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(qǐng)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(gè)時(shí)段（秒、分、小時(shí)）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(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在早晨人們?cè)诩覝?zhǔn)備上班時(shí)，第二個(gè)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(shí)）。這種曲線的形狀有時(shí)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(cè)的，也不要求坡道非常陡。總體來(lái)說(shuō)，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(yáng)能光伏滲透率開始增加時(shí)，凈負(fù)荷曲線的形狀會(huì)發(fā)生顯著變化。光伏發(fā)電的主要特點(diǎn)是其可變性：太陽(yáng)早晨升起時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電量增加，在接近中午時(shí)光伏發(fā)電量達(dá)到峰值，晚上落山時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電迅速消失。太陽(yáng)能光伏的可變性提高了對(duì)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(huì)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(guó)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(yùn)營(yíng)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(gè)向上的斜坡出現(xiàn)在早晨，大約從凌晨4點(diǎn)開始。
其次，在是下行的方向上，早上7點(diǎn)左右太陽(yáng)升起后，常規(guī)發(fā)電被太陽(yáng)能發(fā)電的供給所取代。隨著下午5點(diǎn)左右太陽(yáng)下山，太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)束，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須調(diào)度能夠滿足第三個(gè)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(shí)內(nèi)啟動(dòng)。這意味著需要一個(gè)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(huì)帶來(lái)可靠性問(wèn)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(chǔ)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?？紤]到快速充放的性能，儲(chǔ)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(chǔ)能的發(fā)展，這些技術(shù)必須能夠通過(guò)足夠的市場(chǎng)靈活性參與電力市場(chǎng)。為此，美國(guó)一些獨(dú)立的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）已經(jīng)實(shí)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(yáng)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(shí)考慮用電需求和VRE的爬坡要求，以預(yù)防爬坡預(yù)測(cè)的不確定性。
最后一個(gè)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(cè)誤差。下圖顯示了在給定凈荷載曲線及其預(yù)測(cè)不確定性時(shí)，F(xiàn)RP的斜坡要求。
為了計(jì)算第1期的爬坡要求，運(yùn)營(yíng)商在第2期有三個(gè)點(diǎn)的凈負(fù)荷的不確定性與下一期的預(yù)測(cè)凈負(fù)荷和相對(duì)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(huì)有柔性爬坡要求。這項(xiàng)輔助服務(wù)的價(jià)格通常為爬坡要求的約束邊際價(jià)格，其價(jià)格表示系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商為下一個(gè)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(yùn)營(yíng)商是加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（CAISO）。其服務(wù)于2016年11月運(yùn)行，采用5分鐘和15分鐘價(jià)價(jià)格結(jié)算市場(chǎng)獲取服務(wù)（加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商CAISO，2015）。除了CAISO，美國(guó)中大陸?yīng)毩⑾到y(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（MISO）還以爬坡能力服務(wù)為目的實(shí)施了FRP（MISO，2016）。
系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商已實(shí)施一些創(chuàng)新市場(chǎng)產(chǎn)品和服務(wù)，可以促進(jìn)靈活性的資源（如儲(chǔ)能系統(tǒng)）的發(fā)展。正是由于這些靈活性資源將帶來(lái)額外的收入，使這些項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上可行。換言之，F(xiàn)RP使儲(chǔ)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(rùn)。因此，在一些市場(chǎng)引入這種輔助服務(wù)可能會(huì)帶來(lái)能源儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展。例如，加州正在推動(dòng)能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的布局。根據(jù)加州公用事業(yè)委員會(huì)（加州能源委員會(huì)，2018年）的要求，到2020年，能源儲(chǔ)存系統(tǒng)新增裝機(jī)量將達(dá)到1.3吉瓦。
自2016年以來(lái)，CAISO共安裝了80兆瓦的新電池存儲(chǔ)系統(tǒng)，總發(fā)電量約為150兆瓦時(shí)。包括當(dāng)時(shí)北美最大的鋰離子設(shè)施（30兆瓦/120兆瓦時(shí)），該項(xiàng)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(lái)看，美國(guó)愛依斯電力公司計(jì)劃在艾斯阿拉米托斯能源中心安裝最大的電池儲(chǔ)能。該項(xiàng)目將包括一個(gè)300兆瓦和1200兆瓦時(shí)的電池系統(tǒng)，第一個(gè)100兆瓦預(yù)計(jì)在2020年前投入運(yùn)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(chǎng)的靈活性。
如果可以做到智能充電，電動(dòng)汽車（EVs）也可以成為向電力系統(tǒng)提供靈活過(guò)渡的設(shè)備。然而，如果電動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樗鼈儠?huì)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(duì)于提高電動(dòng)汽車的靈活性至關(guān)重要。
4.提供靈活峰谷儲(chǔ)能
電池存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(shí)際提供的服務(wù)，但它們有助于了解電池運(yùn)行如何響應(yīng)市場(chǎng)信號(hào)，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(yáng)能光伏與電池的相互作用并不容易。電池可能同時(shí)提供靈活的斜坡、能源套利（見案例“能源套利”）、容余儲(chǔ)備（見案例一“容余儲(chǔ)備”）以及其他可能的服務(wù)，這證實(shí)了一種用途可以作為應(yīng)用儲(chǔ)能的觸發(fā)因素。一旦應(yīng)用，能源儲(chǔ)備項(xiàng)目將通過(guò)同時(shí)提供多種服務(wù)來(lái)實(shí)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?cái)?shù)量非常低，它們?cè)谙到y(tǒng)調(diào)度中尚未產(chǎn)生突出的作用。一旦所有計(jì)劃的儲(chǔ)能項(xiàng)目都到位（到2020年達(dá)到1.3千兆瓦），對(duì)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(duì)提供柔性斜坡的儲(chǔ)能服務(wù)對(duì)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(guò)對(duì)電動(dòng)汽車提供FRP能力的研究，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)，負(fù)荷曲線會(huì)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(chǔ)能，可滿足這些爬坡的要求，并使得鴨子曲線變得平坦。儲(chǔ)能產(chǎn)品市場(chǎng)化，將帶來(lái)儲(chǔ)能的應(yīng)用，從而帶來(lái)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(gè)時(shí)期的凈負(fù)荷。CAISO地區(qū)的存儲(chǔ)應(yīng)用規(guī)模一直在增長(zhǎng)。到2020年，該系統(tǒng)的總存儲(chǔ)容量需要達(dá)到1.3吉瓦。存儲(chǔ)是否提供了靈活的爬坡難以評(píng)估。然而，一旦儲(chǔ)能利用達(dá)到足夠高的級(jí)別，下圖中所示的效果就可以被預(yù)測(cè)。
