本文是根据IRENA2020年《Electricity Storage Valuation Framework》翻译整理而成，如需转载请联系作者。

一、挑战——对可操作性和快捷响应方面的需求增加

为确保安全可靠的电力供应，发出来的电必须始终要保持和需求相等。任何供需不匹配都表现为电网频率偏离额定值。如果发电量超过需求，则频率将增加，而如果发电量低于需求，则频率将降低。任何频率的骤降或骤升首先会被同步发电机的惯性所减缓，又同时在调速器的下垂特性下所停止。因此，系统操作员要通过一些列快速运转的运行备用以弥补供需之间的任何不匹配。

运行备用可以定义为超出满足实际负荷需求所需容量的额外容量（发电量和备用响应性负荷），该容量可以是在用或者备用，以在负荷增加或减少时提供帮助（Ela、Milligan和Kirby，2011）。根据电力系统的不同有不同类型的运行备用的名称。

当可变可再生能源（VRE）在系统中所占比例较低时，对运行备用的需求在传统上可定义为负荷的最大百分比或系统的最大的发电机组。通过较低的VRE渗透率，备用分为FCR（快速频率响应）或一级储量，FRR（频率恢复储备）或二级备用，RR（替代备用）或三级储量。FCR用于停止频率偏差，需要在紧急情况发生后的第一秒内动作，FRR将频率恢复到其额定值并在30秒内动作，此时RR用于代替FRR并在15分钟内动作。

当VRE的低渗透率低时，由于系统惯性大，频率变化率（RoCoF）低，足以使系统在几秒钟内产生频率响应。然而当VRE渗透率很高时，考虑到风能和太阳能光伏发电等技术是不同步的，系统的惯性减小，RoCoF增加，如果不提前规划，系统的可靠性将受到威胁。这方面的一个例子是2016年9月发生的南澳大利亚电力中断事件（AEMO，2017a）。除此之外，太阳能和风能的高渗透意味着必须考虑到引入这些资源后的可变性和不确定性。因此可能需要增加系统备用，以弥补VRE的预测误差。

本文简要介绍了一种新的运行备用的定义，储能技术是其中一种适合的技术，同时也介绍了一些新的储能产品如何在电力系统中发挥更大的作用。

二、运行备用的创新产品

电能储能是一种理想的资源，它的闲置成本最低，能够在数百毫秒内提供全部输出。电池可以提供比其他产品（例如，燃气轮机）更快的响应，因此对产品的要求较少。电池可以提供比热发电机更快的响应。这意味着特定产品，例如FFR（或增强频率响应[EFR]）可以被设计成用单个响应更高的单元替换多个常规主储备产品单元。然而储能的投资成本很高，且必须与其他潜在的储备资源竞争，包括限制VRE和具有相关能力需求的响应。出于这个原因，创新产品可能有助于释放储能系统的全部价值。

在这方面，英联邦的系统运营商国家电网开发了EFR相关产品，也可定义为一种动态服务，这种EFR产品的功率可随着系统频率的变化而成比例地变化。EFR服务是专门为能量存储而创建的，一旦频率超过阈值（可以是“0.05赫兹”（服务1，宽带）或“0.015赫兹”（服务2，窄带），则需要在1秒内作出响应。

除了EFR产品已经在英联邦实施并在日常系统运行中使用外，还有其他类似产品的电力系统的例子，尽管尚未实施，但这些产品将鼓励储能参与储能调峰。例如，澳大利亚能源市场运营商（AEMO）开发了一种FFR产品。AEMO将其称为“在两秒或更短的时间内通过发电或负荷快速增加或减少有功功率，以纠正供需不平衡并协助管理电力系统频率”（AEMO，2017b）。

另一个例子是德州电力可靠性委员会（ERCOT）于2019年2月12日批准的FFR产品，该产品将在2020年1月之前实施。它将是响应备用（RRS）的子产品，触发频率为59.85赫兹，需要在0.25秒内完全响应，持续时间为15分钟（Matevosyan，2019）。后一个要求对于参与储能至关重要，因为必须储存15分钟足够的能量才能释放。

这些产品的引入使系统能够快速响应频率变化。这最终将导致在用所需的最小惯性，正如ERCOT所证明的那样，该方法向系统引入惯性约束以控制RoCoF。这时ERCOT计算最小（或临界）惯性，作为在线所需惯性，以便加载资源能够在频率低于59.3赫兹之前响应最大发电机组的跳闸（加载资源可以在0.5秒内响应）（Matevosyan，2019）。ERCOT引用了需求响应，但考虑到其快速响应能力，储能也可以应用。

三、业务储备对储能应用的影响

在某些储能可以获得额外的收入的地区，由于需要更快的频率响应和新的储能产品的设计，储能的发展得到了追捧。例如，2016年8月，英联邦国家电网发起了一场200兆瓦EFR的拍卖会。该次拍卖共收到64宗竞拍，其中61宗为电池储存项目，2宗为需求响应项目，1宗为热能发电项目。在这些投标中，国家电网选择了8个电池存储项目，平均价格为9.44英镑/兆瓦/小时EFR，以确保4年内总共201兆瓦的电池存储（英联邦国家电网，2016b）。这次拍卖的具体例子是两个项目被授予在Glassenbury（40兆瓦）和Cleator（10兆瓦）安装锂离子（锂离子）电池的低碳项目。Glassenbury目前的年产量为28兆瓦时（MWh），而Cleator的年产量为7兆瓦时。这两个项目目前提供了英联邦EFR总容量的四分之一，并有助于稳定其电网的频率（Low Carbon，2019年）。

另一个提供频率调节的储能发展的案例是特斯拉在南澳大利亚以Hornsdale Power Reserve的名义安装的100兆瓦/129兆瓦电池项目，它靠近詹姆斯敦的309兆瓦Hornsdale风电场。该项目是当时世界上最大的锂离子电池安装项目。2016年南澳大利亚停电后，该公司受委托提供频率控制和短期网络安全服务，自2017年12月1日起项目就投入了运营（Hornsdale Power Reserve，2019年）。电池总成本为8900万澳元，每千瓦时690澳元。考虑到当时特斯拉电动墙的成本是642澳元/千瓦时，这个价格似乎很高。但当时受限于电池必须在100天内建成的条件，且只有特斯拉能够满足招标的要求，因此增加了价格（Brakels，2018）。

四、储能提供运行备用

就英联邦而言，没有关于储能项目如何提供EFR的数据，因为这项服务仍然没有向每个市场参与者开放；但是，预计EFR将在未来将进入频率响应市场。这项服务目前由系统运营商要求的招标的8个项目提供。

在南澳大利亚的案例中，电池调度信息可在Hornsdale Power Reserve网站（Hornsdale Power Reserve，2019年）上获得；但是，电池在叠加能量套利和调频控制辅助服务（FCAS）的提供上，其价值还不完全清楚。然而，考虑到该电池已经运行了一年多，一些学者分析它提供了价值并带来了收入。首先，拥有该项目的Neoen公司每年收入400万澳元（约合280万美元），并将持续10年，这样政府就可以使用90兆瓦和10兆瓦时的电池来提供FCAS。因此，这一收入类似于补贴（Brakels，2018）。其余的容量（30兆瓦/119兆瓦时）可用于参与不同的市场，而这正是电池赚取大额利润的地方。

除了每年400万澳元（280万美元），电池在2018年提供FCA和套利的总收入为2500万澳元（约1750万美元）。此外，AEMO表示，在2018年第四季度，电池仅从FCAS市场就获得了400万澳元（Parkinson，2019年）。假设每个季度都会出现这种情况，在2500万澳元中，1600万澳元来自FCAS拨备，900万澳元来自能源套利。

因此，提供FCAS是其主要收入来源。此外，假设每年获得2900万澳元（25+4）的收入，该项目将在大约四年内收回其投资成本（8900万澳元；超过6000万美元）。尽管如此，特斯拉声称超过三分之一的电池费用在南澳没有被正确支付，因为其速度太快无法计量（Cunsola，2018），但澳大利亚能源市场运营商计划实施一项快速飞行报告服务，电池将能够增加其收入。

至于价值，电池被证明降低了南澳大利亚的FCAS成本。数据显示，在2016年底和2017年，对现有化石燃料发电机的付款非常高，约六周内超过700万澳元。安装时在霍恩斯代尔项目中，这项服务可以以更便宜的方式提供。2018年，FCAS市场的总储蓄估计为4000万澳元（Parkinson，2018年）。

除了经济性，电池还提供快速响应，将频率保持在预定范围内。这一点在2018年8月25日得到证实，当时电池阻止了甩负荷。在当日，闪电击中了新南威尔士州北部的电线，切断了南澳大利亚州和其他州之间的所有连接线路。目前，南澳大利亚正从维多利亚州进口能源，因此造成能源短缺，导致频率下降。然而，由于Hornsdale在0.1秒内做出了响应，电力系统保持正常运行（Brakels，2018）。

当频率突然下降时，电池的输出功率上升到80mw以提供稳定性。考虑到发电量的大幅增加，频率向相反方向移动，达到50.4Hz以上，此时电池开始以-20mW的频率充电，以降低频率。之后，频率已经稳定（在安全限制范围内），电池恢复待机状态。

五、结论

具有高比例非同步发电（例如VRE）和低惯性的电力系统，需要更快的资源响应，以阻止功率不平衡产生的频率变化。在这种情况下，储能系统等是非常合适的技术，可以对任何功率不平衡提供快速响应。然而，可以提供这种快速响应服务的产品，在市场开发当中应该得到更多支持。

英联邦已经实施了EFR服务，在其系统中应用了201兆瓦的储能，以提供频率响应。在南澳大利亚系统中，已经部署了一个100兆瓦、129兆瓦时的特斯拉电池，以提供FCAS和能源套利服务。2018年，该系统在FCAS市场中节省了约4000万澳元，并防止了系统潜在的断电。

特斯拉声称，它的电池在南澳大利亚提供的FCA超过三分之一的费用还没有支付，因为它的速度太快，无法计算；然而，AEMO计划很快推出一项FFR服务，其中该电池可能特别适合参与。最后，ERCOT将在2019年2月批准后，于2020年前实施FFR服务。