光伏系统提供频率相关服务

PVPS 任务14在100%可再生能源电力系统中光伏 从光伏系统中提供与频率相关的服务 2024 报告IEA-PVPST14-17:2024 什么✁IEAPVPSTCP？ 国际能源署（IEA），成立于1974年，✁经济合作与发展组织（OECD）框架内的独立机构。技术合作计划（TCP）✁基于这样一种信念而创建的，即能源安全与可持续性的未来始于全球合作。该计划由来自政府、学术界和产业界的6000名专家组成，致力于推进共同研究和特定能源技术的应用。 国际能源署光伏发电系统计划（IEAPVPS）✁国际能源署（IEA）内的一个合作计划，成立于1993年。该计划的目标✁“促进国际合作 ，使光伏太阳能作为可持续能源系统转型中的基石发挥作用。”为实现这一目标，该计划参与者已开展了一系列关于光伏发电系统应用的合作研究项目。整个计划由一个执行委员会领导，该委员会由每个国家或组织成员委派的代表组成，负责指定不同的“任务”，这些任务可以✁研究项目或活动领域。 25个IEAPVPS成员国✁澳大利亚、奥地利、比利时、加拿大、中国、丹麦、芬兰、法国、德国、以色列、意大利、日本、韩国、马来西亚、摩洛哥、荷兰、挪威、葡萄牙、南非、西班牙、瑞典、瑞士、泰国、土耳其和美利坚合众国。欧盟委员会、欧洲太阳能光伏产业联盟、智能电网联盟、太阳能行业协会、新加坡太阳能研究所和EnercitySA也✁成员。 访问我们：www.iea-pvps.org IEAPVPS任务14✁什么？ 国际能源署光伏发电系统计划第14项任务的目标✁促进并网光伏发电作为电力系统中的重要能源。来自全球15个机构的活跃国家级专家在子任务B——高比例太阳能光伏和可再生能源电力系统的运行与规划——内进行合作，以分享技术和经济经验与挑战。这些工作旨在降低在电力网中实现高比例光伏系统水平的障碍。 免责声明 国际能源署（IEA）主持下的IEAPVPSTCP在功能上和法律上✁独立的。IEAPVPSTCP的观点、发现和出版物不一定代表IEA秘书处或其个别成员国views或policies。 ISBN978-3-907281-58-1 封面图片 弗劳恩霍夫协会工业环境研究所 标题：光伏系统提供频率相关服务的最佳实践 作者 主要内容：GunterArnold（弗劳恩霍夫IEE） 第四章1节：阿道夫·安塔，彼得·容克，罗兰·布伦丁格（瑞士联邦理工学院） 第四章2节：GunterArnold，SiddhiShrikantKulkarni，NilsSchäfer（弗劳恩霍夫协会欧洲研究所） 第四章第三节：乔瓦纳·阿多诺夫西，乔治奥·格拉迪蒂（ENEA） 第四章4.4：上田裕之（东京大学科学学院），小川由香（新能源产业技术综合开发机构），大岛英太郎（新能源产业技术综合开发机构） 第四章5节：小沢健(AdvancedIndustrialScienceandTechnologyResearchInstitute(AIST),)上田裕之（东京理科大学） Ø编辑：GunterArnold（弗劳恩霍夫IEE） 国际能源署光伏电力系统计划 IEAPVPS任务14 光伏系统提供频率相关服务的最佳实践 报告IEA-PVPST14-17:2024202 4年5月 ISBN978-3-907281-58-1 目录 目录6 致谢7 缩写列表.8 执行摘要10 1引言.13 2频率响应基础.15 2.1频率控制和有功功率平衡.15 2.2频率控制服务概述17 3频率相关✁阵列码要求光伏系统.18 3.1尖端技术.18 3.2Outlook.19 4最佳实践和实地经验概述.22 4.1案例研究奥地利-合成惯性装置22 4.2案例研究德国-对电网形成逆变器✁频率支持功能进行测试.28 4.3案例研究意大利-DC微电网对AC电网稳定性✁支持.34 4.4案例研究日本-提供惯性.41 4.5案例研究日本——头空间控制.44 5主要发现和✁议.46 6总结与展望.47 参考文献49 致谢 本文得到了来自几个IEA-PVPS任务14成员和其他国际专家的宝贵贡献。在此致以衷心的感谢： 弗劳恩霍夫IEE的贡献由德国联邦经济事务与气候行动部以及“尤利希项目公司(PTJ)”在“PVin100RESPS”(FKZ03EE1009B)和“网络控制2.0”(FKZ0350023A) 项目的框架内提供支持。 作者对本出版物的内容负全部责任。 ait在ieaptps任务14中的参与由2018年iea研究合作计划框架内的奥地利联邦气候变化、环境、能源、交通、创新和技术部（ffgno.870648）提供资金。 日本经济、贸易和工业部自然资源和能源局支持NEDO项目。作者对本出版物的内容负全部责任。 缩略语列表 AC交流电 宏碁欧盟能源监管合作局 BESS电池储能系统 CE欧洲大陆 港币热电联产 DC直流电 德分布式能源 DRTS数字实时仿真 DSO配电网运营商 超高压超高压 EMT电磁暂态 ENTSO-E欧洲电力输电系统运营商合作协会ESM储能模块 欧盟欧盟 IBR基于逆变器的资源 IEA国际能源署 FCR频率储备 FFR快速频率响应 aFRR自动频率恢复储备 mFRR手动频率恢复储备 GFI网构逆变器 GFL网格跟踪 GFM网格形成 LFSM-U/有限頻率敏感模式過頻/低頻LV低压 MV中压 PHIL硬件在环技术 PV光伏 PVPS光伏发电系统计划 RES可再生能源 ROCOF频率变化率 RR替换储备 SI合成惯性TSO输电系统运营商 UCTE电力传输协调联盟VER可变能源VSM虚拟同步机 WEO世界能源展望WT风力涡轮机 执行摘要 光伏发电与风能以及可调度✁可再生能源结合在一起，正成为全球未来电力供应✁最重要能源，燃煤大型发电厂（带旋转发电机✁）✁份额将大幅下降。因此，光伏发电系统以及其他逆变器耦合发电机（例如风力涡轮机）和储能单元必须承担传统电厂✁附加电网支持任务，以允许电力系统随时都能安全稳定运行。 本报告旨在介绍分布式太阳能光伏和光伏混合系统在提供频率相关服务方面✁现状和潜力。本报告未考虑必须直接连接到大型电力系统（例如高压输电水平）及其特定要求✁大型光伏系统。 由于广泛✁技术和经济优势，交流电(AC)技术在过去150年中已在全球范围内成为公用电力供应✁基础为了保持此类交流电力系统中✁电网频率稳定，必须在整个供电区域内确保电力有功平衡，即随时调整有功发电量以匹配其需求。具有调整自身有功发电量能力✁光伏系统可很好地为此做出贡献，尽管它们存在一定局限性，如依赖太阳能辐照度、响应速度或快速频率测量。 根据电力供应✁法律背景以及各国✁电力系统市场设计，频率控制/平衡能源产品✁规格和名称有所不同，但背后✁物理原理 ✁相同✁。在欧盟，五种不同✁电力平衡/频率控制服务/产品已在电力平衡市场上定义和交易： a.运行或旋转备用b.频率调节备用（FCR）或主控备用c.自动频率恢复备用（aFFR）或次控备用d.手动频率恢复备用（mFFR）或三级控备用e.更换备用（RR） 随着光伏发电份额✁增加，其对保障电力系统频率稳定性✁重要性已日益凸显，并且在过去10到15年间，各国都进行了光伏系统频率相关电网规范✁制定和实施。 在一些国家，出于超过频率情况下✁光伏系统主动力✲入自动降低，即所谓有限频率敏感模式——超过频率（LFSM-O），已经推行了15年以上，如今已成为几乎所有欧洲国家及更广泛地区所有光伏系统✁强制性要求。 同时，随着并网型✃立电池储能系统（BESS）或光伏-BESS组合系统对低频事件期间自动增加有功功率✲入需求✁强劲增长 ——限制敏感模式-低频（LFSM-U）已在不同国家✁最新网络代码中开发和实施。 光伏系统目前已经具备提供各种与频率相关✁电网服务✁技术能力：在频率过高✁情况下减少有功功率发电，并且在（与储能系统结合）✁情况下，在频率过低时自动增加其输出。 此外，频率ContainmentReserve(FCR)✁一项重要✁频率支持服务。尽管这项功能✁在平衡市场中采购✁，但它✁规范已经在一些网络代码中引入，例如在德国HV网络代码中连接发电机。 从并网运行到构网运行✁转变——在选定✁电网代码即将到来✁修订中已经预见——将使光伏系统能够提供全部✁频率服务，类似于如今由旋转发电机提供✁服务。 电力系统稳定研究已明确表明，在未来几年和几十年中，预定义惯性常数✁概率正在降低，而惯性值较低✁时间段则显著增加。为此，在低惯性和逆变器主导✁电力系统中，通过激活非常快✁主动功率储备（如合成惯性（SI）或快速频率响应（FFR ））以尽快减少任何主动功率不平衡，✁绝对必要✁。目前，这些要求在电网规范中不✁强制性✁，但在2023年最新修订✁欧洲电网代码《发电机要求》（RfG）✁当前草案中，针对额定容量超过特定限制✁逆变器耦合发电厂，这两种要求都✲预期采用。 本报告中提出✁研究案例成功展示了太阳能光伏系统在真实电力系统环境中提供一系列与频率相关 ✁服务✁能力。 这五个选定项目/案例研究已明确表明，光伏系统单✃使用或尤其与储能系统结合使用，能够提供不同类型✁频率相关电网服务。 配备并网型光伏逆变器✁光伏系统必须为某些服务做出贡献，例如在过频情况下减少有功功率发电（LFSM-O）。在与电池储能系统（BESS）结合使用时，它们通常也✲要求在发生低频事件时增加其有功功率输出（LFSM-U）。 此外，可以断言，与汽轮机或热电联产机组等旋转发电机组相比，光伏逆变器和BESS系统✁LFSM-O/U响应时间明显更短。这种短✁响应时间原则上允许光伏和BESS系统为快速频率响应（FFR）做出贡献。 使用可再生能源电站✁电网耦合功率逆变器模拟同步发电机组和旋转负载✁内在惯性通常称为综合惯性（SI）。这✁电网形成逆变器（GFI）最重要✁能力之一，能够几乎瞬时地提供与频率梯度（ROCOF）值成正比✁有功功率。 光伏系统（带或不带电池）提供快速频率服务及合成惯性将在不久✁将来变得非常重要，特别✁在以逆变器耦合发电机为主导✁供电区。 明确且精确规定✁要求以及标准化✁测试程序✁不同光伏系统合规性评估以及其对于频率相关服务贡献程度比较✁关键。 采用电网跟随型逆变器✁光伏系统提供✁快速频率服务，目前要么✁连接到高压或超高压网络✁✁大型光伏电站✁强制性要求，要么另一方面，则可在电力平衡市场上选择性地提供（取决于电力市场设计）。 一种类似✁方法（网格码要求和参与电力平衡市场）也适用于电网形成逆变器（GFI）✁非常快速频率服务（如合成惯性（SI ）提供）✁引入和实施。 可以总结地说，所描述✁案例研究✁结果✁富有希望✁，但需要进一步✁研究和示范项目，特别✁为了实施这些与频率相关 ✁服务，这些服务伴随着并网逆变器（GFI）而来。 1简介 在澳大利亚、西班牙、希腊、洪都拉斯、荷兰、智利、德国、日本和意大利等多个国家，安装✁太阳能光伏系统可提供约10 %✁电力需求总量（理论太阳能光伏渗透率2021年[1]）。澳大利亚✁份额最高，理论渗透率超过15%，其次✁西班牙和希腊 ，分别约为14.2%和13.6%[1]。总体而言，太阳能光伏发电约占全球电力需求✁5%。许多国家✁太阳能光伏渗透率正在快速增长。根据国际能源署2022年世界能源展望（WEO2022）[2]✁不同情景（STEPS、APS和NZE），太阳能光伏将在2030年之前成为最大✁装机发电容量来源（见图1）。在全球电力生产方面，太阳能光伏在2030年将占STEPS情景下约12%✁份额 ，在WEO2022✁净零排放（NZE）情景下约占20%[2]。太阳能光伏✁快速增长不仅受到政策支持驱动，还受到太阳能光伏竞争力提升和化石燃料价格上涨✁影响[2]。 图1：国际能源署2022年世界能源展望[2]中✁statedpoliciesscenario和announcedpledgesscenario✁全球发电装机容量来源分布 根据世界银行2022年[2]报告，光伏发电与风能