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被同步發(fā)電機的慣性所減緩，又同時在調(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轉(zhuǎn)的運行備用以彌補供需之間的任何不匹配。
運行備用可以定義為超出滿足實際負荷需求所需容量的額外容量（發(fā)電量和備用響應(yīng)性負荷），該容量可以是在用或者備用，以在負荷增加或減少時提供幫助（Ela、Milligan和Kirby，2011）。根據(jù)電力系統(tǒng)的不同有不同類型的運行備用的名稱。
當可變可再生能源（VRE）在系統(tǒng)中所占比例較低時，對運行備用的需求在傳統(tǒng)上可定義為負荷的最大百分比或系統(tǒng)的最大的發(fā)電機組。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)動作，F(xiàn)RR將頻率恢復到其額定值并在30秒內(nèi)動作，此時RR用于代替FRR并在15分鐘內(nèi)動作。
當VRE的低滲透率低時，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VRE滲透率很高時，考慮到風能和太陽能光伏發(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VRE的預測誤差。
本文簡要介紹了一種新的運行備用的定義，儲能技術(shù)是其中一種適合的技術(shù)，同時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，燃氣輪機）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)電機更快的響應(yīng)。這意味著特定產(chǎn)品，例如FFR（或增強頻率響應(yīng)[EFR]）可以被設(shè)計成用單個響應(yīng)更高的單元替換多個常規(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)。出于這個原因，創(chuàng)新產(chǎn)品可能有助于釋放儲能系統(tǒng)的全部價值。
在這方面，英聯(lián)邦的系統(tǒng)運營商國家電網(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)邦實施并在日常系統(tǒng)運行中使用外，還有其他類似產(chǎn)品的電力系統(tǒng)的例子，盡管尚未實施，但這些產(chǎn)品將鼓勵儲能參與儲能調(diào)峰。例如，澳大利亞能源市場運營商（AEMO）開發(fā)了一種FFR產(chǎn)品。AEMO將其稱為“在兩秒或更短的時間內(nèi)通過發(fā)電或負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）。
另一個例子是德州電力可靠性委員會（ERCOT）于2019年2月12日批準的FFR產(chǎn)品，該產(chǎn)品將在2020年1月之前實施。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)時間為15分鐘（Matevosyan，2019）。后一個要求對于參與儲能至關(guān)重要，因為必須儲存15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ERCOT計算最小（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，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。該次拍賣共收到64宗競拍，其中61宗為電池儲存項目，2宗為需求響應(yīng)項目，1宗為熱能發(fā)電項目。在這些投標中，國家電網(wǎng)選擇了8個電池存儲項目，平均價格為9.44英鎊/兆瓦/小時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項目被授予在Glassenbury（40兆瓦）和Cleator（10兆瓦）安裝鋰離子（鋰離子）電池的低碳項目。Glassenbury目前的年產(chǎn)量為28兆瓦時（MWh），而Cleator的年產(chǎn)量為7兆瓦時。這兩個項目目前提供了英聯(lián)邦EFR總?cè)萘康乃姆种唬⒂兄诜€(wěn)定其電網(wǎng)的頻率（Low Carbon，2019年）。
另一個提供頻率調(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/129兆瓦電池項目，它靠近詹姆斯敦的309兆瓦Hornsdale風電場。該項目是當時世界上最大的鋰離子電池安裝項目。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日起項目就投入了運營（Hornsdale Power Reserve，2019年）。電池總成本為8900萬澳元，每千瓦時690澳元?？紤]到當時特斯拉電動墻的成本是642澳元/千瓦時，這個價格似乎很高。但當時受限于電池必須在100天內(nèi)建成的條件，且只有特斯拉能夠滿足招標的要求，因此增加了價格（Brakels，2018）。
四、儲能提供運行備用
就英聯(lián)邦而言，沒有關(guān)于儲能項目如何提供EFR的數(shù)據(jù)，因為這項服務(wù)仍然沒有向每個市場參與者開放；但是，預計EFR將在未來將進入頻率響應(yīng)市場。這項服務(wù)目前由系統(tǒng)運營商要求的招標的8個項目提供。
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，其價值還不完全清楚。然而，考慮到該電池已經(jīng)運行了一年多，一些學者分析它提供了價值并帶來了收入。首先，擁有該項目的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10兆瓦時的電池來提供FCAS。因此，這一收入類似于補貼（Brakels，2018）。其余的容量（30兆瓦/119兆瓦時）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)每個季度都會出現(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用在南澳沒有被正確支付，因為其速度太快無法計量（Cunsola，2018），但澳大利亞能源市場運營商計劃實施一項快速飛行報告服務(wù)，電池將能夠增加其收入。
至于價值，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)電機的付款非常高，約六周內(nèi)超過700萬澳元。安裝時在霍恩斯代爾項目中，這項服務(wù)可以以更便宜的方式提供。2018年，F(xiàn)CAS市場的總儲蓄估計為4000萬澳元（Parkinson，2018年）。
除了經(jīng)濟性，電池還提供快速響應(yīng)，將頻率保持在預定范圍內(nèi)。這一點在2018年8月25日得到證實，當時電池阻止了甩負荷。在當日，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口能源，因此造成能源短缺，導致頻率下降。然而，由于Hornsdale在0.1秒內(nèi)做出了響應(yīng)，電力系統(tǒng)保持正常運行（Brakels，2018）。
當頻率突然下降時，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，達到50.4Hz以上，此時電池開始以-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)），電池恢復待機狀態(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)當中應(yīng)該得到更多支持。
英聯(lián)邦已經(jīng)實施了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100兆瓦、129兆瓦時的特斯拉電池，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超過三分之一的費用還沒有支付，因為它的速度太快，無法計算；然而，AEMO計劃很快推出一項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月批準后，于2020年前實施FFR服務(wù)。
