2兆瓦Minto飞轮设施市场影响案例研究

摘要

　    电力系统在上个世纪经历了一场变革，从最初的基本电网到今天高度复杂、互联互通和数字化的电力系统。电网是现代基础设施的奇迹，能够以极高的安全性、可靠性和电能质量标准为广大客户提供电力。确保有足够的电能以秒到秒的速度满足需求是电网的一个持续过程。可变可再生能源发电和响应性负荷（如智能家电）的日益普及，使得系统平衡的任务变得更加困难。创新的储能技术通常被称为电力行业的“圣杯”。这些新兴的储能资源增加了急需的灵活性，使运营商能够最大限度地利用现有基础设施。

　    在安大略省，由于政府的政策计划和技术成本的下降，可变可再生能源发电的装机容量在过去十年中大幅增长。此外，智能家电、能源效率和节能计划也导致安大略省电网需求的变化更大。这导致了更大的电力系统供需平衡管理的不确定性。

　    储能允许按需提取和回注电力，以更好地优化整个电力系统的电力流。此外，这些技术通常是无燃料的，甚至可以取代对排放温室气体的化石燃料发电机的需求。

　    其中一项技术是飞轮储能技术，该技术于2014年由NRStor公司在加拿大首次应用于公用事业规模。飞轮就像储存动力的“机械电池”。

　    旋转质量中的能量。在过去五年中，NRStor的Minto飞轮储能设施已经证明了储能在提供快速反应监管服务方面的有效性，这种响应可能很快对整合更多的可再生能源至关重要。该设施也是一个试验场，使IESO能够微调方法，最大限度地提高这类和类似储存设施的输出和调节价值。展望未来，该发电厂随时准备测试额外的辅助服务和容量产品，这将有助于提高可再生能源在电网中的渗透率。

1.证明储存对监管和可再生能源整合的价值

　   北美的并网发电机全部以相同的频率发电：60赫兹。 维持该频率对于电网稳定至关重要，这是北美电力可靠性公司（NERC）强制要求的。

　   消耗（即负载）或产生（即发电）的任何东西都会影响电网频率。 散装系统运营商，例如安大略省的独立电力系统运营商（IESO），必须不断平衡供需之间的平衡。 他们通过称为监管服务的辅助服务产品来做到这一点。 调节服务的作用是使系统总发电量与系统总负荷（包括传输损耗）相匹配，从而有助于纠正电力系统频率的变化。 该服务纠正可能会影响电源系统稳定性的短期用电变化，失去一致的频率会导致设备故障和电源系统停电。

　    随着可再生资源的渗透和响应负载的增加，监管变得越来越复杂，并且这种趋势预计将继续增长。部分原因是传统发电依靠固有提供惯性的旋转涡轮机。惯性是电网在给定供需不匹配的情况下抵抗频率变化的能力。传统发电机通常与电网同步并提供频率刚性，从而使调节服务能够缓慢响应。世界各地的太阳能和风力发电比例在稳步增长。这些能源虽然具有最小的碳足迹和较低的运行成本，但由于它们没有旋转的涡轮机，因此对电网惯性的贡献不大。

　    取而代之的是，风能和太阳能发电使用基于逆变器的连接，这些连接利用电力电子设备以所需的频率发电。变量生成的增长通常会降低电网惯性，因为它们取代了基于惯性的生成形式。此外，它们的可变性质也加剧了供需平衡问题，因为更高的太阳能和风能渗透率使整体发电量更具可变性。响应负载增加了更多的可变性，并且系统操作员准确预测需求和供应减少的能力导致更高的预测误差，必须由监管服务部门解决。

1.1　更多储能，更多可再生能源

　   鉴于这些现实，2012年，IESO发起了一项倡议，研究新兴和灵活的技术，以支持安大略省电力市场的监管工作，并更好地了解分布式能源的价值。在通过竞争性采购过程被选中后，NRStor的Minto飞轮设施建成，并于2014年开始支持安大略省的电网监管需求。

　   为什么像Minto飞轮这样的储能设备如此有价值？没有它，所有沿电线传输的电能都需要一个目的地，某种电力需求需要这些电子在它们产生的瞬间就需要它们。这是因为能量在接近光速的电子系统中传递，而历史上一直没有有效的方法来储存能量以备日后使用。因此，电网运营商必须通过实时调度安大略省的发电机组来平衡不断变化的电力需求。

　   储能技术可以作为能源的停车场，使电网得到更好的平衡（即，输入的能量=每秒输出的能量）。储能还可以使可再生能源的价值最大化。当有人打开电灯开关时，其他地方的发电机不需要燃烧煤或煤气来产生光所需的电力。有了储能，这些电能可能来自前一天晚上发电的风力涡轮机。同样，用于电网平衡的能量也可以在电力供应过剩时储存起来，并在需要时进行调度。

　   项目概况：

     •NRStor通过竞争性RFP流程被安大略省IESO选中，为安大略省的电网提供4兆瓦的灵活性，±2兆瓦，2012年

     •2013年下半年开始建设，2014年开始商业运营

     •该设施使用了世界上最高能量容量的10个飞轮

     •商业开发银行为此项目提供了300万美元的债务融资

　   在过去五年中，Minto飞轮设施已经证明了储存资产在提供监管和快速监管服务方面的有效性，这种应对措施可能很快对将更多可再生能源纳入电网至关重要。该设施也是一个试验场，使IESO能够微调方法，最大限度地提高这类和类似储存设施的输出和调节价值。未来，该设施随时准备测试飞轮和合成惯性等储能技术的其他用途，这可能有助于提高可再生能源的渗透率。

2.　能量储存在电网演化中的作用

　   当集中发电并且电力仅以一种方式流经配电系统时，公用事业和系统运营商的主要目标是使大容量输电具有足够的容量，以满足需求和管理监管服务。 如今，容量还不够。 在具有分布式发电和日益敏感的能源基础设施的双向电网中，电网运营商需要更大的灵活性。 储能可以提供这种灵活性。

2.1　储能如何适应辅助服务和监管市场

　    储能资源，尤其是那些具有基于逆变器的连接的储能资源，可以快速，准确地响应来自电网运营商的调节信号。 斜坡速率类似于发电机达到特定速度或制动至停止所花费的时间，由发电机的力学原理驱动。上升速率通常以MW /分钟为单位。

　    储能资源的缓变率往往比同步涡轮发电机等传统发电方式快得多。这意味着储能可以从关闭切换到打开，反之亦然，速度非常快，而不是缓慢地建立到所需的功率级别，这是传统资源利用其较慢的爬坡率所做的。左边的图形说明了这一点。

       2008年，美国能源部的太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Lab）将储存资源及其缓变率与其他发电源进行了比较。研究人员在研究平均规模的资源时发现，1兆瓦的快速响应调节可以提供与1.7兆瓦水电站和29兆瓦普通汽轮机相同的调节服务量。

　    虽然速度很快，但储能资源的能量有限。它们向电网注入电力或从电网吸收电力的能力有限。下图显示了爬坡率和能量限制如何影响储能资源的潜力。

1兆瓦快速调节能替代多少兆瓦的常规调节资源

2.2　基于储能的监管的属性

　    以下是有利于电力系统稳定目标的基于储能的调节的积极属性：

       •比传统资源更快、更好的性能：

　    根据储能协会的研究，与动力涡轮发电机相比，储能提供了10倍更快、更准确的电力调度员信号响应。

       •比传统资源更经济：

       PJM互联公司是美国东北部的一个区域性传输组织，该组织预计，额外的储能项目可使其频率调节容量需求减少10%至20%，并为用户节省约2500-5000万美元。

        •对电网运营商而言，比慢监管资源更有价值：   

       2011年，联邦能源管理委员会（Federal Energy regulation Commission）通过实施FERC 755号命令，认识到快速响应频率调节服务的价值得到了提高，这些资源可以对监管信号做出快速反应。在这一变化的一年内，PJM实施了一项按绩效付费的计划，将监管市场结算价格从13.75美元/兆瓦时提高到38.75美元/兆瓦时。

        •非常适合可再生能源普及率不断提高的电网：

　     储能资源可以对风电和太阳能等间歇性资源带来的负荷和发电量波动做出即时响应。

3.Minto飞轮装置的解剖

　   飞轮就像“机械电池”，以旋转的质量储存动能。安装在Minto飞轮工厂的飞轮使用实心钢飞轮，当从电网中获取电力的电机“充电”时，飞轮的转速会越来越快。当放电时，飞轮的速度会减慢，利用车轮的动量将能量通过同一个电机（现在起发电机的作用）返回。这类似于混合动力汽车的再生制动。

　   因为飞轮在真空中旋转，所以空气阻力最小，旋转能量可以“储存”而寄生损耗最小。然后，飞轮的动力可以被利用来按需发电。

　    每个飞轮重约9000磅，转速超过11000转/分。基本设计允许在满负荷下长达12分钟的输出，并且单元可以以极高的速率反复放电和充电至满容量，而不会出现电池所经历的相同退化。Minto飞轮设施于2014年7月投入使用，是加拿大首个并网商业飞轮设施，并树立了许多监管先例。估计该资产的使用寿命为15年以上，不会降低输出或响应能力。

3.1　安大略省为何应继续开发用于监管的储能资源

　   从历史上看，IESO计划水力发电每小时提供大约100兆瓦的调节或平衡服务。最近的储能采购部分是为了应对该省可变发电量的增加。可再生资源的产量很难预测。

　    针对此类问题，IESO将其通常计划在2017年至2019年间的每小时调节容量从100兆瓦增加到150-200兆瓦，并表示打算在2020年前根据需要提高监管能力。

3.2 快速监管与传统监管

　   发送给传统机组的自动发电控制（AGC）信号以约30秒的时间常数进行滤波，而发送到快速储能资源的调节信号基于未滤波区域控制误差（ACE），大约每2秒一次。这意味着它使IESO能够更精确地平衡电网。

3.3 飞轮与电池的比较

　   目前领先的储能资源技术是基于电池的储能解决方案。虽然电池储能有很多优点，但与飞轮相比也有一些缺点。下表比较了飞轮储能资源和电池储能技术。

4.MINTO飞轮设施成就

      NRStor的Minto飞轮设施由IESO委托，提供短期调节电网平衡服务，使计划发电与动态消耗相匹配。该项目是加拿大第一个并网商业飞轮设施。最初的IESO计划的目的是研究新技术和新兴技术，了解它们如何运作，并确定安大略市场上的任何障碍或教训。除了提供可靠和经济高效的频率调节外，该设施还成功地提供了对辅助电网服务储能使用的新见解。

4.1　优化信号

       2018年9月，Minto飞轮工厂开始响应快速调节信号，而不是先前使用的标准自动发电控制信号。 该快速调节信号还考虑了设施的充电状态，以避免发信号通知资源，以在电网完全放电时向电网注入能量，或者在充电完成后向电网注入能量。 与基于传统调节信号的运行相比，发送优化的快速调节信号使Minto飞轮在典型的1周时间内的有效调节能力提高了27％。

4.2　更高里程

　    储能资源不像传统的发电方式那样以恒定的速率提供电能，也不同于只提供轻微波动的电力。储能可以在向电网供电或从电网充电之间不断转换。Minto飞轮设备对每隔两秒发送的电网信号做出响应，这意味着它要做大量的工作。如果你在一个图表上追踪这个工作，并显示充电活动下降到基线以下，而放电活动记录在基线之上，你会看到一条不断上下移动的线。那条线所走的距离叫做里程。简单地说，里程是衡量设施在一段时间内的产量变化量。输出变化越快，变化幅度越大，里程就越高。因此，一个反应性的变化是如何衡量的。因此，每兆瓦容量的里程数最高的储能资产在提供监管服务时反应更迅速。

　   下图是从Minto飞轮设施人机界面（HMI）提取的真实世界数据。 在一个小时的时间内，这台2兆瓦的设施提供了约25兆瓦的行驶里程，并交换了将近一整兆瓦时的能源。 此外，电源循环每小时可摆动20倍以上，从而导致很大的高频摆动。

　   可以通过比较紫色线（设定点）和黑色线（来自IESO的调度信号）的接近程度来跟踪设备性能。 两条线几乎完全匹配，从而在执行频率调节时突出了系统的响应能力和准确性。

　    通过频率调节，在给定时间内可以行驶更多距离/里程的资源可能会带来更多价值。 上面对此进行了描述：Minto飞轮设施的相对吞吐量既独特又重要。 与传统的慢速调节资源相比，Minto飞轮设施可以更快地充电和释放能量，覆盖更多里程。

5.　加拿大储能市场的前锋

      Minto飞轮设施是加拿大首个此类设施，其中包括并重点介绍了安大略省的技术。 自2014年以来，该项目以多种方式帮助推动了安大略省的能源存储领域。

　   监管影响

      •Minto飞轮设施促使市场规则发生变化，包括与按需提取和注入电力的储能资源相关的定义。

      •作为对Minto飞轮设施的回应，安大略省能源局（OEB）创建了一个储能许可证，该场地是第一个获得该许可证的设施。

      •整个结算流程和方案均来自项目。这包括需求费用和上涨。

　   技术和运营影响

      •在其五年的运营期间，Minto飞轮工厂一直保持着良好的性能。

      •Minto飞轮设施帮助IESO为短期储能技术开发优化信号。

      •移动到未滤波的ACE信号导致有效调节容量增加27%，与传统调节信号后的Minto飞轮设施相比。

      •基于2秒样本的快速调节设定值里程比传统设定值里程高2.3倍。

　    学术与社区合作

      •NRStor将数据提供给学术合作伙伴以进行研究。

      •NRStor与社区合作伙伴保持着牢固的关系，并一直被公认为当地经济发展和慈善组织的主要支持者。

　    商业影响

      •Minto飞轮基金证明了这种基金有能力获得债务融资。 它为安大略省储能的私营部门投资和商业贷款开创了先例。

     •安大略省所有有资格参与储能资源的相关RFP都受益于法规采购替代技术和Minto飞轮设施。

6.　更多的价值

     Minto飞轮设施是一项使用5年的资产，估计剩余使用寿命为35年。仍然有大量的监管服务要以经济实惠的方式提供，还有更多的测试工作要做。一些直接的例子包括

6.1 合成惯性和其他辅助服务的潜力

　   随着越来越多的可再生能源开始上网，越来越多的基于涡轮机的发电被淘汰，NERC报告了对电网惯性的担忧。惯性是由传统涡轮发电机组旋转质量引起的电网特性。传统发电机或水力发电厂中的旋转涡轮内置有动能。当负载或发电量突然变化时，这种惯性限制了频率变化，因为存储的动能使涡轮机在功率流波动时保持恒定转速。

　   可再生能源的高渗透性导致传统发电资源的报废，降低了电网固有的惯性。光伏太阳能电池没有旋转组件，而且现在大多数的风能资源也缺乏固有的惯性。

合成惯性是一个潜在的解决办法，以减少机械惯性内置在现代，可再生能源电力网。Minto 飞轮设备已经准备好测试这个应用程序，并提供关于合成惯性在电网上如何工作的见解。

6.2 飞轮/电池储能和聚集的可能性

　   飞轮在放电5到15分钟后储存能量。电池可以储存能量长达数小时的能量放电。总之，这两种类型的储能可以协同工作，飞轮为电网不稳定提供第一状态响应，而电池用于更长时间间隔的需求，包括峰值负载缓解。Minto飞轮设施为未来的测试提供了一半的综合资源。

6.3 本地下垂和可再生能源整合

　   在电力生产中，降速控制是一种发电机设置，它控制发电机随着频率的变化可以增加或减少多少功率。这种模式允许同步发电机-例如那些并网的发电机并联运行并分担负荷。储能设备将能够比传统的发电方式更快地执行降速响应。由于其响应时间为毫秒级，因此可以更快地捕获下降或上升频率。

7.　社区的一部分

　   许多领先的安大略省组织之间建立了紧密有效的合作关系，从而建立了Minto飞轮设施。 主要合作伙伴包括：

     •NRStor，一家市场领先的储能公司，与先进的利益相关者和领先的技术提供商（开发商和所有者）合作开发，拥有和运营行业领先的储能项目

     •Minto镇（社区）

     •独立电力系统运营商（系统运营商）

     •Lepton技术服务（运维服务提供商）

     •HH Angus＆Associates Limited（工程顾问）

     •Hydro One（传输合作伙伴）

     •Westario Power（分销合作伙伴）

     •加拿大商业发展银行和皇家银行（债务提供者）

     •Northwater Capital，Fengate资产管理，Elliot Management，Lakebridge Capital（投资者）

7.1　无排放法规

　   在仅仅运行了一年之后，Minto飞轮发电厂已经收回并重新注入了超过200万千瓦时的能源。换句话说，这相当于2千兆瓦时（GWh）的调节服务。同样大小的天然气发生器可能会产生9000公吨的二氧化碳排放，提供同样数量的监管服务。飞轮不需要任何额外的燃料输入，因此，在运行过程中不会释放任何额外的温室气体排放。使用飞轮进行辅助服务可以释放现有资产，包括水力发电，以便更有效地利用。

8. MINTO飞轮设施的优势

　   成本效益和节约潜力：快速的系统响应和准确的系统输出支持不断增加的可再生能源水平，并避免了削减方案，从而节省了纳税人的钱。Mino飞轮设施还允许传统发电更有效地运行，增加可用兆瓦时的输出，从而降低整体能源成本以及燃料消耗和温室气体排放。其他市场的快速反应储能技术已证明传统技术的有效性是17倍或更高。

      DER集成：根据IESO的研究，像Minto飞轮设施这样的DER正在迅速扩散，它们共同影响大电网状况的能力也是如此。扩大DERs对IESO市场的参与，可以挖掘这些资源日益增长的潜力，这可以增加市场竞争，降低消费者成本，并为DERs提供批发市场收入，使其能够以有利于大电网的方式增长和运营。

　   创新和资源开发：IESO可以继续利用Minto设施作为测试资源，开发一种与PJM类似的快速反应的能量中性调节信号。这将促进快速反应资源更多地参与监管服务市场，并减少传统发电资产提供监管的需求，使其能够更有效地运行。

　   卓越性能：与传统的调节信号里程相比，Minto飞轮设施提供的快速调节设定值里程高出2.3倍。

　   卓越的能力：诸如由Minto飞轮工厂提供的辅助服务不是产能产品。这些服务的采购不属于IESO市场更新计划的主旨，可以与过渡产能拍卖和增量产能拍卖计划分开进行。安大略省和其他市场的分离也一直是这样。

　    长寿命潜力：这是一项40年的资产，还有35年的可操作性。