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        從英國實踐看電化學儲能的系統定位

        中國電力企業管理發布時間: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、電網穩定性較差,英國出臺了快速頻率響應服務,在2023年12月的低頻率事件中,電化學儲能作為快速頻率響應主體發揮了巨大作用。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,對電化學儲能的快速調節需求也不強烈,我國應正確引導電化學儲能的投資,積極穩妥地發展電化學儲能。

          國內外頻率響應服務

          隨著可再生能源的發展,電力系統對輔助服務的需求出現較大變化,2024~2025財年,英國新出臺的三類快速頻率響應服務將徹底取代固定頻率響應服務。目前,我國的調頻輔助服務需求暫未受到較大影響,但未來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來保障系統穩定運行。

          英國快速頻率響應服務出臺背景

          2019年8月9日,英國790兆瓦的海上風電和660兆瓦的燃氣發電斷電,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,觸發低頻減載,系統頻率在經過10分鐘后才恢復至50赫茲。當時,英國主要頻率響應服務為固定頻率響應,分為動態和靜態固定頻率響應,其中較快速的動態固定頻率響應的時間要求在10秒內,無法滿足英國電力系統對頻率響應服務的需求,故英國需要研究出臺新的快速頻率響應服務。

          國內外頻率響應服務運行工況

          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,其較高的發電量占比將導致電網系統轉動慣量缺失,尤其是在風電大發的冬季。在系統轉動慣量較低的情況下,各類電力系統擾動均可能導致系統頻率出現超出安全閾值的大幅度波動,威脅系統運行安全。

          2023年,英國能源結構中可再生能源發電量占43%,化石能源發電量僅占33%,核能發電量占比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)發電量最高紀錄,為87.6%。同時,英國與歐洲其他國家的電網僅通過直流電網聯接,交流電網僅限于國內,電網規模較小,較小的擾動可能導致電網事故,進而發展成為全網大停電事故,電網穩定性相對較弱。

          對比來看,我國可再生能源占比相對較低,2023年前三季度,全國可再生能源發電量僅占全部發電量的31.3%。雖然我國部分省份可再生能源發電量占比較高,如2022年,青??稍偕茉窗l電量占比84.5%,但由于我國各省間均為交流電網聯接,能夠保持網內所有發電機同步運行,從而降低了擾動對系統的影響,且交流電網具備較強緊急功率支援的能力,這又進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品種對比

          目前,英國主要應用的頻率響應服務包括快速頻率響應服務和強制頻率響應服務。英國新出臺的快速頻率響應服務主要包括三種服務:2020年10月出臺的動態遏制服務,2022年4月出臺的動態穩定服務和動態調節服務,三者均通過日前拍賣進行交易,調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用選定機組,這三種服務起始時間分別為0.5秒、0.5秒、1秒。英國的強制頻率響應服務為自動有功功率輸出響應,所有大型電廠均有義務提供強制頻率響應,其響應時間最快為頻率波動后10秒,遠慢于快速頻率響應。

          我國調頻輔助服務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間不應大于2秒,達到75%目標功率時間不應大于15秒,且為非市場化的自動頻率響應輔助服務,要求電源均應具備滿足規定的一次調頻能力;根據電力系統運行情況需要自動調用,僅在有償一次調頻范圍內按照規定價格進行經濟補償。二次調頻服務是我國頻率控制的分鐘級持續響應品種,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、結算的方式進行交易,機組中標后才會進行二次調頻響應。

          國內外頻率響應服務發展

          我國電力系統相較于英國,由于可再生能源占比整體較低,且全國性的交流聯網保障了系統內的緊急支援能力和抗擾動能力,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響應速度較快、動作幅度較大,能夠在頻率變化時及時進行響應并穩定頻率,故我國暫不需要快速頻率響應服務。

          隨著可再生能源加速發展,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性將導致電力和電量的時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慣量降低、調頻能力下降。當我國新能源發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,保障系統頻率在出現波動時及時得到控制,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,電化學儲能在快速頻率響應服務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。英國電網的調度方式反映了各類調節資源在頻率響應中的定位和時序。

          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絡線(IFA2)于13:09跳閘,導致流入電網的電力突然短缺,且由于跳閘時風力發電量超過14吉瓦,系統轉動慣量較低,導致電網頻率驟降至49.3赫茲,比法定安全限值的49.5赫茲低0.2赫茲,所有頻率響應服務均全力啟動。

          隨著電網頻率降至49.5赫茲以下,電化學儲能首先作出快速響應,遏制頻率的下滑。低頻快速響應服務中簽約的所有電化學儲能容量在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、響應時間較長,故平衡機制中沒有調度任何電池容量。

          電化學儲能應定位于快速頻率響應

          在本次事件中,電化學儲能作為調用最為快捷的市場主體,在頻率出現大幅降低時,快速響應頻率控制指令,短時間內達到滿功率輸出,及時遏制頻率大幅波動,為后續其他主體和電源的動作爭取了時間。由于電化學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的主要參與主體之一,也是滿足英國動態遏制服務的主要電源。同時電化學儲能在英國調頻輔助服務市場中獲得了較高的收入,并將頻率響應服務作為項目的主要收入來源,100兆瓦×1小時的電化學儲能項目在頻率響應市場中年利潤接近1000萬英鎊,具有較強的市場競爭力。

          目前,我國調頻輔助服務中暫無快速頻率響應服務,且系統在短期內沒有類似市場化服務的需求,而儲能響應快速但容量有限的特點導致其更適合參與價格較高的快速頻率響應服務。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套利,但由于輔助服務價格較低,且現貨市場的較低上限價格導致峰谷價差較小,儲能在市場中盈利能力較弱。隨著可再生能源的占比增加,電力系統穩定性逐漸減弱,儲能將在不遠的將來成為電力系統最有效的頻率調節電源,其應該定位于價格較高的快速頻率響應服務,在故障發生的1~2秒內為系統提供及時的頻率穩定服務,在保證儲能盈利能力的同時,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

          在英國這次事件中,電化學儲能完成快速頻率響應后,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公司在平衡機制中創建和發布指令均需要時間,而抽水蓄能電站單個規模較大,單指令可響應的容量遠大于電化學儲能。在前期快速頻率響應服務已將頻率控制在安全范圍內后,電化學儲能的快速響應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成本能夠更好地適應平衡機制,進一步穩定頻率。

          二次調頻服務是我國頻率控制的持續響應服務,其響應時間以分鐘級為主,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點,其從停機到滿載僅需2~3分鐘,且負荷跟蹤性能遠比火電、核電機組優越,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,應在我國電力市場中定位于作為后續頻率響應的二次調頻服務。

          我國電化學儲能發展建議

          我國與英國電力系統所處階段不同,對比英國電化學儲能的應用,我國應針對目前電力系統發展情況,在適當的時間、以適當的方式對電化學儲能進行投資,保證行業的健康發展,使電化學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,且為實現零碳電網持續建設可再生能源、淘汰傳統電源,導致發電不穩定、無轉動慣量的可再生能源對系統穩定性的影響持續增大,引發類似2019年8月及2023年12月的電網低頻事故,故英國出臺了快速頻率響應以應對可再生能源發展給電力系統帶來的安全隱患。目前,我國各省以交流聯網保障省間互濟,電力系統暫時較為穩定,但隨著可再生能源的快速發展,電力供應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安全問題,需要快速頻率響應服務來保障系統運行。

          明確電化學儲能在電力系統中的定位

          目前,我國電網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儲能的需求暫時并不強烈,目前,電化學儲能主要用于滿足可再生能源的消納率要求。但電化學儲能在響應速度上較其他電源具備較大的比較優勢,可以在頻率發生波動的1~2秒內作出響應,及時遏制頻率的大幅波動,并將頻率穩定在安全范圍內,所以電化學儲能作為快速響應電源,應明確定位于快速頻率響應服務的細分賽道。

          正確引導電化學儲能投資和發展

          目前,我國電化學儲能發展存在一定問題,亟需頂層設計引導行業的發展。一方面,存在將電化學儲能打造為“全能型選手”的誤區。電力系統是一個協調運作的整體,各類市場主體應充分發揮自身的比較優勢,與其他主體協調完成運行,不應要求電化學儲能匹配多維度的系統需求,這將顯著增加電化學儲能的建設成本,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。另一方面,存在“一哄而上”大力投資電化學儲能的現象。目前,電化學儲能市場化需求不強烈、盈利模式不明確、造價較為昂貴,故應充分考慮投資回報率,在技術、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,各類傳統市場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儲能尚未明確系統定位。我國應借鑒國外電力市場經驗,以科技創新引領新興產業體系及新型電力系統的建設,進一步明確各類新型主體在系統中的作用,促進電化學儲能等新型主體健康發展,在積極穩妥推進碳達峰、碳中和的同時,提高能源資源安全保障能力。


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