案例2：柔性爬坡
本文是根據(jù)IRENA2020年《Electricity Storage Valuation Framework》翻譯整理而成，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。
1.挑戰(zhàn)——鴨子曲線
電力系統(tǒng)分析中最具特征的曲線之一是需求曲線或負(fù)荷曲線，它表示用戶在每個時段（秒、分、小時）所需的能源。在VRE（Varied Renewable Energy）滲透率較低的電力系統(tǒng)中，這一曲線通常有兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在早晨人們在家準(zhǔn)備上班時，第二個峰值出現(xiàn)在晚上人們下班后使用電器（例如做飯、看電視時）。這種曲線的形狀有時被比作駱駝及其駝峰，因此被稱為“駱駝曲線”。
這條曲線是可預(yù)測的，也不要求坡道非常陡。總體來說，目前發(fā)電已經(jīng)足夠靈活地滿足這條曲線的需求。當(dāng)VRE尤其是太陽能光伏滲透率開始增加時，凈負(fù)荷曲線的形狀會發(fā)生顯著變化。光伏發(fā)電的主要特點是其可變性：太陽早晨升起時太陽能光伏發(fā)電量增加，在接近中午時光伏發(fā)電量達(dá)到峰值，晚上落山時太陽能光伏發(fā)電迅速消失。太陽能光伏的可變性提高了對高滲透率發(fā)電系統(tǒng)的上午下降坡道以及晚上上升坡道要求。光伏發(fā)電也可能會在中午形成供給大于需求的狀態(tài)。
2. 柔性坡道解決方案
鴨子曲線最早在加利福尼亞被發(fā)現(xiàn)，而且曲線效果非常明顯。但在美國其他地區(qū)，如新英格蘭州也觀察到了這種現(xiàn)象（Roselund，2018）。為了管理這一凈負(fù)荷曲線，電網(wǎng)運營商需要應(yīng)用一種能夠快速響應(yīng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)和滿足凈需求急劇變化的設(shè)備組合。在加利福尼亞州，第一個向上的斜坡出現(xiàn)在早晨，大約從凌晨4點開始。
其次，在是下行的方向上，早上7點左右太陽升起后，常規(guī)發(fā)電被太陽能發(fā)電的供給所取代。隨著下午5點左右太陽下山，太陽能發(fā)電結(jié)束，電網(wǎng)運營商必須調(diào)度能夠滿足第三個也是最重要的日發(fā)電量斜坡，其需要大約11000兆瓦的發(fā)電量才能在3小時內(nèi)啟動。這意味著需要一個具備50兆瓦/分鐘的上升爬坡能力的靈活電力系統(tǒng)。
3.柔性爬坡解決方案
顯然而易見的是鴨子曲線可能會帶來可靠性問題，系統(tǒng)操作員需要找到有助于使該曲線平坦化的解決方案。參考文獻(xiàn)“教鴨子飛”（Lazar，2016）中已經(jīng)提出了一些解決方案，如峰值定位的可再生能源、電熱水器控制、需求響應(yīng)或能源儲備系統(tǒng)。
所有這些解決方案都為系統(tǒng)提供了技術(shù)靈活性，并有助于滿足鴨子曲線的顯著峰谷值的要求。考慮到快速充放的性能，儲能可能是將鴨子曲線變平坦的最佳解決方案之一。
然而，為了保證儲能的發(fā)展，這些技術(shù)必須能夠通過足夠的市場靈活性參與電力市場。為此，美國一些獨立的系統(tǒng)運營商（ISO）已經(jīng)實施了所謂的柔性斜坡產(chǎn)品（FRP），它允許ISO在系統(tǒng)中獲得足夠的調(diào)峰能力，并可避免VRE（主要是太陽能光伏）的高峰谷曲線要求可能導(dǎo)致的任何功率不平衡。
FRP是一種輔助服務(wù)，通常有兩種不同的類型：一種用于支持向上爬坡，稱為柔性向上爬坡（FRU），另一種用于支持向下爬坡稱為向下柔性爬坡（FRD）。該產(chǎn)品的定義是考慮凈負(fù)荷的波谷變化，同時考慮用電需求和VRE的爬坡要求，以預(yù)防爬坡預(yù)測的不確定性。
最后一個組成部分，在某些電力系統(tǒng)的備用需求當(dāng)中，顯示了電力需求和VRE曲線中的預(yù)測誤差。下圖顯示了在給定凈荷載曲線及其預(yù)測不確定性時，F(xiàn)RP的斜坡要求。
為了計算第1期的爬坡要求，運營商在第2期有三個點的凈負(fù)荷的不確定性與下一期的預(yù)測凈負(fù)荷和相對應(yīng)，即相比或高或低。在下圖所示的示例中，F(xiàn)RP要求僅為柔性爬坡；但是，如果向下的不確定度低于第1階段的凈負(fù)荷（例如500 MW），也會有柔性爬坡要求。這項輔助服務(wù)的價格通常為爬坡要求的約束邊際價格，其價格表示系統(tǒng)運營商為下一個間隔獲得額外的兆瓦/分鐘爬坡所需要支付的金額（Wang和Hodge，2017）。
最著名的采用FRP的系統(tǒng)運營商是加州獨立系統(tǒng)運營商（CAISO）。其服務(wù)于2016年11月運行，采用5分鐘和15分鐘價價格結(jié)算市場獲取服務(wù)（加州獨立系統(tǒng)運營商CAISO，2015）。除了CAISO，美國中大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運營商（MISO）還以爬坡能力服務(wù)為目的實施了FRP（MISO，2016）。
系統(tǒng)運營商已實施一些創(chuàng)新市場產(chǎn)品和服務(wù)，可以促進(jìn)靈活性的資源（如儲能系統(tǒng)）的發(fā)展。正是由于這些靈活性資源將帶來額外的收入，使這些項目在經(jīng)濟(jì)上可行。換言之，F(xiàn)RP使儲能系統(tǒng)的快速爬坡能力變現(xiàn)，可以使其轉(zhuǎn)為商業(yè)利潤。因此，在一些市場引入這種輔助服務(wù)可能會帶來能源儲存技術(shù)的發(fā)展。例如，加州正在推動能源儲存系統(tǒng)的布局。根據(jù)加州公用事業(yè)委員會（加州能源委員會，2018年）的要求，到2020年，能源儲存系統(tǒng)新增裝機(jī)量將達(dá)到1.3吉瓦。
自2016年以來，CAISO共安裝了80兆瓦的新電池存儲系統(tǒng)，總發(fā)電量約為150兆瓦時。包括當(dāng)時北美最大的鋰離子設(shè)施（30兆瓦/120兆瓦時），該項目位于El Escondido，歸圣地亞哥天然氣和電力公司所有（Davis，2018年）。從遠(yuǎn)期來看，美國愛依斯電力公司計劃在艾斯阿拉米托斯能源中心安裝最大的電池儲能。該項目將包括一個300兆瓦和1200兆瓦時的電池系統(tǒng)，第一個100兆瓦預(yù)計在2020年前投入運行（AES，2018年）。因此，新產(chǎn)品的開發(fā)可以吸引投資者使用這些技術(shù)，增加了市場的靈活性。
如果可以做到智能充電，電動汽車（EVs）也可以成為向電力系統(tǒng)提供靈活過渡的設(shè)備。然而，如果電動汽車不能智能充電，通常被稱為不受控制的充電，那么它們可能對系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成風(fēng)險。因為它們會增加夜間峰值，形成非常陡峭的鴨子曲線。因此，智能充電的應(yīng)用對于提高電動汽車的靈活性至關(guān)重要。
4.提供靈活峰谷儲能
電池存儲系統(tǒng)已經(jīng)在加州提供了靈活的斜坡服務(wù)。CAISO在其網(wǎng)站上實時監(jiān)控一些已安裝電池的調(diào)節(jié)情況。雖然這些數(shù)據(jù)并沒有清楚地顯示電池實際提供的服務(wù)，但它們有助于了解電池運行如何響應(yīng)市場信號，以及電池如何與光伏發(fā)電交互影響。
單憑CAISO提供的數(shù)據(jù)分析太陽能光伏與電池的相互作用并不容易。電池可能同時提供靈活的斜坡、能源套利（見案例“能源套利”）、容余儲備（見案例一“容余儲備”）以及其他可能的服務(wù)，這證實了一種用途可以作為應(yīng)用儲能的觸發(fā)因素。一旦應(yīng)用，能源儲備項目將通過同時提供多種服務(wù)來實現(xiàn)收入的最大化。此外，在需求高峰之下，目前應(yīng)用的電池數(shù)量非常低，它們在系統(tǒng)調(diào)度中尚未產(chǎn)生突出的作用。一旦所有計劃的儲能項目都到位（到2020年達(dá)到1.3千兆瓦），對靈活斜坡服務(wù)就可以做進(jìn)行更詳盡地分析。下圖示例展示了對提供柔性斜坡的儲能服務(wù)對鴨子曲線的預(yù)期影響。
除此之外，一些研究論文還研究了電池提供柔性斜坡產(chǎn)品的最佳策略。Hu等人（2018）研究了電池聚合器如何更好地提供不同的服務(wù)，包括FRP，以最大化其經(jīng)濟(jì)收益。Kim等人（2017）做了更為深入的研究。經(jīng)過對電動汽車提供FRP能力的研究，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的運行成本可以被降低，尤其是在適用性領(lǐng)域存在高度可變的VRE資源的情況下。
5. 結(jié)論（案例2：柔性斜坡）
在VRE滲透率較高的電力系統(tǒng)中，負(fù)荷曲線正被這些資源的可變性和不確定性所重塑。特別是當(dāng)光伏滲透率非常高時，負(fù)荷曲線會按照所謂的“鴨子曲線”進(jìn)行重塑，鴨子曲線在加州電力系統(tǒng)中最為突出。此曲線的特征是系統(tǒng)中的其他設(shè)備需要滿足非常高的爬坡需求。靈活的技術(shù)，如儲能，可滿足這些爬坡的要求，并使得鴨子曲線變得平坦。儲能產(chǎn)品市場化，將帶來儲能的應(yīng)用，從而帶來鴨子曲線扁平化。
CAISO開發(fā)了一種產(chǎn)品，旨在獲得必要的柔性峰谷曲線，以滿足每個時期的凈負(fù)荷。CAISO地區(qū)的存儲應(yīng)用規(guī)模一直在增長。到2020年，該系統(tǒng)的總存儲容量需要達(dá)到1.3吉瓦。存儲是否提供了靈活的爬坡難以評估。然而，一旦儲能利用達(dá)到足夠高的級別，下圖中所示的效果就可以被預(yù)測。
