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從英國實(shí)踐看電化學(xué)儲能的系統定位

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

  由于在電力系統中可再生能源占比較高、電網(wǎng)穩定性較差,英國出臺了快速頻率響應服務(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)穩定性強,且一次調頻具備快速響應能力,暫不需要快速頻率響應服務(wù),對電化學(xué)儲能的快速調節需求也不強烈,我國應正確引導電化學(xué)儲能的投資,積極穩妥地發(fā)展電化學(xué)儲能。

  國內外頻率響應服務(wù)

  隨著(zhù)可再生能源的發(fā)展,電力系統對輔助服務(wù)的需求出現較大變化,2024~2025財年,英國新出臺的三類(lèi)快速頻率響應服務(wù)將徹底取代固定頻率響應服務(wù)。目前,我國的調頻輔助服務(wù)需求暫未受到較大影響,但未來(lái)我國或將面臨與英國相似的情況,需要出臺快速頻率響應服務(wù)來(lái)保障系統穩定運行。

  英國快速頻率響應服務(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,導致頻率降至49.2赫茲以下,隨后由于頻率響應容量已耗盡,頻率降至48.8赫茲以下,觸發(fā)低頻減載,系統頻率在經(jīng)過(guò)10分鐘后才恢復至50赫茲。當時(shí),英國主要頻率響應服務(wù)為固定頻率響應,分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)固定頻率響應,其中較快速的動(dòng)態(tài)固定頻率響應的時(shí)間要求在10秒內,無(wú)法滿(mǎn)足英國電力系統對頻率響應服務(wù)的需求,故英國需要研究出臺新的快速頻率響應服務(wù)。

  國內外頻率響應服務(wù)運行工況

  由于可再生能源屬于非同步電機,在無(wú)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)電量占比將導致電網(wǎng)系統轉動(dòng)慣量缺失,尤其是在風(fēng)電大發(fā)的冬季。在系統轉動(dòng)慣量較低的情況下,各類(lèi)電力系統擾動(dòng)均可能導致系統頻率出現超出安全閾值的大幅度波動(dòng),威脅系統運行安全。

  2023年,英國能源結構中可再生能源發(fā)電量占43%,化石能源發(fā)電量?jì)H占33%,核能發(fā)電量占比13%。分時(shí)來(lái)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)電量最高紀錄,為87.6%。同時(shí),英國與歐洲其他國家的電網(wǎng)僅通過(guò)直流電網(wǎng)聯(lián)接,交流電網(wǎng)僅限于國內,電網(wǎng)規模較小,較小的擾動(dòng)可能導致電網(wǎng)事故,進(jìn)而發(fā)展成為全網(wǎng)大停電事故,電網(wǎng)穩定性相對較弱。

  對比來(lái)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?jì)H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)內所有發(fā)電機同步運行,從而降低了擾動(dòng)對系統的影響,且交流電網(wǎng)具備較強緊急功率支援的能力,這又進(jìn)一步提高了系統供電可靠性和安全穩定水平。

  國內外頻率響應服務(wù)品種對比

  目前,英國主要應用的頻率響應服務(wù)包括快速頻率響應服務(wù)和強制頻率響應服務(wù)。英國新出臺的快速頻率響應服務(wù)主要包括三種服務(wù):2020年10月出臺的動(dòng)態(tài)遏制服務(wù),2022年4月出臺的動(dòng)態(tài)穩定服務(wù)和動(dòng)態(tài)調節服務(wù),三者均通過(guò)日前拍賣(mài)進(jìn)行交易,調度按照拍賣(mài)價(jià)格提前確定動(dòng)作機組,在頻率波動(dòng)時(shí)通過(guò)自動(dòng)化控制調用選定機組,這三種服務(wù)起始時(shí)間分別為0.5秒、0.5秒、1秒。英國的強制頻率響應服務(wù)為自動(dòng)有功功率輸出響應,所有大型電廠(chǎng)均有義務(wù)提供強制頻率響應,其響應時(shí)間最快為頻率波動(dòng)后10秒,遠慢于快速頻率響應。

  我國調頻輔助服務(wù)分為一次調頻和二次調頻,與英國的品種設置有較大不同。一次調頻為秒級響應的快速頻率控制品種,機組一次調頻滯后時(shí)間不應大于2秒,達到75%目標功率時(shí)間不應大于15秒,且為非市場(chǎng)化的自動(dòng)頻率響應輔助服務(wù),要求電源均應具備滿(mǎn)足規定的一次調頻能力;根據電力系統運行情況需要自動(dòng)調用,僅在有償一次調頻范圍內按照規定價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟補償。二次調頻服務(wù)是我國頻率控制的分鐘級持續響應品種,其中以自動(dòng)電壓控制(AGC)為主要交易品種,其通過(guò)在市場(chǎng)中報價(jià)、出清、結算的方式進(jìn)行交易,機組中標后才會(huì )進(jìn)行二次調頻響應。

  國內外頻率響應服務(wù)發(fā)展

  我國電力系統相較于英國,由于可再生能源占比整體較低,且全國性的交流聯(lián)網(wǎng)保障了系統內的緊急支援能力和抗擾動(dòng)能力,因此,我國電力系統穩定性明顯強于英國。目前,英國為防止再次出現重大事故,已應用快速頻率響應服務(wù)作為應急事故快速處理機制,以保障系統頻率的穩定性。我國電力系統較為穩定,且我國強制性的一次調頻服務(wù)響應速度較快、動(dòng)作幅度較大,能夠在頻率變化時(shí)及時(shí)進(jìn)行響應并穩定頻率,故我國暫不需要快速頻率響應服務(wù)。

  隨著(zhù)可再生能源加速發(fā)展,我國電力系統和電力供應的穩定性將持續降低。一方面,可再生能源功率的隨機性和波動(dòng)性將導致電力和電量的時(shí)空分布與用電負荷特性呈現明顯錯配;另一方面,可再生能源的大規模接入將導致系統轉動(dòng)慣量降低、調頻能力下降。當我國新能源發(fā)電量占比整體達到較高水平后,我國或將需要快速頻率控制服務(wù),保障系統頻率在出現波動(dòng)時(shí)及時(shí)得到控制,穩定電力系統運行。

 

  不同調節資源在頻率響應中的定位

  在英國出現的低頻率響應事件中,電化學(xué)儲能在快速頻率響應服務(wù)中抑制了頻率的繼續下滑,抽水蓄能在后續的持續響應中將頻率穩定至安全區間。英國電網(wǎng)的調度方式反映了各類(lèi)調節資源在頻率響應中的定位和時(shí)序。

  英國低頻率快速響應事件

  2023年12月22日,法國和英國之間的一根聯(lián)絡(luò )線(xiàn)(IFA2)于13:09跳閘,導致流入電網(wǎng)的電力突然短缺,且由于跳閘時(shí)風(fēng)力發(fā)電量超過(guò)14吉瓦,系統轉動(dòng)慣量較低,導致電網(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,所有頻率響應服務(wù)均全力啟動(dòng)。

  隨著(zhù)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,遏制頻率的下滑。低頻快速響應服務(wù)中簽約的所有電化學(xué)儲能容量在10秒內作出全功率響應,輸出量最高達到1226兆瓦,在最短時(shí)間內遏制系統頻率的下降,并在后續持續全功率輸出5分鐘,將頻率提升至安全限值內。

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

  電化學(xué)儲能應定位于快速頻率響應

  在本次事件中,電化學(xué)儲能作為調用最為快捷的市場(chǎng)主體,在頻率出現大幅降低時(shí),快速響應頻率控制指令,短時(shí)間內達到滿(mǎn)功率輸出,及時(shí)遏制頻率大幅波動(dòng),為后續其他主體和電源的動(dòng)作爭取了時(shí)間。由于電化學(xué)儲能具備快速響應但容量有限的特征,使其成為英國快速頻率響應服務(wù)的主要參與主體之一,也是滿(mǎn)足英國動(dòng)態(tài)遏制服務(wù)的主要電源。同時(shí)電化學(xué)儲能在英國調頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中獲得了較高的收入,并將頻率響應服務(wù)作為項目的主要收入來(lái)源,100兆瓦×1小時(shí)的電化學(xué)儲能項目在頻率響應市場(chǎng)中年利潤接近1000萬(wàn)英鎊,具有較強的市場(chǎng)競爭力。

  目前,我國調頻輔助服務(wù)中暫無(wú)快速頻率響應服務(wù),且系統在短期內沒(méi)有類(lèi)似市場(chǎng)化服務(wù)的需求,而儲能響應快速但容量有限的特點(diǎn)導致其更適合參與價(jià)格較高的快速頻率響應服務(wù)。我國電力系統穩定性較強,電力供給也基本充裕,在不考慮可再生能源消納率指標的情況下,儲能作為快速調節電源并非市場(chǎng)中的“必需品”。目前,我國儲能主要參與調峰、二次頻率響應或現貨市場(chǎng)套利,但由于輔助服務(wù)價(jià)格較低,且現貨市場(chǎng)的較低上限價(jià)格導致峰谷價(jià)差較小,儲能在市場(chǎng)中盈利能力較弱。隨著(zhù)可再生能源的占比增加,電力系統穩定性逐漸減弱,儲能將在不遠的將來(lái)成為電力系統最有效的頻率調節電源,其應該定位于價(jià)格較高的快速頻率響應服務(wù),在故障發(fā)生的1~2秒內為系統提供及時(shí)的頻率穩定服務(wù),在保證儲能盈利能力的同時(shí),保障系統的穩定運行。

  抽水蓄能應定位于持續頻率穩定響應服務(wù)

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

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

  我國電化學(xué)儲能發(fā)展建議

  我國與英國電力系統所處階段不同,對比英國電化學(xué)儲能的應用,我國應針對目前電力系統發(fā)展情況,在適當的時(shí)間、以適當的方式對電化學(xué)儲能進(jìn)行投資,保證行業(yè)的健康發(fā)展,使電化學(xué)儲能在電力系統中作用最大化。

  未雨綢繆,避免可再生能源發(fā)展威脅系統運行安全

  由于英國可再生能源占比較高,火電等傳統電源占比較低,且為實(shí)現零碳電網(wǎng)持續建設可再生能源、淘汰傳統電源,導致發(fā)電不穩定、無(wú)轉動(dòng)慣量的可再生能源對系統穩定性的影響持續增大,引發(fā)類(lèi)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以應對可再生能源發(fā)展給電力系統帶來(lái)的安全隱患。目前,我國各省以交流聯(lián)網(wǎng)保障省間互濟,電力系統暫時(shí)較為穩定,但隨著(zhù)可再生能源的快速發(fā)展,電力供應波動(dòng)和頻率波動(dòng)將更為顯著(zhù),超過(guò)省間互濟的能力范圍,屆時(shí)我國也可能存在系統安全問(wèn)題,需要快速頻率響應服務(wù)來(lái)保障系統運行。

  明確電化學(xué)儲能在電力系統中的定位

  目前,我國電網(wǎng)穩定性較強且傳統火電機組均具備快速一次調頻能力,在我國電力系統穩定性方面對電化學(xué)儲能的需求暫時(shí)并不強烈,目前,電化學(xué)儲能主要用于滿(mǎn)足可再生能源的消納率要求。但電化學(xué)儲能在響應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(dòng)的1~2秒內作出響應,及時(shí)遏制頻率的大幅波動(dòng),并將頻率穩定在安全范圍內,所以電化學(xué)儲能作為快速響應電源,應明確定位于快速頻率響應服務(wù)的細分賽道。

  正確引導電化學(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(wèn)題,亟需頂層設計引導行業(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。電力系統是一個(gè)協(xié)調運作的整體,各類(lèi)市場(chǎng)主體應充分發(fā)揮自身的比較優(yōu)勢,與其他主體協(xié)調完成運行,不應要求電化學(xué)儲能匹配多維度的系統需求,這將顯著(zhù)增加電化學(xué)儲能的建設成本,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(lài)。另一方面,存在“一哄而上”大力投資電化學(xué)儲能的現象。目前,電化學(xué)儲能市場(chǎng)化需求不強烈、盈利模式不明確、造價(jià)較為昂貴,故應充分考慮投資回報率,在技術(shù)、市場(chǎng)等因素成熟后再進(jìn)行投資。

  隨著(zhù)我國電力市場(chǎng)化改革的推進(jìn),各類(lèi)傳統市場(chǎng)主體在電力系統中的定位逐漸明確,但作為新型調節電源的電化學(xué)儲能尚未明確系統定位。我國應借鑒國外電力市場(chǎng)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的建設,進(jìn)一步明確各類(lèi)新型主體在系統中的作用,促進(jìn)電化學(xué)儲能等新型主體健康發(fā)展,在積極穩妥推進(jìn)碳達峰、碳中和的同時(shí),提高能源資源安全保障能力。


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