大容量储能与输电网投资分析

李 磊

（宁夏枣泉发电有限责任公司）

0 引言

风能和太阳能光伏（PV）等可变可再生能源发电（RES electricity）的部署大幅增加，正在改变未来电力系统的运营和管理方式。由于可变可再生能源发电（主要是风能和光伏）的比例很高，未来的电力系统将在“振幅”和“频率”两个维度上的几个时间尺度上受到越来越大的“压力”。大容量储能技术在一天中的某些时间点快速释放大量储存的电力或减少负载的能力（例如提供调节功率、输出平滑等），可以缓解电力系统中可变可再生能源发电的高份额所带来的许多挑战。一方面，额外的可变可再生能源电力在能源系统中引入了更频繁的价格波动，另一方面，降低了高峰和非高峰时段之间的价格套利，这是决定储能经济性的一个重要参数［1-2］。

1 理论及实验分析

1.1 大容量储能技术分析

在更广泛的背景下估计了选定的不同地区批量EST的未来潜力。下一步，将确定的大量EST潜力与欧洲国家／地区层面未来风电部署的空间分布相匹配，以便能够估计大规模EST实施的可能直接效益，以平衡现有电力系统。对于不同的选择案例，讨论了在不同约束条件下批量EST的经济性。

对大容量储能技术实施的未来潜力及其对缓解大规模可再生能源发电造成的可变性和间歇性的贡献的估计并不是基于对地区电力系统的详细建模，而是基于对该主题的现有工作、研究和建模结果的总结和综合。该潜在分析的时间范围主要是2020年、2030年和2050年。

在估计大规模EST（储能技术）的未来潜力后，根据可再生能源电力部署模拟工具得出的建模结果，提供了在各种不同的可能政策设置和限制下，每个地区的年度安装可再生能源发电能力和发电量的未来情景。分析欧洲不同地区风力部署的空间分散性是能够进行以下“匹配”演习的先决条件。

在不同的地区，风电部署的空间分散性和大规模EST潜力在国家／地区层面上是匹配的，以便能够大致估计大规模储能技术实施的可能直接效益，特别是在那些“压力重重的电力系统中，剩余的化石或核电站组合不太灵活。此外，还应考虑储能技术潜力或经济性能的各种其他参数的影响及其在电力系统中的作用。

发电组合图如图1所示。在2010年，平衡电力系统所需EST（或其他灵活发电技术）的数量很低（最大振幅为13GW），所需的灵活发电能力大幅提高，直到2030年。特别是在高风力输入（即低剩余负荷）的时候，需要高的泵送能力（比较负振幅的PHES为20～30kMW）。到2030年，已安装的发电厂容量不足以满足负荷需求，将需要新的柔性发电机组（如PHES、燃气轮机等）。

图1 发电组合图

1.2 输电网投资的成本效益分析

两个批发价格水平不同的市场耦合时价格效应的基本原理根据前期研究所决定。低价市场L的特点是“廉价”和过剩的发电能力，尤其是灵活的水力发电，而高价市场H的特点则是“更昂贵”的发电能力和更低的容量利润。

由于市场耦合，出口市场L的批发电价上涨，这与低价市场中生产者盈余的增加同时发生。相反，进口低价市场的价格下降，导致高价市场的消费者盈余增加。在有足够的跨订单输电能力的情况下（没有阻塞），H和L的价格水平趋同，社会盈利（即生产者和消费者盈余之和）将最大化。两个耦合市场的综合净出口／进口曲线如图2所示。

图2 两个耦合市场的综合净出口／进口曲线

在图2中，L和H两个市场的净出口／进口组合曲线显示了价格的趋同。如果仅实施容量为q1，2，即拥堵的走廊，则区域E和F分别代表H和L市场中的盈利收益。在耦合市场L和H的拥挤输电线路的情况下，走廊的拥挤租金是区域G，拥挤成本（盈利损失）是区域H。拥挤租金（或交易利润）与走廊的价格差和容量成比例。这意味着，在社会盈利最大的情况下（例如），拥堵租金为零，即走廊的私人运营商（例如商业输电线路）对耦合市场的价格趋同没有兴趣。对于线性净出口曲线［3-5］，有：

因此，为了确定高价市场和低价市场耦合中的社会盈利收益，开发了两个市场的优次曲线及其各自的电力需求。优次曲线是根据参与各自市场地区的发电技术组成，以及对不同技术的短期边际发电成本的估计而建立的。

对于每个市场，根据2019年的小时负荷值建立了四个不同的参考负荷函数：夏季／冬季高峰和夏季／冬季非高峰。低价市场和高价市场的既定需求和发电曲线如图3和图4所示。由于北池市场以高水力发电份额为特征，冬季的可用性高于夏季，因此建立了两个不同的发电量线性近似曲线，而夏季曲线显示出更高的斜率。

图3 高价市场中的发电和需求功能

图4 低价市场中的发电和需求函数

两个耦合市场的综合净出口／进口曲线示例如图5所示。是为所有四种不同的需求函数建立的，并确定了走廊各自的最佳容量。不同参考情况下的走廊通行能力最佳值见下表。

表 确定H-L市场耦合的最优走廊容量

图5 冬季峰值参考情况下两个耦合市场的净出口／进口组合曲线

可以看出，冬季和夏季的最佳产能差异很大，这是由于孤立市场的季节性价格差异很大。

在完全市场耦合（即没有拥塞）的情况下，消费者盈余和生产者盈余的相对变化如图6所示。可以看出，低价市场的生产者过剩可以增加80%以上，而高价市场的生产者盈余下降了约20%。在消费盈余中只观察到了微小的变化，高价市场显示出小幅增长。然而，就在低价市场中获得更灵活的（水力发电）发电而言，高价市场额外获利。

图6 完全耦合市场情况下消费者和生产者盈余的相对变化

为了估算L-H市场走廊的最高年度拥堵租金，必须将一年的每小时拥堵租金相加。因此，应将表中表示一年中四个不同需求参考案例的最大拥堵租金分别乘以2190（年小时数除以4）并相加。

这两种技术选择，即大规模EST和输电网扩建，都是完美运行未来电力系统所必需的，可再生能源电力公司的份额很高。优选措施（输电扩展与大容量EST）取决于地区要求，主要通过成本／效益分析来决定。

2 结束语

本文研究结果表明，由于批量EST的未来潜力有限，还需要增加未来电力系统灵活性的其他技术选择（如需求侧管理、虚拟电厂、生物质／沼气和热电联产厂的额外灵活性等）。此外，还展示了输电网投资对市场互联走廊的影响，并将在这方面提供一些指导。尽管如此，对于这两种技术选择，由于社会接受度的问题仍有必要进行进一步的分析。