如何根據(jù)建模規(guī)劃部署適當(dāng)裝機(jī)容量的電池儲能系統(tǒng)

隨著可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的比例不斷提高，電池儲能系統(tǒng)成為解決可再生能源發(fā)電間歇性的一種有效方法，但目前尚不清楚需要部署多少裝機(jī)容量才能真正提高電力可靠性。

當(dāng)被問及在未來的電力組合中如何更好地規(guī)劃部署電池儲能系統(tǒng)時，公用事業(yè)公司、資源規(guī)劃顧問，以及研究人員的回答都是一樣的：這取決于具體情況。

其關(guān)鍵變量是電力系統(tǒng)當(dāng)前和預(yù)計的可再生能源發(fā)電設(shè)施和電池儲能系統(tǒng)的普及率。但是，在以可再生能源為主導(dǎo)的的未來能源組合中，規(guī)劃部署適當(dāng)裝機(jī)容量的電池儲能系統(tǒng)可以揭示儲能系統(tǒng)提供電力可靠性的關(guān)鍵見解。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）資深研究員Daniel Steinberg在加利福尼亞能源協(xié)會（CESA）于5月22日舉辦的一次網(wǎng)絡(luò)研討會上表示，規(guī)劃者在獲取電池儲能系統(tǒng)的復(fù)雜性以提高可靠性方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。一些規(guī)劃正在積極改進(jìn)短時儲能技術(shù)，而長時儲能技術(shù)也在開發(fā)和測試當(dāng)中。

投資者擁有的公用事業(yè)廠商APS公司資源管理副總裁Brad Albert表示，該公司計劃部署太陽能+儲能項(xiàng)目以代替天然氣發(fā)電設(shè)施，并使用多個方案來規(guī)劃其儲能需求。他說，“如今并沒有什么完美的方案，就像我們無法預(yù)測2020年發(fā)生的新冠病毒疫情一樣。因此需要進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃做出判斷?！?/p>

在某些情況下，部署更多的可再生能源可能比部署儲能系統(tǒng)更具成本效益。隨著成本的下降以及可再生能源和儲能系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用在電力系統(tǒng)，電池儲能系統(tǒng)的可靠性價值發(fā)生了顯著變化。一些利益相關(guān)者表示，像有效承載能力（ELCC）計算這樣的精確分析可以簡化規(guī)模決策。但是也有人認(rèn)為，這種計算并不能夠代替專家的判斷。（注：有效承載能力（ELCC）是描述可再生能源發(fā)電設(shè)施的負(fù)荷承載能力的指標(biāo)。）

從招標(biāo)到規(guī)劃

盡管公共事業(yè)公司早就認(rèn)識到抽水蓄能、壓縮空氣儲能，以及集中式太陽能蓄熱發(fā)電的價值，但這些儲能技術(shù)尚未證明具有成本效益和可擴(kuò)展性。因此，美國的一些招標(biāo)活動將規(guī)劃者的注意力轉(zhuǎn)向了電池儲能系統(tǒng)。

Xcel Energy公司在2016年進(jìn)行的一次具有里程碑意義的能源招標(biāo)活動使風(fēng)力發(fā)電+儲能項(xiàng)目的競標(biāo)價格低至21美元/MWh，太陽能+儲能項(xiàng)目的競標(biāo)價格低至36美元/MWh。

美國儲能協(xié)會政策副總裁Jason Burwen表示，“當(dāng)時由于認(rèn)為電池儲能系統(tǒng)成本昂貴，規(guī)劃人員甚至沒有將它們包括在模型中。而現(xiàn)在約有80％的公用事業(yè)公司的資源計劃模型都著眼部署電池儲能系統(tǒng)，有些則純粹根據(jù)其成本競爭力進(jìn)行選擇。”

Xcel Energy公司戰(zhàn)略資源和業(yè)務(wù)規(guī)劃副總裁Jonathan Adelman表示，該公司最近采用了Anchor Solutions公司的Include軟件，該軟件可以對各種應(yīng)用場景中的電池儲能系統(tǒng)的“容量和能源套利價值”進(jìn)行每小時建模。

Adelman指出，Xcel Energy公司通過采用這個新工具對電池儲能系統(tǒng)一年中每個小時進(jìn)行的建模。該公司為此在明尼蘇達(dá)州的2019年長時儲能計劃首次涵蓋了4小時電池儲能系統(tǒng)，以幫助滿足容量需求。

APS公司的Albert表示，該公司在2013年開通運(yùn)營了裝機(jī)容量為250MW的 Solana集中式太陽能熱儲能項(xiàng)目，該項(xiàng)目具有六個小時的熱儲能能力，為此看到可以滿足峰值電力需求儲能系統(tǒng)的價值。這是APS 公司2018年決定在招標(biāo)中選擇太陽能+儲能項(xiàng)目而不是天然氣發(fā)電廠的主要原因。

Albert強(qiáng)調(diào)說，“儲能系統(tǒng)如今已經(jīng)成為公用事業(yè)公司長期規(guī)劃的一部分，但是公用事業(yè)公司的資源規(guī)劃者不應(yīng)該只關(guān)注一種情況。天然氣調(diào)峰發(fā)電廠和電池儲能系統(tǒng)都可以滿足峰值電力需求，但是通過存儲和轉(zhuǎn)移太陽能發(fā)電來滿足峰值電力需求，電池儲能系統(tǒng)可以為客戶節(jié)省更多的費(fèi)用。電池儲能系統(tǒng)在批發(fā)市場帶來更多的價值，因此現(xiàn)在已經(jīng)成為我們計劃的一部分?！?/p>

Brattle爾集團(tuán)于5月13日在麻省理工學(xué)院的一次研討會上發(fā)表的一份演講報告指出，鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本下降得如此之快，以至于現(xiàn)在對于其他儲能技術(shù)來說無法在提供可靠性和電網(wǎng)服務(wù)方面與其展開競爭。Brattle的報告聲稱，電池儲能系統(tǒng)的價格從2010年的1400美元/kWh降至400美元/kWh以下，到2040年可能降到200美元/kWh或更低。

但是一些公用事業(yè)公司和規(guī)劃部門主管表示，價格并不是規(guī)劃部署電池儲能系統(tǒng)的唯一考慮因素，另一個重要因素是儲能系統(tǒng)提供的可靠性，但這很難確定。

北卡羅來納州清潔能源技術(shù)中心（NCCETC）政策研究高級經(jīng)理Autumn Proudlove表示，幾乎沒有任何重要的州級政策計劃可以確定電池儲能系統(tǒng)在公用事業(yè)資源規(guī)劃中的價值。

她說：“一些州最近要求公用事業(yè)公司在規(guī)劃過程中考慮部署儲能系統(tǒng)。華盛頓州可能在每小時建模方面的研究更加深入，而這將分析儲能系統(tǒng)的價值所在。”

Proudlove補(bǔ)充說，北卡羅來納州清潔能源技術(shù)中心（NCCETC）尚未確定任何州政策計劃，其中包括其在規(guī)劃過程中可以提供的多種電網(wǎng)服務(wù)的儲能彈性價值或儲能系統(tǒng)的補(bǔ)償能力。

Brattle公司負(fù)責(zé)人Ryan Hledik表示，儲能系統(tǒng)的價值主張取決于它能否得到完全補(bǔ)償，而這在很大程度上取決于儲能系統(tǒng)的資源和凈負(fù)荷。公用事業(yè)公司開始意識到，他們的規(guī)劃模型并不能很好地回答儲能部署問題。

Hledik指出，這些公用事業(yè)公司的規(guī)劃模型將負(fù)荷分為幾個相似的負(fù)荷時間組，并根據(jù)這些組制定規(guī)劃決策。當(dāng)公用事業(yè)公司主要運(yùn)營化石燃料發(fā)電設(shè)施，而風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電設(shè)施配套部署具有成本效益的電池儲能系統(tǒng)時，這種方法才有意義。

Hledik說，Brattle公司的許多公用事業(yè)公司客戶正在轉(zhuǎn)向采用長期規(guī)劃工具，以更好地展現(xiàn)儲能系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電設(shè)施在電力系統(tǒng)上的相互作用。

采用規(guī)劃工具

能源咨詢機(jī)構(gòu)Strategen公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Janice Lin表示，公用事業(yè)公司制定未來的資源組合計劃是一個復(fù)雜的過程，其計劃用于預(yù)測發(fā)電、輸電和其他電力系統(tǒng)需求。

她補(bǔ)充說，由于電池儲能系統(tǒng)既是發(fā)電設(shè)施也是負(fù)載，并且可以提供多個價值流，因此其精確度要求對一年的每個小時運(yùn)營都要進(jìn)行精細(xì)建模。當(dāng)前采用的建模軟件為其技術(shù)創(chuàng)新留下了很大的空間。

資源規(guī)劃權(quán)威人士在加利福尼亞能源協(xié)會（CESA）舉辦的這次網(wǎng)絡(luò)研討會上表示，建模工具的出現(xiàn)有助于系統(tǒng)規(guī)劃者考慮在確定未來資源組合中正確的儲能容量時應(yīng)考慮的許多因素。

咨詢機(jī)構(gòu)Energy and Environmental Economics（E3）高級顧問兼技術(shù)經(jīng)理Roderick Go在網(wǎng)絡(luò)研討會上說：“規(guī)劃的一個基本問題是短時儲能和長時儲能需要多大容量來滿足負(fù)載需求?！?/p>

Go指出，公用事業(yè)公司的激勵措施、強(qiáng)制性要求以及成本下降正在推動用戶對電池儲能系統(tǒng)的需求。長期而言，法規(guī)的變化、技術(shù)的變化以及市場的發(fā)展將為電力系統(tǒng)帶來更多的儲能部署空間。創(chuàng)新的建模軟件是一個競爭非常激烈的領(lǐng)域，而可再生能源發(fā)電量的上升對有效承載能力（ELCC）等概念的興趣日益增加。

有效承載能力（ELCC）是資源可靠性的詳細(xì)計算?？烧{(diào)度的化石燃料發(fā)電廠很可能具有100％的有效承載能力（ELCC），因?yàn)閺睦碚撋蟻碚f，幾乎在電力系統(tǒng)可靠性受到威脅的任何時候都可以使用。

建模表明，電池儲能系統(tǒng)的價值隨著電力系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電量的增加而增加，但其價值隨著高峰需求趨于平緩而下降。通常，將峰值負(fù)載降低至15％的儲能系統(tǒng)可使電池儲能系統(tǒng)獲得80％至100％的有效承載能力（ELCC），因?yàn)橥ǔ？梢栽诜逯敌枨笃陂g使用。

他補(bǔ)充說，隨著峰值負(fù)載降低15%到30%，電池儲能系統(tǒng)的有效承載能力（ELCC）也將迅速下降，因?yàn)樗芸赡芤呀?jīng)被用來平緩峰值電力需求，不再能夠滿足電力可靠性需求。

咨詢機(jī)構(gòu)Astrape公司顧問Chase Winkler在網(wǎng)絡(luò)研討會上表示，通過對西南電力聯(lián)營公司和加利福尼亞州電力系統(tǒng)的研究基本上證實(shí)了Roderick Go所描述的有效承載能力（ELCC）進(jìn)行的量化。

洛杉磯水電局（LADWP）發(fā)言人Carol Tucker表示，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和洛杉磯水電局（LADWP）正在開發(fā)其他利益相關(guān)者所說的“最佳實(shí)踐”，以幫助加州在2045年實(shí)現(xiàn)采用100％可再生能源電力的目標(biāo)。

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）資深研究員Daniel Steinberg在這個網(wǎng)絡(luò)研討會上表示，NREL的可擴(kuò)展集成基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃正在開發(fā)一種最佳實(shí)踐工具套件，以解決儲能系統(tǒng)部署面臨的問題。

Steinberg說，NREL的迭代方法從容量擴(kuò)展建模開始，以確定“構(gòu)建什么、在哪里和何時構(gòu)建”。下一步工作是進(jìn)行每小時運(yùn)營成本建模。通過每天、每小時一次的場景將通過容量擴(kuò)展建模進(jìn)行迭代，以達(dá)到最具成本效益和最可靠的資源組合。

資源充足計劃是該過程的下一步，可以滿足10年一遇的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如果有必要，NREL的過程將迭代所有三個步驟，以實(shí)現(xiàn)最具成本效益的資源充足性目標(biāo)。最后，詳細(xì)的潮流模型確保電網(wǎng)設(shè)施得到保護(hù)。而如果有對電力可靠性的威脅將會重新開始這一過程。

網(wǎng)絡(luò)研討會的發(fā)言人指出，為了在這些規(guī)劃過程中準(zhǔn)確地確定電池儲能系統(tǒng)容量的價值，許多人都在提倡使用有效承載能力（ELCC），但是有效承載能力（ELCC）在規(guī)劃中的作用是有爭議的。

關(guān)于有效承載能力（ELCC）的爭議

當(dāng)公用事業(yè)公司和其他公司努力確定部署合適的儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量時，有效承載能力（ELCC）應(yīng)當(dāng)確定用于資源規(guī)劃目標(biāo)的儲能價值，但有些人認(rèn)為它不是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳工具。

加州公共事業(yè)委員會（CPUC）能源部門總監(jiān)Edward Randolph表示，有效承載能力（ELCC）已經(jīng)成為加州公共事業(yè)委員會（CPUC）綜合資源規(guī)劃（IRP）的一部分。他說，“最近的有效承載能力（ELCC）計算表明，所有資源的可靠性可能會增加儲能系統(tǒng)、太陽能+儲能、需求響應(yīng)，以及其他能更好地滿足峰值需求能源的采購?！?/p>

Gridworks公司專家，前任加州公共事業(yè)委員會（CPUC）能源顧問Matthew Tisdale表示，其爭議在于有效承載能力（ELCC）是否支持采用成本最低、最可靠的資源來滿足該州的需求和目標(biāo)，這個爭議目前正在評估加州公共事業(yè)委員會（CPUC的）綜合資源規(guī)劃（IRP）流程。

Tisdale認(rèn)為，有效承載能力（ELCC）是一個復(fù)雜的計算過程，但是與成本相比，它可能會忽略某些資源的價值，其中包括儲能系統(tǒng)價值。

在紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（NYISO）在2018年12月6日舉辦的一次研討會上，參會者對紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（NYISO）提出的儲能容量價值方法表示擔(dān)憂，一些利益相關(guān)者為此提出了有效承載能力（ELCC）這一方法。

根據(jù)紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（NYISO）在2019年5月的回應(yīng)，利益相關(guān)者希望平衡和可靠性服務(wù)的定價和投資信號來自紐約批發(fā)能源市場。雖然可以使用有效承載能力（ELCC）衡量，但紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商（NYISO）發(fā)現(xiàn)它可能過于依賴行政命令，或者需要更復(fù)雜的計算，這使得公用事業(yè)公司的規(guī)劃過于模糊。

美國儲能協(xié)會的Burwen說，Astrape公司對美國電力西南聯(lián)營公司的有效承載能力（ELCC）提出了類似的觀點(diǎn)。美國聯(lián)邦能源管理委員會于2019年10月啟動了一項(xiàng)程序，以研究PJM互聯(lián)公司的有效承載能力（ELCC）。他說，“這個概念正在發(fā)展。即使是每小時建模的精細(xì)度也不能完全捕捉到現(xiàn)實(shí)世界中電池儲能系統(tǒng)靈活性的價值?！?/p>

美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在2019年6月發(fā)布的一份研究報告提出了有效承載能力（ELCC）的替代方案。研究報告聲稱，“有效承載能力（ELCC）模擬在考慮大量場景時可能需要進(jìn)行大量計算。而更簡單但同樣準(zhǔn)確的近似值可以針對減少‘凈峰值需求’所需的電池儲能系統(tǒng)的裝機(jī)容量進(jìn)行分析?！?/p>

Gridworks公司的Tisdale說，“由于存在眾多競爭利益，并且對未來不確定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了極其復(fù)雜的分析，業(yè)界人士對有效承載能力（ELCC）之類的計劃持不同意見也就不足為奇，因?yàn)榻２⒉荒芴娲鷮＜业呐袛??！?/p>

Brattle公司的Hledik指出，復(fù)雜而詳細(xì)的建?？梢源_定更多儲能系統(tǒng)裝機(jī)容量所帶來的增量收益等于向電力系統(tǒng)中增加儲能系統(tǒng)的成本。這一點(diǎn)可能要求部署更多的儲能系統(tǒng)。

Hledik補(bǔ)充說，“技術(shù)、資源價格和其他電力系統(tǒng)驅(qū)動因素正在快速發(fā)展。為了了解未來的一些重大變化，資源規(guī)劃應(yīng)該認(rèn)真解決一些看似合理且經(jīng)常更新的問題。電池儲能系統(tǒng)的裝機(jī)容量分析增加了這些挑戰(zhàn)，但它不再是一種假設(shè)，我們正在了解如何使用儲能系統(tǒng)方面取得重要進(jìn)展?！?/p>