提高系统灵活性方法的成本和收益（内附下载地址）

shura发布《提高系统灵活性方法的成本和收益》（内附下载地址）
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翻译：江河@err能研微讯团队
编辑：yeti@err能研微讯团队
校核：mirakuru@err能研微讯团队
2019年4月，shura能源转型中心发布《提高系统灵活性方法的成本和收益》，在此err能研微讯研究团队对报告的执行摘要进行了翻译，分享给大家，欢迎转发扩散！err能研微讯下半年情报收集产品征订开催，有需要的请联系err能研君微信（上方右侧二维码添加）垂询。
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执行摘要
到 2026年，土耳其一半的电力需求将来自可再生能源
到2018年底，土耳其总共安装了超过5吉瓦（gw）的太阳能光伏（pv）和约7gw的陆上风电装机容量，约占土耳其总发电装机容量的14%。2018年太阳能光伏和陆上风电的发电量在土耳其电力总需求中占比不超过10%。
近期分析表明，到2026年，高压输电电网（包含154千伏及以上电压等级）可消纳总装机容量40gw的风电和太阳能发电，且不存在任何运行困难，除了电网运营商（türkiye elektrik iletim a.ş.,teiaş）已经规划好的也不需要额外的电网投资。2018年5月发布的并网研究(godron等人，2018年)表明了这一点。在这种情况下，到2026年，土耳其每年总电力需求的20%以上可以从风能和太阳能中获得供应，即比目前目标高出一倍(双倍情景)。
同一研究表明，到2026年，预计风电和太阳能发电能力将增至60gw（提供土耳其总电力需求的30%和包括其他可再生能源总需求的一半，三倍情景）是可能的，但要实现此目标需要更灵活的电源系统，例如，通过引入更灵活的燃煤火电厂、需求侧响应或储能。此外，新的风能和太阳能电厂需要搬迁到更容易接入的地区。对于电力需求高、电网容量大的地方，情况通常如此(系统驱动的方法)。在不增加系统灵活性的情况下，对于基本案例场景，再调度份额几乎需要翻倍，可再生能源总发电量中有一定比例将会被丢弃，这将造成系统成本的增加。
灵活性带来不同数量级的好处。这些好处被衡量，而且土耳其的电力系统采用epra enerji开发的shura的电力系统工具进行了建模。该模型具有在发电厂（供应）、电力需求以及154千伏和400千伏线路和变电站水平，模拟土耳其每小时电力市场和输电电网的能力。作为最具吸引力的方案，系统驱动的风能和太阳能容量分配为系统带来了显著的好处。这些包括到2026年将节省20%的电网额外投资（相当于每年1亿欧元），将再调度量从总发电量的7.8%降至6.6%，以及减少可再生能源丢弃电量从总发电量的2.8%削减到0.8%。通过一系列方案提高系统灵活性，可将弃电率降低至0.6%，将再调度水平降至3.1%。
shura编写了一系列文件，为实现这一目标提供了途径。该系列的第一篇论文题为平衡风电和光伏投资的定位(saygin等人，2018年)，于2018年10月发布。该系列的第二篇论文题为增大yeka竞拍模式的机会，以加强土耳其电力系统转型的监管框架，采用可再生能源竞拍的方式为未来的监管框架提供了一个视角(sari等人，2019年)。第三篇也是最后一篇论文，以shura的并网研究估计了增加系统灵活性带来的成本和收益，通过调查以下内容实现上述收益：储能(i)600兆瓦(mw)的分布式电池储能(共调查了11种电池存储技术，主要包括电化学和物理储能类型)，(ii)1.4gw抽水蓄能，(iii)需求侧响应机制可在任何给定时间将负荷调整5%和(iv)通过改造燃煤火电厂达到经合组织国家主流的标准水平，通过将最低负荷率降低至25%-40%以提高其灵活性，并将爬坡率提高到每分钟最大发电量的1.5~4%。
shura的综合电力系统方法，用于估算灵活性提升的成本和收益
在成本和效益的估算中，基于shura并网研究中假设的容量组合，采用了shura的电力系统工具。在评估灵活性提升时，重点主要放在它们对加权平均值的影响上三倍情景的生成组合的短期边际成本（srmc）或系统的平准化能源成本（lcoe)。显然，土耳其经济可以从更灵活的电力系统中获得额外的好处，该系统具有更高的可再生能源比例，如有利的较少依赖进口化石燃料、新的就业机会和经济活动的多样化的贸易平衡。然而，在这项研究中，这种宏观经济利益被排除在所进行的分析之外。
到2026年，三倍方案中发电组合的系统lcoe加权平均值预计为每兆瓦时37.85欧元。与2016年估算的43.36欧元/mwh相比，减少约5欧元/mwh的原因是，在2016-2026年期间，零边际成本可再生能源风能、太阳能和水力发电的所占份额从总需求的25%左右增至45%。与2026年发电组合的加权平均srmc相比，每种灵活性方案对系统都有其自身的成本和经济效益。在起始阶段，假定该战略根据系统驱动的方法确定风能和太阳能容量。随后，每种灵活性技术都分别作为此策略的附加步骤引入。
存在不同的选项，在不造成过高成本的情况下提高系统灵活性
引入单种灵活性方案，根据方案的不同，在2026年将所需的再调度量减少2太瓦时（twh）和10twh。这相当于再调度总量的8~35%，从而在系统友好分配容量且不包含灵活性方案的情况下在三倍情景中消纳60gw的风能和太阳能。
消纳风能和太阳能的成本包括几个组成部分，即配置、电网和平衡成本，这些成本随着可再生能源渗透水平的提高而增加。它们的总和代表了太阳能和风能的并网成本。虽然平衡成本被排除在本研究的范围之外，但它们的份额通常远远低于概况和网格成本的总和。通过提高系统灵活性，可以降低太阳能和风能的并网成本。本研究报告中提出的分析主要涉及这种灵活性方案的成本和好处。所选灵活性选项组合的额外费用范围从低至1.7欧元/mwh到高达3.4欧元/mwh，相当于2026年srmc的加权平均值的4.5~8.9%。无法将每种选项的收益相加，因为综合收益将低于分别收益的总和，按1.3欧元/mwh和1.5欧元/mwh计算，相当于smrc加权平均值的3.5~4.0%。此处介绍的灵活性方案的成本和收益在±20%的不确定范围内波动，原因如下：尽管发展前景广阔，但电池储能成本的未来过程非常不确定，它与全球总产能如何演变有关，而且需要从提高能源密度、降低成本和延长使用寿命以及其他材料使用方面的进步中推动各个单元的连接。关于需求侧响应，本研究假设制造业具有现成的无成本潜力，随着经济的快速数字化，智能建筑将在不远的将来不断发展，抽水蓄能的成本是与所选地形相关的，甚至地形细节只有在工程设计阶段才明确；在技术类型、灵活性水平和电厂寿命都存在不确定性，提升系统灵活性措施可实施的程度也存在不确定性。
下面讨论了每个灵活性方案的成本和收益：
•改造旧的燃煤发电厂以提高其灵活性，需要增加0.71欧元/mwh的成本，在所有备选方案中，最大收益估计为0.50欧元/mwh，这意味着smrc的平均值加权净成本为0.55%。高效益的主要原因是这些机组对变化的反应更快，二级控制储备能力增强。后者允许煤电厂部分替代天然气厂的储气能力，从而降低储气成本。
•需求侧响应带来0.4%的净收益，估计绝对收益为0.15欧元/mwh，且无需额外投资成本。然而，与其他技术相比，它的收益最低，估计约为0.15欧元/千瓦时。利用需求侧响应的高成本，从比利时、法国和大韩民国的积极贡献等现有做法中也能看到，只有在灵活性方案被采用后仍不能解决再调度问题时，才把激活这一选项作为最后一项。此外，需求响应量限制假定为每个变电站负荷的5%。尽管假定的5%的小时负荷会产生大量容量，但由于需求响应的利用成本较高，因此在模型中的应用相当低，这实际上将这种方案的有效性限制在相对较低的水平。
•另一方面，储能用于调频和削峰填谷：假定600mw蓄电池总存储容量的一半用于调频，另一半可用于削峰填谷。两个方案的投资和年度运行成本在计算中分别考虑。总抽水蓄能装机容量中四台单机1.4gw中的100兆瓦分配给调频服务，留下1gw用于削峰填谷。根据技术的不同，电池储能提高了容量组合的加权平均srmc，每mwh之间为0.7~2.1欧元。电池为0.27欧元/mwh和0.45欧元/mwh。高温和锂离子电池提供最大的优势。这些优势仅次于在旧的燃煤火电厂的改造。对于抽水蓄能的情况，我们的估算表明净成本为0欧元/mwh，因为它的成本为0.4欧元/mwh——与收益相等。
需要考虑满足提升火电灵活性的不同要求的政策机制，以及允许竞争达到系统灵活性成本最优的市场设计
在土耳其电池储存的作用已经被讨论数年。在2019年1月底，关于储能的立法草案向公众公布，并征求意见。此外，能源公司正在寻求投资电池存储技术和相关业务模式以运营这些技术的方式。虽然这个问题引起了极大的兴趣，但需要更好地了解应投资的领域，应在多大程度上建立储能能力，应采用何种技术用于何种目的，电池储能何时最经济。这项研究的结果表明，总存储容量为600兆瓦的分布式电池，对于将30%的风能和太阳能接入系统将是一个重要的来源的灵活性来源。然而，这当需要接入风电和太阳能占比仅为20%时，这一储能装机可能并不需要；因为teiaş’现有的电网规划将足以消纳这一水平的风能和太阳能。这一好处的结果遵循太阳能和风能份额的非线性函数：随着可再生能源的份额增加，与不具有灵活性的方案对比，这些方案的收益也增加。
根据这项研究的结果，得出了以下结论：
•需求侧响应不需要大量特定投资，这使得它成为一个有趣的灵活性方案。但是，激活成本很高，这意味着它是利用仅当其他选项用尽时，才能得以应用在模型中。更重要的是，为了让消费者参与需求侧响应制造业管理和建筑库存电力需求，用于支持基础设施的安装、操作和规划，例如智能仪表、传感器、控制系统都是必需的。因此，需要采取整体政策办法，将电力部门与电力消费终端部门结合起来。电弧炉中炼钢和水泥回转炉中产生的较大电负荷可以作为需求侧响应的试点，因为这些工厂的负载可以更容易地转移和控制。
•抽水蓄能是最具吸引力的灵活性方案之一，其装机容量可延长运行寿命。考虑与风能和太阳能装机容量随着时间的推移不断增长的长期愿景，抽水蓄能可能是一个战略上对电力系统有益的方式。从长远看，随着可再生能源大规模并网，这种长期愿景还将提高系统的成本效益。
•电池储能系统可以提升灵活性，但大多数技术的初投资成本与为系统带来的好处相比仍然过高。因此，应规划所需的储能容量与高比例风能和太阳能匹配，从而降低额外的系统成本，并在需要时带来最大的收益。一种为部署这些系统的可行路径是从小规模的安装开始，提供服务，并与其他灵活性方案互补。
•估算认为改造旧的燃煤火电厂具有最大的效益。在含有高比例太阳能和风能的电力系统中，燃煤电厂的负荷率明显下降，影响了其盈利能力。如果灵活性要求在(短期)市场中得到充分体现，增加灵活性将允许燃煤发电厂在高爬坡率和来自不可再生能源的低剩余需求时提供电力，否则将通过进口天然气燃料由燃气发电厂提供。然而，从公共政策的角度来看，这种发展也应考虑。同样重要的是，土耳其能量密度较低的褐煤只为一些扩容的灵活性发电机提供了机会。因此，从技术上讲，可提高灵活性发电能力的电力装机将是有限的（本研究中估算，到2026年约为9gw）。
除了电力系统的正常运行(这是研究的主要重点，主要考虑到安全性和可靠性)之外，电力系统还有望在极端条件下保持其运行能力，即具有一定韧性。从本质上讲，任何电力系统的韧性都随着各种系统效益带来的灵活性的快速增加而提升。虽然在这项研究中无法评估这些，但在紧急情况下，系统操作员将感受到快速响应、储能和需求侧响应的好处，这将有助于避免电压不稳和停电。发展可再生能源和灵活性提升虽然没有在这里量化，但确实对宏观经济有诸多好处，如减少对化石燃料进口的依赖、新的经济活动和创造就业机会等。同样重要的是，在土耳其设计向低碳能源系统过渡的战略和政策时，也要考虑到这些好处。
根据这项研究的结果，确定了以下五项建议，供土耳其能源规划者、电网运营商、市场监管机构和能源行业考虑:
1.通过合理的地理布局以平衡供需、提高系统韧性，以此为基础制定全面的风能和太阳能电源接入系统计划。
2.建立一个监管框架，并制定反映灵活能力价值的辅助政策机制，为利用现有灵活性能力和投资新项目提供有效的激励手段。在这方面，基本手段是透明的短期和平衡市场。
3.以低成本抓住早期机会，为提高系统灵活性要求提供快速响应能力。
4.鉴于需求侧响应的有益效果，明确并克服与需求侧响应有关的障碍。
5.通过详细分析蓄电池在风能和太阳能份额较高的阶段对不同技术的价值和作用，制定蓄电池发展计划。
图1 总发电量中太阳能和风电的比例
图2 方法通用流程
图3 风能和太阳能的并网成本
表1 输入参数和计算方法汇总
表2 提升系统灵活性的方法和间歇性可再生能源并网的阶段
图4 shura并网研究结果中太阳能、风能和总可再生能源的比例
表3 三倍情景中提升灵活性方案
表4 三倍情景中发电量总览，2016-2026年
图5 2026年400kv电网模型
图6 2016年154kv电网模型
图9 三倍情景中短期边际成本，2026年
表5 研究的储能技术和关键参数
图10 600mw储能系统的区域分布，2026年
表6 抽水蓄能关键参数
图11 热电联产机组灵活性参数
表7 不同机组规模的单位改造成本
表8 需求侧响应成本计算
图12 连续性市场和电网模拟方法流程图
图13 总发电装机容量和没有实施灵活性提升的三倍情景中的发电量构成
图14 系统驱动方法下三倍情景中电网投资需求
图18 2026年系统平准化电力成本中储能的成本和收益
图19 2026年系统lcoe中改造旧的燃煤火电厂的成本和收益
图20 2026年系统lcoe中需求侧响应的成本和收益
图21 2026年不同灵活性提升方案成本和收益对系统lcoe的影响
图22 2026年通过提升灵活性导致再调度电量减少的比较
图23 不同提升灵活性方案的成本和收益比较
图24 储能系统成本敏感性分析
图25 低比例风电、光伏情形下的敏感性分析
中国电力系统转型-优化运行和先进灵活性方案的效益评估
电力的灵活性—电力行业转型期间公用事业如何生存？
电力系统转型现状2018—先进电厂的灵活性
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