中國儲能網訊：2020年3月，IRENA（國際可再生能源署）發布了《Electricity Storage Evaluation Framework: Assessing system value and ensuring project viability》。本文是報告第III部分全球8種儲能應用案例的第2部分：負荷調節。

英文原文鏈接：

https://www.irena.org/publications/2020/Mar/Electricity-Storage-Valuation-Framework-2020

1. 挑戰：鴨形曲線

電力負荷曲線實施電力系統分析中的典型曲線，代表消費者的用電需求。電網中VRE比例低時，該曲線有兩個尖峰，第一個出現在早上人們起床準備去工作的時間段，第二個出現在完善人們回到家中并使用電器設施（比如，做飯、看電視）的時間段。這種曲線有點像駱駝的駝峰，因此也被叫做“駝峰曲線”（圖1）?！榜劮迩€”的負荷是可以預測的，調節需求并不陡峭。

來源：Red Electrica de Espana（REE）。

圖1 2019年1月31日西班牙的電力需求曲線

當VRE比例提高，尤其是光伏發電增加，凈負荷曲線會發生顯著變化（凈負荷曲線等于系統需求減去VRE發電）。光伏一般在中午達到高峰，入夜則快速消失。高比例的光伏發電將提高早上降坡調節需求和晚上的爬坡調節需求。光伏也會帶來中午的電力超發，這會將“駝峰曲線”改變成“鴨形曲線”，見圖2（GSES，2015）。

注：本案例中，“鴨形曲線”是凈負荷曲線（紅色斷點線），“駝峰曲線”是負荷曲線（黑線）。

數據來源：CAISO（2019）。

圖片來源：Mashal和Sloane（2018）。

圖2 2018年5月15日的加利福尼亞電力系統凈負荷曲線

“鴨形曲線”已經是加利福尼亞的主要負載特征曲線，加利福尼亞也是最早發生“鴨形曲線”的地方。但在美國其他地方，如新英格蘭州（Roselund，2018），也發現了類似曲線。為了治理凈負荷曲線，電網運營商需要一種資源來快速動作，來調節電力生產并滿足陡峭的變化需求。在加利福尼亞，第一次爬坡調節發生在早上，從早上4點左右開始。

降坡調節發生在日出后早7點左右，此時太陽能發電開始替代傳統發電。在下午5點左右太陽下山時，太陽能發電停止，電網運營商必須調度資源來滿足第三次也是最陡峭的日常調節，大約需要在3小時內調度1100MW的發電能力來滿足需求。這需要系統有50MW/分鐘的爬坡能力和非常靈活的電力系統。

2. 靈活調節方案

很明顯，“鴨形曲線”是一個可靠性影響因素，系統運營商需要找到一個解決方案來平滑該曲線。這些方案，比如電加熱控制、需求響應或儲能系統，已經在文獻“teach the duck to fly”（Lazar，2016）（在該文獻中，作者采用了隱喻來表達“鴨形線”平滑）中提出來了。這些方案在技術上是可行的，可以幫助電網實現對“鴨形曲線”的有效調節。由于具備快速充放電的能力，儲能可能是平滑“鴨形曲線”的最好方案。

然而，為了激勵儲能的應用，這些技術必須有足夠的靈活性來參與電力市場?；谶@一點，美國的一些獨立系統運營商（ISOs）已經實施了靈活調節產品（FRP）。FRP可以為運營商提供足夠的調節能力來避免VRE（主要是光伏）帶來的任何電力不平衡。

FRP是一種輔助服務并且常有兩個獨立的產品，一個是爬坡調節，叫做靈活爬坡（FRU），另一種是降坡調節，叫做靈活降坡（FRD）。這種產品可以綜合需求和VRE的調節要求，將凈負荷偏差考慮進來，然后反映出調節預測的不確定性。在預測上，像電網系統其他備用要求一樣，FRP試圖將需求和VRE的預測偏差考慮進來。圖3給出了一個示例，在給定凈負荷曲線和預測不確定度時，FRP的調節要求是怎樣的。

圖3 FRP調節要求的計算

圖3中，為了計算第一階段的調節要求，運營商先確定第二階段的三個點，分別對應下一階段的預測凈負荷、這一階段的凈負荷不確定度上限、這一階段的凈負荷不確定度下限。在上圖示例中，FRP只需要進行爬坡調節。然而，如果降坡的不確定度低于第一階段的凈負荷（如，500MW），這時也會產生降坡靈活性調節要求。至于該輔助服務的價格方面，這通常是調節需求限制的邊際價格，意味著獨立系統運營商（ISO）需要為額外的MW/min調節能力支付一筆錢，以保證在下一個調度時段滿足調節要求（Wang and Hodge，2017）。

已知的最好的獨立系統運營商（ISO）FRP來自于加利福尼亞獨立系統運營商（CAISO）。該產品在2016年11月實施完成，主要對15分鐘、5分鐘市場提供服務（CAISO，2015）。除了CAISO，中美獨立系統運營商（MISO）也實施了FRP，不過采用的名稱是調節能力產品（MISO，2016）。

3. 儲能用于靈活調節的影響

前述章節中提到的一些電網運營商已經應用的創新產品，能夠激勵諸如儲能系統等靈活性資源的應用。這可能帶來額外的收入，使得這些項目在經濟上具備可行性。換句話說，FRP為儲能系統的快速調節能力帶來了現金流，可以讓這些資源從中賺錢。一些電力市場通過引入這項輔助服務，可能帶來儲能技術的推廣。

比如，加利福尼亞正在鼓勵儲能系統的推廣，根據加利福尼亞公共事業委員會的要求（California Energy Commission，2018），計劃在2020年新建1.3GW儲能。自2016年以來，CAISO已經建設了總計80MW/150MWh的電池儲能系統，包括圣地亞哥天然氣和電力公司建設位于EI Escondido的北美最大鋰電池設施（30MW/120MWh）（Davis，2018）。

從長遠看，AES公司正計劃在AES Alamitos能源中心建造世上最大的電池儲能系統。該項目容量為300MW/1200MWh，其中一期100MW計劃在2020年上線（AES，2018）。這些產品的應用可以為電力市場靈活性賦能，從而激勵投資者去推廣這些技術。

在允許淺充電的情況下，電動汽車（EVs）也是一種能夠提供為電網靈活調節能力的資源。然而，如果電動汽車不能淺充電（通常指不受控制的充電），它們可能對電網的可靠性形成威脅，因為它們會加劇晚高峰，從而讓“鴨形曲線”更陡峭。因此，發展智能充放電技術是釋放電動汽車靈活性調節能力最重要的部分。

4. 儲能提供靈活調節

電池儲能系統已經為加利福尼亞帶了了靈活調節能力。CAISO的網站上顯示了一些電池儲能系統的實時調度數據。但是這些圖片沒有很清晰地表明這些電池實際上在提供哪些服務，只能看到電池是如何對市場信息進行響應以及電池如何與高比例光伏發電進行互動的。圖4顯示了CAISO電網在2018年12月20日光伏發電和電池調度情況（CAISO，2019）。

圖4 CAISO電網在2018年12月20日光伏發電和電池調度情況

只根據CAISO的數據來分析光伏發電和電池之間的關系并不容易?？雌饋?，電池同時提供了靈活性調節、能源套利、運行備用以及其他可能的服務。一旦應用，儲能可通過同時提供多種服務來使得收益最大化。此外，相對于負荷尖峰，目前安裝的電池容量仍然太少，但它們對電網調度的影響是顯著的。一旦所有計劃的儲能項目得以實施（2020年建設1.3GW），靈活調節產品的供應將會有更多詳實的信息來進行分析。圖5顯示了儲能參與靈活調節產品對“鴨形曲線”的影響。

注：圖中顯示的是對一條饋線的影響，不是整個CAISO系統。

來源：Sunverge（2019）。

圖5 儲能對“鴨形曲線”的影響

除此之外，一些文獻研究了電池提供靈活調節產品相關服務的最佳策略。Hu等（2018）學者研究了電池聚合商如何更好提供差異化的服務，包括FRP，來實現收益最大化。進一步，Kim等（2017）研究了電動汽車提供FRP的能力，發現電動汽車可以降低運行電網成本，尤其是在VRE資源非常多樣化的地區。

5. 結論（案例2：靈活調節）

高比例VRE的多樣性和不確定性重塑了電網負荷曲線。當僅僅是光伏發電的比例很高時，負荷曲線變成了“鴨形曲線”，“鴨形曲線”是加利福尼亞電網的最顯著特征。該曲線的典型特征是需要電網中的其他資源來提供很高的調節能力。儲能等靈活性技術可以滿足這些要求并平滑“鴨形曲線”。能夠激勵儲能推廣和應用的產品可有助于平滑“鴨形曲線”。

CAISO已經開發了一種產品來購買必須的靈活調節服務，以滿足在所有時間段的負荷調節要求。CAISO的儲能應用仍然在增長，到2020年仍需新建1.3GW儲能。儲能是否在提供靈活調節難以評估，但是，一旦儲能得以推廣到一個較高的水平，圖5中的效果是可以預見的。

6. 擴展閱讀

參見Innovation LandscapeBrief（2019），“Innovative ancillary services”，獲得更多關于輔助服務的信息。