本文以澳大利亞的首個(gè)百兆瓦儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，講述儲(chǔ)能項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)比中國(guó)目前的儲(chǔ)能市場(chǎng)環(huán)境，作者建議我國(guó)制定區(qū)別于傳統(tǒng)火電機(jī)組的超大容量?jī)?chǔ)能電池參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓的并網(wǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)導(dǎo)則和相關(guān)運(yùn)行技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以滿足 AGC、AVC、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的運(yùn)行要求。而在用戶側(cè)，作者認(rèn)為政府應(yīng)給予安裝小型分布式儲(chǔ)能裝置的用戶資金補(bǔ)貼。
澳大利亞 100MW 儲(chǔ)能運(yùn)行分析及對(duì)中國(guó)啟示
曾輝1, 孫峰1，邵寶珠1, 葛維春2，葛延峰2, 許天寧1
(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧省沈陽(yáng)市 110006;
2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省沈陽(yáng)市110006)
摘要：2017年12月1日，當(dāng)前世界上最大的100MW/129MWh Tesla 鋰電池儲(chǔ)能電站在澳大利亞南澳州投入運(yùn)行。Tesla儲(chǔ)能電站于2017年12月 14日和2018年1月18日維多利亞州的Loy Yang發(fā)電站機(jī)組跳閘事故中跨區(qū)參與電網(wǎng)調(diào)頻，事故后140ms即向電網(wǎng)輸出有功功率，6分鐘內(nèi)配合其他調(diào)頻電源將電網(wǎng)頻率拉回至50Hz。物理上儲(chǔ)能電站已多次向電網(wǎng)提供常規(guī)調(diào)節(jié)輸出、能量輸出和調(diào)頻緊急輸出等輔助服務(wù);經(jīng)濟(jì)上儲(chǔ)能的投運(yùn)降低了當(dāng)?shù)卣{(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)價(jià)格。本文首先分析Tesla儲(chǔ)能電池投入澳大利亞電網(wǎng)運(yùn)行的物理和經(jīng)濟(jì)原因，接著介紹電池的結(jié)構(gòu)及控制策略;儲(chǔ)能投運(yùn)后的運(yùn)行狀況;之后從制定我國(guó)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系、發(fā)揮儲(chǔ)能部分替代火電機(jī)組一次調(diào)頻的杠桿效應(yīng)、借鑒國(guó)外快速調(diào)頻輔助服務(wù)模式、探索儲(chǔ)能自盈利商業(yè)模式等角度深入探討Tesla儲(chǔ)能運(yùn)行對(duì)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)及電網(wǎng)的啟示和借鑒意義。
0 引言
近年來(lái)，著眼于儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外均開展了儲(chǔ)能的理論和實(shí)踐研究，一大批儲(chǔ)能項(xiàng)目投入實(shí)際運(yùn)行并不斷刷新容量記錄。2016 年，世界最大規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在我國(guó)張北風(fēng)光儲(chǔ)輸工程投運(yùn)，一期工程包括了16MW/63MWh的鋰離子電池儲(chǔ)能及2MW/8MWh的釩液流電池儲(chǔ)能[1]。2017年，特斯拉(Tesla)為美國(guó)南加州愛迪生公司(SCE)位于 Mira Roma的變電站安裝了20MW/80MWh鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，取代張北儲(chǔ)能系統(tǒng)成為世界最大。2017年12月1日投運(yùn)的澳大利亞南澳100MW/129MWh Tesla鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目再次刷新了已投運(yùn)最大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)世界記錄，截止目前容量世界最大[1]。
進(jìn)入2017年的南半球夏季以來(lái)，由于高溫、負(fù)荷增長(zhǎng)和設(shè)備故障等原因，位于澳大利亞維多利亞州(以下簡(jiǎn)稱維州)的Loy Yang火電機(jī)組于2017 年12月14日和2018年1月18日分別多次發(fā)生機(jī)組跳閘事故，分別造成 560MW和530MW機(jī)組脫網(wǎng)事故。位于南澳州的Tesla儲(chǔ)能電站在頻率跌至 49.8Hz后的140ms時(shí)向電網(wǎng)輸出有功功率參與調(diào)頻，在反應(yīng)時(shí)間和放電能效上均優(yōu)于同步發(fā)電機(jī)機(jī)組的調(diào)頻性能。
文獻(xiàn)[2]的研究囊括了全球20個(gè)國(guó)家在建或投運(yùn)的共164項(xiàng)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能調(diào)頻應(yīng)用項(xiàng)目，但目前國(guó)內(nèi)沒有100MW級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目并網(wǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)雖然儲(chǔ)能設(shè)備研制及技術(shù)研發(fā)已取得突破;2016年6月國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償(市場(chǎng))機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》;2017年五部門發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》等政策支持文件，但由于儲(chǔ)能設(shè)備成果高昂、盈利模式不足、市場(chǎng)機(jī)制即運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等因素限制了我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用實(shí)踐。因此研究澳大利亞已投運(yùn)的Tesla儲(chǔ)能項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行，研究其對(duì)電網(wǎng)深層次影響，將為目前我國(guó)快速增長(zhǎng)的儲(chǔ)能-電網(wǎng)交互技術(shù)發(fā)展提供寶貴的參考價(jià)值。
除此之外，研究Tesla儲(chǔ)能在澳大利亞電力市場(chǎng)環(huán)境下的盈利模式，對(duì)未來(lái)我國(guó)電力現(xiàn)貨交易場(chǎng)景下的輔助服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展也具有重要意義。
1 儲(chǔ)能投入南澳電網(wǎng)原因分析
1.1 儲(chǔ)能投入南澳電網(wǎng)的物理原因
2016年9月28日，臺(tái)風(fēng)和暴雨等極端天氣襲擊了新能源發(fā)電占比高達(dá) 48.36%的澳大利亞南部地區(qū)電網(wǎng)，最終導(dǎo)致50h后恢復(fù)供電的全南澳大利亞州大停電[3]。此次事件后，澳政府為解決南澳電網(wǎng)日益增長(zhǎng)的新能源占比和逐年減少的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的矛盾，向全球公開招標(biāo)大規(guī)模儲(chǔ)能電池項(xiàng)目，企圖通過儲(chǔ)能技術(shù)解決系統(tǒng)穩(wěn)定問題。
1.2 儲(chǔ)能投入南澳電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)原因
經(jīng)濟(jì)層面上解決發(fā)電商市場(chǎng)力過強(qiáng)造成的輔助服務(wù)價(jià)格過高問題是儲(chǔ)能投運(yùn)的更重要目的。例如，經(jīng)計(jì)算 2016 年某月南澳電網(wǎng)至少需要 35MW 的調(diào)頻有功功率。由于南澳地區(qū)負(fù)荷較少常年保持在 2000MW 左右，較小的發(fā)電市場(chǎng)被AGL、Origin、Engie等3-5家發(fā)電廠商壟斷。發(fā)電商合謀在輔助服務(wù)市場(chǎng)報(bào)價(jià)5000澳元/MW以下時(shí)只出力34MW，滿足35MW的最后 1MW電力價(jià)格往往被市場(chǎng)力抬高至15000澳元/MW以上成交。根據(jù)最后報(bào)價(jià)即為成交價(jià)的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易規(guī)則，南澳電網(wǎng)只能被動(dòng)購(gòu)買巨額調(diào)頻輔助服務(wù)[4][5]。
造成這種看似不合理但合法抬價(jià)行為的原因是澳大利亞的全電量強(qiáng)制電力庫(kù)市場(chǎng)運(yùn)行模式。市場(chǎng)規(guī)則允許下的Withhold(延期交易)和Rebid(重復(fù)報(bào)價(jià))行為廣泛存在，減少發(fā)電出力或有電不發(fā)的行為造成了供需關(guān)系緊張并抬高了輔助服務(wù)價(jià)格[6]，造成了現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格急劇動(dòng)蕩。因此當(dāng)?shù)卣Ｍ脙?chǔ)能的快速、精準(zhǔn)、可控的調(diào)頻能力在輔助服務(wù)市場(chǎng)與傳統(tǒng)機(jī)組形成充分的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，通過競(jìng)爭(zhēng)形成合理的競(jìng)價(jià)方式，降低輔助服務(wù)價(jià)格。
以下具體說明：圖1為傳統(tǒng)火電機(jī)組和儲(chǔ)能的調(diào)頻特性對(duì)比。橫坐標(biāo)為輸出有功功率，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)機(jī)組輸出功率的機(jī)組調(diào)頻能力?？梢?，傳統(tǒng)火電機(jī)組的調(diào)頻能力在A點(diǎn)開始隨輸出增加而增加，在b1或b2點(diǎn)達(dá)到調(diào)頻能力峰值F，峰值持續(xù)至C點(diǎn)并下落，在D點(diǎn)降至0。不同機(jī)組的調(diào)頻特性不同造成斜率不同(Ab1和Ab2)。而儲(chǔ)能以其放電特性可在輸出初始極短時(shí)間內(nèi)(通常為1s內(nèi))從A點(diǎn)達(dá)到a點(diǎn)獲得調(diào)頻峰值F并持續(xù)。發(fā)電商“延期交易”的做法是在不改變總體輸出有功功率的情況下將A機(jī)組的輸出(Ab1)轉(zhuǎn)移至B機(jī)組(Ab2)：即將A機(jī)組出力較少，B機(jī)組出力增加A機(jī)組減少的值，從而在E點(diǎn)處減少多臺(tái)機(jī)組的調(diào)頻能力之和(從F1到F2)。發(fā)電商此時(shí)不交易，等待輔助服務(wù)供給短缺造成了輔助服務(wù)價(jià)格上漲之后再“重復(fù)報(bào)價(jià)”，按已上漲的價(jià)格結(jié)算獲取巨額利潤(rùn)。
對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組，儲(chǔ)能輸出的調(diào)頻能力較為穩(wěn)定且能保持很久，幾乎不會(huì)受到外界條件限制。因此大規(guī)模儲(chǔ)能具備替代火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻的能力，可削弱傳統(tǒng)機(jī)組壟斷的市場(chǎng)力。
圖 1 傳統(tǒng)火電機(jī)組和儲(chǔ)能的調(diào)頻特性對(duì)比
Fig.1 Comparisons between frequency regulation capacities of conventional coal fired generators and storage
物理上為解決新能源接入后轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定問題，經(jīng)濟(jì)上促進(jìn)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的合理競(jìng)爭(zhēng)是Tesla儲(chǔ)能投入運(yùn)行的雙重原因。
2 PowerPack儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)及控制策略
Tesla在位于南澳Hornsdale風(fēng)電場(chǎng)(包含105臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)315MW )旁建設(shè)100MW/129Mwh鋰 電 池 儲(chǔ) 能 系 統(tǒng) , 核 心 部 件為PowerPack儲(chǔ)能單元。聯(lián)合成立“Hornsdale電力儲(chǔ)備庫(kù)”(Hornsdale Power Reserve 簡(jiǎn)稱 HPR)[7]。圖2為HPR現(xiàn)場(chǎng)照片。
圖 2 Hornsdale 電力儲(chǔ)備庫(kù)照片
Fig.2 The photo of Horsdale power reserve
2.1 蓄電池堆結(jié)構(gòu)
HPR項(xiàng) 目 中Tesla鋰 電 池 儲(chǔ) 能 核 心 部 件PowerPack模塊源自電動(dòng)汽車Model S使用的電池組結(jié)構(gòu)：包含兩個(gè)電池模塊，集成了電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和獨(dú)立的板載DC/DC 。每個(gè)電池組容量13.5kWh，標(biāo)稱電壓48V，經(jīng)DC/DC變換到350V-550V，每個(gè)電池單元均可進(jìn)行獨(dú)立的充放電，實(shí)現(xiàn)2-4小時(shí)持續(xù)充放電[1][8]。
2.2 儲(chǔ)能變流器控制策略
Tesla的儲(chǔ)能變流器控制模塊可提供3種控制模式：可控電流源模式、虛擬同步機(jī)模式、混合模式。電流源模式下逆變器可在4ms內(nèi)提供0-100%可控電流變化;虛擬同步機(jī)模式下逆變器提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電壓/頻率穩(wěn)定、諧波控制;混合模式下將以同步調(diào)相機(jī)/同步發(fā)電機(jī)特性并網(wǎng)，3 種模式可平滑切換[9]。
根據(jù)文獻(xiàn)[10][11]的描述，圖3為2017年12月9日Tesla儲(chǔ)能投運(yùn)后的出力情況。由圖3可知，Tesla實(shí)際提供3種有償輔助服務(wù)：(1)常規(guī)調(diào)節(jié)輸出、(2)緊急輸出、(3)能量輸出。常規(guī)調(diào)節(jié)最大輸出30MW/90MWh，其余 70MW/39MWh由緊急輸出和能量輸出構(gòu)成[10][11]。在PowerPack儲(chǔ)能單元中常規(guī)調(diào)節(jié)、緊急輸出和能量輸出擁有各自獨(dú)立的控制策略：(1)常規(guī)調(diào)節(jié)輸出以有功和無(wú)功功率為控制目標(biāo)，通過內(nèi)外雙環(huán)控制調(diào)節(jié)HPR輸出功率。(2)緊急輸出以電壓和頻率為控制目標(biāo)，并在內(nèi)環(huán)控制前端設(shè)置了頻率變化感知算法，當(dāng)外環(huán)故障導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大幅波動(dòng)后自動(dòng)觸發(fā)內(nèi)環(huán)，輸出有功功率以維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。(3)能量輸出控制是基于電力市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)變化的有功和無(wú)功功率雙環(huán)控制，外環(huán)由Tesla對(duì)現(xiàn)貨市場(chǎng)的電力價(jià)格進(jìn)行預(yù)判觸發(fā)，內(nèi)環(huán)為有功無(wú)功功率輸出。
圖 3 2017年12月9日Tesla儲(chǔ)能出力
Fig.3 The output of Tesla storage in 9th Dec 2017
憑借 PowerPack 儲(chǔ)能單元可靠的充放電性能及針對(duì)不同控制對(duì)象的電壓頻率、有功無(wú)功功率電池控制策略形成的運(yùn)行模式，可為項(xiàng)目投產(chǎn)后運(yùn)行提供技術(shù)和經(jīng)濟(jì)保證。
3 儲(chǔ)能投運(yùn)后的物理表現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)作用
3.1 兩次機(jī)組跳閘事故中發(fā)電側(cè)的物理反應(yīng)
2017年12月14日凌晨1:58:59AM，維州電網(wǎng)Loy Yang A3機(jī)組跳閘，直至1:59:19AM 造成560MW功率缺失，同時(shí)維州電網(wǎng)頻率跌至49.8Hz。頻率跌至49.8Hz的140ms后，距離Loy Yang機(jī)組1000公里遠(yuǎn)的南澳Tesla 電 池 儲(chǔ) 能 系 統(tǒng) 快 速反 應(yīng) ，1:59:23AM向電網(wǎng)注入7.3MW有功功率。在 Tesla儲(chǔ)能動(dòng)作4秒后，位于昆士蘭州已簽署調(diào)頻輔助服務(wù)合約的Gladstone 電廠1號(hào)機(jī)組才開始向電網(wǎng)注入有功。02:05AM系統(tǒng)頻率恢復(fù)至50Hz。圖4 為12月14日系統(tǒng)頻率和儲(chǔ)能出力情況，可見藍(lán)色曲線的儲(chǔ)能出力(對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo))在紅色曲線頻率(對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo))下跌后立即做出反應(yīng)并輸出有功功率持續(xù)至02:03分[12]，證明了Tesla優(yōu)秀的快速調(diào)節(jié)能力。
圖 4 2017年12月14日Tesla儲(chǔ)能的頻率響應(yīng)
Fig.4 Frequency response of Tesla storage on 14th Dec 2017
圖5為12月14日Tesla儲(chǔ)能(藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)左側(cè)縱坐標(biāo))和用于調(diào)頻輔助服務(wù)的Gladstone電廠(圖中簡(jiǎn)稱Gstone，紅色曲線對(duì)應(yīng)右側(cè)縱坐標(biāo))在Loy Yang A3機(jī)組跳閘前后的出力曲線對(duì)比?？梢?1：59至02：05的6分鐘內(nèi) Gstone的6臺(tái)機(jī)組均有130MW-155MW的有功輸出，為系統(tǒng)有力補(bǔ)充了大量有功功率。雖然容量較小的Tesla儲(chǔ)能反應(yīng)極快且輸出迅速，但容量更大的 Gstone發(fā)電機(jī)組是將系統(tǒng)頻率拉回至正常值的主力。
圖 5 12.14 日 Tesla 儲(chǔ)能和 GSTONE 電廠出力對(duì)比
Fig.5 Comparisons between outputs of Tesla storage and Gstone power generator on 14th Dec.
2018年1月18日下午4.35PM，維州電網(wǎng)Loy Yang再次發(fā)生故障，B1 機(jī)組跳閘造成528MW功率缺失，電網(wǎng)頻率跌至49.7Hz。幾百毫秒后，距離 Loy Yang機(jī)組1000公里遠(yuǎn)的南澳Tesla電池儲(chǔ)能再次向電網(wǎng)注入16MW有功功率參與調(diào)頻[13][14][15]。
3.2 Tesla儲(chǔ)能在電網(wǎng)運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)作用
由于2018年1月18日B1機(jī)組跳閘后造成了供小于求的供電緊張。維州和南澳州的電力現(xiàn)貨價(jià)格猛漲至12900澳元/MWh和14200澳元/MWh。Tesla儲(chǔ)能選擇在價(jià)格尖峰時(shí)刻的出力獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)收入。圖7為2018 年1月18日-1月19日Tesla出力與現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)對(duì)比。其中藍(lán)色放電曲線和紅色充電曲線對(duì)應(yīng)左側(cè)充放電功率(MW);黑色價(jià)格曲線對(duì)應(yīng)右側(cè)現(xiàn)貨價(jià)格(澳元/MWh)。圖6中Tesla在1月18日17:00-18:00和1月19日14:00-17:00 價(jià)格上升期集中放電，在其余價(jià)格較低時(shí)段充電，在時(shí)間軸上利用自身快速的充放電性能曲線跟隨現(xiàn)貨價(jià)格波動(dòng)曲線，低買高賣盈利。
圖 6 2018 年 1 月 18 日-1 月 19 日 Tesla 出力與現(xiàn)貨價(jià)格對(duì)比
Fig.6 Comparisons between output of Tesla and spot price variations on 18th Jan and 19th Jan 2018
除滿足自身盈利需求，儲(chǔ)能的投運(yùn)也促進(jìn)了發(fā)電側(cè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。投運(yùn)后 Tesla儲(chǔ)能參與頻率輔助服務(wù)的有功功率占南澳地區(qū)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)份額的30%，打破了原有發(fā)電商對(duì)輔助服務(wù)的壟斷局面。對(duì)比可知：2016年12月的南澳升降調(diào)頻輔助服務(wù)(Raise and Lower Regulation Frequency Control and Ancillary Services)價(jià)格為502320澳元;2017年12月Tesla 投運(yùn)后該輔助服務(wù)價(jià)格已降至39661澳元[16]，調(diào)頻輔助服務(wù)價(jià)格跌幅達(dá) 92%。
綜上所述，雖然儲(chǔ)能容量較小，與火電相比參與調(diào)頻的有功功率絕對(duì)值微乎其微，但其快速、精準(zhǔn)、可控的調(diào)頻能力是儲(chǔ)能相比傳統(tǒng)火電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)所在。儲(chǔ)能投運(yùn)后在現(xiàn)貨市場(chǎng)上商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式取得成功，輔助服務(wù)市場(chǎng)上通過打破發(fā)電商的價(jià)格壟斷倒逼輔助服務(wù)進(jìn)行降價(jià)。通過降低電網(wǎng)運(yùn)行成本間接提升了電網(wǎng)安全。
4 Tesla 儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行對(duì)我國(guó)啟示
4.1 制定儲(chǔ)能參與電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)體系
2017年12月14日Tesla儲(chǔ)能因其在頻率跌落后140ms至3分鐘內(nèi)一直提供調(diào)頻服務(wù)，時(shí)間上涵蓋了慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，開辟了世界上最大規(guī)模儲(chǔ)能電池實(shí)際參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)的先河，證明了大規(guī)模儲(chǔ)能參與電網(wǎng)運(yùn)行的可行性和經(jīng)濟(jì)性。
我國(guó)電網(wǎng)一次調(diào)頻的主力是大型火電機(jī)組，缺乏響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力俱佳的優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源。而根據(jù)澳大利亞的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)能對(duì)比傳統(tǒng)火電機(jī)組的AGC跟蹤效果更好。圖7、8分別為2018年1月某日南澳大利亞州傳統(tǒng)大型火電機(jī)組和Tesla儲(chǔ)能的AGC跟蹤能力對(duì)比。圖中紅色為電網(wǎng)設(shè)定的AGC曲線，黑色為機(jī)組或儲(chǔ)能實(shí)際有功功率曲線。明顯可見Tesla儲(chǔ)能的響應(yīng)能力對(duì)比燃?xì)鈾C(jī)組響應(yīng)能力的擬合度更高，其有功功率輸出更精確且反應(yīng)速度更快。
圖 7 南澳大利亞傳統(tǒng)大型火電機(jī)組的 AGC 跟蹤能力曲線
Fig.7 AGC tracking ability of South Australian large conventional steam turbine
圖 8 南澳大利亞 Tesla 儲(chǔ)能的 AGC 跟蹤能力曲線
Fig.8 AGC tracking ability of South Australian Tesla storage
基于儲(chǔ)能獨(dú)特的運(yùn)行特性，我國(guó)電網(wǎng)公司需提前開展 100MW 及以上超大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型研究，提出應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓需求的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略。建議我國(guó)制定區(qū)別于傳統(tǒng)火電機(jī)組的超大容量?jī)?chǔ)能電池參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓的并網(wǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)導(dǎo)則和相關(guān)運(yùn)行技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以滿足 AGC、AVC、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的運(yùn)行要求。形成一整套評(píng)價(jià)大容量電池儲(chǔ)能電站運(yùn)行控制效果的評(píng)價(jià)體系，通過開展并網(wǎng)仿真和策略驗(yàn)證修正儲(chǔ)能運(yùn)行參數(shù)。
4.2 發(fā)揮儲(chǔ)能部分替代火電機(jī)組一次調(diào)頻的杠桿效應(yīng)
由3.1節(jié)可知，儲(chǔ)能因其優(yōu)異的快速功率輸出和精準(zhǔn)跟蹤能力，與傳統(tǒng)火電或水電機(jī)組相比具有“以小博大”的杠桿效應(yīng)。針對(duì)儲(chǔ)能的調(diào)頻能力的杠桿效應(yīng)，已有多位學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[17]提出假設(shè)火電機(jī)組爬坡速率為 4%p.u./min，20MW電池儲(chǔ)能調(diào)頻能力與187.5MW火電機(jī)組等效，前者比后者高效約9倍;文獻(xiàn)[18]中假設(shè)燃煤機(jī)組調(diào)頻時(shí)爬坡率為 3%額定功率/min，25MW的電池儲(chǔ)能等同于83.3MW燃煤機(jī)組的調(diào)頻能力，兩者相差 3.3倍;文獻(xiàn)[19]指出在同樣調(diào)頻容量及單位調(diào)節(jié)功率相同條件下，電池儲(chǔ)能無(wú)調(diào)頻死區(qū)時(shí)比傳統(tǒng)電源高效25倍以上;文獻(xiàn)[20]闡述在美國(guó)電力市場(chǎng)儲(chǔ)能調(diào)頻效果是水電機(jī)組的1.7倍、燃?xì)鈾C(jī)組的2.5倍、燃煤機(jī)組的20倍以上。
以上文獻(xiàn)雖然量化并對(duì)比了儲(chǔ)能與傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻效果，但沒有考慮儲(chǔ)能實(shí)際響應(yīng)時(shí)間對(duì)一次調(diào)頻效果的影響。具體來(lái)說，電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中由于汽輪機(jī)在一次調(diào)頻過程中階躍響應(yīng)曲線的非線性變化，此時(shí)無(wú)法以單一爬坡率進(jìn)行線性描述，如籠統(tǒng)地將儲(chǔ)能的調(diào)頻能力與傳統(tǒng)機(jī)組等效是不準(zhǔn)確不切實(shí)際的。因此有必要根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一次調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行拆解，在不同的時(shí)間段內(nèi)形成不同的儲(chǔ)能出力/傳統(tǒng)機(jī)組出力效率比。圖9為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 1235-2013中典型汽輪機(jī)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)曲線(黑色)和典型全釩液流儲(chǔ)能響應(yīng)曲線(紅色)對(duì)比。
圖 9 典型汽輪機(jī)一次調(diào)頻階躍響應(yīng)曲線和典型儲(chǔ)能調(diào)頻響應(yīng)曲線對(duì)比
Fig.9 Comparisons between typical power increment of steam turbine and storage response during primary frequency regulation
相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)能技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是快速精準(zhǔn)的功率響應(yīng)能力。以遼寧臥牛石全釩液流儲(chǔ)能單元電池實(shí)測(cè)結(jié)果為例，電池輸出有功功率從初始狀態(tài)熱備用285kW躍變?yōu)?373kW的時(shí)間為571ms。假設(shè)電網(wǎng)頻率下降后臥牛石全釩液流儲(chǔ)能單元的控制策略反應(yīng)時(shí)間為300ms左右，如加上放電時(shí)間571ms，可基本保證儲(chǔ)能在頻率波動(dòng)1秒內(nèi)放電至理想值并持續(xù)放電無(wú)衰減。因此在圖9中，紅色的儲(chǔ)能出力曲線可在1s-30s達(dá)到恒定功率放電并持續(xù)。假設(shè)全釩液流儲(chǔ)能電池和火電機(jī)組在3s時(shí)刻均出力1MW，則1MW 的儲(chǔ)能調(diào)頻出力相當(dāng)于1MW的火電機(jī)組的調(diào)頻出力P3s，可得3s時(shí)刻1MW 儲(chǔ)能調(diào)頻出力所等效的火電機(jī)組容量Pe3s為(國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/GDW 669-2011中5.4.2節(jié)中規(guī)定P0<250MW的火電機(jī)組，限制幅度≥10%P0;250MW≤P0<350MW的火電機(jī)組，限制幅度≥8%P0;350MW≤P0≤500MW的火電機(jī)組，限制幅度≥7%P0;P0>500MW 的火電機(jī)組，限制幅度≥6%P0。因此本文中選取的300MW火電機(jī)組對(duì)應(yīng)最小限制幅度為 8%)：
Pe3s=1MW ?0.048 =20.833MW——（1）
同理可得，在15s和30s時(shí)刻Pe15s、Pe30s分別為：
Pe15s =1MW ?0.06 =16.67MW——（2）
Pe30s =1MW ?0.072 =13.89MW——（3）
因此，在持續(xù)30秒的一次調(diào)頻過程中，1MW全釩液流儲(chǔ)能電池出力等同于容量為13.89MW-20.833MW 的火電機(jī)組的一次調(diào)頻出力。
理想情況下，若將200MW大連全釩液流電池儲(chǔ)能電站國(guó)家示范項(xiàng)目投入運(yùn)行并全部用來(lái)調(diào)頻，將使總?cè)萘?778MW-4166.7MW火電機(jī)組不再參與一次調(diào)頻，提高不參與一次調(diào)頻的火電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，也可一定程度延長(zhǎng)機(jī)組及其輔機(jī)的使用壽命。
4.3 借鑒國(guó)外快速調(diào)頻輔助服務(wù)模式
我國(guó)目前缺乏一次調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。電廠一次調(diào)頻仍作為基本服務(wù)被電網(wǎng)考評(píng)。儲(chǔ)能作為慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻的新型電源目前還缺乏在輔助服務(wù)市場(chǎng)獲取價(jià)值的機(jī)會(huì)。因此可借鑒國(guó)外調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則，將快速調(diào)頻能力列入輔助服務(wù)項(xiàng)目中。
目前，澳大利亞常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)里最快的調(diào)頻服務(wù)基準(zhǔn)時(shí)間為6 秒，按不同調(diào)頻速度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行輔助服務(wù)金額核算。如圖10所示，典型機(jī)組A從系統(tǒng)頻率開始跌落0秒開始出力至6秒達(dá)到調(diào)頻峰值10MW，之后由于鍋爐性能限制，出力至60秒降為0。A機(jī)組由于反應(yīng)快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)在市場(chǎng)上獲得的收益為20MW調(diào)頻獎(jiǎng)勵(lì)。若B機(jī)組延遲出力，在頻率開始跌落3秒后開始出力至6秒達(dá)到調(diào)頻峰值10MW，60秒后降為0，B機(jī)組在市場(chǎng)上獲得的收益僅為5MW調(diào)頻獎(jiǎng)勵(lì)。A、B機(jī)組經(jīng)濟(jì)收益相差4倍。
圖 10 澳電網(wǎng)6秒常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)簡(jiǎn)介
Fig.10 6-seconds regular frequency control ancillary
service profile in Australian electric grid
除6秒調(diào)頻輔助服務(wù)(R6機(jī)組提供)，澳電網(wǎng)還有60秒(R60機(jī)組提供)和300秒(R300機(jī)組提供)常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)，保持300秒?yún)^(qū)間內(nèi)調(diào)頻有功出力總和不變，如圖11所示。0秒時(shí)R6啟動(dòng)，6秒到達(dá)峰值并下降;6秒時(shí)R60啟動(dòng)，60秒到達(dá)峰值并下降;60秒時(shí)R300啟動(dòng)，5分鐘到達(dá)峰值。
圖 11 澳電網(wǎng)6s、60s和300s常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)技術(shù)框架
Fig.11 6-seconds, 60-seconds and 300 seconds regular frequency control ancillary service profile in Australian electric grid
隨著電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量逐年減少，系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度愈加增大，傳統(tǒng)調(diào)頻機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)能力仍未提高。因此澳電網(wǎng)引入并開展了新型快速調(diào)頻輔助服務(wù)(Fast frequency regulation 簡(jiǎn)稱 FFR)。并將新型 2s FFR 與傳統(tǒng)的 6s、60s、300s常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)聯(lián)合使用，保持系統(tǒng)頻率下降 300 秒內(nèi)調(diào)頻機(jī)組有功出力總和不變，如圖12所示。未來(lái)澳電網(wǎng)將制定 0.5s 甚至 ms 級(jí) FFR 輔助服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。
圖12 澳電網(wǎng)2s緊急調(diào)頻輔助服務(wù)和6s、60s、300s常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)技術(shù)框架
Fig.12 2-second FFR and 6-seconds, 60-seconds, 300 seconds regular frequency control ancillary service profile in Australian electric grid
在我國(guó)，區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則中對(duì)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間規(guī)定一般不超過3秒。而如果考慮儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間，3秒顯然是過慢的。為提升電力系統(tǒng)調(diào)頻反應(yīng)速度，我國(guó)可借鑒澳大利亞的快速調(diào)頻輔助服務(wù)模式，未來(lái)將針對(duì)儲(chǔ)能等新型調(diào)頻電源的響應(yīng)滯后時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)縮短至2秒甚至1秒內(nèi)。國(guó)內(nèi)目前已有省份鼓勵(lì)多元化的輔助服務(wù)電源參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。2017年山東省電力中長(zhǎng)期交易規(guī)則(試行)中已經(jīng)鼓勵(lì)獨(dú)立輔助服務(wù)提供者和電力用戶通過競(jìng)價(jià)方式參與提供輔助服務(wù)，而隨著未來(lái)我國(guó)市場(chǎng)化輔助服務(wù)的深入發(fā)展，可將快速調(diào)頻輔助服務(wù)作為輔助服務(wù)細(xì)分項(xiàng)目的一種進(jìn)行競(jìng)價(jià)。
4.4 探索儲(chǔ)能自盈利商業(yè)運(yùn)行模式
儲(chǔ)能的本質(zhì)是給能量加入時(shí)間變量，這種特質(zhì)決定了儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的根本作用是在正確的時(shí)間提供正確的能量。我國(guó)可借鑒澳電網(wǎng)目前已經(jīng)開展的考慮時(shí)間權(quán)重的價(jià)格斜率新型調(diào)頻輔助服務(wù)費(fèi)用核算方法，如圖13所示。以6s常規(guī)調(diào)頻輔助服務(wù)為例，圖13中藍(lán)色實(shí)線和虛線為調(diào)整前后的1-6s響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的輔助服務(wù)價(jià)格(對(duì)應(yīng)左側(cè)縱軸)，紅色虛線為調(diào)整后價(jià)格/調(diào)整前價(jià)格的比率走勢(shì)(對(duì)應(yīng)右側(cè)縱軸)?？梢娙纛l率下跌后1s時(shí)調(diào)頻電源出力，則調(diào)頻電源可得到10澳元/MW獎(jiǎng)勵(lì)，是舊規(guī)則5澳元/MW的2倍;若頻率下跌后6s時(shí)調(diào)頻電源出力，則調(diào)頻電源僅得到5澳元/MW獎(jiǎng)勵(lì)，與舊規(guī)中效益一樣。
因此，我國(guó)可借鑒并引入此類調(diào)頻輔助服務(wù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定具有我國(guó)特色的響應(yīng)時(shí)間與電力價(jià)格成反比的調(diào)頻輔助服務(wù)規(guī)則，鼓勵(lì)調(diào)頻電源在電網(wǎng)發(fā)生故障后快速響應(yīng)，取代部分火電進(jìn)行調(diào)頻。
圖 13 澳電網(wǎng)考慮時(shí)間權(quán)重的價(jià)格斜率新型調(diào)頻輔助服務(wù)費(fèi)用核算方法
Fig.13 Application of time weighted scalar to frequency control ancillary service in Australian electric grid
在電網(wǎng)側(cè)，2020年我國(guó)全面開展電力現(xiàn)貨交易后，儲(chǔ)能可通過分鐘級(jí)甚至秒級(jí)的變化現(xiàn)貨交易價(jià)格實(shí)現(xiàn)低價(jià)充電高價(jià)放電，參與有償?shù)氖鹿蕚溆煤碗娋W(wǎng)調(diào)峰;在二次調(diào)頻階段利用小時(shí)級(jí)的充放電時(shí)間繼續(xù)參與調(diào)頻。
在電力用戶側(cè)，政府應(yīng)給予安裝小型分布式儲(chǔ)能裝置的用戶資金補(bǔ)貼，用戶既可將滿足自身用電，也可將儲(chǔ)能中多余的電力買給電網(wǎng)和其他用戶。而當(dāng)遭遇極端電網(wǎng)事故如2008年南方冰災(zāi)時(shí)，可由當(dāng)?shù)胤植际絻?chǔ)能發(fā)揮電源支撐作用，在電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)保證負(fù)荷供電，電網(wǎng)需為孤網(wǎng)后維持負(fù)荷用電的分布式儲(chǔ)能給予經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)。
雖然儲(chǔ)能在國(guó)外電力市場(chǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年，但目前我國(guó)儲(chǔ)能商業(yè)化進(jìn)程中仍存在細(xì)分領(lǐng)域政策不明、電力市場(chǎng)環(huán)境下示范應(yīng)用較少、儲(chǔ)能安全穩(wěn)定性不高等困難和挑戰(zhàn)。應(yīng)從進(jìn)一步細(xì)化政策機(jī)制建設(shè)、市場(chǎng)化價(jià)格發(fā)現(xiàn)價(jià)值、加大研發(fā)力度等方面拓展儲(chǔ)能應(yīng)用空間。我國(guó)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)不光要搭建涉及儲(chǔ)能狀態(tài)監(jiān)控的AGC控制平臺(tái)，還要升級(jí)現(xiàn)有EMS和輔助服務(wù)系統(tǒng)的計(jì)量核算功能，還原電力的商品屬性。
5 結(jié)語(yǔ)
2017年12月投入南澳大利亞州電網(wǎng)運(yùn)行的100MW/129MWh Tesla鋰電池儲(chǔ)能在隨后的Loy Yang發(fā)電站機(jī)組兩次跳閘事故中快速反應(yīng)、快速出力，不僅參與了電網(wǎng)一次調(diào)頻，也有效縮短了系統(tǒng)頻率跌落后的恢復(fù)時(shí)間。證明了儲(chǔ)能參與電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)效性及其在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)中獲利的商業(yè)模式的可行性，廣泛應(yīng)用后可從物理和經(jīng)濟(jì)兩方面提升電網(wǎng)安全。
儲(chǔ)能能否在我國(guó)電網(wǎng)中應(yīng)用，能否獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào)，除技術(shù)和成本內(nèi)在因素，還與我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行方式、電力市場(chǎng)環(huán)境、政策法規(guī)等外部因素密切相關(guān)。不同于澳大利亞的全電量現(xiàn)貨交易市場(chǎng)，我國(guó)電力系統(tǒng)存在準(zhǔn)入機(jī)制和結(jié)算模式匱乏、補(bǔ)貼金額不明、定價(jià)機(jī)制尚存爭(zhēng)議等諸多問題，一定程度上阻礙了儲(chǔ)能在我國(guó)開展示范應(yīng)用。此外，儲(chǔ)能電池在高寒地區(qū)的可靠性問題、儲(chǔ)能獲利后的資金分配問題、儲(chǔ)能電池梯次利用問題等都是制約儲(chǔ)能在我國(guó)大規(guī)模發(fā)展的因素，是未來(lái)一段時(shí)間急需研究和解決的問題。
