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編者按：目前光伏發(fā)電作為可再生能源發(fā)展的主力軍，開始進入了平價時代的發(fā)展階段，但光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性帶來了更大的壓力。如何解決電網(wǎng)壓力，南澳洲率先試驗了利用鋰電池給電網(wǎng)提供FFR頻率調(diào)節(jié)這個想法，這是鋰電池應(yīng)用的成功案列，未來鋰電池或?qū)⒃谠黾?a href="http://studentannounce.com/news/search.php?kw=%B9%E2%B7%FC" target="_blank">光伏并網(wǎng)及發(fā)電的進程中至關(guān)重要。

隨著光伏成本的日益下降，光伏發(fā)電已成為發(fā)展最快的可再生能源。如果按照過去十年的平均40%的增長速率投射未來，光伏在電網(wǎng)發(fā)電中占據(jù)重要比例指日可待。進入后平價時代的光伏，在電網(wǎng)發(fā)電中又將遇到什么樣的瓶頸和挑戰(zhàn)？

 

增加可再生能源在電網(wǎng)發(fā)電中的滲透率有幾個至關(guān)重要的難點。首先是大家都非常熟悉的發(fā)電間歇性。光伏和風(fēng)能的發(fā)電量與日光和風(fēng)速有著直接聯(lián)系。尤其是光伏，在多云天氣，光伏發(fā)電站可在短短的幾秒鐘里發(fā)電量下跌超過50%。這樣快速的爬坡速率可給電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及電網(wǎng)中的電氣設(shè)施帶來不少的壓力。

 

另一個不被大家經(jīng)常提到的難點是可再生能源并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)“慣量 （inertia）”的影響。電網(wǎng)中的系統(tǒng)慣量對其抵抗系統(tǒng)中的頻率波動有著至關(guān)重要的影響。相比于傳統(tǒng)的AC交流電發(fā)電機，光伏系統(tǒng)的慣量幾乎為零。在一份澳大利亞電力市場運營商（AEMO）發(fā)布的調(diào)查報告中提出，在未來的電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于光伏并網(wǎng)的滲透率越來越高而電網(wǎng)中的慣量越來越小，電網(wǎng)中的頻率擾動將會發(fā)生的更為頻繁，而頻率的變換速率（RoCoF）也會越來越快 （見下圖）。如何在提高光伏發(fā)電滲透率的情況下維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定將是下一個重點也是難點。

 

 

在頻率擾動期間，澳大利亞電網(wǎng)頻率變換速率的歷史和預(yù)測數(shù)據(jù) （摘自澳大利亞電力市場運營商AEMO報告）

 

對于如何應(yīng)對減小的系統(tǒng)慣量給電網(wǎng)頻率所帶來的問題，包括澳大利亞、英國等在內(nèi)的許多國家都提出了解決方案。其中一個方案就是利用快反應(yīng)率的儲能系統(tǒng)來為電網(wǎng)提供“Fast frequency response (FFR) 超快速頻率調(diào)節(jié)”服務(wù)，從而為電網(wǎng)提供“人為的”系統(tǒng)慣量。這種FFR服務(wù)也具有和光伏并網(wǎng)發(fā)電同樣的交易屬性。

 

這與一般儲能在大時間尺度范圍（數(shù)小時）調(diào)峰的作用是不同的。FFR服務(wù)需要儲能系統(tǒng)在一秒甚至小于一秒的時間內(nèi)做出充放電反應(yīng)，給電網(wǎng)提供頻率調(diào)節(jié)。這樣苛刻的要求，大部分的儲能技術(shù)都無法達到。那到底什么樣的儲能技術(shù)才是最適合的呢？

 

近來，本人與合作者在綜述文章“High-rate lithium ion energy storage to facilitate increased penetration of photovoltaic systems in electricity grids”（“應(yīng)用于高光伏發(fā)電占比的電網(wǎng)系統(tǒng)的高頻鋰離子儲能系統(tǒng)”）中就使用儲能來幫助調(diào)率，以及此應(yīng)用場景對儲能的技術(shù)要求進行了詳細(xì)的討論。結(jié)論是鋰電池在此處的應(yīng)用具有非常大的前景。隨著近幾年電動汽車業(yè)的發(fā)展，鋰電池的成本越來越低。根據(jù)性能價格分析，在電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的應(yīng)用中鋰電池被評估為最具有價格優(yōu)勢的儲能技術(shù)。技術(shù)上，利用鋰電池為電網(wǎng)提供FFR頻率調(diào)配服務(wù)有著兩個特殊的要求。首先，電池必須能夠在一秒甚至于亞秒的時間內(nèi)向電網(wǎng)輸送或者吸收大功率電能（例如幾百兆瓦）。所以高倍率鋰電池將具有非常大的技術(shù)以及價格優(yōu)勢。其次，不同于其他應(yīng)用，為了應(yīng)對時不時的電網(wǎng)頻率波動，鋰電池可能每天需要被多次充放。所以，擁有長電池循環(huán)壽命將至關(guān)重要。可以做出這樣總結(jié)：研發(fā)高倍率長循環(huán)壽命的鋰電池將對此儲能技術(shù)在調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率及進一步促進光伏并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用至關(guān)重要。

 

商用鋰電池（石墨/金屬氧化物技術(shù)）結(jié)構(gòu)圖

 

利用鋰電池給電網(wǎng)提供FFR頻率調(diào)節(jié)的想法不僅僅是紙上談兵。南澳作為在澳大利亞可再生能源的領(lǐng)跑州，已經(jīng)率先試驗了這個想法。在2017年年底，南澳洲政府聯(lián)合Neoen在當(dāng)?shù)亟⒘水?dāng)時全世界最大的鋰電池系統(tǒng) “Honsdale 電力儲備系統(tǒng) “（129 兆瓦時/100兆瓦功率）用來幫助維護當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的頻率穩(wěn)定性（見下圖）。

 

Honsdale 電力儲備 129 MWh/100 MW 鋰電池系統(tǒng)

 

系統(tǒng)中使用了Tesla 的鋰電池技術(shù)并設(shè)計成能在短短的150微秒里向電網(wǎng)輸送100 兆瓦的電。在其第一年的試運營的期間內(nèi)，“Honsdale 電力儲備系統(tǒng) ”多次為電網(wǎng)輸出及吸收電力，為維持南澳電網(wǎng)頻率穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用，并防止了斷電事件的發(fā)生。在Honsdale 電力儲備系統(tǒng)實施運營之前，南澳電網(wǎng)一直是通過向“燃煤頻率調(diào)節(jié)服務(wù)” 的運營商通過購電的方式來維護其系統(tǒng)頻率的。由于當(dāng)?shù)厝狈κ袌龈偁帲?ldquo;燃煤頻率調(diào)節(jié)服務(wù)”的一度價格驚人。在Honsdale 電力儲備系統(tǒng)進入市場之后，此服務(wù)的價格得到了有效的控制，從而每年給南澳電網(wǎng)節(jié)省下了幾百萬澳元的開銷。

 

2016至2018年期間，南澳“頻率控制服務(wù)”總開銷

 

結(jié)語：增加光伏并網(wǎng)及發(fā)電率給電網(wǎng)的穩(wěn)定性所帶來的壓力不容小覷。電網(wǎng)可利用高功率、高循環(huán)次數(shù)的鋰電池為電網(wǎng)提供快速頻率調(diào)節(jié)服務(wù)，從而幫助維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。南澳的Honsdale 電力儲備系統(tǒng)給我們展現(xiàn)了鋰電池在此應(yīng)用的一個成功案例。未來，鋰電池在增加光伏并網(wǎng)及發(fā)電的進程中是否能起到關(guān)鍵性作用，讓我們拭目以待！

 

原標(biāo)題:光伏后平價時代，鋰電池能否起到至關(guān)重要的作用？