中國儲能網(wǎng)訊：當傳統(tǒng)發(fā)電廠不再，電網(wǎng)如何維持穩(wěn)定？這是目前電網(wǎng)穩(wěn)定及能源安全專家們當下正在研究的問題。迄今為止，確保電網(wǎng)系統(tǒng)及其頻率穩(wěn)定的主力仍是熱電廠的傳統(tǒng)同步發(fā)電機。但業(yè)界已經(jīng)有公司提出了將所謂的構網(wǎng)型逆變器與儲能系統(tǒng)相結合的可再生能源方案。
在今年歐洲的Intersolar展會，SMA總部電網(wǎng)服務產(chǎn)品經(jīng)理 Daniel Duckwitz與行業(yè)解決方案主管Hariram Prabhakaran一起接受了主辦方采訪，共同探討了構網(wǎng)型電站如何工作、歐洲市場前景，以及利用該技術是否可以實現(xiàn)全天候可再生能源供應。
01
“構網(wǎng)型逆變器（Grid-forming Inverters）”是目前太陽能光伏行業(yè)的熱議詞匯。您是否可以為我們解釋這一概念以及這款逆變器與常規(guī)逆變器的區(qū)別？
H. Prabhakaran: 首先，介紹一下背景情況——如果我們想成功掌握能源轉型并脫離傳統(tǒng)發(fā)電廠，需要做到三點：一，我們需要更多的可再生能源。二，也是最重要的一點，需要更多的儲能系統(tǒng)。三，需要維持電網(wǎng)穩(wěn)定。只有具備以上條件，我們才能成功過渡到100%可再生能源。
SMA已利用構網(wǎng)型技術為德國小鎮(zhèn)博德斯霍姆打造了一套系統(tǒng)，并以此證明了：a）僅利用可再生能源、儲能系統(tǒng)和構網(wǎng)型技術是可以運行電網(wǎng)的；b）該電網(wǎng)可以保持穩(wěn)定。構網(wǎng)型技術是能源轉型的重要組成部分。
博德斯霍姆鎮(zhèn) - 10MW儲能電站項目
D. Duckwitz: 實際上，這種逆變器并不是賽道的起點，而是能源系統(tǒng)實際上必須滿足的要求。構網(wǎng)型逆變器可以穩(wěn)定電網(wǎng)，從本質(zhì)上說，它 "構成"了這個能源系統(tǒng)，這意味著僅由基于可再生能源及構網(wǎng)型儲能系統(tǒng)的逆變器所構成的電網(wǎng)也能運行。這就是我們稱之為 "構網(wǎng)"的原因。常規(guī)光伏逆變器的標準并非如此，僅由一般逆變器和光伏發(fā)電組成的電網(wǎng)無法獨立運行。未來，電網(wǎng)將由可再生能源和儲能系統(tǒng)構建。
02
電網(wǎng)穩(wěn)定運行的要素有哪些？
D. Duckwitz: 首先，電壓和頻率的穩(wěn)定性至關重要。當電網(wǎng)發(fā)生擾動時，電壓和頻率必須始終能夠恢復和穩(wěn)定。其次是電網(wǎng)恢復，即在極少數(shù)情況下極端事件發(fā)生后電網(wǎng)重新啟動的能力。
到目前為止，這些要素都來自于傳統(tǒng)發(fā)電廠，但這些發(fā)電廠大部分都將在未來消失，所以有必要將重點放在構網(wǎng)型技術上。具體來講，這樣逆變器可作為電壓源進行控制，其系統(tǒng)慣性穩(wěn)定了電壓和頻率，類似于傳統(tǒng)發(fā)電廠的飛輪質(zhì)量。
然后是黑啟動（“Black Start”）能力。帶有構網(wǎng)型逆變器的儲能系統(tǒng)可以自行啟動，并以此作為電網(wǎng)恢復的啟動裝置，使其成為第一個提供電壓的系統(tǒng)，使得電網(wǎng)由此進行恢復。
03
對于構網(wǎng)型逆變器的電力電子而言，SMA現(xiàn)在處于什么階段？目前正在開發(fā)的構網(wǎng)型逆變器會有哪些技術特性，例如更大的過載能力？
D. Duckwitz：當系統(tǒng)存在慣性時，過載能力可以快速的提供額外功率，因此很重要。除此之外，構網(wǎng)功能將由新的控制系統(tǒng)構成，比方說新的逆變器軟件，這使得我們一方面實現(xiàn)了構網(wǎng)，同時也可全面支持之前的普通系統(tǒng)功能。
電池可以成為儲能系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)早晚能量的峰谷調(diào)節(jié)，也能隨時用于額外的電力峰值時段，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。這種調(diào)節(jié)、系統(tǒng)，實際上是新的東西。即使逆變器本身，也就是硬件，雖然看起來相同或非常相似，但它的功能大大增強，可以在沒有傳統(tǒng)發(fā)電廠的情況下實現(xiàn)完全的系統(tǒng)運行。
我們所做的基本上是重新開發(fā)整個軟件，即整個控制系統(tǒng)。我們不僅要去遵守每個市場在穩(wěn)定性、構網(wǎng)型技術等方面推陳出新的標準，也要符合此前的標準。結果就是，我們的產(chǎn)品在硬件方面看起來可能與以前相同，但在運行和功能方面卻有很大不同。比如，在運行過程中，預定義的輸出不再是簡單地饋入，而是根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定性在必要時立即偏移。
如果電網(wǎng)一旦有其他需求，系統(tǒng)就必須偏離設定點。這是非常精妙且重要的，因為它的行為可能與我們之前的預期略有不同。雖然這可能只是一瞬間的事情，但在整個運行控制中必須考慮到這一點。
04
構網(wǎng)型技術可運用于哪些部署來實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定？以及這些部署有何不同？
D. Duckwitz：我們目前只考慮大型電站，即輸出功率從10ＭＷ左右到GW不等，因此當前暫時排除了較小的儲能設備。該技術尚屬新興技術，更容易通過大型電站啟動，且這樣的大型電站已經(jīng)可以為電網(wǎng)的穩(wěn)定性做出重大貢獻。
當前，在高壓及超高壓范圍內(nèi)，通過大型電池儲能系統(tǒng)來為電網(wǎng)提供維持穩(wěn)定性的服務已經(jīng)可行，儲能系統(tǒng)能穩(wěn)定頻率。如果沒有儲能系統(tǒng)，光伏就無法做到全天候可控，因為只有光照才有發(fā)電。這也是我們目前首先注重大型電池儲能項目的原因。我們預計配備有儲能系統(tǒng)的大型光儲混合電站也將很快跟進。
05
在已經(jīng)使用電池儲能系統(tǒng)（BESS）和構網(wǎng)型技術的新市場中，目前有哪些商業(yè)模式？
D. Duckwitz：首先，有電網(wǎng)穩(wěn)定性服務，比如新電網(wǎng)服務，特別是在針對電力系統(tǒng)慣性、短路輸出等方面。英國在這一領域領先。兩年前，英國發(fā)布了首批大型招標邀請，電池項目也可以參與其中。在不同的新技術中，只有電池儲能系統(tǒng)獲得了補貼。這使得英國，尤其是蘇格蘭，成為 SMA 參與的項目目前正在實施的首個市場，今年第一批創(chuàng)業(yè)項目也將在這里啟動。
歐盟也正在基于新的“非頻率輔助服務”建立類似的市場，這些服務目前正在全國范圍內(nèi)實施。在德國，相關的市場設計預計將于今年被采納，這意味著德國有望成為歐洲大陸第一個電力系統(tǒng)慣性市場。此外還有其他市場，比如澳大利亞。那里也有電力系統(tǒng)慣性招標，盡管通常是區(qū)域性的。
此外還存在著一種將構網(wǎng)系統(tǒng)連接至電網(wǎng)的方案。也就是弱電網(wǎng)——即輸電能力不足的電網(wǎng)，但仍希望在這些電網(wǎng)建設可再生能源電站。其中一個例子是澳大利亞沙漠中遠離消費中心的地區(qū)，你必須仔細考慮到底要在那里建設多少條輸電線，但另一方面，該地區(qū)很容易被用于光伏系統(tǒng)。
因此，許多光伏電站正在建設中，但挑戰(zhàn)在于那里是否有電網(wǎng)能夠接入。構網(wǎng)型電池儲能系統(tǒng)可以做到兩點：第一，提高當?shù)仉娋W(wǎng)的穩(wěn)定性，即保持穩(wěn)定電壓；第二，還可以實現(xiàn)晚間電力傳輸。從項目開發(fā)商的視角來看，這一切都是為了實現(xiàn)當?shù)嘏c電網(wǎng)的有效連接。
不僅在澳大利亞如此，未來在歐洲，電網(wǎng)的高利用率也將是常態(tài)；電網(wǎng)的擴建可能是一個漫長的、長達數(shù)十年的過程；并且必須與利用率高的弱電網(wǎng)配合使用。大型電池儲能系統(tǒng)將解決德國市場面臨的兩大難題——即穩(wěn)定和緩解電網(wǎng)壓力。
06
您認為英國等已啟動首批項目的國家面臨哪些困難?
D. Duckwitz：目前面臨挑戰(zhàn)是，一方面，我們正制定標準和規(guī)范，但另一方面，我們又想快速開展工作。所有參與人員都認識到電網(wǎng)穩(wěn)定的重要性。換句話說，我們希望快速行動，并在過程中實現(xiàn)標準化，因為大量項目等待開展。而平衡新的要求、建立標準和速度是不容易的。
H. Prabhakaran：有些國家還沒有記錄相關要求，這對系統(tǒng)而言是一個技術挑戰(zhàn)。他們確實有標準，但這些標準已經(jīng)過時，最初發(fā)布時并未考慮構網(wǎng)型技術。如何激勵項目開發(fā)商，也需要思考。
在 SMA，技術使我們能夠提供電力系統(tǒng)慣性，同時也意味著額外的成本，對于我們的客戶、項目開發(fā)商也是如此。合適的商業(yè)模式和投資環(huán)境才能讓這項技術營利，這在英國已經(jīng)實現(xiàn)了。
07
與同步發(fā)電機相比，使用電池儲能系統(tǒng)＋構網(wǎng)型技術提供電網(wǎng)穩(wěn)定服務有哪些優(yōu)點和缺點？
D. Duckwitz：電池是一個非常高效的系統(tǒng)，因為它可以同時解決兩大問題：儲存能量以將可再生能源轉移給負載，并且穩(wěn)定系統(tǒng)。因此，只要能夠建造足夠多的此類系統(tǒng)，我就可以通過一個系統(tǒng)解決這兩個問題。這與市場設計有很大關系。那么，能源市場本身是否接受，建造電池儲能系統(tǒng)、將儲存的能量轉移至晚間，是經(jīng)濟實惠的？
一方面，是的，另一方面，穩(wěn)定性服務是否得到了相應的報酬？如果是，那么電池顯然是最好的、最具成本效益的技術，而且它也非常靈活。各個功能也可以在不同時間有不同的安排，這樣某些功能只能在需要時才打開，并且在能源交易和穩(wěn)定功能之間具有不同的權重。
如果我們將其與同步電機進行比較——它建成后就結束了，不會對任何事情產(chǎn)生影響。如果不再建造傳統(tǒng)的燃料發(fā)電廠，發(fā)電機只能用作獨立機器，即調(diào)相機。這意味著它也可以穩(wěn)定電網(wǎng)，但不能做任何其他事情，而且這樣做太貴了。
英國也有這種情況——同步電機也在英國中標，但用于電網(wǎng)穩(wěn)定服務，其價格是電池系統(tǒng)的好幾倍。換句話說，從經(jīng)濟角度來看，依賴同步電機的成本要高得多。
08
未來火電發(fā)電廠的同步發(fā)電機能被徹底替代嗎？
D. Duckwitz：是的。在一年中的某些時段，可再生能源已經(jīng)能夠100%滿足電力需求，但我們?nèi)匀徊辉敢庠谶@些時段完全關閉傳統(tǒng)發(fā)電廠。一旦電網(wǎng)中有足夠的構網(wǎng)型電池儲能，就可以完全關閉傳統(tǒng)電廠。
H. Prabhakaran：這取決于我們有多少儲能容量。例如，如果我們的構網(wǎng)型技術可以提供 24 小時的存儲容量，那么理論上我們可以替代所有旋轉機組。但當然，并非所有同步發(fā)電機都能夠在短期內(nèi)被取代。這需要幾十年的時間。
未來幾十年，仍需要不時使用可再生燃料的傳統(tǒng)發(fā)電廠。問題是，電池儲能系統(tǒng)和氫能發(fā)電廠的經(jīng)濟最優(yōu)點在哪里？氫能的低效率和高成本表明，更高比例的電池儲能才是最優(yōu)解。
09
電池儲能系統(tǒng)+構網(wǎng)型技術為項目開發(fā)商和運營商帶來哪些新的商業(yè)潛力？
D. Duckwitz：首先，電網(wǎng)穩(wěn)定服務有招標。其優(yōu)點是穩(wěn)定服務合同的合約期較長，例如五到十年。這對雙方都有吸引力——項目開發(fā)商的投資有保障，而且可以以低成本為公共電網(wǎng)保證穩(wěn)定。其次是應對電網(wǎng)擴張延遲的問題。從項目開發(fā)商的角度來看，可以通過加強本地電網(wǎng)來利用電網(wǎng)連接。
從公眾的角度來看，這為市場帶來了額外的低成本能源。此外，電池還可用于重建電網(wǎng)——這也是一項有償?shù)南到y(tǒng)服務。從運營商的角度來看，這其中涉及了三個不同的領域——能源交易、穩(wěn)定性和電網(wǎng)重構。
