Credit: CC0公共领域可变可再生能源(VRE)在电力系统中的渗透率不断上升，预计这将增加削减——由于供应过剩或缺乏系统灵活性而导致的可再生能源交付量的减少。尽管缩减可能是不断发展的电网中的新常态，甚至可以通过使电网更加灵活的方式进行管理，但重要的是找到一个最佳的it水平，以从VRE资源中获取最大价值。虽然缺乏系统灵活性被普遍认为会增加削减，但个人灵活性选项如何影响削减还没有得到很好的理解，特别是在高VRE期货。国家可再生能源实验室(NREL)的分析师首次完成了对不同系统灵活性方法如何影响VRE渗透率水平更高(主要是太阳能)的削减的广泛探索。灵活性选项包括电池存储、热发电机灵活性、传输以及允许VRE和存储提供运行储备等。
结果——发表在一篇焦耳的文章中——揭示了两个关键的发现，它们共同构成了一个“缩减悖论”，随着系统发展到更高的太阳渗透水平，这个悖论出现了。首先，在太阳能光伏渗透率的中区间，热发电机的灵活性对VRE的削减影响最大，但在低区间或高区间影响不大。第二，当允许VRE和存储提供运营储备时，系统范围内的运营成本和削减水平会降低，这反过来会降低光伏企业在批发市场环境中为这些储备提供削减的能源的经济激励。
建模方法
NREL的分析使用了一个大致基于洛杉矶水电部发电和输电系统的系统，利用了为最近发布的洛杉矶100%可再生能源研究开发的数据集。随着VRE资源渗透水平的提高，NREL利用容量扩展模型建立了成本最低的未来电力系统建设方案。接下来，分析师使用公用事业级生产成本建模数据库来优化成本最低的发电和输电资源，以评估每个未来建设方案的详细操作。
这是这一整套模型首次用于高光伏期货中的现实、高分辨率系统，以确定哪些运营因素对削减贡献最大，以及光伏的潜在价值，从而为运营储备提供削减的能源。
悖论1:仅在中等光伏渗透水平时，热发电机灵活性对削减影响最大
火力发电厂的灵活性—斜坡率、最小发电水平和最小升降时间—允许电力系统根据需要对电网波动做出响应，并保持供需平衡。
在这项研究中，NREL做出了违反直觉的观察，即在中等光伏水平的“过渡区”(在研究系统中约为25%-40%)中，火力发电厂的灵活性对VRE削减的影响要比较低或较高水平大得多。在热发电机灵活性的各个方面中，最低发电水平对该区域的削减影响最大。
然而，当光伏渗透率较低(约20%)时，没有足够的VRE来使热灵活性的变化对系统产生有意义的影响。当光伏渗透率较高(约45%)时，没有足够的动力使用剩余的热容量来调整运行并产生显著的削减影响。
NREL高级能源分析师、该研究的首席研究员贝瑟尼·弗雷说:“我们也称过渡区为‘金发区’，在这里，光伏和热发电机的正确组合会导致对削减的热灵活性影响。”。
缩减悖论的这一方面揭示了太阳能与系统其余部分的进化和相互作用的重要性，尤其是当涉及到从以火力发电为主向以VRE发电为主过渡的电力系统中的热电厂灵活性时。它还表明，可能需要一个分阶段的方法来支持正在进行的电力系统改造。
悖论2:使用VRE和存储作为运营储备意味着更低的运营成本和削减，但收入减少
缩减和储存的可再生能源越来越多地被视为运行储备的潜在来源，或系统运营商在短时间间隔内满足负荷预测错误或计划停电等事件期间需求的可用容量。
正如研究中模拟的那样，不允许VRE和存储资源提供运营储备的模拟高光伏渗透情景会导致削减和运营成本显著增加，这表明了允许这些资源提供运营储备的总体价值。
然而，这一价值不一定转化为批发市场环境中收入潜力的增加——这是缩减悖论的第二个方面。
“允许VRE和存储提供运营储备导致低价格，这降低了光伏提供运营储备的动机，同时减少了能源，”弗雷说。“太阳能缩减悖论的这一方面揭示了电网系统价值和补偿的适当调整的重要性。”
为容量和能量转换服务而建造的存储通常有备用容量，尤其是在过度发电时期。因为存储的成本接近于零，所以会导致整体运营储备价格降低，尤其是在光伏削减期间。允许存储提供运营储备也减少了削减的数量和时间，这限制了光伏利用削减的能源提供运营储备的时间。
在存储之上加上VRE，价格下降得更厉害。总的来说，光伏公司没有什么动力以减少的能源提供运营储备。它无法弥补VRE高水平的能源削减和能源价格下降带来的收入减少。
“我们发现光伏在没有足够的金钱补偿机会的情况下提供系统价值，”Frew说。“随着光伏渗透率的增加，市场设计者可能需要修改运营储备资格规则和薪酬结构。”
未来的工作
总的来说，该研究强调了灵活性的非常微妙的性质及其在太阳能削减悖论中的作用，并表明存储和热发生器是太阳能渗透率高的系统的灵活性需求(和削减水平)的重要驱动力。
未来的工作可以探索具有额外存储渗透级别和各种系统配置的其他敏感因素。此外，对热发电机灵活性升级的全面成本效益分析可以评估随着电力系统向更大的VRE渗透率发展，存储和其他灵活性选项的总体成本竞争力。
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