shí)現(xiàn)更高的可用容量和更長(zhǎng)的運(yùn)行年限（Power World Analysis，2018）。
圖3 Hawaii Maui的風(fēng)電場(chǎng)
其他的案例還包括法國(guó)的島嶼。2015年5月，法國(guó)政府發(fā)布了一項(xiàng)提議，即CRE3RFP，準(zhǔn)備在法國(guó)的島嶼上開發(fā)光伏儲(chǔ)能項(xiàng)目。根據(jù)該提議的細(xì)節(jié)，必須建設(shè)儲(chǔ)能來平滑光伏出力曲線以避免電網(wǎng)波動(dòng)性和不確定性。更詳細(xì)的，儲(chǔ)能必須提供精確地平滑光伏系統(tǒng)早晨負(fù)荷爬升，必須提供中午時(shí)段的穩(wěn)定輸出，必須提供下午的對(duì)稱平滑。該項(xiàng)提議對(duì)Corsica（18MW）、Guadeloupe（9MW）、Guyana（5.2MW）、Martinique（11.1MW））和La Reunion（8.5MW）總共52MW的太陽能發(fā)電和儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。這些項(xiàng)目平均獲得了204歐元/MWh的電價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)。然而，在接下來的72MW獎(jiǎng)勵(lì)中，這項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)降低到了113.6歐元/MWh。即使這可能導(dǎo)致成本的上升，但這使得光伏系統(tǒng)完全可調(diào)度，避免了波動(dòng)性和不確定性因素。這可以看作是將光伏發(fā)電完全變成有平滑輸出和有限波動(dòng)幅度的可預(yù)測(cè)發(fā)電資源的成本上限。
4. 儲(chǔ)能提供VRE平滑
前面提到的項(xiàng)目已經(jīng)在島嶼或者小型孤立電網(wǎng)中獲得應(yīng)用，VRE平滑是其主要服務(wù)。其中，一些項(xiàng)目是可以從公開渠道獲知它們是如何提供這項(xiàng)服務(wù)的。
比如，新墨西哥Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目采用了美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的平滑算法，可以對(duì)太陽能出力變化自動(dòng)響應(yīng)。圖49顯示了這些儲(chǔ)能電池是如何平滑光伏發(fā)電出力的。藍(lán)線是光伏的原始出力，黃線是電池出力，紅線是平滑后的光伏出力（光伏+儲(chǔ)能）。顯然，相對(duì)于原始出力，紅線已經(jīng)消除了很多變化。
注：數(shù)據(jù)來自2012年1月21日。
來源：Arellano（2012）。
圖4 Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目為光伏發(fā)電廠提供VRE平滑
CRE RFP提議中提到的法國(guó)島嶼上的項(xiàng)目也有類似的效果。儲(chǔ)能的應(yīng)用為其提供了精確的早晨負(fù)荷爬升平滑、下午負(fù)荷降坡平滑、中午的持續(xù)穩(wěn)定出力。例如，法國(guó)La Reunion島嶼為光伏電站配備了9MWh儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了出力平滑。下圖顯示了電池是如何對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行平滑的。該圖還顯示了為光伏配備一定的儲(chǔ)能后，VRE不再是波動(dòng)的而是一個(gè)可調(diào)度的可預(yù)測(cè)電源。由于有了儲(chǔ)能，光伏的波動(dòng)變得可控，資源的波動(dòng)性已經(jīng)不再是一個(gè)問題。
圖50 法國(guó)島嶼La Reunion的9MWh電池儲(chǔ)能對(duì)光伏發(fā)電出力的平滑
5. 結(jié)論（案例4：VRE平滑）
現(xiàn)在的問題是VRE平滑是否是建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)因。簡(jiǎn)單點(diǎn)說，在大部分應(yīng)用中，如果建設(shè)儲(chǔ)能只用來提供VRE出力平滑并不是有價(jià)值的。即使在一定的理想情況下能帶來價(jià)值，但是，這只是其他服務(wù)的增值價(jià)值。
在公用事業(yè)的規(guī)模上，由于VRE的地理分散性，VRE發(fā)電的聚合以及輸配電網(wǎng)的要求帶來了平滑的凈負(fù)荷。在分布式的規(guī)模上，聚合的VRE和分布式的需求需要更為平滑的凈負(fù)荷。但是，如果單個(gè)的光伏發(fā)電場(chǎng)在區(qū)域內(nèi)的一年中一段時(shí)間占據(jù)了較高的比例，必須采用平滑的措施。這使得在VRE電站無平滑措施的時(shí)候，由于VRE出力的劇烈變化，電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有挑戰(zhàn)性。
原文來源：
IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.
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https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
翻譯、校對(duì)及美編：
梁海文
