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IRENA（國(guó)際可再生能源署）發(fā)布了《Electricity Storage evaluation framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報(bào)告第III部分全球8種儲(chǔ)能應(yīng)用案例的第5部分：延緩電網(wǎng)擴(kuò)容。

1. 挑戰(zhàn)：對(duì)輸配電網(wǎng)的影響

輸配網(wǎng)絡(luò)的阻塞是電力運(yùn)營(yíng)商必須要解決的一個(gè)主要問(wèn)題，從而保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。阻塞管理因此成為他們的主要任務(wù)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商采用電網(wǎng)再調(diào)度、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）或者市場(chǎng)流動(dòng)策略概念等方法進(jìn)行管理。

當(dāng)系統(tǒng)的VRE比例高時(shí)，輸配網(wǎng)絡(luò)阻塞風(fēng)險(xiǎn)更高。VRE的波動(dòng)性和不確定性更強(qiáng)，會(huì)威脅到系統(tǒng)的安全和可靠性。這種情況下，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商有時(shí)被迫采取VRE棄電的措施來(lái)解決阻塞問(wèn)題。然而，根據(jù)IRENA對(duì)靈活性的定義，VRE棄電和輸配電網(wǎng)阻塞都是當(dāng)前的靈活性因素指標(biāo)，必須采取一系列措施來(lái)實(shí)現(xiàn)可再生能源的可靠并網(wǎng)。

最知名的因電網(wǎng)阻塞導(dǎo)致VRE棄電的案例是德國(guó)電網(wǎng)的例子。德國(guó)三分之二的陸上風(fēng)電，和所有的海上風(fēng)電場(chǎng)都在德國(guó)的北部，但是工業(yè)用戶都位于南部。多年以來(lái)，德國(guó)電網(wǎng)并沒(méi)有足夠的電網(wǎng)容量來(lái)將北部的風(fēng)電輸送到南部，因而阻塞經(jīng)常發(fā)生。這導(dǎo)致北部發(fā)生了風(fēng)電棄電，南部熱力發(fā)電廠的高污染和昂貴電力消費(fèi)還在攀升。這引起整體用能成本上升，見(jiàn)圖1。


VRE的高比例也會(huì)在很多方面給分布式能源帶來(lái)影響，比如分布式光伏。Palminter等人（2016）研究表明，美國(guó)分布式發(fā)電的三個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)包括：a）電壓調(diào)整，即分布式發(fā)電會(huì)使電壓超出可接受水平；b）逆向潮流，會(huì)引發(fā)控制和保護(hù)問(wèn)題；c）高比例VRE使得電力保護(hù)協(xié)調(diào)困難。配網(wǎng)饋線的消納容量取決于在不產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下多少光伏可以接入。然后，VRE接入直到可消納的容量為0，此時(shí)，必須考慮增加消納容量的方法。

2. VRE并入輸配電網(wǎng)的挑戰(zhàn)

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)提出了不同的解決方案。當(dāng)因輸配阻塞引起VRE棄電時(shí)，最簡(jiǎn)單也是最常見(jiàn)的做法是在現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)容。比如，德國(guó)已經(jīng)計(jì)劃建設(shè)顯得輸配電網(wǎng)來(lái)將北部的電力輸送到南部，即Suedlink項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括在地下輸送線路建設(shè)內(nèi)，用于提高德國(guó)南北之間的輸送能力（Tennet，2019）。

建設(shè)輸配電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，包括：a）成本；b）需要的建設(shè)時(shí)間；c）環(huán)境影響；d）社會(huì)負(fù)面影響。因此，新建或升級(jí)輸配基礎(chǔ)設(shè)施在很多時(shí)候可能不是最佳的解決方案。

另一個(gè)降低輸送阻塞的選項(xiàng)是動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，包括對(duì)線路發(fā)熱進(jìn)行更全面的監(jiān)測(cè)，從而對(duì)輸送限制進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。比如，意大利電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商Terna已經(jīng)通過(guò)對(duì)一些電力線路的熱力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)容技術(shù)。實(shí)際表明，當(dāng)VRE比例較高時(shí)（Carlini，Massaro and Quaciari，2013），在特定的時(shí)段，電力線路的輸送能力可以超出其容量限制。

在配網(wǎng)層面，一個(gè)已經(jīng)實(shí)施的解決方案是為光伏發(fā)電采用先進(jìn)逆變器，這可以提供更有效的電壓調(diào)整，因而可以提高饋線的消納容量（Palminter et al.，2016）。

另外一個(gè)解決VRE給輸配網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的問(wèn)題的方案是儲(chǔ)能。到2030年，儲(chǔ)能的成本會(huì)大幅降低（IRENA，2017a）。相對(duì)于輸配網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，儲(chǔ)能建造時(shí)間更短，社會(huì)和環(huán)境影響更小。儲(chǔ)能可以用于電網(wǎng)側(cè)，也可以用于分布式電源側(cè)，構(gòu)成“虛擬電力線”。該方案的主要思路是將儲(chǔ)能系統(tǒng)靠近電網(wǎng)阻塞點(diǎn)布置，讓儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余的VRE電量，并在電網(wǎng)不阻塞的后續(xù)時(shí)間段內(nèi)再次調(diào)度（放電）。

此外，儲(chǔ)能可以提供無(wú)功控制和電壓調(diào)整，可以提升配電饋線的消納容量，避免分布式設(shè)備上的投資。簡(jiǎn)而言之，在最小化VRE對(duì)輸配網(wǎng)絡(luò)的影響上，儲(chǔ)能是高度適用的。圖2解釋了儲(chǔ)能是如何在電網(wǎng)層面上提供服務(wù)的。


3. 用于延緩輸配電網(wǎng)擴(kuò)容的儲(chǔ)能項(xiàng)目

本章節(jié)介紹了一些已經(jīng)建設(shè)用于延緩輸配電網(wǎng)擴(kuò)容投資的儲(chǔ)能項(xiàng)目。

2015年，Terna在意大利Campania地區(qū)建設(shè)了38.4MW/250MWh的鈉硫電池來(lái)延緩輸配電網(wǎng)擴(kuò)容，見(jiàn)圖3。當(dāng)VRE發(fā)電過(guò)剩且電網(wǎng)容量不足以將電力輸送到北方時(shí)，Terna往往需要對(duì)VRE棄電。建設(shè)了電池系統(tǒng)之后，多余的風(fēng)電可以儲(chǔ)存起來(lái)并在風(fēng)電發(fā)電低谷時(shí)釋放，這樣就避免了輸配網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容上的投資。此外，該電池還可以提供一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、負(fù)荷平衡和電壓控制等服務(wù)（NGK，2019）。


2017年，德國(guó)TenneT（德國(guó)一個(gè)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商）聯(lián)合電池制造商Sonnen和IBM發(fā)布了德國(guó)北部的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，采用區(qū)塊鏈和家用儲(chǔ)能來(lái)吸收部分因電網(wǎng)阻塞導(dǎo)致的多余風(fēng)電。Sonnen作為儲(chǔ)能聚合商提供sonnenCommunity，IBM提供區(qū)塊鏈技術(shù)。項(xiàng)目的結(jié)果是，“虛擬電力線”不僅為消費(fèi)者帶來(lái)了收益，也對(duì)使用電網(wǎng)的每個(gè)人帶來(lái)了收益（Horchens and Bloch，2017）。

在加利福尼亞，與GreenSmith（美國(guó)最大的儲(chǔ)能軟件和集成服務(wù)提供商之一）建設(shè)了2MW/6MWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，避免San Juan Capistrano地區(qū)的配網(wǎng)擴(kuò)容，見(jiàn)圖4。該項(xiàng)目一開(kāi)始建設(shè)容量是1MW/3MWh，后來(lái)容量加倍。該電池系統(tǒng)補(bǔ)償了尖峰需求過(guò)載，避免了配網(wǎng)擴(kuò)容。此外，在其控制系統(tǒng)的支持下，該電池項(xiàng)目還可以參與其他輔助服務(wù)（Greensmith Energy，2016）。


在美國(guó)Maine州，GridSolar公司聯(lián)合Central Maine Power（CMP）公司和其他機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備建設(shè)500kW、6小時(shí)的并網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)施來(lái)解決Boothbay的電網(wǎng)容量限制問(wèn)題。一開(kāi)始，CMP準(zhǔn)備投資15億美元進(jìn)行電網(wǎng)擴(kuò)容，但是GridSolar阻止了該動(dòng)議。GridSolar認(rèn)為CMP的負(fù)荷預(yù)測(cè)過(guò)高，而電網(wǎng)擴(kuò)容的時(shí)間窗口很短。采用儲(chǔ)能的和其他分布式能源（如需求響應(yīng)或光伏）可以節(jié)約1200萬(wàn)美元。項(xiàng)目開(kāi)始于2013年第四季度，于2018年第一季度結(jié)束。因?yàn)殡娏ω?fù)荷的增長(zhǎng)并沒(méi)有出現(xiàn)，這些資源不再需要了（Chew et al.，2018）。

在美國(guó)Arizona，Arizona PublicService（APS）建設(shè)了兩個(gè)1MW/4MWh電池模塊來(lái)避免為Punkin Center的偏遠(yuǎn)社區(qū)建設(shè)20英里的配網(wǎng)。項(xiàng)目起源于Punkin Center地區(qū)的負(fù)荷增長(zhǎng)，這可能會(huì)導(dǎo)致饋線的熱過(guò)載。APS考慮了電池、柴油發(fā)電機(jī)組、光儲(chǔ)系統(tǒng)和儲(chǔ)能和線路升級(jí)。在所有選項(xiàng)中，電池成本最低，適用性最好。2018年3月，項(xiàng)目投入商業(yè)化運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了2018年夏季的饋線削峰（APS，2019；Chew et al.，2018）。

最后，法國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商RTE正在考慮于2020年在RINGO項(xiàng)目下發(fā)起“虛擬電力線”項(xiàng)目。RTE準(zhǔn)備在3個(gè)不同的電網(wǎng)阻塞地點(diǎn)部署3個(gè)12MW/24MWh電池系統(tǒng)來(lái)吸收多余的VRE發(fā)電。原則上，在開(kāi)始3年內(nèi)由RTE當(dāng)做“虛擬電力線”來(lái)運(yùn)營(yíng)，然后也可以提供其他服務(wù)（Energy Storage World Forum，2018）。

可見(jiàn)，目前已經(jīng)建設(shè)了很多儲(chǔ)能項(xiàng)目來(lái)避免輸配電網(wǎng)投資或擴(kuò)容。根據(jù)Navigant Research的一項(xiàng)研究，2017年全球此類項(xiàng)目的總?cè)萘渴?31.7MW。此外，截止到2026年，14324MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)有望建成來(lái)延緩輸配電網(wǎng)投資（Navigant Research，2017）。

4. 結(jié)論

VRE比例提高的一個(gè)主要影響是增加了輸配網(wǎng)絡(luò)的阻塞。電力系統(tǒng)需要提前做好計(jì)劃來(lái)防止阻塞發(fā)生和VRE棄電。新建輸配電網(wǎng)是目前最直接和最普遍的做法，即使這樣做成本高、環(huán)境影響大，有時(shí)還無(wú)法被社會(huì)接受。因此，可以去考慮其他方案來(lái)避免電網(wǎng)投資。

儲(chǔ)能可能是避免阻塞和延緩電網(wǎng)投資的一個(gè)解決方案。一些項(xiàng)目已經(jīng)建成并成功運(yùn)營(yíng)。比如，意大利Terna建設(shè)了384.MW/240MWh的鈉硫電池。美國(guó)也建設(shè)了一些項(xiàng)目來(lái)避免配網(wǎng)升級(jí)。根據(jù)Navigant Research的研究，已經(jīng)有331.7MW的儲(chǔ)能建設(shè)規(guī)模來(lái)避免電網(wǎng)阻塞。到2026年，這個(gè)規(guī)模會(huì)達(dá)到14324MW。

在一些情況建設(shè)儲(chǔ)能，輸配電網(wǎng)的投資可以節(jié)約。但是，根據(jù)電網(wǎng)需要，有時(shí)候仍然需要建設(shè)新的輸配線路（如德國(guó)）。 

原標(biāo)題：全球儲(chǔ)能典型應(yīng)用系列-5：延緩電網(wǎng)擴(kuò)容