光伏后平价时代，锂电池能否起到至关重要的作用？

随着光伏成本的日益下降，光伏发电已成为发展最快的可再生能源。如果按照过去十年的平均40%的增长速率投射未来，光伏在电网发电中占据重要比例指日可待。进入后平价时代的光伏，在电网发电中又将遇到什么样的瓶颈和挑战?

增加可再生能源在电网发电中的渗透率有几个至关重要的难点。首先是大家都非常熟悉的发电间歇性。光伏和风能的发电量与日光和风速有着直接联系。尤其是光伏，在多云天气，光伏发电站可在短短的几秒钟里发电量下跌超过50%。这样快速的爬坡速率可给电网的稳定性以及电网中的电气设施带来不少的压力。

另一个不被大家经常提到的难点是可再生能源并网对电网系统“惯量 (inertia)”的影响。电网中的系统惯量对其抵抗系统中的频率波动有着至关重要的影响。相比于传统的AC交流电发电机，光伏系统的惯量几乎为零。在一份澳大利亚电力市场运营商(AEMO)发布的调查报告中提出，在未来的电网发电系统，由于光伏并网的渗透率越来越高而电网中的惯量越来越小，电网中的频率扰动将会发生的更为频繁，而频率的变换速率(RoCoF)也会越来越快 (见下图)。如何在提高光伏发电渗透率的情况下维持电网频率的稳定将是下一个重点也是难点。

在频率扰动期间，澳大利亚电网频率变换速率的历史和预测数据 (摘自澳大利亚电力市场运营商AEMO报告)

对于如何应对减小的系统惯量给电网频率所带来的问题，包括澳大利亚、英国等在内的许多国家都提出了解决方案。其中一个方案就是利用快反应率的储能系统来为电网提供“Fast frequency response (FFR) 超快速频率调节”服务，从而为电网提供“人为的”系统惯量。这种FFR服务也具有和光伏并网发电同样的交易属性。

这与一般储能在大时间尺度范围(数小时)调峰的作用是不同的。FFR服务需要储能系统在一秒甚至小于一秒的时间内做出充放电反应，给电网提供频率调节。这样苛刻的要求，大部分的储能技术都无法达到。那到底什么样的储能技术才是最适合的呢?

近来，本人与合作者在综述文章“High-rate lithium ion energy storage to facilitate increased penetration of photovoltaic systems in electricity grids”(“应用于高光伏发电占比的电网系统的高频锂离子储能系统”)中就使用储能来帮助调率，以及此应用场景对储能的技术要求进行了详细的讨论。结论是锂电池在此处的应用具有非常大的前景。随着近几年电动汽车业的发展，锂电池的成本越来越低。根据性能价格分析，在电网频率调节的应用中锂电池被评估为最具有价格优势的储能技术。技术上，利用锂电池为电网提供FFR频率调配服务有着两个特殊的要求。首先，电池必须能够在一秒甚至于亚秒的时间内向电网输送或者吸收大功率电能(例如几百兆瓦)。所以高倍率锂电池将具有非常大的技术以及价格优势。其次，不同于其他应用，为了应对时不时的电网频率波动，锂电池可能每天需要被多次充放。所以，拥有长电池循环寿命将至关重要。可以做出这样总结：研发高倍率长循环寿命的锂电池将对此储能技术在调节电网频率及进一步促进光伏并网发电的应用至关重要。

石墨/金属氧化物技术)结构图

利用锂电池给电网提供FFR频率调节的想法不仅仅是纸上谈兵。南澳作为在澳大利亚可再生能源的领跑州，已经率先试验了这个想法。在2017年年底，南澳洲政府联合Neoen在当地建立了当时全世界最大的锂电池系统 “Honsdale 电力储备系统 “(129 兆瓦时/100兆瓦功率)用来帮助维护当地电网的频率稳定性(见下图)。

Honsdale 电力储备 129 MWh/100 MW 锂电池系统

系统中使用了Tesla 的锂电池技术并设计成能在短短的150微秒里向电网输送100 兆瓦的电。在其第一年的试运营的期间内，“Honsdale 电力储备系统 ”多次为电网输出及吸收电力，为维持南澳电网频率稳定起到了至关重要的作用，并防止了断电事件的发生。在Honsdale 电力储备系统实施运营之前，南澳电网一直是通过向“燃煤频率调节服务” 的运营商通过购电的方式来维护其系统频率的。由于当地缺乏市场竞争，“燃煤频率调节服务”的一度价格惊人。在Honsdale 电力储备系统进入市场之后，此服务的价格得到了有效的控制，从而每年给南澳电网节省下了几百万澳元的开销。

2016至2018年期间，南澳“频率控制服务”总开销

结语：增加光伏并网及发电率给电网的稳定性所带来的压力不容小觑。电网可利用高功率、高循环次数的锂电池为电网提供快速频率调节服务，从而帮助维持电网频率的稳定性。南澳的Honsdale 电力储备系统给我们展现了锂电池在此应用的一个成功案例。未来，锂电池在增加光伏并网及发电的进程中是否能起到关键性作用，让我们拭目以待!