1. 挑戰(zhàn):VRE出力波動(dòng)
VRE的特征是波動(dòng)性和不確定性。這意味著VRE資源不能提供穩(wěn)定的出力,而是波動(dòng)的、不可調(diào)度的輸出。對(duì)于光伏發(fā)電,出力波動(dòng)主要是云層的運(yùn)動(dòng)引起的。如果陽光條件好,光伏板能夠以最大功率發(fā)電。當(dāng)云層突然遮擋陽光,發(fā)電功率會(huì)突然下降。當(dāng)云層移開后,又會(huì)突然增加。對(duì)于風(fēng)電,出力波動(dòng)主要來自風(fēng)速的變化。
這種波動(dòng)會(huì)降低電能質(zhì)量和穩(wěn)定性,而電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要通過平衡電力供需來保持電網(wǎng)穩(wěn)定性,這就為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商帶來了挑戰(zhàn)。出力波動(dòng)還會(huì)帶來電壓和頻率的不穩(wěn)定。然而,出力波動(dòng)通常會(huì)隨光伏和風(fēng)力發(fā)電的增加而降低,這是因?yàn)閂RE資源在電網(wǎng)系統(tǒng)中的地理分散性增加了。因此,在VRE分散的互連電網(wǎng)系統(tǒng)中,當(dāng)單個(gè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者光伏發(fā)電板發(fā)生類似波動(dòng)時(shí),總的VRE出力還是能總體保持平滑的。但是,在小型孤立的電網(wǎng)系統(tǒng)中,由于地理空間有限并且缺乏廣泛互連,這種波動(dòng)會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。出力波動(dòng)的影響必須要重視,在提供方案是必須找到平滑VRE出力的策略。
2012年,Puerto Rico電力局(PREPA)設(shè)定了實(shí)現(xiàn)光伏和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的最低技術(shù)要求。在這些要求中,PREPA設(shè)定了VRE每分鐘10%額定容量的變化率限制(Gevorgian and Booth,2013)。如果光伏發(fā)電廠的額定裝機(jī)容量是1MW,那么它1分鐘之內(nèi)的最大出力波動(dòng)時(shí)±0.1MW。
另一個(gè)現(xiàn)實(shí)的案例是美國Hawaii的案例。Hawaii電力公司(HECO)將25-50MW項(xiàng)目的波動(dòng)限制在2~3MW/分鐘(Gevorgian and Carbus,2013)。
在這兩個(gè)案例中,如果VRE的出力波動(dòng)超出了限制,這部分發(fā)電必須被切除以保證出力的平穩(wěn),雖然這樣做可能不是最佳的選擇。最佳的方案應(yīng)該是平滑VRE出力而不是棄電。
2. 解決方案
展望一下,一種平滑光伏和風(fēng)力發(fā)電的方案應(yīng)該是儲(chǔ)能,因?yàn)閮?chǔ)能能夠快速響應(yīng)出力變化。電力儲(chǔ)能與VRE相結(jié)合,可以平滑光伏和風(fēng)力發(fā)電的出力波動(dòng),避免頻率和電壓波動(dòng),避免VRE棄電,提高系統(tǒng)可靠性。這就是VRE平滑的方案。
假設(shè)電網(wǎng)要求的波動(dòng)限制是r_Max,t時(shí)刻到t+1時(shí)刻的VRE出力波動(dòng)是ΔP。一開始,電網(wǎng)會(huì)嘗試盡可能吸收整個(gè)ΔP,但是,如果ΔP超出了最大波動(dòng)感限制,ΔP的一部分就必須被放棄(如果ΔP是正的),或者被其他諸如柴油發(fā)電機(jī)的資源替代(如果ΔP是負(fù)的)。儲(chǔ)能可以做的就是吸收掉超出的部分,并在一定時(shí)機(jī)放電以避免化石燃料發(fā)電損失甚至甩負(fù)荷。圖1闡述了這個(gè)過程。圖中顯示了在電網(wǎng)波動(dòng)限制下,VRE發(fā)電是如何通過棄電、儲(chǔ)能被平滑的。
圖1 當(dāng)VRE波動(dòng)超出變動(dòng)限制時(shí)的平滑過程
3. VRE平滑的儲(chǔ)能應(yīng)用
一些儲(chǔ)能項(xiàng)目已經(jīng)被用來提供VRE出力平滑。比如,新墨西哥的公共服務(wù)公司(PNM)建設(shè)了Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目,主要用于兩個(gè)目的:提供光伏發(fā)電場(chǎng)的出力平滑、提供能量轉(zhuǎn)移。該項(xiàng)目包括500kW的光伏發(fā)電和兩種電池形式,一種是0.25MW/1MWh鉛酸電池用于能量轉(zhuǎn)移,另一種是0.5MW/0.35MWh的鉛酸電池用于出力平滑。
圖2 新墨西哥儲(chǔ)能電池
Hawaii也安裝了風(fēng)電出力平滑用的電池。比如,NEC能源解決方案公司提供了用于風(fēng)電出力平滑的鋰電池,部署在Maui島的Auwahi 21MW風(fēng)電場(chǎng)附近,見圖3。該電池的容量是11MW/4.3MWh,采用的是磷酸鋰鐵電池,主要是因?yàn)榱姿徜囪F電池的耐久性、安全性,并且已經(jīng)在全球成功應(yīng)用(IRENA,2015b)。還有一個(gè)案例,Kaheawa風(fēng)電場(chǎng),也位于Maui。該風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)是51MW,同時(shí)采用了11.5MW/21MWh的先進(jìn)鉛酸電池來提供出力平滑(Roose,2018)。2018年,電場(chǎng)業(yè)主TerraForm和電池制造商Younicos簽署了一項(xiàng)協(xié)議,將采用鋰電池替換掉鉛酸電池以實(shí)現(xiàn)更高的可用容量和更長(zhǎng)的運(yùn)行年限(Power World Analysis,2018)。
圖3 Hawaii Maui的風(fēng)電場(chǎng)
其他的案例還包括法國的島嶼。2015年5月,法國政府發(fā)布了一項(xiàng)提議,即CRE3RFP,準(zhǔn)備在法國的島嶼上開發(fā)光伏儲(chǔ)能項(xiàng)目。根據(jù)該提議的細(xì)節(jié),必須建設(shè)儲(chǔ)能來平滑光伏出力曲線以避免電網(wǎng)波動(dòng)性和不確定性。更詳細(xì)的,儲(chǔ)能必須提供精確地平滑光伏系統(tǒng)早晨負(fù)荷爬升,必須提供中午時(shí)段的穩(wěn)定輸出,必須提供下午的對(duì)稱平滑。該項(xiàng)提議對(duì)Corsica(18MW)、Guadeloupe(9MW)、Guyana(5.2MW)、Martinique(11.1MW))和La Reunion(8.5MW)總共52MW的太陽能發(fā)電和儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。這些項(xiàng)目平均獲得了204歐元/MWh的電價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)。然而,在接下來的72MW獎(jiǎng)勵(lì)中,這項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)降低到了113.6歐元/MWh。即使這可能導(dǎo)致成本的上升,但這使得光伏系統(tǒng)完全可調(diào)度,避免了波動(dòng)性和不確定性因素。這可以看作是將光伏發(fā)電完全變成有平滑輸出和有限波動(dòng)幅度的可預(yù)測(cè)發(fā)電資源的成本上限。
4. 儲(chǔ)能提供VRE平滑
前面提到的項(xiàng)目已經(jīng)在島嶼或者小型孤立電網(wǎng)中獲得應(yīng)用,VRE平滑是其主要服務(wù)。其中,一些項(xiàng)目是可以從公開渠道獲知它們是如何提供這項(xiàng)服務(wù)的。
比如,新墨西哥Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目采用了美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的平滑算法,可以對(duì)太陽能出力變化自動(dòng)響應(yīng)。圖49顯示了這些儲(chǔ)能電池是如何平滑光伏發(fā)電出力的。藍(lán)線是光伏的原始出力,黃線是電池出力,紅線是平滑后的光伏出力(光伏+儲(chǔ)能)。顯然,相對(duì)于原始出力,紅線已經(jīng)消除了很多變化。
注:數(shù)據(jù)來自2012年1月21日。
來源:Arellano(2012)。
圖4 Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目為光伏發(fā)電廠提供VRE平滑
來源:Arellano(2012)。
圖4 Prosperity儲(chǔ)能項(xiàng)目為光伏發(fā)電廠提供VRE平滑
CRE RFP提議中提到的法國島嶼上的項(xiàng)目也有類似的效果。儲(chǔ)能的應(yīng)用為其提供了精確的早晨負(fù)荷爬升平滑、下午負(fù)荷降坡平滑、中午的持續(xù)穩(wěn)定出力。例如,法國La Reunion島嶼為光伏電站配備了9MWh儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了出力平滑。下圖顯示了電池是如何對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行平滑的。該圖還顯示了為光伏配備一定的儲(chǔ)能后,VRE不再是波動(dòng)的而是一個(gè)可調(diào)度的可預(yù)測(cè)電源。由于有了儲(chǔ)能,光伏的波動(dòng)變得可控,資源的波動(dòng)性已經(jīng)不再是一個(gè)問題。
圖5 法國島嶼La Reunion的9MWh電池儲(chǔ)能對(duì)光伏發(fā)電出力的平滑
5. 結(jié)論(案例4:VRE平滑)
現(xiàn)在的問題是VRE平滑是否是建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)因。簡(jiǎn)單點(diǎn)說,在大部分應(yīng)用中,如果建設(shè)儲(chǔ)能只用來提供VRE出力平滑并不是有價(jià)值的。即使在一定的理想情況下能帶來價(jià)值,但是,這只是其他服務(wù)的增值價(jià)值。
在公用事業(yè)的規(guī)模上,由于VRE的地理分散性,VRE發(fā)電的聚合以及輸配電網(wǎng)的要求帶來了平滑的凈負(fù)荷。在分布式的規(guī)模上,聚合的VRE和分布式的需求需要更為平滑的凈負(fù)荷。但是,如果單個(gè)的光伏發(fā)電場(chǎng)在區(qū)域內(nèi)的一年中一段時(shí)間占據(jù)了較高的比例,必須采用平滑的措施。這使得在VRE電站無平滑措施的時(shí)候,由于VRE出力的劇烈變化,電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有挑戰(zhàn)性。
原標(biāo)題:全球儲(chǔ)能典型應(yīng)用系列-4:VRE出力平滑