全球储能典型应用系列-4：VRE出力平滑，VRE

2020年3月，IRENA（国际可再生能源署）发布了《Electricity Storage evaluation framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是报告第III部分全球8种储能应用案例的第4部分：VRE出力平滑。

1. 挑战：VRE出力波动

VRE的特征是波动性和不确定性。这意味着VRE资源不能提供稳定的出力，而是波动的、不可调度的输出。对于光伏发电，出力波动主要是云层的运动引起的。如果阳光条件好，光伏板能够以最大功率发电。当云层突然遮挡阳光，发电功率会突然下降。当云层移开后，又会突然增加。对于风电，出力波动主要来自风速的变化。

这种波动会降低电能质量和稳定性，而电网运营商需要通过平衡电力供需来保持电网稳定性，这就为电网运营商带来了挑战。出力波动还会带来电压和频率的不稳定。然而，出力波动通常会随光伏和风力发电的增加而降低，这是因为VRE资源在电网系统中的地理分散性增加了。因此，在VRE分散的互连电网系统中，当单个的风力发电机或者光伏发电板发生类似波动时，总的VRE出力还是能总体保持平滑的。但是，在小型孤立的电网系统中，由于地理空间有限并且缺乏广泛互连，这种波动会影响电网系统的稳定和安全。出力波动的影响必须要重视，在提供方案是必须找到平滑VRE出力的策略。

2012年，Puerto Rico电力局（PREPA）设定了实现光伏和风力发电并网的最低技术要求。在这些要求中，PREPA设定了VRE每分钟10%额定容量的变化率限制（Gevorgian and Booth，2013）。如果光伏发电厂的额定装机容量是1MW，那么它1分钟之内的最大出力波动时±0.1MW。

另一个现实的案例是美国Hawaii的案例。Hawaii电力公司（HECO）将25-50MW项目的波动限制在2~3MW/分钟（Gevorgian and Carbus，2013）。

在这两个案例中，如果VRE的出力波动超出了限制，这部分发电必须被切除以保证出力的平稳，虽然这样做可能不是最佳的选择。最佳的方案应该是平滑VRE出力而不是弃电。

2. 解决方案

展望一下，一种平滑光伏和风力发电的方案应该是储能，因为储能能够快速响应出力变化。电力储能与VRE相结合，可以平滑光伏和风力发电的出力波动，避免频率和电压波动，避免VRE弃电，提高系统可靠性。这就是VRE平滑的方案。

假设电网要求的波动限制是r_Max，t时刻到t+1时刻的VRE出力波动是ΔP。一开始，电网会尝试尽可能吸收整个ΔP，但是，如果ΔP超出了最大波动感限制，ΔP的一部分就必须被放弃（如果ΔP是正的），或者被其他诸如柴油发电机的资源替代（如果ΔP是负的）。储能可以做的就是吸收掉超出的部分，并在一定时机放电以避免化石燃料发电损失甚至甩负荷。图1阐述了这个过程。图中显示了在电网波动限制下，VRE发电是如何通过弃电、储能被平滑的。

3. VRE平滑的储能应用

一些储能项目已经被用来提供VRE出力平滑。比如，新墨西哥的公共服务公司（PNM）建设了Prosperity储能项目，主要用于两个目的：提供光伏发电场的出力平滑、提供能量转移。该项目包括500kW的光伏发电和两种电池形式，一种是0.25MW/1MWh铅酸电池用于能量转移，另一种是0.5MW/0.35MWh的铅酸电池用于出力平滑。

Hawaii也安装了风电出力平滑用的电池。比如，NEC能源解决方案公司提供了用于风电出力平滑的锂电池，部署在Maui岛的Auwahi 21MW风电场附近，见图3。该电池的容量是11MW/4.3MWh，采用的是磷酸锂铁电池，主要是因为磷酸锂铁电池的耐久性、安全性，并且已经在全球成功应用（IRENA，2015b）。还有一个案例，Kaheawa风电场，也位于Maui。该风电场的总装机是51MW，同时采用了11.5MW/21MWh的先进铅酸电池来提供出力平滑（Roose，2018）。2018年，电场业主TerraForm和电池制造商Younicos签署了一项协议，将采用锂电池替换掉铅酸电池以实现更高的可用容量和更长的运行年限（Power World Analysis，2018）。

其他的案例还包括法国的岛屿。2015年5月，法国政府发布了一项提议，即CRE3RFP，准备在法国的岛屿上开发光伏储能项目。根据该提议的细节，必须建设储能来平滑光伏出力曲线以避免电网波动性和不确定性。更详细的，储能必须提供精确地平滑光伏系统早晨负荷爬升，必须提供中午时段的稳定输出，必须提供下午的对称平滑。该项提议对Corsica（18MW）、Guadeloupe（9MW）、Guyana（5.2MW）、Martinique（11.1MW））和La Reunion（8.5MW）总共52MW的太阳能发电和储能项目进行奖励。这些项目平均获得了204欧元/MWh的电价奖励。然而，在接下来的72MW奖励中，这项奖励降低到了113.6欧元/MWh。即使这可能导致成本的上升，但这使得光伏系统完全可调度，避免了波动性和不确定性因素。这可以看作是将光伏发电完全变成有平滑输出和有限波动幅度的可预测发电资源的成本上限。

4. 储能提供VRE平滑

前面提到的项目已经在岛屿或者小型孤立电网中获得应用，VRE平滑是其主要服务。其中，一些项目是可以从公开渠道获知它们是如何提供这项服务的。

比如，新墨西哥Prosperity储能项目采用了美国Sandia国家实验室的平滑算法，可以对太阳能出力变化自动响应。图49显示了这些储能电池是如何平滑光伏发电出力的。蓝线是光伏的原始出力，黄线是电池出力，红线是平滑后的光伏出力（光伏+储能）。显然，相对于原始出力，红线已经消除了很多变化。

CRE RFP提议中提到的法国岛屿上的项目也有类似的效果。储能的应用为其提供了精确的早晨负荷爬升平滑、下午负荷降坡平滑、中午的持续稳定出力。例如，法国La Reunion岛屿为光伏电站配备了9MWh储能实现了出力平滑。下图显示了电池是如何对光伏发电进行平滑的。该图还显示了为光伏配备一定的储能后，VRE不再是波动的而是一个可调度的可预测电源。由于有了储能，光伏的波动变得可控，资源的波动性已经不再是一个问题。

5. 结论（案例4：VRE平滑）

现在的问题是VRE平滑是否是建设储能系统的动因。简单点说，在大部分应用中，如果建设储能只用来提供VRE出力平滑并不是有价值的。即使在一定的理想情况下能带来价值，但是，这只是其他服务的增值价值。

在公用事业的规模上，由于VRE的地理分散性，VRE发电的聚合以及输配电网的要求带来了平滑的净负荷。在分布式的规模上，聚合的VRE和分布式的需求需要更为平滑的净负荷。但是，如果单个的光伏发电场在区域内的一年中一段时间占据了较高的比例，必须采用平滑的措施。这使得在VRE电站无平滑措施的时候，由于VRE出力的剧烈变化，电力系统的运行具有挑战性。