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从英国实践看电化学储能的系统定位

中国电力企业管理发布时间:2024-04-01 14:23:33  作者:冯子珊 周智行

btt918ag旗舰厅手机版 www.collaboratopia.com   由于在电力系统中可再生能源占比较高、电网稳定性较差,英国出台了快速频率响应服务,在2023年12月的低频率事件中,电化学储能作为快速频率响应主体发挥了巨大作用。目前,我国可再生能源占比不高、省间交流电网稳定性强,且一次调频具备快速响应能力,暂不需要快速频率响应服务,对电化学储能的快速调节需求也不强烈,我国应正确引导电化学储能的投资,积极稳妥地发展电化学储能。

  国内外频率响应服务

  随着可再生能源的发展,电力系统对辅助服务的需求出现较大变化,2024~2025财年,英国新出台的三类快速频率响应服务将彻底取代固定频率响应服务。目前,我国的调频辅助服务需求暂未受到较大影响,但未来我国或将面临与英国相似的情况,需要出台快速频率响应服务来保障系统稳定运行。

  英国快速频率响应服务出台背景

  2019年8月9日,英国790兆瓦的海上风电和660兆瓦的燃气发电断电,导致频率降至49.2赫兹以下,随后由于频率响应容量已耗尽,频率降至48.8赫兹以下,触发低频减载,系统频率在经过10分钟后才恢复至50赫兹。当时,英国主要频率响应服务为固定频率响应,分为动态和静态固定频率响应,其中较快速的动态固定频率响应的时间要求在10秒内,无法满足英国电力系统对频率响应服务的需求,故英国需要研究出台新的快速频率响应服务。

  国内外频率响应服务运行工况

  由于可再生能源属于非同步电机,在无功能力、故障电流及机械惯量等方面较同步电机存在明显不足,其较高的发电量占比将导致电网系统转动惯量缺失,尤其是在风电大发的冬季。在系统转动惯量较低的情况下,各类电力系统扰动均可能导致系统频率出现超出安全阈值的大幅度波动,威胁系统运行安全。

  2023年,英国能源结构中可再生能源发电量占43%,化石能源发电量仅占33%,核能发电量占比13%。分时来讲,2023年1月4日,英国达到了零碳能源(可再生能源和核能)发电量最高纪录,为87.6%。同时,英国与欧洲其他国家的电网仅通过直流电网联接,交流电网仅限于国内,电网规模较小,较小的扰动可能导致电网事故,进而发展成为全网大停电事故,电网稳定性相对较弱。

  对比来看,我国可再生能源占比相对较低,2023年前三季度,全国可再生能源发电量仅占全部发电量的31.3%。虽然我国部分省份可再生能源发电量占比较高,如2022年,青??稍偕茉捶⒌缌空急?4.5%,但由于我国各省间均为交流电网联接,能够保持网内所有发电机同步运行,从而降低了扰动对系统的影响,且交流电网具备较强紧急功率支援的能力,这又进一步提高了系统供电可靠性和安全稳定水平。

  国内外频率响应服务品种对比

  目前,英国主要应用的频率响应服务包括快速频率响应服务和强制频率响应服务。英国新出台的快速频率响应服务主要包括三种服务:2020年10月出台的动态遏制服务,2022年4月出台的动态稳定服务和动态调节服务,三者均通过日前拍卖进行交易,调度按照拍卖价格提前确定动作机组,在频率波动时通过自动化控制调用选定机组,这三种服务起始时间分别为0.5秒、0.5秒、1秒。英国的强制频率响应服务为自动有功功率输出响应,所有大型电厂均有义务提供强制频率响应,其响应时间最快为频率波动后10秒,远慢于快速频率响应。

  我国调频辅助服务分为一次调频和二次调频,与英国的品种设置有较大不同。一次调频为秒级响应的快速频率控制品种,机组一次调频滞后时间不应大于2秒,达到75%目标功率时间不应大于15秒,且为非市场化的自动频率响应辅助服务,要求电源均应具备满足规定的一次调频能力;根据电力系统运行情况需要自动调用,仅在有偿一次调频范围内按照规定价格进行经济补偿。二次调频服务是我国频率控制的分钟级持续响应品种,其中以自动电压控制(AGC)为主要交易品种,其通过在市场中报价、出清、结算的方式进行交易,机组中标后才会进行二次调频响应。

  国内外频率响应服务发展

  我国电力系统相较于英国,由于可再生能源占比整体较低,且全国性的交流联网保障了系统内的紧急支援能力和抗扰动能力,因此,我国电力系统稳定性明显强于英国。目前,英国为防止再次出现重大事故,已应用快速频率响应服务作为应急事故快速处理机制,以保障系统频率的稳定性。我国电力系统较为稳定,且我国强制性的一次调频服务响应速度较快、动作幅度较大,能够在频率变化时及时进行响应并稳定频率,故我国暂不需要快速频率响应服务。

  随着可再生能源加速发展,我国电力系统和电力供应的稳定性将持续降低。一方面,可再生能源功率的随机性和波动性将导致电力和电量的时空分布与用电负荷特性呈现明显错配;另一方面,可再生能源的大规模接入将导致系统转动惯量降低、调频能力下降。当我国新能源发电量占比整体达到较高水平后,我国或将需要快速频率控制服务,保障系统频率在出现波动时及时得到控制,稳定电力系统运行。

 

  不同调节资源在频率响应中的定位

  在英国出现的低频率响应事件中,电化学储能在快速频率响应服务中抑制了频率的继续下滑,抽水蓄能在后续的持续响应中将频率稳定至安全区间。英国电网的调度方式反映了各类调节资源在频率响应中的定位和时序。

  英国低频率快速响应事件

  2023年12月22日,法国和英国之间的一根联络线(IFA2)于13:09跳闸,导致流入电网的电力突然短缺,且由于跳闸时风力发电量超过14吉瓦,系统转动惯量较低,导致电网频率骤降至49.3赫兹,比法定安全限值的49.5赫兹低0.2赫兹,所有频率响应服务均全力启动。

  随着电网频率降至49.5赫兹以下,电化学储能首先作出快速响应,遏制频率的下滑。低频快速响应服务中签约的所有电化学储能容量在10秒内作出全功率响应,输出量最高达到1226兆瓦,在最短时间内遏制系统频率的下降,并在后续持续全功率输出5分钟,将频率提升至安全限值内。

  在储能作出快速响应后触发系统平衡机制,抽水蓄能电站在两分钟内输出650兆瓦电力,为系统提供了更持久的响应。尽管平衡机制中有超过1吉瓦的储能容量,但由于平衡机制调用储能所需指令较多、响应时间较长,故平衡机制中没有调度任何电池容量。

  电化学储能应定位于快速频率响应

  在本次事件中,电化学储能作为调用最为快捷的市场主体,在频率出现大幅降低时,快速响应频率控制指令,短时间内达到满功率输出,及时遏制频率大幅波动,为后续其他主体和电源的动作争取了时间。由于电化学储能具备快速响应但容量有限的特征,使其成为英国快速频率响应服务的主要参与主体之一,也是满足英国动态遏制服务的主要电源。同时电化学储能在英国调频辅助服务市场中获得了较高的收入,并将频率响应服务作为项目的主要收入来源,100兆瓦×1小时的电化学储能项目在频率响应市场中年利润接近1000万英镑,具有较强的市场竞争力。

  目前,我国调频辅助服务中暂无快速频率响应服务,且系统在短期内没有类似市场化服务的需求,而储能响应快速但容量有限的特点导致其更适合参与价格较高的快速频率响应服务。我国电力系统稳定性较强,电力供给也基本充裕,在不考虑可再生能源消纳率指标的情况下,储能作为快速调节电源并非市场中的“必需品”。目前,我国储能主要参与调峰、二次频率响应或现货市场套利,但由于辅助服务价格较低,且现货市场的较低上限价格导致峰谷价差较小,储能在市场中盈利能力较弱。随着可再生能源的占比增加,电力系统稳定性逐渐减弱,储能将在不远的将来成为电力系统最有效的频率调节电源,其应该定位于价格较高的快速频率响应服务,在故障发生的1~2秒内为系统提供及时的频率稳定服务,在保证储能盈利能力的同时,保障系统的稳定运行。

  抽水蓄能应定位于持续频率稳定响应服务

  在英国这次事件中,电化学储能完成快速频率响应后,英国电力运营公司在平衡机制中选择不使用33个在机制中申报的超过1吉瓦的电化学储能,而选择调度抽水蓄能电站,在2分钟内输出650兆瓦的电力,为系统提供更持久的频率稳定响应。这主要是由于电力运营公司在平衡机制中创建和发布指令均需要时间,而抽水蓄能电站单个规模较大,单指令可响应的容量远大于电化学储能。在前期快速频率响应服务已将频率控制在安全范围内后,电化学储能的快速响应能力不再具备较高价值,而抽水蓄能电站较低的程序成本和响应成本能够更好地适应平衡机制,进一步稳定频率。

  二次调频服务是我国频率控制的持续响应服务,其响应时间以分钟级为主,而AGC是二次调频的主要方式。抽水蓄能电站具有启停速度快、工况转换迅速,以及机组出力变换范围大等优点,其从?;铰亟鲂?~3分钟,且负荷跟踪性能远比火电、核电机组优越,能迅速调整出力以消除系统功率的不平衡量,适宜承担频繁启停调频任务,应在我国电力市场中定位于作为后续频率响应的二次调频服务。

  我国电化学储能发展建议

  我国与英国电力系统所处阶段不同,对比英国电化学储能的应用,我国应针对目前电力系统发展情况,在适当的时间、以适当的方式对电化学储能进行投资,保证行业的健康发展,使电化学储能在电力系统中作用最大化。

  未雨绸缪,避免可再生能源发展威胁系统运行安全

  由于英国可再生能源占比较高,火电等传统电源占比较低,且为实现零碳电网持续建设可再生能源、淘汰传统电源,导致发电不稳定、无转动惯量的可再生能源对系统稳定性的影响持续增大,引发类似2019年8月及2023年12月的电网低频事故,故英国出台了快速频率响应以应对可再生能源发展给电力系统带来的安全隐患。目前,我国各省以交流联网保障省间互济,电力系统暂时较为稳定,但随着可再生能源的快速发展,电力供应波动和频率波动将更为显著,超过省间互济的能力范围,届时我国也可能存在系统安全问题,需要快速频率响应服务来保障系统运行。

  明确电化学储能在电力系统中的定位

  目前,我国电网稳定性较强且传统火电机组均具备快速一次调频能力,在我国电力系统稳定性方面对电化学储能的需求暂时并不强烈,目前,电化学储能主要用于满足可再生能源的消纳率要求。但电化学储能在响应速度上较其他电源具备较大的比较优势,可以在频率发生波动的1~2秒内作出响应,及时遏制频率的大幅波动,并将频率稳定在安全范围内,所以电化学储能作为快速响应电源,应明确定位于快速频率响应服务的细分赛道。

  正确引导电化学储能投资和发展

  目前,我国电化学储能发展存在一定问题,亟需顶层设计引导行业的发展。一方面,存在将电化学储能打造为“全能型选手”的误区。电力系统是一个协调运作的整体,各类市场主体应充分发挥自身的比较优势,与其他主体协调完成运行,不应要求电化学储能匹配多维度的系统需求,这将显著增加电化学储能的建设成本,在其目前盈利能力不强的情况下,可能造成对政策补贴的依赖。另一方面,存在“一哄而上”大力投资电化学储能的现象。目前,电化学储能市场化需求不强烈、盈利模式不明确、造价较为昂贵,故应充分考虑投资回报率,在技术、市场等因素成熟后再进行投资。

  随着我国电力市场化改革的推进,各类传统市场主体在电力系统中的定位逐渐明确,但作为新型调节电源的电化学储能尚未明确系统定位。我国应借鉴国外电力市场经验,以科技创新引领新兴产业体系及新型电力系统的建设,进一步明确各类新型主体在系统中的作用,促进电化学储能等新型主体健康发展,在积极稳妥推进碳达峰、碳中和的同时,提高能源资源安全保障能力。


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