中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：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2部分：負(fù)荷調(diào)節(jié)。
英文原文鏈接：
https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020
1. 挑戰(zhàn)：鴨形曲線(xiàn)
電力負(fù)荷曲線(xiàn)實(shí)施電力系統(tǒng)分析中的典型曲線(xiàn)，代表消費(fèi)者的用電需求。電網(wǎng)中VRE比例低時(shí)，該曲線(xiàn)有兩個(gè)尖峰，第一個(gè)出現(xiàn)在早上人們起床準(zhǔn)備去工作的時(shí)間段，第二個(gè)出現(xiàn)在完善人們回到家中并使用電器設(shè)施（比如，做飯、看電視）的時(shí)間段。這種曲線(xiàn)有點(diǎn)像駱駝的駝峰，因此也被叫做“駝峰曲線(xiàn)”（圖1）?！榜劮迩€(xiàn)”的負(fù)荷是可以預(yù)測(cè)的，調(diào)節(jié)需求并不陡峭。
來(lái)源：Red Electrica de Espana（REE）。
圖1 2019年1月31日西班牙的電力需求曲線(xiàn)
當(dāng)VRE比例提高，尤其是光伏發(fā)電增加，凈負(fù)荷曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生顯著變化（凈負(fù)荷曲線(xiàn)等于系統(tǒng)需求減去VRE發(fā)電）。光伏一般在中午達(dá)到高峰，入夜則快速消失。高比例的光伏發(fā)電將提高早上降坡調(diào)節(jié)需求和晚上的爬坡調(diào)節(jié)需求。光伏也會(huì)帶來(lái)中午的電力超發(fā)，這會(huì)將“駝峰曲線(xiàn)”改變成“鴨形曲線(xiàn)”，見(jiàn)圖2（GSES，2015）。
注：本案例中，“鴨形曲線(xiàn)”是凈負(fù)荷曲線(xiàn)（紅色斷點(diǎn)線(xiàn)），“駝峰曲線(xiàn)”是負(fù)荷曲線(xiàn)（黑線(xiàn)）。
數(shù)據(jù)來(lái)源：CAISO（2019）。
圖片來(lái)源：Mashal和Sloane（2018）。
圖2 2018年5月15日的加利福尼亞電力系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線(xiàn)
“鴨形曲線(xiàn)”已經(jīng)是加利福尼亞的主要負(fù)載特征曲線(xiàn)，加利福尼亞也是最早發(fā)生“鴨形曲線(xiàn)”的地方。但在美國(guó)其他地方，如新英格蘭州（Roselund，2018），也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似曲線(xiàn)。為了治理凈負(fù)荷曲線(xiàn)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要一種資源來(lái)快速動(dòng)作，來(lái)調(diào)節(jié)電力生產(chǎn)并滿(mǎn)足陡峭的變化需求。在加利福尼亞，第一次爬坡調(diào)節(jié)發(fā)生在早上，從早上4點(diǎn)左右開(kāi)始。
降坡調(diào)節(jié)發(fā)生在日出后早7點(diǎn)左右，此時(shí)太陽(yáng)能發(fā)電開(kāi)始替代傳統(tǒng)發(fā)電。在下午5點(diǎn)左右太陽(yáng)下山時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電停止，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須調(diào)度資源來(lái)滿(mǎn)足第三次也是最陡峭的日常調(diào)節(jié)，大約需要在3小時(shí)內(nèi)調(diào)度1100MW的發(fā)電能力來(lái)滿(mǎn)足需求。這需要系統(tǒng)有50MW/分鐘的爬坡能力和非常靈活的電力系統(tǒng)。
2. 靈活調(diào)節(jié)方案
很明顯，“鴨形曲線(xiàn)”是一個(gè)可靠性影響因素，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要找到一個(gè)解決方案來(lái)平滑該曲線(xiàn)。這些方案，比如電加熱控制、需求響應(yīng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)，已經(jīng)在文獻(xiàn)“teach the duck to fly”（Lazar，2016）（在該文獻(xiàn)中，作者采用了隱喻來(lái)表達(dá)“鴨形線(xiàn)”平滑）中提出來(lái)了。這些方案在技術(shù)上是可行的，可以幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)“鴨形曲線(xiàn)”的有效調(diào)節(jié)。由于具備快速充放電的能力，儲(chǔ)能可能是平滑“鴨形曲線(xiàn)”的最好方案。
然而，為了激勵(lì)儲(chǔ)能的應(yīng)用，這些技術(shù)必須有足夠的靈活性來(lái)參與電力市場(chǎng)?；谶@一點(diǎn)，美國(guó)的一些獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISOs）已經(jīng)實(shí)施了靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品（FRP）。FRP可以為運(yùn)營(yíng)商提供足夠的調(diào)節(jié)能力來(lái)避免VRE（主要是光伏）帶來(lái)的任何電力不平衡。
FRP是一種輔助服務(wù)并且常有兩個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品，一個(gè)是爬坡調(diào)節(jié)，叫做靈活爬坡（FRU），另一種是降坡調(diào)節(jié)，叫做靈活降坡（FRD）。這種產(chǎn)品可以綜合需求和VRE的調(diào)節(jié)要求，將凈負(fù)荷偏差考慮進(jìn)來(lái)，然后反映出調(diào)節(jié)預(yù)測(cè)的不確定性。在預(yù)測(cè)上，像電網(wǎng)系統(tǒng)其他備用要求一樣，F(xiàn)RP試圖將需求和VRE的預(yù)測(cè)偏差考慮進(jìn)來(lái)。圖3給出了一個(gè)示例，在給定凈負(fù)荷曲線(xiàn)和預(yù)測(cè)不確定度時(shí)，F(xiàn)RP的調(diào)節(jié)要求是怎樣的。
圖3 FRP調(diào)節(jié)要求的計(jì)算
圖3中，為了計(jì)算第一階段的調(diào)節(jié)要求，運(yùn)營(yíng)商先確定第二階段的三個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)下一階段的預(yù)測(cè)凈負(fù)荷、這一階段的凈負(fù)荷不確定度上限、這一階段的凈負(fù)荷不確定度下限。在上圖示例中，F(xiàn)RP只需要進(jìn)行爬坡調(diào)節(jié)。然而，如果降坡的不確定度低于第一階段的凈負(fù)荷（如，500MW），這時(shí)也會(huì)產(chǎn)生降坡靈活性調(diào)節(jié)要求。至于該輔助服務(wù)的價(jià)格方面，這通常是調(diào)節(jié)需求限制的邊際價(jià)格，意味著獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）需要為額外的MW/min調(diào)節(jié)能力支付一筆錢(qián)，以保證在下一個(gè)調(diào)度時(shí)段滿(mǎn)足調(diào)節(jié)要求（Wang and Hodge，2017）。
已知的最好的獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）FRP來(lái)自于加利福尼亞獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）。該產(chǎn)品在2016年11月實(shí)施完成，主要對(duì)15分鐘、5分鐘市場(chǎng)提供服務(wù)（CAISO，2015）。除了CAISO，中美獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（MISO）也實(shí)施了FRP，不過(guò)采用的名稱(chēng)是調(diào)節(jié)能力產(chǎn)品（MISO，2016）。
3. 儲(chǔ)能用于靈活調(diào)節(jié)的影響
前述章節(jié)中提到的一些電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)應(yīng)用的創(chuàng)新產(chǎn)品，能夠激勵(lì)諸如儲(chǔ)能系統(tǒng)等靈活性資源的應(yīng)用。這可能帶來(lái)額外的收入，使得這些項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上具備可行性。換句話(huà)說(shuō)，F(xiàn)RP為儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)能力帶來(lái)了現(xiàn)金流，可以讓這些資源從中賺錢(qián)。一些電力市場(chǎng)通過(guò)引入這項(xiàng)輔助服務(wù)，可能帶來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的推廣。
比如，加利福尼亞正在鼓勵(lì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣，根據(jù)加利福尼亞公共事業(yè)委員會(huì)的要求（California Energy Commission，2018），計(jì)劃在2020年新建1.3GW儲(chǔ)能。自2016年以來(lái)，CAISO已經(jīng)建設(shè)了總計(jì)80MW/150MWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括圣地亞哥天然氣和電力公司建設(shè)位于EI Escondido的北美最大鋰電池設(shè)施（30MW/120MWh）（Davis，2018）。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，AES公司正計(jì)劃在AES Alamitos能源中心建造世上最大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。該項(xiàng)目容量為300MW/1200MWh，其中一期100MW計(jì)劃在2020年上線(xiàn)（AES，2018）。這些產(chǎn)品的應(yīng)用可以為電力市場(chǎng)靈活性賦能，從而激勵(lì)投資者去推廣這些技術(shù)。
在允許淺充電的情況下，電動(dòng)汽車(chē)（EVs）也是一種能夠提供為電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力的資源。然而，如果電動(dòng)汽車(chē)不能淺充電（通常指不受控制的充電），它們可能對(duì)電網(wǎng)的可靠性形成威脅，因?yàn)樗鼈儠?huì)加劇晚高峰，從而讓“鴨形曲線(xiàn)”更陡峭。因此，發(fā)展智能充放電技術(shù)是釋放電動(dòng)汽車(chē)靈活性調(diào)節(jié)能力最重要的部分。
4. 儲(chǔ)能提供靈活調(diào)節(jié)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)為加利福尼亞帶了了靈活調(diào)節(jié)能力。CAISO的網(wǎng)站上顯示了一些電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)。但是這些圖片沒(méi)有很清晰地表明這些電池實(shí)際上在提供哪些服務(wù)，只能看到電池是如何對(duì)市場(chǎng)信息進(jìn)行響應(yīng)以及電池如何與高比例光伏發(fā)電進(jìn)行互動(dòng)的。圖4顯示了CAISO電網(wǎng)在2018年12月20日光伏發(fā)電和電池調(diào)度情況（CAISO，2019）。
圖4 CAISO電網(wǎng)在2018年12月20日光伏發(fā)電和電池調(diào)度情況
只根據(jù)CAISO的數(shù)據(jù)來(lái)分析光伏發(fā)電和電池之間的關(guān)系并不容易?？雌饋?lái)，電池同時(shí)提供了靈活性調(diào)節(jié)、能源套利、運(yùn)行備用以及其他可能的服務(wù)。一旦應(yīng)用，儲(chǔ)能可通過(guò)同時(shí)提供多種服務(wù)來(lái)使得收益最大化。此外，相對(duì)于負(fù)荷尖峰，目前安裝的電池容量仍然太少，但它們對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響是顯著的。一旦所有計(jì)劃的儲(chǔ)能項(xiàng)目得以實(shí)施（2020年建設(shè)1.3GW），靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品的供應(yīng)將會(huì)有更多詳實(shí)的信息來(lái)進(jìn)行分析。圖5顯示了儲(chǔ)能參與靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品對(duì)“鴨形曲線(xiàn)”的影響。
注：圖中顯示的是對(duì)一條饋線(xiàn)的影響，不是整個(gè)CAISO系統(tǒng)。
來(lái)源：Sunverge（2019）。
圖5 儲(chǔ)能對(duì)“鴨形曲線(xiàn)”的影響
除此之外，一些文獻(xiàn)研究了電池提供靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)品相關(guān)服務(wù)的最佳策略。Hu等（2018）學(xué)者研究了電池聚合商如何更好提供差異化的服務(wù)，包括FRP，來(lái)實(shí)現(xiàn)收益最大化。進(jìn)一步，Kim等（2017）研究了電動(dòng)汽車(chē)提供FRP的能力，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)可以降低運(yùn)行電網(wǎng)成本，尤其是在VRE資源非常多樣化的地區(qū)。
5. 結(jié)論（案例2：靈活調(diào)節(jié)）
高比例VRE的多樣性和不確定性重塑了電網(wǎng)負(fù)荷曲線(xiàn)。當(dāng)僅僅是光伏發(fā)電的比例很高時(shí)，負(fù)荷曲線(xiàn)變成了“鴨形曲線(xiàn)”，“鴨形曲線(xiàn)”是加利福尼亞電網(wǎng)的最顯著特征。該曲線(xiàn)的典型特征是需要電網(wǎng)中的其他資源來(lái)提供很高的調(diào)節(jié)能力。儲(chǔ)能等靈活性技術(shù)可以滿(mǎn)足這些要求并平滑“鴨形曲線(xiàn)”。能夠激勵(lì)儲(chǔ)能推廣和應(yīng)用的產(chǎn)品可有助于平滑“鴨形曲線(xiàn)”。
CAISO已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種產(chǎn)品來(lái)購(gòu)買(mǎi)必須的靈活調(diào)節(jié)服務(wù)，以滿(mǎn)足在所有時(shí)間段的負(fù)荷調(diào)節(jié)要求。CAISO的儲(chǔ)能應(yīng)用仍然在增長(zhǎng)，到2020年仍需新建1.3GW儲(chǔ)能。儲(chǔ)能是否在提供靈活調(diào)節(jié)難以評(píng)估，但是，一旦儲(chǔ)能得以推廣到一個(gè)較高的水平，圖5中的效果是可以預(yù)見(jiàn)的。
6. 擴(kuò)展閱讀
參見(jiàn)Innovation LandscapeBrief（2019），“Innovative ancillary services”，獲得更多關(guān)于輔助服務(wù)的信息。
