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從英國實踐看電化學(xué)儲能的系統(tǒng)定位

中國電力企業(yè)管理發(fā)布時間:2024-04-01 14:23:33  作者:馮子珊 周智行

  由于在電力系統(tǒng)中可再生能源占比較高、電網(wǎng)穩(wěn)定性較差,英國出臺了快速頻率響應(yīng)服務(wù),在2023年12月的低頻率事件中,電化學(xué)儲能作為快速頻率響應(yīng)主體發(fā)揮了巨大作用。目前,我國可再生能源占比不高、省間交流電網(wǎng)穩(wěn)定性強,且一次調(diào)頻具備快速響應(yīng)能力,暫不需要快速頻率響應(yīng)服務(wù),對電化學(xué)儲能的快速調(diào)節(jié)需求也不強烈,我國應(yīng)正確引導(dǎo)電化學(xué)儲能的投資,積極穩(wěn)妥地發(fā)展電化學(xué)儲能。

  國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)

  隨著可再生能源的發(fā)展,電力系統(tǒng)對輔助服務(wù)的需求出現(xiàn)較大變化,2024~2025財年,英國新出臺的三類快速頻率響應(yīng)服務(wù)將徹底取代固定頻率響應(yīng)服務(wù)。目前,我國的調(diào)頻輔助服務(wù)需求暫未受到較大影響,但未來我國或?qū)⒚媾R與英國相似的情況,需要出臺快速頻率響應(yīng)服務(wù)來保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

  英國快速頻率響應(yīng)服務(wù)出臺背景

  2019年8月9日,英國790兆瓦的海上風(fēng)電和660兆瓦的燃氣發(fā)電斷電,導(dǎo)致頻率降至49.2赫茲以下,隨后由于頻率響應(yīng)容量已耗盡,頻率降至48.8赫茲以下,觸發(fā)低頻減載,系統(tǒng)頻率在經(jīng)過10分鐘后才恢復(fù)至50赫茲。當(dāng)時,英國主要頻率響應(yīng)服務(wù)為固定頻率響應(yīng),分為動態(tài)和靜態(tài)固定頻率響應(yīng),其中較快速的動態(tài)固定頻率響應(yīng)的時間要求在10秒內(nèi),無法滿足英國電力系統(tǒng)對頻率響應(yīng)服務(wù)的需求,故英國需要研究出臺新的快速頻率響應(yīng)服務(wù)。

  國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)運行工況

  由于可再生能源屬于非同步電機,在無功能力、故障電流及機械慣量等方面較同步電機存在明顯不足,其較高的發(fā)電量占比將導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量缺失,尤其是在風(fēng)電大發(fā)的冬季。在系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較低的情況下,各類電力系統(tǒng)擾動均可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)超出安全閾值的大幅度波動,威脅系統(tǒng)運行安全。

  2023年,英國能源結(jié)構(gòu)中可再生能源發(fā)電量占43%,化石能源發(fā)電量僅占33%,核能發(fā)電量占比13%。分時來講,2023年1月4日,英國達到了零碳能源(可再生能源和核能)發(fā)電量最高紀(jì)錄,為87.6%。同時,英國與歐洲其他國家的電網(wǎng)僅通過直流電網(wǎng)聯(lián)接,交流電網(wǎng)僅限于國內(nèi),電網(wǎng)規(guī)模較小,較小的擾動可能導(dǎo)致電網(wǎng)事故,進而發(fā)展成為全網(wǎng)大停電事故,電網(wǎng)穩(wěn)定性相對較弱。

  對比來看,我國可再生能源占比相對較低,2023年前三季度,全國可再生能源發(fā)電量僅占全部發(fā)電量的31.3%。雖然我國部分省份可再生能源發(fā)電量占比較高,如2022年,青??稍偕茉窗l(fā)電量占比84.5%,但由于我國各省間均為交流電網(wǎng)聯(lián)接,能夠保持網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機同步運行,從而降低了擾動對系統(tǒng)的影響,且交流電網(wǎng)具備較強緊急功率支援的能力,這又進一步提高了系統(tǒng)供電可靠性和安全穩(wěn)定水平。

  國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)品種對比

  目前,英國主要應(yīng)用的頻率響應(yīng)服務(wù)包括快速頻率響應(yīng)服務(wù)和強制頻率響應(yīng)服務(wù)。英國新出臺的快速頻率響應(yīng)服務(wù)主要包括三種服務(wù):2020年10月出臺的動態(tài)遏制服務(wù),2022年4月出臺的動態(tài)穩(wěn)定服務(wù)和動態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù),三者均通過日前拍賣進行交易,調(diào)度按照拍賣價格提前確定動作機組,在頻率波動時通過自動化控制調(diào)用選定機組,這三種服務(wù)起始時間分別為0.5秒、0.5秒、1秒。英國的強制頻率響應(yīng)服務(wù)為自動有功功率輸出響應(yīng),所有大型電廠均有義務(wù)提供強制頻率響應(yīng),其響應(yīng)時間最快為頻率波動后10秒,遠慢于快速頻率響應(yīng)。

  我國調(diào)頻輔助服務(wù)分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻,與英國的品種設(shè)置有較大不同。一次調(diào)頻為秒級響應(yīng)的快速頻率控制品種,機組一次調(diào)頻滯后時間不應(yīng)大于2秒,達到75%目標(biāo)功率時間不應(yīng)大于15秒,且為非市場化的自動頻率響應(yīng)輔助服務(wù),要求電源均應(yīng)具備滿足規(guī)定的一次調(diào)頻能力;根據(jù)電力系統(tǒng)運行情況需要自動調(diào)用,僅在有償一次調(diào)頻范圍內(nèi)按照規(guī)定價格進行經(jīng)濟補償。二次調(diào)頻服務(wù)是我國頻率控制的分鐘級持續(xù)響應(yīng)品種,其中以自動電壓控制(AGC)為主要交易品種,其通過在市場中報價、出清、結(jié)算的方式進行交易,機組中標(biāo)后才會進行二次調(diào)頻響應(yīng)。

  國內(nèi)外頻率響應(yīng)服務(wù)發(fā)展

  我國電力系統(tǒng)相較于英國,由于可再生能源占比整體較低,且全國性的交流聯(lián)網(wǎng)保障了系統(tǒng)內(nèi)的緊急支援能力和抗擾動能力,因此,我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯強于英國。目前,英國為防止再次出現(xiàn)重大事故,已應(yīng)用快速頻率響應(yīng)服務(wù)作為應(yīng)急事故快速處理機制,以保障系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。我國電力系統(tǒng)較為穩(wěn)定,且我國強制性的一次調(diào)頻服務(wù)響應(yīng)速度較快、動作幅度較大,能夠在頻率變化時及時進行響應(yīng)并穩(wěn)定頻率,故我國暫不需要快速頻率響應(yīng)服務(wù)。

  隨著可再生能源加速發(fā)展,我國電力系統(tǒng)和電力供應(yīng)的穩(wěn)定性將持續(xù)降低。一方面,可再生能源功率的隨機性和波動性將導(dǎo)致電力和電量的時空分布與用電負(fù)荷特性呈現(xiàn)明顯錯配;另一方面,可再生能源的大規(guī)模接入將導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低、調(diào)頻能力下降。當(dāng)我國新能源發(fā)電量占比整體達到較高水平后,我國或?qū)⑿枰焖兕l率控制服務(wù),保障系統(tǒng)頻率在出現(xiàn)波動時及時得到控制,穩(wěn)定電力系統(tǒng)運行。

 

  不同調(diào)節(jié)資源在頻率響應(yīng)中的定位

  在英國出現(xiàn)的低頻率響應(yīng)事件中,電化學(xué)儲能在快速頻率響應(yīng)服務(wù)中抑制了頻率的繼續(xù)下滑,抽水蓄能在后續(xù)的持續(xù)響應(yīng)中將頻率穩(wěn)定至安全區(qū)間。英國電網(wǎng)的調(diào)度方式反映了各類調(diào)節(jié)資源在頻率響應(yīng)中的定位和時序。

  英國低頻率快速響應(yīng)事件

  2023年12月22日,法國和英國之間的一根聯(lián)絡(luò)線(IFA2)于13:09跳閘,導(dǎo)致流入電網(wǎng)的電力突然短缺,且由于跳閘時風(fēng)力發(fā)電量超過14吉瓦,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較低,導(dǎo)致電網(wǎng)頻率驟降至49.3赫茲,比法定安全限值的49.5赫茲低0.2赫茲,所有頻率響應(yīng)服務(wù)均全力啟動。

  隨著電網(wǎng)頻率降至49.5赫茲以下,電化學(xué)儲能首先作出快速響應(yīng),遏制頻率的下滑。低頻快速響應(yīng)服務(wù)中簽約的所有電化學(xué)儲能容量在10秒內(nèi)作出全功率響應(yīng),輸出量最高達到1226兆瓦,在最短時間內(nèi)遏制系統(tǒng)頻率的下降,并在后續(xù)持續(xù)全功率輸出5分鐘,將頻率提升至安全限值內(nèi)。

  在儲能作出快速響應(yīng)后觸發(fā)系統(tǒng)平衡機制,抽水蓄能電站在兩分鐘內(nèi)輸出650兆瓦電力,為系統(tǒng)提供了更持久的響應(yīng)。盡管平衡機制中有超過1吉瓦的儲能容量,但由于平衡機制調(diào)用儲能所需指令較多、響應(yīng)時間較長,故平衡機制中沒有調(diào)度任何電池容量。

  電化學(xué)儲能應(yīng)定位于快速頻率響應(yīng)

  在本次事件中,電化學(xué)儲能作為調(diào)用最為快捷的市場主體,在頻率出現(xiàn)大幅降低時,快速響應(yīng)頻率控制指令,短時間內(nèi)達到滿功率輸出,及時遏制頻率大幅波動,為后續(xù)其他主體和電源的動作爭取了時間。由于電化學(xué)儲能具備快速響應(yīng)但容量有限的特征,使其成為英國快速頻率響應(yīng)服務(wù)的主要參與主體之一,也是滿足英國動態(tài)遏制服務(wù)的主要電源。同時電化學(xué)儲能在英國調(diào)頻輔助服務(wù)市場中獲得了較高的收入,并將頻率響應(yīng)服務(wù)作為項目的主要收入來源,100兆瓦×1小時的電化學(xué)儲能項目在頻率響應(yīng)市場中年利潤接近1000萬英鎊,具有較強的市場競爭力。

  目前,我國調(diào)頻輔助服務(wù)中暫無快速頻率響應(yīng)服務(wù),且系統(tǒng)在短期內(nèi)沒有類似市場化服務(wù)的需求,而儲能響應(yīng)快速但容量有限的特點導(dǎo)致其更適合參與價格較高的快速頻率響應(yīng)服務(wù)。我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較強,電力供給也基本充裕,在不考慮可再生能源消納率指標(biāo)的情況下,儲能作為快速調(diào)節(jié)電源并非市場中的“必需品”。目前,我國儲能主要參與調(diào)峰、二次頻率響應(yīng)或現(xiàn)貨市場套利,但由于輔助服務(wù)價格較低,且現(xiàn)貨市場的較低上限價格導(dǎo)致峰谷價差較小,儲能在市場中盈利能力較弱。隨著可再生能源的占比增加,電力系統(tǒng)穩(wěn)定性逐漸減弱,儲能將在不遠的將來成為電力系統(tǒng)最有效的頻率調(diào)節(jié)電源,其應(yīng)該定位于價格較高的快速頻率響應(yīng)服務(wù),在故障發(fā)生的1~2秒內(nèi)為系統(tǒng)提供及時的頻率穩(wěn)定服務(wù),在保證儲能盈利能力的同時,保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

  抽水蓄能應(yīng)定位于持續(xù)頻率穩(wěn)定響應(yīng)服務(wù)

  在英國這次事件中,電化學(xué)儲能完成快速頻率響應(yīng)后,英國電力運營公司在平衡機制中選擇不使用33個在機制中申報的超過1吉瓦的電化學(xué)儲能,而選擇調(diào)度抽水蓄能電站,在2分鐘內(nèi)輸出650兆瓦的電力,為系統(tǒng)提供更持久的頻率穩(wěn)定響應(yīng)。這主要是由于電力運營公司在平衡機制中創(chuàng)建和發(fā)布指令均需要時間,而抽水蓄能電站單個規(guī)模較大,單指令可響應(yīng)的容量遠大于電化學(xué)儲能。在前期快速頻率響應(yīng)服務(wù)已將頻率控制在安全范圍內(nèi)后,電化學(xué)儲能的快速響應(yīng)能力不再具備較高價值,而抽水蓄能電站較低的程序成本和響應(yīng)成本能夠更好地適應(yīng)平衡機制,進一步穩(wěn)定頻率。

  二次調(diào)頻服務(wù)是我國頻率控制的持續(xù)響應(yīng)服務(wù),其響應(yīng)時間以分鐘級為主,而AGC是二次調(diào)頻的主要方式。抽水蓄能電站具有啟停速度快、工況轉(zhuǎn)換迅速,以及機組出力變換范圍大等優(yōu)點,其從停機到滿載僅需2~3分鐘,且負(fù)荷跟蹤性能遠比火電、核電機組優(yōu)越,能迅速調(diào)整出力以消除系統(tǒng)功率的不平衡量,適宜承擔(dān)頻繁啟停調(diào)頻任務(wù),應(yīng)在我國電力市場中定位于作為后續(xù)頻率響應(yīng)的二次調(diào)頻服務(wù)。

  我國電化學(xué)儲能發(fā)展建議

  我國與英國電力系統(tǒng)所處階段不同,對比英國電化學(xué)儲能的應(yīng)用,我國應(yīng)針對目前電力系統(tǒng)發(fā)展情況,在適當(dāng)?shù)臅r間、以適當(dāng)?shù)姆绞綄﹄娀瘜W(xué)儲能進行投資,保證行業(yè)的健康發(fā)展,使電化學(xué)儲能在電力系統(tǒng)中作用最大化。

  未雨綢繆,避免可再生能源發(fā)展威脅系統(tǒng)運行安全

  由于英國可再生能源占比較高,火電等傳統(tǒng)電源占比較低,且為實現(xiàn)零碳電網(wǎng)持續(xù)建設(shè)可再生能源、淘汰傳統(tǒng)電源,導(dǎo)致發(fā)電不穩(wěn)定、無轉(zhuǎn)動慣量的可再生能源對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響持續(xù)增大,引發(fā)類似2019年8月及2023年12月的電網(wǎng)低頻事故,故英國出臺了快速頻率響應(yīng)以應(yīng)對可再生能源發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來的安全隱患。目前,我國各省以交流聯(lián)網(wǎng)保障省間互濟,電力系統(tǒng)暫時較為穩(wěn)定,但隨著可再生能源的快速發(fā)展,電力供應(yīng)波動和頻率波動將更為顯著,超過省間互濟的能力范圍,屆時我國也可能存在系統(tǒng)安全問題,需要快速頻率響應(yīng)服務(wù)來保障系統(tǒng)運行。

  明確電化學(xué)儲能在電力系統(tǒng)中的定位

  目前,我國電網(wǎng)穩(wěn)定性較強且傳統(tǒng)火電機組均具備快速一次調(diào)頻能力,在我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面對電化學(xué)儲能的需求暫時并不強烈,目前,電化學(xué)儲能主要用于滿足可再生能源的消納率要求。但電化學(xué)儲能在響應(yīng)速度上較其他電源具備較大的比較優(yōu)勢,可以在頻率發(fā)生波動的1~2秒內(nèi)作出響應(yīng),及時遏制頻率的大幅波動,并將頻率穩(wěn)定在安全范圍內(nèi),所以電化學(xué)儲能作為快速響應(yīng)電源,應(yīng)明確定位于快速頻率響應(yīng)服務(wù)的細分賽道。

  正確引導(dǎo)電化學(xué)儲能投資和發(fā)展

  目前,我國電化學(xué)儲能發(fā)展存在一定問題,亟需頂層設(shè)計引導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展。一方面,存在將電化學(xué)儲能打造為“全能型選手”的誤區(qū)。電力系統(tǒng)是一個協(xié)調(diào)運作的整體,各類市場主體應(yīng)充分發(fā)揮自身的比較優(yōu)勢,與其他主體協(xié)調(diào)完成運行,不應(yīng)要求電化學(xué)儲能匹配多維度的系統(tǒng)需求,這將顯著增加電化學(xué)儲能的建設(shè)成本,在其目前盈利能力不強的情況下,可能造成對政策補貼的依賴。另一方面,存在“一哄而上”大力投資電化學(xué)儲能的現(xiàn)象。目前,電化學(xué)儲能市場化需求不強烈、盈利模式不明確、造價較為昂貴,故應(yīng)充分考慮投資回報率,在技術(shù)、市場等因素成熟后再進行投資。

  隨著我國電力市場化改革的推進,各類傳統(tǒng)市場主體在電力系統(tǒng)中的定位逐漸明確,但作為新型調(diào)節(jié)電源的電化學(xué)儲能尚未明確系統(tǒng)定位。我國應(yīng)借鑒國外電力市場經(jīng)驗,以科技創(chuàng)新引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)體系及新型電力系統(tǒng)的建設(shè),進一步明確各類新型主體在系統(tǒng)中的作用,促進電化學(xué)儲能等新型主體健康發(fā)展,在積極穩(wěn)妥推進碳達峰、碳中和的同時,提高能源資源安全保障能力。


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