PDF《澳大利亚 100 MW 储能运行分析及对中国的启示》

澳大利亚1

0 0MW 储能运行分析及对中国的启示 曾辉1 ,孙峰1 ,邵宝珠1 ,葛维春2 ,葛延峰2 ,许天宁1 ( 1.

国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁省沈阳市

1 1

0 0

0 6;

2.国网辽宁省电力有限公司,辽宁省沈阳市

1 1

0 0

0 6 ) 摘要:

2 0

1 7年1 2月1日,

1 0 0MW /

1 2 9MW・h特斯拉( T e s l a ) 锂电池储能电站在澳大利亚南澳州 投运, 并于2

0 1 7年1 2月1 4日和2

0 1 8年1月1 8日维多利亚州的 L o yY a n g发电站机组跳闸事故 中跨区参与电网调频.首先, 分析了 T e s l a储能电池投入澳大利亚电网运行的物理和经济原因, 介 绍了电池的结构及控制策略, T e s l a储能投运后的运行状况;

然后, 从制定中国储能参与电网运行 技术标准和评价体系、 发挥储能部分替代火电机组一次调频的能力、 借鉴国外快速调频辅助服务模 式、 探索储能自盈利商业模式等角度深入探讨了 T e s l a储能运行对中国储能及储―网技术的启示和 借鉴. 关键词:锂电池储能;

技术标准;

一次调频;

辅助服务;

商业模式 收稿日期:

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0 5 -

2 7;

修回日期:

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0 3. 上网日期:

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3 0. 国家电网公司科技项目 越大容量电池储能电站并网运行关 键技术及应用 .

0 引言 近年来, 着眼于储能在电网中的广泛应用前景, 国内外均开展了储能的理论和实践研究, 一大批储 能项 目投入实际运行并不断刷新容量纪录.

2 0

1 6年, 世界最大规模的电池储能系统在中国张北 风光储示 范工程投运, 一期工程包括了16MW /

6 3MW・h的锂电池储能及2MW / 8MW・h的钒 液流电池储能[ 1] .2

0 1

7 年, 特斯拉( T e s l a ) 在美国MiraR o m a的变电站安装了2 0MW /

8 0MW・h锂 电池储能系统, 成为世界上容 量最大的储能系统.

2 0

1 7年1 2月1日投运的澳大利亚南澳

1 0 0MW /

1 2 9MW・hT e s l a锂电池储能项目再次刷新了已 投运最大规模电池储能系统世界纪录, 截至目前, 其 容量世界最大[ 1] . 进入2

0 1 7年的南半球自夏季以来, 由于高温、 负荷增长和设备故障等原因, 位于澳大利亚维多利 亚州的L o yY a n g火电机组于2

0 1 7年1 2月1 4日和

2 0

1 8年1月1 8日分别多次发生机组跳闸事故, 分 别造成5

6 0 MW 和5

3 0 MW 机组脱网事故.位于 南澳州的 T e s l a储能电站在频率跌至4 9. 8H z后的

1 4 0m s时向电网输出有功功率参与调频, 在反应时 间和放 电能效上均优于同步发电机机组的调频性能. 文献[

2 ] 的研究囊括了全球2 0个国家在建或投 运的共1

6 4项兆瓦级储能调频应用项目, 但目前国 内没有1

0 0 MW 级储能项目并网实践经验.中国 虽然储能设备研制及技术研发已取得突破(

2 0

1 6年 6月国家 能源局发布了《 关于 促进电储能参与 三北 地区电力辅助服务补偿( 市场) 机制试点工作的 通知》 ;

2 0

1 7年五部门发布了《 关于促进储能技术与 产业发展的指导意见》 等政策支持文件) , 但由于储 能设备成本高昂、 盈利模式不足、 市场机制及运行技 术标准不完善等因素限制了中国大规模储能应用实 践.因此, 研究澳大利亚已投运的 T e s l a储能项目 实际运行, 研究其对电网深层次影响, 将为目前中国 快速增长的储能―电网交互技术发展提供宝贵的参 考价值. 除此之外, 研究 T e s l a储能在澳大利亚电力市 场环境下的盈利模式, 对未来中国电力现货交易场 景下的辅助服务市场发展也具有重要意义.

1 储能投入南澳电网原因分析 1.

1 储能投入南澳电网的物理原因

2 0

1 6年9月2 8日, 台风和暴雨等极端天气袭 击了新能源发电占比高达4 8.

3 6%的澳大利亚南部 地区电网, 最终导致5 0h后恢复供电的全南澳大利 亚州大停电[ 3] .此次事件后, 澳政府为解决南澳电 网日益增长的新能源占比和逐年减少的系统转动惯 量之间的矛盾, 向全球公开招标大规模储能电池项

6 8 第4 3卷第8期2019年4月2 5日Vol.43N o . 8A p r .

2 5,

2 0

1 9 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

2 0

1 8

0 5

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0 0

1 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 目, 企图通过储能技术解决系统稳定问题. 1.

2 储能投入南澳电网的经济原因 经济层面上解决发电商市场力过强造成的辅助 服务价格过高问题是储能投运的更重要目的.例如, 经计算2

0 1 6年某月南澳电网至少需要3

5 MW 的调频有功功率.由于南澳地区负荷较少, 常年保 持在

20 0

0 MW 左右, 较小的发电市场被AG L, O r i g i n , E n g i e等3~5家发电厂商垄断.发电商合 谋在辅助服务市场报价50

0 0澳元/ MW 以下时只 出力3 4MW, 满足3 5MW 的最后1 MW 电力价格 往往被市场力抬高至1

50 0 0澳元/ MW 以上成交. 根据最后报价( 即为成交价) 的现货市场交易规则, 南澳电网只能被动购买巨额调频辅助服务[

4 -

5 ] . 造成这种看似不合理但合法抬价行为的原因是 澳大利亚的全电量强制电力库市场运行模式.市场 规则允许下的延期交易和重复报价行为广泛存在, 减少发电出力或有电不发的行为造成了供需关系紧 张并抬高了辅助服务价格[ 6] , 导致现货市场价格急 剧动荡.因此, 当地政府希望利用储能的快速、 精准、 可控的调频能力在辅助服务市场与传统机组形 成充分的市场竞争, 通过竞争形成合理的竞价方式, 降低辅助服务价格. 图1为传统火电机组和储能的调频特性对比. 从图中可以看出, 传统火电机组的调频能力在 A 点 开始随输出增加而增加, 在b

1 或b

2 点达到调频能 力峰值F, 峰值持续至c 点并下落, 在D点降至0. 不同机组的调频特性不同造成斜率不同, 实线 A b

1 和A b

2 表示同样调频能力F 情况下 A 机组和 B机 组的能量输出分别为 B1 和B2.而储 能以其放电 特性可在输出初始极短时间内( 通常为1s内) 从A点达到a 点获得调频峰值F 并持续.发电商 延期 交易 的做法是在不改变总体输出有功功率的情况 下将 A 机组的输出( A b 1) 转移至 B 机组( A b 2) , 即使A机组出力减少, B机组出力增加 A 机组减少的 值, 从而在 E 点处减少多台机组的调频能力之和(从F1 到F2) .发电商此时不交易, 等待辅助服务 供给短缺造成了辅助服务价格上涨之后再 重复报 价 , 按已上涨的价格结算获取巨额利润. 对比传统调频机组, 储能输出的调频能力较为 稳定且能保持很久, 几乎不会 受到外界条件限制. 因此, 大规模储能具备替代火电机组进行调频的能 力, 可削弱传统机组垄断的市场力. 物理上为解决新能源接入后转动惯量减少带来 的系统稳定问题, 经济上促进电力辅助服务市场的 合理竞争是 T e s l a储能投入运行的双重原因. 图1 传统火电机组和储能的调频特性对比 F i g .

1 C o m p a r i s o nb e t w e e nf r e q u e n c yr e g u l a t i o n c a p a c i t i e so f c o n v e n t i o n a l c o a l f i r e dg e n e r a t o r s a n de n e r g ys t o r a g e

2 P o w e r P a c k储能单元结构及控制策略 T e s l a在位于南澳Hornsdale风电场(包含105台风力发电机组, 总装机容量达3

1 5 MW) 旁建 设1

0 0MW /

1 2 9MW・h锂电池储能系统, 核心部 件为 P o w e r P a c k 储能单元.联合成立 Hornsdale电力储备库( H o r n s d a l ep o w e rr e s e r v e , H P R) [ 7] . 附录 A 图A1为 H P R 现场照片. 2.

1 蓄电池堆结构 H P R 项目中Tesla锂电池储能核心部件PowerPack模块源自电动汽车 M o d e l S使用的电池 组结构: 包含两个电池模块, 集成了电池管理系统、 热管理系统和独立的板载 D C / D C.每个电池组容 量为1 3. 5kW・h, 标称电压为4 8V, 经DC/DC变换到3

5 0~5

5 0V, 每个电池单元均可进行独立的充 放电, 实现2~4h持续充放电[ 1, 8] . 2.

2 储能变流器控制策略 T e s l a的储能变流器控制模块可提供3种控制 模式: 可控电流源模式、 虚拟同步机模式、 混合模式. 电流源模式下逆变器可在4m s内提供0%~1

0 0% 可控电流变化;

虚拟同步机模式下逆变器提供转动 惯量、 电压/频率稳定、 谐波控制;

混合模式下将以同 步调相机/同步发电机特性并网,

3 种模式可平滑切换[ 9] . 根据 文献[10-11] 的描述, 附录A图A2为2017年1 2月9日Tesla储能 投运后的出力情况. 由图 A 2可知, T e s l a实际提供3种有偿辅助服务: 常规调节输出、 紧急输出、 能量输出.常规调节最大 输出30MW /

9 0 MW ・ h,其余70MW /

3 9MW・h由紧急输出和能量输出构成[

1 0] . 在PowerPack储能单元中常规调节、 紧急输出和能量 输出拥有各自独立的控制策略: ①常规调节输出以 有功和无功功率为控制目标, 通过内外双环控制调 节HPR输出功率;

② 紧急输出以电压和频率为控 制目标, 并在内环控制前端设置了频率变化感知算 法, 当外环故障导致系统频率出现大幅波动后自动

7 8 曾辉, 等 澳大利亚1

0 0 MW 储能运行分析及对中国的启示 触发内环, 输出有功功率以维持系统频率稳定;

③能 量输出控制是基于电力市场价格信号变化的有功和 无功功率双环控制, 外环由 T e s l a对现货市场的电 力价格进行预判触发, 内环为有功和无功功率输出. 凭借 P o w e r P a c k储能单元可靠的充 放电性能 及针对不同控制对象的电压频率、 有功和无功功率 电池控制策略形成的运行模式, 可为项目投产后运 行提供技术和经济........