大容量儲能與輸電網投資分析

李 磊

（寧夏棗泉發電有限責任公司）

0 引言

風能和太陽能光伏（PV）等可變可再生能源發電（RES electricity）的部署大幅增加，正在改變未來電力系統的運營和管理方式。由于可變可再生能源發電（主要是風能和光伏）的比例很高，未來的電力系統將在“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（例如提供調節功率、輸出平滑等），可以緩解電力系統中可變可再生能源發電的高份額所帶來的許多挑戰。一方面，額外的可變可再生能源電力在能源系統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，這是決定儲能經濟性的一個重要參數［1-2］。

1 理論及實驗分析

1.1 大容量儲能技術分析

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

對大容量儲能技術實施的未來潛力及其對緩解大規?？稍偕茉窗l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電力系統的詳細建模，而是基于對該主題的現有工作、研究和建模結果的總結和綜合。該潛在分析的時間范圍主要是2020年、2030年和2050年。

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

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

發電組合圖如圖1所示。在2010年，平衡電力系統所需EST（或其他靈活發電技術）的數量很低（最大振幅為13GW），所需的靈活發電能力大幅提高，直到2030年。特別是在高風力輸入（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，已安裝的發電廠容量不足以滿足負荷需求，將需要新的柔性發電機組（如PHES、燃氣輪機等）。

圖1 發電組合圖

1.2 輸電網投資的成本效益分析

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

由于市場耦合，出口市場L的批發電價上漲，這與低價市場中生產者盈余的增加同時發生。相反，進口低價市場的價格下降，導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域G，擁擠成本（盈利損失）是區域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，開發了兩個市場的優次曲線及其各自的電力需求。優次曲線是根據參與各自市場地區的發電技術組成，以及對不同技術的短期邊際發電成本的估計而建立的。

對于每個市場，根據2019年的小時負荷值建立了四個不同的參考負荷函數：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電曲線如圖3和圖4所示。由于北池市場以高水力發電份額為特征，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 高價市場中的發電和需求功能

圖4 低價市場中的發電和需求函數

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能差異很大，這是由于孤立市場的季節性價格差異很大。

在完全市場耦合（即沒有擁塞）的情況下，消費者盈余和生產者盈余的相對變化如圖6所示?？梢钥闯?，低價市場的生產者過?？梢栽黾?0%以上，而高價市場的生產者盈余下降了約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（水力發電）發電而言，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（年小時數除以4）并相加。

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

2 結束語

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