大容量儲能與輸電網(wǎng)投資分析

李 磊

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

風(fēng)能和太陽能光伏（PV）等可變可再生能源發(fā)電（RES electricity）的部署大幅增加，正在改變未來電力系統(tǒng)的運營和管理方式。由于可變可再生能源發(fā)電（主要是風(fēng)能和光伏）的比例很高，未來的電力系統(tǒng)將在“振幅”和“頻率”兩個維度上的幾個時間尺度上受到越來越大的“壓力”。大容量儲能技術(shù)在一天中的某些時間點快速釋放大量儲存的電力或減少負載的能力（例如提供調(diào)節(jié)功率、輸出平滑等），可以緩解電力系統(tǒng)中可變可再生能源發(fā)電的高份額所帶來的許多挑戰(zhàn)。一方面，額外的可變可再生能源電力在能源系統(tǒng)中引入了更頻繁的價格波動，另一方面，降低了高峰和非高峰時段之間的價格套利，這是決定儲能經(jīng)濟性的一個重要參數(shù)［1-2］。

1 理論及實驗分析

1.1 大容量儲能技術(shù)分析

在更廣泛的背景下估計了選定的不同地區(qū)批量EST的未來潛力。下一步，將確定的大量EST潛力與歐洲國家／地區(qū)層面未來風(fēng)電部署的空間分布相匹配，以便能夠估計大規(guī)模EST實施的可能直接效益，以平衡現(xiàn)有電力系統(tǒng)。對于不同的選擇案例，討論了在不同約束條件下批量EST的經(jīng)濟性。

對大容量儲能技術(shù)實施的未來潛力及其對緩解大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電造成的可變性和間歇性的貢獻的估計并不是基于對地區(qū)電力系統(tǒng)的詳細建模，而是基于對該主題的現(xiàn)有工作、研究和建模結(jié)果的總結(jié)和綜合。該潛在分析的時間范圍主要是2020年、2030年和2050年。

在估計大規(guī)模EST（儲能技術(shù)）的未來潛力后，根據(jù)可再生能源電力部署模擬工具得出的建模結(jié)果，提供了在各種不同的可能政策設(shè)置和限制下，每個地區(qū)的年度安裝可再生能源發(fā)電能力和發(fā)電量的未來情景。分析歐洲不同地區(qū)風(fēng)力部署的空間分散性是能夠進行以下“匹配”演習(xí)的先決條件。

在不同的地區(qū)，風(fēng)電部署的空間分散性和大規(guī)模EST潛力在國家／地區(qū)層面上是匹配的，以便能夠大致估計大規(guī)模儲能技術(shù)實施的可能直接效益，特別是在那些“壓力重重的電力系統(tǒng)中，剩余的化石或核電站組合不太靈活。此外，還應(yīng)考慮儲能技術(shù)潛力或經(jīng)濟性能的各種其他參數(shù)的影響及其在電力系統(tǒng)中的作用。

發(fā)電組合圖如圖1所示。在2010年，平衡電力系統(tǒng)所需EST（或其他靈活發(fā)電技術(shù)）的數(shù)量很低（最大振幅為13GW），所需的靈活發(fā)電能力大幅提高，直到2030年。特別是在高風(fēng)力輸入（即低剩余負荷）的時候，需要高的泵送能力（比較負振幅的PHES為20～30kMW）。到2030年，已安裝的發(fā)電廠容量不足以滿足負荷需求，將需要新的柔性發(fā)電機組（如PHES、燃氣輪機等）。

圖1 發(fā)電組合圖

1.2 輸電網(wǎng)投資的成本效益分析

兩個批發(fā)價格水平不同的市場耦合時價格效應(yīng)的基本原理根據(jù)前期研究所決定。低價市場L的特點是“廉價”和過剩的發(fā)電能力，尤其是靈活的水力發(fā)電，而高價市場H的特點則是“更昂貴”的發(fā)電能力和更低的容量利潤。

由于市場耦合，出口市場L的批發(fā)電價上漲，這與低價市場中生產(chǎn)者盈余的增加同時發(fā)生。相反，進口低價市場的價格下降，導(dǎo)致高價市場的消費者盈余增加。在有足夠的跨訂單輸電能力的情況下（沒有阻塞），H和L的價格水平趨同，社會盈利（即生產(chǎn)者和消費者盈余之和）將最大化。兩個耦合市場的綜合凈出口／進口曲線如圖2所示。

圖2 兩個耦合市場的綜合凈出口／進口曲線

在圖2中，L和H兩個市場的凈出口／進口組合曲線顯示了價格的趨同。如果僅實施容量為q1，2，即擁堵的走廊，則區(qū)域E和F分別代表H和L市場中的盈利收益。在耦合市場L和H的擁擠輸電線路的情況下，走廊的擁擠租金是區(qū)域G，擁擠成本（盈利損失）是區(qū)域H。擁擠租金（或交易利潤）與走廊的價格差和容量成比例。這意味著，在社會盈利最大的情況下（例如），擁堵租金為零，即走廊的私人運營商（例如商業(yè)輸電線路）對耦合市場的價格趨同沒有興趣。對于線性凈出口曲線［3-5］，有：

因此，為了確定高價市場和低價市場耦合中的社會盈利收益，開發(fā)了兩個市場的優(yōu)次曲線及其各自的電力需求。優(yōu)次曲線是根據(jù)參與各自市場地區(qū)的發(fā)電技術(shù)組成，以及對不同技術(shù)的短期邊際發(fā)電成本的估計而建立的。

對于每個市場，根據(jù)2019年的小時負荷值建立了四個不同的參考負荷函數(shù)：夏季／冬季高峰和夏季／冬季非高峰。低價市場和高價市場的既定需求和發(fā)電曲線如圖3和圖4所示。由于北池市場以高水力發(fā)電份額為特征，冬季的可用性高于夏季，因此建立了兩個不同的發(fā)電量線性近似曲線，而夏季曲線顯示出更高的斜率。

圖3 高價市場中的發(fā)電和需求功能

圖4 低價市場中的發(fā)電和需求函數(shù)

兩個耦合市場的綜合凈出口／進口曲線示例如圖5所示。是為所有四種不同的需求函數(shù)建立的，并確定了走廊各自的最佳容量。不同參考情況下的走廊通行能力最佳值見下表。

表 確定H-L市場耦合的最優(yōu)走廊容量

圖5 冬季峰值參考情況下兩個耦合市場的凈出口／進口組合曲線

可以看出，冬季和夏季的最佳產(chǎn)能差異很大，這是由于孤立市場的季節(jié)性價格差異很大。

在完全市場耦合（即沒有擁塞）的情況下，消費者盈余和生產(chǎn)者盈余的相對變化如圖6所示?？梢钥闯?，低價市場的生產(chǎn)者過?？梢栽黾?0%以上，而高價市場的生產(chǎn)者盈余下降了約20%。在消費盈余中只觀察到了微小的變化，高價市場顯示出小幅增長。然而，就在低價市場中獲得更靈活的（水力發(fā)電）發(fā)電而言，高價市場額外獲利。

圖6 完全耦合市場情況下消費者和生產(chǎn)者盈余的相對變化

為了估算L-H市場走廊的最高年度擁堵租金，必須將一年的每小時擁堵租金相加。因此，應(yīng)將表中表示一年中四個不同需求參考案例的最大擁堵租金分別乘以2190（年小時數(shù)除以4）并相加。

這兩種技術(shù)選擇，即大規(guī)模EST和輸電網(wǎng)擴建，都是完美運行未來電力系統(tǒng)所必需的，可再生能源電力公司的份額很高。優(yōu)選措施（輸電擴展與大容量EST）取決于地區(qū)要求，主要通過成本／效益分析來決定。

2 結(jié)束語

本文研究結(jié)果表明，由于批量EST的未來潛力有限，還需要增加未來電力系統(tǒng)靈活性的其他技術(shù)選擇（如需求側(cè)管理、虛擬電廠、生物質(zhì)／沼氣和熱電聯(lián)產(chǎn)廠的額外靈活性等）。此外，還展示了輸電網(wǎng)投資對市場互聯(lián)走廊的影響，并將在這方面提供一些指導(dǎo)。盡管如此，對于這兩種技術(shù)選擇，由于社會接受度的問題仍有必要進行進一步的分析。