【環球瞭望】華北電力大學 孫冰瑩等:國內外兆瓦級儲能調頻示範應用現狀分析與啟示

電力系統自動化編輯部2017-07-17 20:33:23

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原文發表在《電力系統自動化》2017年第41卷第11期,歡迎品讀。

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本文引文信息:

孫冰瑩, 楊水麗, 劉宗歧, 等. 國內外兆瓦級儲能調頻示範應用現狀分析與啟示 [J]. 電力系統自動化, 2017, 41(11): 8-16. DOI: 10.7500/ AEPS20161225003.

SUN Bingying, YANG Shuili, LIU Zongqi, et al. Analysis on Present Application of Megawatt-scale Energy Storage in Frequency Regulation and Its Enlightenment [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(11): 8-16. DOI: 10.7500/ AEPS20161225003.


國內外兆瓦級儲能調頻示範應用現狀分析與啟示

DOI: 10.7500/AEPS20161225003

孫冰瑩,楊水麗,劉宗歧,李婷婷



一、研究背景


為減少碳足跡和保障能源安全,世界各國著手製定後化石能源時代能源結構轉型戰略,快速發展的電力系統中可再生能源比例逐步提高,電網調頻資源相對減少。尋求新型調頻手段輔佐傳統機組提升電網整體調頻能力成為研究熱點,儲能系統具有快速響應、精確跟蹤與優異功率-頻率特性,備受業界關注。調頻輔助服務是規模化儲能示範項目開展最多的應用領域之一,全球有近20個國家在建或投運了共164項MW級儲能調頻應用項目,涉及發電端、輸配環節和需求側。隨著規模化儲能調頻示範工程廣泛開展,各國調頻市場需求特點、儲能選型、儲能調頻的市場介入形式等,成為各界關注的焦點。



二、國內外兆瓦級儲能調頻應用



2.1、國內外兆瓦級儲能調頻工程基本概況


(a)MW級調頻用儲能項目數區域分佈


(b)MW級調頻用儲能累計裝機容量區域分佈


圖1  MW級儲能調頻項目數及容量在各地區分佈情況



美國MW級儲能調頻項目數和裝機容量均以顯著優勢領跑,意大利、德國、英國近幾年有較快發展趨勢,韓國和日本相關項目於2015~2016年受到重視,中國則每年以平穩速度推進示範應用。

圖2  MW級儲能調頻工程具體類型結構圖



鋰系電池為MW級儲能調頻應用主流類型,其中鈦酸鋰電池高倍率特性和較好的循環壽命,應用前景廣闊。鈉硫、鉛酸電池在2014年之前具有前期優勢,之後鉛炭電池涉入。儲能技術類型呈多元趨勢,未來重力儲能、氫儲能等將應用於調頻領域。


2.2、儲能調頻選型因素


儲能系統提供頻率調節服務時,例如AGC調頻,充放頻繁且幅值大,屬於功率型應用,對充放電倍率性能及短時功率吞吐能力要求較高,因此電池類儲能需具備高倍率特性和較好的循環壽命。此外,還需考慮儲能安全性、功率密度、成本、轉換效率等特點。



三、國內外兆瓦級儲能調頻運行模式



3.1、運行模式分類


儲能調頻滲入發電端、輸配環節、需求側,根據運營商需求協同配套電源或獨立併網提供調頻輔助服務,按運行模式分為:


1)輔助傳統電源調頻。儲能系統裝設在發電廠以輔助單臺或多臺火電機組參與AGC調頻,在調節延時、超調、反調等情況下執行不同充放策略改善目標機組AGC性能。


2)依託大規模新能源參與調頻。大規模風光併網輔設儲能進行波動平抑實現高比例消納,儲能系統通常可多功能切換,包括響應調度指令跟蹤參與調頻。


3)輸配環節獨立併網調頻。儲能作為獨立主體不依託於其他能源,從輸配環節特別是配電網絡獨立併網調頻,在調節區域控制偏差時減少供受區域間聯絡線損耗並緩解擁塞。


4)需求側分佈式儲能集群調頻。分佈式儲能集群協調控制以用戶-調控中心之間交互信息流為基礎,聯接多個戶用儲能集成虛擬儲能系統參與頻率控制服務,通過家庭能量管理策略提高運行效率及虛擬集容量儲能系統的調頻可用率。


3.2、調頻市場需求與運行模式選擇


儲能作為主體參與商業調頻在美國因其市場環境發展而趨於完善且運行模式全面,德國、英國則因其強制性平衡機制助力儲能調頻在發電端與傳統機組相結合。其他歐洲國家受能源結構變革驅動,為在穩定電網運行前提下消納高比例新能源而引導儲能參與調頻。國內則開展除需求側外的三種運行模式下儲能調頻項目,處於示範性或初級商業階段。儲能調頻不同運行模式的技術要求、市場或政策環境、典型項目如表1所示。


表1  儲能調頻運行模式特點


四、儲能調頻市場規則現狀


美國實時AGC競價市場從准入到定價及結算均引入性能指標,對不同調頻源的適用性較廣。德國調頻市場的投標競價未限制電源種類,准入條件對容量受限型儲能有所制約,同時補償機制中效果指標的缺位容易造成儲能與傳統源的收益分配與實際貢獻不對等。英國儲能調頻則處於前期驗證階段,尚未配套市場規則。國內則已明確儲能在發電與需求兩側的調頻市場主體地位及價格機制的初步規則,但缺少適用於儲能的服務計量方法,調度機構則缺乏電儲能裝置作為獨立可控設備參與AGC調頻的調度經驗。表2為儲能調頻相關市場規則比較。


表2  儲能調頻相關市場規則比較


五、分析與啟示



5.1、分析


1)儲能於未來電網調頻技術的補充與支撐意義促使全球各國相繼擴大項目投入和容量建設。調頻儲能選型需要平衡具體服務技術需求與投資主體經濟制約,因此服務商對調頻用儲能呈多元選擇,以成熟度高的鋰離子電池為主流技術。


2)發電側儲能聯合火電調頻適用於激勵和強制型制度,不受初期儲能服務計量辦法空白的影響。需求側分佈式儲能集成調頻需實時監測數據及協調管理的集控中心承轉支撐,涉及自消納/外響應合理分配與用戶信息安全,配套建設和調控監管難度稍大。


3)儲能調頻商業化受市場開放程度、補貼與激勵及計量定價方式等影響。電儲能容量有限,僅靠服務容量或電量價格補償力度較小且難以反映實際調節貢獻,服務計量方法也需對應不同電源的調節質量與經濟特性增強適用性。


5.2、啟示


1)政策制定者:制定發電側與需求側調頻用儲能的併網標準,給予服務商技術路線自主選擇權;設計效果評價指標或方法時,可引入基於各調頻源執行指令的有效性度量如實際里程;設計服務計量方法時,可兼顧不同電源的調節性能與成本差異,在參調容量/電量與實際效果指標之間加權制衡;統籌發電側、需求側和未來可能的輸配電側併網電儲能,為暫未推行的運行模式留取政策空間裕度。


2)市場參與者:儲能運營商需綜合應用場景的頻率調節需求及投資預期選擇儲能類型,在計量與獲益方式暫未明確的市場環境下可考慮儲能-火電聯合調頻運行模式,依據現有補償/考核機制與發電商實現互利共贏;電網運營商在規程允許前提下為儲能供應商開放試驗接入端口並提供協助,對用戶側儲能調頻模式下電網絡拓撲設計、線路敷設及節點計量等開展試驗。


3)調度機構:可考慮綜合服務質量、區域頻率調節需求等對不同種類和不同側電源調度次序和分配策略進行優化;對儲能獨立個體調度時機和區域調節功率分配可能性進行前期探索;需求側分佈式光伏-儲能模式調度可引入用戶自發電/自用電預測技術及超前控制對分佈式儲能荷電狀態協調管理;對於暫未開放的輸配電側,依託前期試點項目研究儲能就地平衡供需特性和對局部電網的穩定性影響。


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主要作者介紹

 

孫冰瑩,華北電力大學電氣工程碩士研究生,主要研究方向:大規模儲能調頻應用技術,電力系統穩定性分析。


楊水麗,碩士,中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所高級工程師,主要研究方向:電能存儲與轉換技術,規模化儲能技術及應用。


劉宗歧,華北電力大學電氣工程學院教授,碩士生導師,華北電力大學圖書館館長,中國電機工程學會可靠性委員會委員,中國圖書館學會高校圖書館分會委員,北京高校科技信息服務委員會委員。長期從事電力系統運行與控制、動態無功補償技術、儲能、電網GIC分析和GIC監測、電動汽車、配電網自動化、發電廠電氣設備及運行、電力系統可靠性、新能源發電技術、圖書情報等方面的研究工作。獲得中國電力科學進步二等獎1項,國家安監局安全生產科技一等獎1項以及多項國家發明專利和省部級科技進步獎。在國內外刊物和重要國際學術會議發表論文100餘篇,其中三大檢索收錄文章50餘篇。


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