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全球储能典型应用系列-1:运行备用

作者:梁海文 来源:DeepEnergy 发布时间:2021-03-28 浏览:
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2020年3月,IRENA(国际可再生能源署)发布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是报告第III部分全球8种储能应用案例的第1部分:运行备用。

英文原文链接:

https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020

1.挑战:不断上升的运行备用需求和更快的响应要求

为了保持电力供需平衡,发电必须时刻与需求相等。运行备用定义为除了满足实际负荷要求之外的额外备用容量。供电和需求之间的任何不匹配会导致电网频率偏离正常值范围。如果发电超过需求,频率会升高;如果发电小于需求,频率会下降。任何频率的突降一开始会被同步发电机的惯性削弱,然后发电机调速器的下垂控制以一定的容量来调整频率(非同步控制器也能响应。但是,逆变器无固有惯性,只有类似惯性的响应特性,其响应特性还在研究和开发中)。此外,电网运营商会采购进行快速动作响应的运行备用容量,来对供电和需求之间的不平衡进行响应。

运行备用是在所需容量之外,用于跟随实际负荷需求的容量(发电和负荷响应容量),它需要保持在线或备用,在发生负荷上升或发电下降时提供备用(Ela,Milligan and Kirby,2011)。不同的电力系统,有不同的运行备用类型。图1显示了欧洲运行备用的概览。

图1 运行备用概述

当电网中VRE的比重较低时,运营备用需求传统上是按照最大负荷的一定比例或者根据系统最大事故备用确定的,换句话说,也就是此时最大的发电单元。在低VRE比例下,备用分为了FCR(频率抑制备用)或者主备用、FRR(频率恢复备用)或辅备用、RR(替代备用)或第三备用。FCR用于阻止频率偏差,需要在事故第一时间动作。FRR将频率恢复到正常值,需要在30秒内动作。RR用于替代FRR,在15分钟内动作。

在VRE比例低时,系统惯性较高,因此频率变化率(RoCoF)较低,足以提供秒级频率响应。然而,当VRE比例高时,由于风电和光伏发电是非同步的,系统惯性降低,提高了RoCoF(频率变化率)。如果没有提前做好规划,会威胁到系统稳定性。典型案例是2016年南澳洲停电事故(2016年11月26日,龙卷风损坏了三条输电线路引起跳闸。这导致南澳洲电网连续发生6次电压跌落。这些故障激发了风力发电厂的保护措施,减少了该区域456MW发电功率,增加了Heywood通道的潮流并引发跳闸。该损失以及该区域高比例VRE和Murraylink通道的高RoCoF,引起了频率快速下降,超出了系统处理能力,最终引发了停电)(AEMO,2017a)。

此外,高比例的光伏发电和风力发电意味着这些资源带来的波动性和不确定性必须要考虑进来。需要增加系统运行备用需要来补偿VRE预测偏差。如何考虑预测偏差是目前在广泛研究的内容,不在本文研究范围内。

此处的简介主要是对新型运行备用的定义,其中储能是一项适用的技术,这些新的备用产品是如何促进储能在电力系统中更多的应用。

2.提供备用的创新产品

电力储能具有最小闲置成本和在几百毫秒内提供最大出力的特点,是一种提供运行备用的理想资源。电池可以提供比热力发电更快速的响应,意味着特定的产品,比如FFR(或者增强频率响应[EFR])可以设计用来替代传统的主备用产品。但是,储能系统的投资较高,必须与需求响应等其他方式进行竞争,包括VRE弃电、需求响应。因为这个原因,创新产品要能够有助于获取储能所有的系统价值。

基于此,英国国家电网开发了一种增强频率响应(EFR)产品。EFR是一种动态服务,系统频率的变化时,有功功率按照一定比例变化。EFR尤其适用于储能,它要求在频率超出阈值1秒之内进行响应。频率的阈值可能是±0.05Hz(服务1,宽频)或±0.015Hz(服务2,窄频)。图2展示了英国EFR和其他频率响应服务。

图2 英国频率响应服务

除了英国已经实施并在日常运营中使用的EFR产品之外,其他电力系统也有类似的产品,虽然还没有实施,将会鼓励储能参与并提供备用。例如,澳大利亚能源市场运营商(AEMO)开发了一种FFR产品,AEMO将其定位为“通过发电或负荷在2秒内快速增加或减少有功,校正供需不平衡并帮助管理电力系统频率”(AEMO,2017b)。

另一个FFR产品是2019年1月美国田纳西州电力可靠性委员会(ERCOT)批准的产品,将在不迟于2020年1月投用。它是响应备用(与FCR或一次调频类似)(RRS)的子产品,会在59.85Hz(注意:在美国,电网频率是60Hz,不是50Hz)频率时触发,需在0.25s内进行完全响应并持续15分钟(Matevosyan,2019)。最后一项要求对于储能参与备用市场很关键,需要储存足够的能量来保证放电15分钟。

这些产品的引入使得对系统频率偏差的快速响应成为可能。这将最终带来最小在线惯性要求,如ERCOT证明的那样,该产品给电网引入惯性约束来控制RoCoF。ERCOT计算最小(或临界)惯性作为所需在线惯性,以便负荷资源可以在频率下降到59.3Hz之前对最大发电单元跳闸进行响应(注意负荷资源可以在0.5s内响应)(Matevosyan,2019)。ERCOT参考了需求响应,但是储能也能提供快速响应能力。

3.运行备用对储能应用的影响

在一些储能可以获得额外收入的地区,出于快速调频响应、新产品设计的需求,对储能的应用进行了激励。

例如,2016年8月,英国国家电网发布了200MW的EFR招标,收到了64份报价,其中61个是电池储能项目,2个是需求响应,1个是热力发电。其中,国家电网选了8个电池供应商,平均价格为9.44英镑/MWh,保证4年总计201MWh的电厂储能容量(national Grid,2016b)。这次竞拍中的两个具体例子是授予LowCarbon在Glassenbury、Cleator安装40MW、10MW锂电池项目。Glassenbury容量为28MWh,Cleator容量是7MWh。这两个项目目前提供了英国四分之一的EFR容量,帮助电网稳定了频率(Low Carbon,2019)。

图3 Low Carbon的Glassenbury项目

另一个典型案例是特斯拉在南澳洲开发的100MW/29MWh叫做Hornsdale PowerReserve储能项目。它靠近Jamestown的309MW风电场。该项目也是全球最大的储能电站项目。在2016年南澳洲停电事故后,该项目用于提供频率控制和短时电网安全服务。该项目于2017年12月1号起进入运营(Hornsdale Power Reserve,2019)。项目总投资8900万澳元,约合690澳元/kWh。价格看起来很高(特斯拉Powerwall的成本是642澳元/kWh),但是项目必须在100天内完工,只有特斯拉可以满足要求,因此抬高了项目造价(Brakels,2018)。

图4 Hornsdale Power Reserve项目

4.储能提供运行备用

前述章节提到的项目已经投入运行,分别帮助其电力系统稳定了频率。

英国项目案例中,并没有数据表明储能是如何提供EFR的,主要是因为该服务并没有完全对市场参与者开放。但EFR有望在未来的调频市场中占据一席之地。这些服务目前由招标的8个项目根据电网运营商的要求提供。目前仅能从学术研究中获得储能是如何提供此项服务的相关信息(Canevese et al.,2017),这些研究中对英国以及欧洲大陆上电池提供EFR进行了模拟。

南澳洲的项目中,电池的调度信息是可以在HornsdalePower Reserve网站上获得的(Hornsdale Power Reserve,2019)。该电池项目可以从能源套利、频率控制辅助服务(FCAS)中叠加收益,电池的总体价值目前仍不明朗。由于项目已经运行了一年多,一些研究者已经研究了它带来的价值和收入。首先,Neoen作为项目业主每年赚了4百万澳元(约280万美元),并将在未来10年获得这项收入以保证政府就可以使用90MW/10MWh的频率控制辅助服务(FCAS)。这项收入类似于补贴(Brakels,2018)。剩下的30MW/119MWh可以参与其他不同的电力市场,这也是电池获取现金流的大部分。

2018年,除了这4百万澳元外,电池提供FCAS服务和套利的收入是2500万澳元。此外,AEMO声称仅2018年第4季度,电池储能就获得了4百万澳元的FCAS收入(Parkinson,2019)。假设每个季度都能获得这项收入,2500万澳元中,1600万澳元来自FCAS服务,9百万澳元来自能源套利。因此,FCAS是主要的收入来源。除此之外,假设年度收入是2900(2500+400)万澳元,项目将在四年后收回投资。特斯拉声称收到的FCAS服务费不足三分之一,因为响应太快无法计算(Cunsolo,2018)。但是,如前所述,AEMO计划实施FFR服务,这将增加电池项目的现金流。

图5 Hornsdale Power Reserve 2018年收入

对于价值方面,电池已经被证明可以降低南澳洲的FCAS成本,如图34所示。数据显示2016年末和2017年,现役化石燃料发电机的支出非常高,6个星期超过了7百万澳元。Hornsdale项目建成之后,该项服务可以更便宜的方式提供,2018年,FCAS市场的总成本节约估计有4000万澳元(Parkinson,2018)。

图6 南澳洲FCAS服务总支出

除了经济性,电池还能提供快速响应,保持频率在预设区间。2018年8月25日证实了这一点,电池在当时避免了甩负荷。当天,南威尔士州北部的电力线路遭遇雷击,切断了南澳洲与其他州之间的所有连接线路。事故发生时,南澳洲还需要从Victoria调入电力,因电力的不足引起了频率下降。多亏了Hornsdale项目,它在0.1s内响应,电力系统保持了正常运行(Brakels,2018)。

图7进行了示意。当频率突然下降,电池出力提高到了80MW以提供稳定性。由于发电的大幅增加,频率开始反向增长,触及50.4Hz。这时,电池开始以-20MW的功率进行充电以降低频率。此后,电网频率已经稳定到安全范围内了,电池重新进入备用状态。

图7 2018年8月25日Hornsdale在频率跌落事件中的响应

5.结论(案例1:运行备用)

有高比例非同步发电(比如,VRE)的电力系统,会有较低的惯性,需要资源提供更快的频率响应来阻止因电力不平衡引起的频率偏差。这些资源,如储能,是能够对任何电力不平衡进行快速响应的高度适用性技术。但是,需要进行市场产品的开发,使得储能可以提供快速响应,并激励储能应用。

英国已经实施了EFR服务,在其电力系统中应用了201MW的电池储能来提供频率响应。在南澳洲电力系统中,应用了100MW/129MWh的特斯拉电池来提供FCAS和能源套利服务。2018年,项目获得了400万澳元的FCAS服务收益,防止了系统的停电事故发生。

特斯拉声称收到的FCAS费用不超过三分之一,因为电池响应太快难以计算。但是,AEMO正计划引入FFR服务。该服务尤其适用于电池。最后,ERCOT计划2020年实施FFR服务,该服务已在2019年2月获批。

6.扩展阅读

在IRENA《创新图景报告》中,创新的辅助服务是30种创新方案中的一种。参阅下文获得更多信息:

IRENA(2019),“InnovationLandscape Brief: Innovative ancillary services”,International Renewable Energy Agency,AbuDhabi.

原文来源:

IRENA,2020. Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability.

原文链接:

https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020

翻译、校对及美编:

梁海文

关键字:储能

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