本文是根據(jù)IRENA2020年《Electricity Storage Valuation Framework》翻譯整理而成，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。
一、挑戰(zhàn)——對可操作性和快捷響應(yīng)方面的需求增加
為確保安全可靠的電力供應(yīng)，發(fā)出來的電必須始終要保持和需求相等。任何供需不匹配都表現(xiàn)為電網(wǎng)頻率偏離額定值。如果發(fā)電量超過需求，則頻率將增加，而如果發(fā)電量低于需求，則頻率將降低。任何頻率的驟降或驟升首先會(huì)被同步發(fā)電機(jī)的慣性所減緩，又同時(shí)在調(diào)速器的下垂特性下所停止。因此，系統(tǒng)操作員要通過一些列快速運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行備用以彌補(bǔ)供需之間的任何不匹配。
運(yùn)行備用可以定義為超出滿足實(shí)際負(fù)荷需求所需容量的額外容量（發(fā)電量和備用響應(yīng)性負(fù)荷），該容量可以是在用或者備用，以在負(fù)荷增加或減少時(shí)提供幫助（Ela、Milligan和Kirby，2011）。根據(jù)電力系統(tǒng)的不同有不同類型的運(yùn)行備用的名稱。
當(dāng)可變可再生能源（VRE）在系統(tǒng)中所占比例較低時(shí)，對運(yùn)行備用的需求在傳統(tǒng)上可定義為負(fù)荷的最大百分比或系統(tǒng)的最大的發(fā)電機(jī)組。通過較低的VRE滲透率，備用分為FCR（快速頻率響應(yīng)）或一級儲量，F(xiàn)RR（頻率恢復(fù)儲備）或二級備用，RR（替代備用）或三級儲量。FCR用于停止頻率偏差，需要在緊急情況發(fā)生后的第一秒內(nèi)動(dòng)作，F(xiàn)RR將頻率恢復(fù)到其額定值并在30秒內(nèi)動(dòng)作，此時(shí)RR用于代替FRR并在15分鐘內(nèi)動(dòng)作。
當(dāng)VRE的低滲透率低時(shí)，由于系統(tǒng)慣性大，頻率變化率（RoCoF）低，足以使系統(tǒng)在幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生頻率響應(yīng)。然而當(dāng)VRE滲透率很高時(shí)，考慮到風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電等技術(shù)是不同步的，系統(tǒng)的慣性減小，RoCoF增加，如果不提前規(guī)劃，系統(tǒng)的可靠性將受到威脅。這方面的一個(gè)例子是2016年9月發(fā)生的南澳大利亞電力中斷事件（AEMO，2017a）。除此之外，太陽能和風(fēng)能的高滲透意味著必須考慮到引入這些資源后的可變性和不確定性。因此可能需要增加系統(tǒng)備用，以彌補(bǔ)VRE的預(yù)測誤差。
本文簡要介紹了一種新的運(yùn)行備用的定義，儲能技術(shù)是其中一種適合的技術(shù)，同時(shí)也介紹了一些新的儲能產(chǎn)品如何在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。
二、運(yùn)行備用的創(chuàng)新產(chǎn)品
電能儲能是一種理想的資源，它的閑置成本最低，能夠在數(shù)百毫秒內(nèi)提供全部輸出。電池可以提供比其他產(chǎn)品（例如，燃?xì)廨啓C(jī)）更快的響應(yīng)，因此對產(chǎn)品的要求較少。電池可以提供比熱發(fā)電機(jī)更快的響應(yīng)。這意味著特定產(chǎn)品，例如FFR（或增強(qiáng)頻率響應(yīng)[EFR]）可以被設(shè)計(jì)成用單個(gè)響應(yīng)更高的單元替換多個(gè)常規(guī)主儲備產(chǎn)品單元。然而儲能的投資成本很高，且必須與其他潛在的儲備資源競爭，包括限制VRE和具有相關(guān)能力需求的響應(yīng)。出于這個(gè)原因，創(chuàng)新產(chǎn)品可能有助于釋放儲能系統(tǒng)的全部價(jià)值。
在這方面，英聯(lián)邦的系統(tǒng)運(yùn)營商國家電網(wǎng)開發(fā)了EFR相關(guān)產(chǎn)品，也可定義為一種動(dòng)態(tài)服務(wù)，這種EFR產(chǎn)品的功率可隨著系統(tǒng)頻率的變化而成比例地變化。EFR服務(wù)是專門為能量存儲而創(chuàng)建的，一旦頻率超過閾值（可以是“0.05赫茲”（服務(wù)1，寬帶）或“0.015赫茲”（服務(wù)2，窄帶），則需要在1秒內(nèi)作出響應(yīng)。
除了EFR產(chǎn)品已經(jīng)在英聯(lián)邦實(shí)施并在日常系統(tǒng)運(yùn)行中使用外，還有其他類似產(chǎn)品的電力系統(tǒng)的例子，盡管尚未實(shí)施，但這些產(chǎn)品將鼓勵(lì)儲能參與儲能調(diào)峰。例如，澳大利亞能源市場運(yùn)營商（AEMO）開發(fā)了一種FFR產(chǎn)品。AEMO將其稱為“在兩秒或更短的時(shí)間內(nèi)通過發(fā)電或負(fù)荷快速增加或減少有功功率，以糾正供需不平衡并協(xié)助管理電力系統(tǒng)頻率”（AEMO，2017b）。
另一個(gè)例子是德州電力可靠性委員會(huì)（ERCOT）于2019年2月12日批準(zhǔn)的FFR產(chǎn)品，該產(chǎn)品將在2020年1月之前實(shí)施。它將是響應(yīng)備用（RRS）的子產(chǎn)品，觸發(fā)頻率為59.85赫茲，需要在0.25秒內(nèi)完全響應(yīng)，持續(xù)時(shí)間為15分鐘（Matevosyan，2019）。后一個(gè)要求對于參與儲能至關(guān)重要，因?yàn)楸仨殐Υ?5分鐘足夠的能量才能釋放。
這些產(chǎn)品的引入使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)頻率變化。這最終將導(dǎo)致在用所需的最小慣性，正如ERCOT所證明的那樣，該方法向系統(tǒng)引入慣性約束以控制RoCoF。這時(shí)ERCOT計(jì)算最小（或臨界）慣性，作為在線所需慣性，以便加載資源能夠在頻率低于59.3赫茲之前響應(yīng)最大發(fā)電機(jī)組的跳閘（加載資源可以在0.5秒內(nèi)響應(yīng)）（Matevosyan，2019）。ERCOT引用了需求響應(yīng)，但考慮到其快速響應(yīng)能力，儲能也可以應(yīng)用。
三、業(yè)務(wù)儲備對儲能應(yīng)用的影響
在某些儲能可以獲得額外的收入的地區(qū)，由于需要更快的頻率響應(yīng)和新的儲能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，儲能的發(fā)展得到了追捧。例如，2016年8月，英聯(lián)邦國家電網(wǎng)發(fā)起了一場200兆瓦EFR的拍賣會(huì)。該次拍賣共收到64宗競拍，其中61宗為電池儲存項(xiàng)目，2宗為需求響應(yīng)項(xiàng)目，1宗為熱能發(fā)電項(xiàng)目。在這些投標(biāo)中，國家電網(wǎng)選擇了8個(gè)電池存儲項(xiàng)目，平均價(jià)格為9.44英鎊/兆瓦/小時(shí)EFR，以確保4年內(nèi)總共201兆瓦的電池存儲（英聯(lián)邦國家電網(wǎng)，2016b）。這次拍賣的具體例子是兩個(gè)項(xiàng)目被授予在Glassenbury（40兆瓦）和Cleator（10兆瓦）安裝鋰離子（鋰離子）電池的低碳項(xiàng)目。Glassenbury目前的年產(chǎn)量為28兆瓦時(shí)（MWh），而Cleator的年產(chǎn)量為7兆瓦時(shí)。這兩個(gè)項(xiàng)目目前提供了英聯(lián)邦EFR總?cè)萘康乃姆种?，并有助于穩(wěn)定其電網(wǎng)的頻率（Low Carbon，2019年）。
另一個(gè)提供頻率調(diào)節(jié)的儲能發(fā)展的案例是特斯拉在南澳大利亞以Hornsdale Power Reserve的名義安裝的100兆瓦/129兆瓦電池項(xiàng)目，它靠近詹姆斯敦的309兆瓦Hornsdale風(fēng)電場。該項(xiàng)目是當(dāng)時(shí)世界上最大的鋰離子電池安裝項(xiàng)目。2016年南澳大利亞停電后，該公司受委托提供頻率控制和短期網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)，自2017年12月1日起項(xiàng)目就投入了運(yùn)營（Hornsdale Power Reserve，2019年）。電池總成本為8900萬澳元，每千瓦時(shí)690澳元?？紤]到當(dāng)時(shí)特斯拉電動(dòng)墻的成本是642澳元/千瓦時(shí)，這個(gè)價(jià)格似乎很高。但當(dāng)時(shí)受限于電池必須在100天內(nèi)建成的條件，且只有特斯拉能夠滿足招標(biāo)的要求，因此增加了價(jià)格（Brakels，2018）。
四、儲能提供運(yùn)行備用
就英聯(lián)邦而言，沒有關(guān)于儲能項(xiàng)目如何提供EFR的數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@項(xiàng)服務(wù)仍然沒有向每個(gè)市場參與者開放；但是，預(yù)計(jì)EFR將在未來將進(jìn)入頻率響應(yīng)市場。這項(xiàng)服務(wù)目前由系統(tǒng)運(yùn)營商要求的招標(biāo)的8個(gè)項(xiàng)目提供。
在南澳大利亞的案例中，電池調(diào)度信息可在Hornsdale Power Reserve網(wǎng)站（Hornsdale Power Reserve，2019年）上獲得；但是，電池在疊加能量套利和調(diào)頻控制輔助服務(wù)（FCAS）的提供上，其價(jià)值還不完全清楚。然而，考慮到該電池已經(jīng)運(yùn)行了一年多，一些學(xué)者分析它提供了價(jià)值并帶來了收入。首先，擁有該項(xiàng)目的Neoen公司每年收入400萬澳元（約合280萬美元），并將持續(xù)10年，這樣政府就可以使用90兆瓦和10兆瓦時(shí)的電池來提供FCAS。因此，這一收入類似于補(bǔ)貼（Brakels，2018）。其余的容量（30兆瓦/119兆瓦時(shí)）可用于參與不同的市場，而這正是電池賺取大額利潤的地方。
除了每年400萬澳元（280萬美元），電池在2018年提供FCA和套利的總收入為2500萬澳元（約1750萬美元）。此外，AEMO表示，在2018年第四季度，電池僅從FCAS市場就獲得了400萬澳元（Parkinson，2019年）。假設(shè)每個(gè)季度都會(huì)出現(xiàn)這種情況，在2500萬澳元中，1600萬澳元來自FCAS撥備，900萬澳元來自能源套利。
因此，提供FCAS是其主要收入來源。此外，假設(shè)每年獲得2900萬澳元（25+4）的收入，該項(xiàng)目將在大約四年內(nèi)收回其投資成本（8900萬澳元；超過6000萬美元）。盡管如此，特斯拉聲稱超過三分之一的電池費(fèi)用在南澳沒有被正確支付，因?yàn)槠渌俣忍鞜o法計(jì)量（Cunsola，2018），但澳大利亞能源市場運(yùn)營商計(jì)劃實(shí)施一項(xiàng)快速飛行報(bào)告服務(wù)，電池將能夠增加其收入。
至于價(jià)值，電池被證明降低了南澳大利亞的FCAS成本。數(shù)據(jù)顯示，在2016年底和2017年，對現(xiàn)有化石燃料發(fā)電機(jī)的付款非常高，約六周內(nèi)超過700萬澳元。安裝時(shí)在霍恩斯代爾項(xiàng)目中，這項(xiàng)服務(wù)可以以更便宜的方式提供。2018年，F(xiàn)CAS市場的總儲蓄估計(jì)為4000萬澳元（Parkinson，2018年）。
除了經(jīng)濟(jì)性，電池還提供快速響應(yīng)，將頻率保持在預(yù)定范圍內(nèi)。這一點(diǎn)在2018年8月25日得到證實(shí)，當(dāng)時(shí)電池阻止了甩負(fù)荷。在當(dāng)日，閃電擊中了新南威爾士州北部的電線，切斷了南澳大利亞州和其他州之間的所有連接線路。目前，南澳大利亞正從維多利亞州進(jìn)口能源，因此造成能源短缺，導(dǎo)致頻率下降。然而，由于Hornsdale在0.1秒內(nèi)做出了響應(yīng)，電力系統(tǒng)保持正常運(yùn)行（Brakels，2018）。
當(dāng)頻率突然下降時(shí)，電池的輸出功率上升到80mw以提供穩(wěn)定性。考慮到發(fā)電量的大幅增加，頻率向相反方向移動(dòng)，達(dá)到50.4Hz以上，此時(shí)電池開始以-20mW的頻率充電，以降低頻率。之后，頻率已經(jīng)穩(wěn)定（在安全限制范圍內(nèi)），電池恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)。
五、結(jié)論
具有高比例非同步發(fā)電（例如VRE）和低慣性的電力系統(tǒng)，需要更快的資源響應(yīng)，以阻止功率不平衡產(chǎn)生的頻率變化。在這種情況下，儲能系統(tǒng)等是非常合適的技術(shù)，可以對任何功率不平衡提供快速響應(yīng)。然而，可以提供這種快速響應(yīng)服務(wù)的產(chǎn)品，在市場開發(fā)當(dāng)中應(yīng)該得到更多支持。
英聯(lián)邦已經(jīng)實(shí)施了EFR服務(wù)，在其系統(tǒng)中應(yīng)用了201兆瓦的儲能，以提供頻率響應(yīng)。在南澳大利亞系統(tǒng)中，已經(jīng)部署了一個(gè)100兆瓦、129兆瓦時(shí)的特斯拉電池，以提供FCAS和能源套利服務(wù)。2018年，該系統(tǒng)在FCAS市場中節(jié)省了約4000萬澳元，并防止了系統(tǒng)潛在的斷電。
特斯拉聲稱，它的電池在南澳大利亞提供的FCA超過三分之一的費(fèi)用還沒有支付，因?yàn)樗乃俣忍?，無法計(jì)算；然而，AEMO計(jì)劃很快推出一項(xiàng)FFR服務(wù)，其中該電池可能特別適合參與。最后，ERCOT將在2019年2月批準(zhǔn)后，于2020年前實(shí)施FFR服務(wù)。
