户用电池储能仍是解决太阳能“鸭子曲线”问题的最佳方案

  • 2021年01月04日
  • 作者: Selina Shi

    Selina Shi

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  • 翻译: Selina Shi

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图1:户用电力

图1:户用电力

图2:有/无电池时的净功率流

图2:有/无电池时的净功率流

图3:10月20日-24日的西澳洲发电量

图3:10月20日-24日的西澳洲发电量

图4:每户加装10kWh电池的效果

图4:每户加装10kWh电池的效果

因屋顶太阳能增长导致的电力不平衡会令白天的电力运行需求下降。在晴朗的天气里,当午后太阳落山时,屋顶发电量会迅速减少,这就需要传统的化石燃料发电机来迅速提高输出功率,此时就会出现电网稳定问题。

晚间,家庭用电需求的增加加剧了这一问题。解决鸭子曲线问题的自下而上的简单解决方案是在单个户用太阳能系统中增加电池储能以平滑净功率曲线。这一解决方案众所周知,也经常被提及。

然而,可以用于评估备选方案并做出决定的详细信息却非常少。我们就一项旨在确定户用电池对家庭和电网电力性能影响研究的研究结果展开了讨论。

图1展示的是一户家庭存在的问题。图1曲线(a)显示了一个典型家庭的日常负荷曲线。澳大利亚家庭的日用电量约为20kWh,早上和午后/晚上是负荷高峰。白天和深夜的用电量最少。

图1中的曲线(b)显示的是,在西澳州珀斯的一个晴朗春日,一个4kWp屋顶太阳能阵列向房屋提供的太阳能发电的计算结果。太阳能发电量在正午时分达到峰值,而可利用的电力此时却几乎没有用处。

在这晴朗的一整天里,由于负荷和供应曲线的不匹配,这户家庭只利用了38%的可用太阳能发电。日间超过负荷的电力假设都会被输入电网。

图1中的曲线(c)显示的是进出房屋的净功率流量(负值为输出功率)。这相当于一户家庭的鸭子曲线。正午时分输出的太阳能电发电减少了电网的运行需求。

屋顶太阳能发电量的下降以及家庭负荷的增加令净电量在下午开始增长。由于家庭电力供需不同步,电网需要在下午提供备用电以满足不断增长的负荷。

在家庭电流中加入10kWh电池的效果如图2曲线(b)所示。

日间储能让输出电力从17.5kWh降至7.5kWh,降幅超过60%。这些电力满足了晚间负荷需求,使家庭太阳能一天的自给率从38%提高到82%。

如图2曲线(c)所示,再增加10kWh储能(共计20kWh)就可以让曲线完全平滑,实现这一天的家庭自主用电。另外,电池中保留了4kWh电力,用于在晚上8点输送给电网。

图3是把图2所示的家庭用电放在西澳大利亚州电网电流背景时的情形。图3(a)显示了2020年10月20-24日这一周的在运和基本电力需求曲线。

运行需求曲线包括了除屋顶太阳能外的所有形式的发电。所有的日子都是晴天,高峰期电力需求约为2500MW。屋顶太阳能在晴天中午可提供约1100MW电力,相当于高峰期需求的45%。

如图2所示,一户家庭的4KWp屋顶阵列在中午的输出峰值功率流量约为-3kW。与电网功率水平相比,这似乎是一个很小的数字。

但是,如果将拥有屋顶太阳能且并入电网的西澳洲房屋的数量与功率(kW)相加,那么这个数字就很可观了。在西澳州,屋顶太阳能是最大的电网电力来源。

据估计,在西澳州约110万栋房屋中,约33%拥有屋顶太阳能。如果这些房屋在中午向电网输出3kW功率,那么总功率可达到约1.1GW,这与AEMO的数据相当一致。

如图3(a)所示,屋顶太阳能的供应量在午后迅速归零。在满足增长的晚间负荷高峰的同时,必须通过迅速增加可用的可调度电力来弥补这一电力损失。

图3b为每户屋顶太阳能增加10kWh储能的效果。与图3a的对比可以看出,增加储能后,屋顶太阳能向电网供应的电量从57.2GWh减少到只有7.5GWh,平均每天减少87%。

这些电力被储存起来,用于满足下午3点以后的家庭晚间负荷需求。

因此,满足下午负荷所需的电网每日电量从约1050MW下降到约460MW,减少了56%。

加装20kWh储能后,所有的屋顶太阳能发电都是自用的。这种电力转移发生在用户侧。

目前正在尝试的、解决间歇性屋顶光伏引起的电网不稳定的策略主要采用自上而下的方法,重点通过限制和控制屋顶和公用事业太阳能发电来提高电网稳定性。

这些方法包括限制太阳能电站输出、减少甚至取消上网电价、限制家用逆变器的大小以及采用大电池。事实证明,在电网中增加大型电池可以解决稳定性问题。

几乎所有已安装或拟安装的大电池都用于提供频率控制或缓冲短期电压波动。这些由于白天运行需求减少而引发的问题应该会和户用电池储能的出现一同消失,从而最大限度的减少家庭向电网的输出以及户用负荷需求。

在现有和新建屋顶太阳能系统中增加户用电池这一简单的、自下而上的流程不仅大大提高了太阳能自用率,而且最大限度的降低了输电和基础设施成本。

由于电池是安装在用户侧的,所以不需要额外的基础设施。这种方法应该可以快速推行。在电网层面,户用电力需求在一天内的下降和趋于平稳显而易见。

由于“鸭子”曲线问题源自于单个家庭的屋顶,因此在用户侧解决这个问题是顺理成章的。

在当前户用电池的成本已经降到低于大型电池的情况下,更是如此。

(责任编辑:Selina Shi)

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