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全球储能典型应用系列-2:负荷调节

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2部分:负荷调节。

英文原文链接:

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

1. 挑战:鸭形曲线

电力负荷曲线实施电力系统分析中的典型曲线,代表消费者的用电需求。电网中VRE比例低时,该曲线有两个尖峰,第一个出现在早上人们起床准备去工作的时间段,第二个出现在完善人们回到家中并使用电器设施(比如,做饭、看电视)的时间段。这种曲线有点像骆驼的驼峰,因此也被叫做“驼峰曲线”(图1)。“驼峰曲线”的负荷是可以预测的,调节需求并不陡峭。

来源:Red Electrica de Espana(REE)。

图1 2019年1月31日西班牙的电力需求曲线

当VRE比例提高,尤其是光伏发电增加,净负荷曲线会发生显著变化(净负荷曲线等于系统需求减去VRE发电)。光伏一般在中午达到高峰,入夜则快速消失。高比例的光伏发电将提高早上降坡调节需求和晚上的爬坡调节需求。光伏也会带来中午的电力超发,这会将“驼峰曲线”改变成“鸭形曲线”,见图2(GSES,2015)。

注:本案例中,“鸭形曲线”是净负荷曲线(红色断点线),“驼峰曲线”是负荷曲线(黑线)。

数据来源:CAISO(2019)。

图片来源:Mashal和Sloane(2018)。

图2 2018年5月15日的加利福尼亚电力系统净负荷曲线

“鸭形曲线”已经是加利福尼亚的主要负载特征曲线,加利福尼亚也是最早发生“鸭形曲线”的地方。但在美国其他地方,如新英格兰州(Roselund,2018),也发现了类似曲线。为了治理净负荷曲线,电网运营商需要一种资源来快速动作,来调节电力生产并满足陡峭的变化需求。在加利福尼亚,第一次爬坡调节发生在早上,从早上4点左右开始。

降坡调节发生在日出后早7点左右,此时太阳能发电开始替代传统发电。在下午5点左右太阳下山时,太阳能发电停止,电网运营商必须调度资源来满足第三次也是最陡峭的日常调节,大约需要在3小时内调度1100MW的发电能力来满足需求。这需要系统有50MW/分钟的爬坡能力和非常灵活的电力系统。

2. 灵活调节方案

很明显,“鸭形曲线”是一个可靠性影响因素,系统运营商需要找到一个解决方案来平滑该曲线。这些方案,比如电加热控制、需求响应或储能系统,已经在文献“teach the duck to fly”(Lazar,2016)(在该文献中,作者采用了隐喻来表达“鸭形线”平滑)中提出来了。这些方案在技术上是可行的,可以帮助电网实现对“鸭形曲线”的有效调节。由于具备快速充放电的能力,储能可能是平滑“鸭形曲线”的最好方案。

然而,为了激励储能的应用,这些技术必须有足够的灵活性来参与电力市场。基于这一点,美国的一些独立系统运营商(ISOs)已经实施了灵活调节产品(FRP)。FRP可以为运营商提供足够的调节能力来避免VRE(主要是光伏)带来的任何电力不平衡。

FRP是一种辅助服务并且常有两个独立的产品,一个是爬坡调节,叫做灵活爬坡(FRU),另一种是降坡调节,叫做灵活降坡(FRD)。这种产品可以综合需求和VRE的调节要求,将净负荷偏差考虑进来,然后反映出调节预测的不确定性。在预测上,像电网系统其他备用要求一样,FRP试图将需求和VRE的预测偏差考虑进来。图3给出了一个示例,在给定净负荷曲线和预测不确定度时,FRP的调节要求是怎样的。

图3 FRP调节要求的计算

图3中,为了计算第一阶段的调节要求,运营商先确定第二阶段的三个点,分别对应下一阶段的预测净负荷、这一阶段的净负荷不确定度上限、这一阶段的净负荷不确定度下限。在上图示例中,FRP只需要进行爬坡调节。然而,如果降坡的不确定度低于第一阶段的净负荷(如,500MW),这时也会产生降坡灵活性调节要求。至于该辅助服务的价格方面,这通常是调节需求限制的边际价格,意味着独立系统运营商(ISO)需要为额外的MW/min调节能力支付一笔钱,以保证在下一个调度时段满足调节要求(Wang and Hodge,2017)。

已知的最好的独立系统运营商(ISO)FRP来自于加利福尼亚独立系统运营商(CAISO)。该产品在2016年11月实施完成,主要对15分钟、5分钟市场提供服务(CAISO,2015)。除了CAISO,中美独立系统运营商(MISO)也实施了FRP,不过采用的名称是调节能力产品(MISO,2016)。

3. 储能用于灵活调节的影响

前述章节中提到的一些电网运营商已经应用的创新产品,能够激励诸如储能系统等灵活性资源的应用。这可能带来额外的收入,使得这些项目在经济上具备可行性。换句话说,FRP为储能系统的快速调节能力带来了现金流,可以让这些资源从中赚钱。一些电力市场通过引入这项辅助服务,可能带来储能技术的推广。

比如,加利福尼亚正在鼓励储能系统的推广,根据加利福尼亚公共事业委员会的要求(California Energy Commission,2018),计划在2020年新建1.3GW储能。自2016年以来,CAISO已经建设了总计80MW/150MWh的电池储能系统,包括圣地亚哥天然气和电力公司建设位于EI Escondido的北美最大锂电池设施(30MW/120MWh)(Davis,2018)。

从长远看,AES公司正计划在AES Alamitos能源中心建造世上最大的电池储能系统。该项目容量为300MW/1200MWh,其中一期100MW计划在2020年上线(AES,2018)。这些产品的应用可以为电力市场灵活性赋能,从而激励投资者去推广这些技术。

在允许浅充电的情况下,电动汽车(EVs)也是一种能够提供为电网灵活调节能力的资源。然而,如果电动汽车不能浅充电(通常指不受控制的充电),它们可能对电网的可靠性形成威胁,因为它们会加剧晚高峰,从而让“鸭形曲线”更陡峭。因此,发展智能充放电技术是释放电动汽车灵活性调节能力最重要的部分。

4. 储能提供灵活调节

电池储能系统已经为加利福尼亚带了了灵活调节能力。CAISO的网站上显示了一些电池储能系统的实时调度数据。但是这些图片没有很清晰地表明这些电池实际上在提供哪些服务,只能看到电池是如何对市场信息进行响应以及电池如何与高比例光伏发电进行互动的。图4显示了CAISO电网在2018年12月20日光伏发电和电池调度情况(CAISO,2019)。

图4 CAISO电网在2018年12月20日光伏发电和电池调度情况

只根据CAISO的数据来分析光伏发电和电池之间的关系并不容易。看起来,电池同时提供了灵活性调节、能源套利、运行备用以及其他可能的服务。一旦应用,储能可通过同时提供多种服务来使得收益最大化。此外,相对于负荷尖峰,目前安装的电池容量仍然太少,但它们对电网调度的影响是显著的。一旦所有计划的储能项目得以实施(2020年建设1.3GW),灵活调节产品的供应将会有更多详实的信息来进行分析。图5显示了储能参与灵活调节产品对“鸭形曲线”的影响。

注:图中显示的是对一条馈线的影响,不是整个CAISO系统。

来源:Sunverge(2019)。

图5 储能对“鸭形曲线”的影响

除此之外,一些文献研究了电池提供灵活调节产品相关服务的最佳策略。Hu等(2018)学者研究了电池聚合商如何更好提供差异化的服务,包括FRP,来实现收益最大化。进一步,Kim等(2017)研究了电动汽车提供FRP的能力,发现电动汽车可以降低运行电网成本,尤其是在VRE资源非常多样化的地区。

5. 结论(案例2:灵活调节)

高比例VRE的多样性和不确定性重塑了电网负荷曲线。当仅仅是光伏发电的比例很高时,负荷曲线变成了“鸭形曲线”,“鸭形曲线”是加利福尼亚电网的最显著特征。该曲线的典型特征是需要电网中的其他资源来提供很高的调节能力。储能等灵活性技术可以满足这些要求并平滑“鸭形曲线”。能够激励储能推广和应用的产品可有助于平滑“鸭形曲线”。

CAISO已经开发了一种产品来购买必须的灵活调节服务,以满足在所有时间段的负荷调节要求。CAISO的储能应用仍然在增长,到2020年仍需新建1.3GW储能。储能是否在提供灵活调节难以评估,但是,一旦储能得以推广到一个较高的水平,图5中的效果是可以预见的。

6. 扩展阅读

参见Innovation LandscapeBrief(2019),“Innovative ancillary services”,获得更多关于辅助服务的信息。

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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