案例2：柔性爬坡

本文是根据IRENA2020年《Electricity Storage Valuation Framework》翻译整理而成，如需转载请联系作者。

1.挑战——鸭子曲线

电力系统分析中最具特征的曲线之一是需求曲线或负荷曲线，它表示用户在每个时段（秒、分、小时）所需的能源。在VRE（Varied Renewable Energy）渗透率较低的电力系统中，这一曲线通常有两个峰值，第一个峰值出现在早晨人们在家准备上班时，第二个峰值出现在晚上人们下班后使用电器（例如做饭、看电视时）。这种曲线的形状有时被比作骆驼及其驼峰，因此被称为“骆驼曲线”。

这条曲线是可预测的，也不要求坡道非常陡。总体来说，目前发电已经足够灵活地满足这条曲线的需求。当VRE尤其是太阳能光伏渗透率开始增加时，净负荷曲线的形状会发生显著变化。光伏发电的主要特点是其可变性：太阳早晨升起时太阳能光伏发电量增加，在接近中午时光伏发电量达到峰值，晚上落山时太阳能光伏发电迅速消失。太阳能光伏的可变性提高了对高渗透率发电系统的上午下降坡道以及晚上上升坡道要求。光伏发电也可能会在中午形成供给大于需求的状态。

2. 柔性坡道解决方案

鸭子曲线最早在加利福尼亚被发现，而且曲线效果非常明显。但在美国其他地区，如新英格兰州也观察到了这种现象（Roselund，2018）。为了管理这一净负荷曲线，电网运营商需要应用一种能够快速响应调节生产和满足净需求急剧变化的设备组合。在加利福尼亚州，第一个向上的斜坡出现在早晨，大约从凌晨4点开始。

其次，在是下行的方向上，早上7点左右太阳升起后，常规发电被太阳能发电的供给所取代。随着下午5点左右太阳下山，太阳能发电结束，电网运营商必须调度能够满足第三个也是最重要的日发电量斜坡，其需要大约11000兆瓦的发电量才能在3小时内启动。这意味着需要一个具备50兆瓦/分钟的上升爬坡能力的灵活电力系统。

3.柔性爬坡解决方案

显然而易见的是鸭子曲线可能会带来可靠性问题，系统操作员需要找到有助于使该曲线平坦化的解决方案。参考文献“教鸭子飞”（Lazar，2016）中已经提出了一些解决方案，如峰值定位的可再生能源、电热水器控制、需求响应或能源储备系统。

所有这些解决方案都为系统提供了技术灵活性，并有助于满足鸭子曲线的显著峰谷值的要求。考虑到快速充放的性能，储能可能是将鸭子曲线变平坦的最佳解决方案之一。

然而，为了保证储能的发展，这些技术必须能够通过足够的市场灵活性参与电力市场。为此，美国一些独立的系统运营商（ISO）已经实施了所谓的柔性斜坡产品（FRP），它允许ISO在系统中获得足够的调峰能力，并可避免VRE（主要是太阳能光伏）的高峰谷曲线要求可能导致的任何功率不平衡。

FRP是一种辅助服务，通常有两种不同的类型：一种用于支持向上爬坡，称为柔性向上爬坡（FRU），另一种用于支持向下爬坡称为向下柔性爬坡（FRD）。该产品的定义是考虑净负荷的波谷变化，同时考虑用电需求和VRE的爬坡要求，以预防爬坡预测的不确定性。

最后一个组成部分，在某些电力系统的备用需求当中，显示了电力需求和VRE曲线中的预测误差。下图显示了在给定净荷载曲线及其预测不确定性时，FRP的斜坡要求。

为了计算第1期的爬坡要求，运营商在第2期有三个点的净负荷的不确定性与下一期的预测净负荷和相对应，即相比或高或低。在下图所示的示例中，FRP要求仅为柔性爬坡；但是，如果向下的不确定度低于第1阶段的净负荷（例如500 MW），也会有柔性爬坡要求。这项辅助服务的价格通常为爬坡要求的约束边际价格，其价格表示系统运营商为下一个间隔获得额外的兆瓦/分钟爬坡所需要支付的金额（Wang和Hodge，2017）。

最著名的采用FRP的系统运营商是加州独立系统运营商（CAISO）。其服务于2016年11月运行，采用5分钟和15分钟价价格结算市场获取服务（加州独立系统运营商CAISO，2015）。除了CAISO，美国中大陆独立系统运营商（MISO）还以爬坡能力服务为目的实施了FRP（MISO，2016）。

系统运营商已实施一些创新市场产品和服务，可以促进灵活性的资源（如储能系统）的发展。正是由于这些灵活性资源将带来额外的收入，使这些项目在经济上可行。换言之，FRP使储能系统的快速爬坡能力变现，可以使其转为商业利润。因此，在一些市场引入这种辅助服务可能会带来能源储存技术的发展。例如，加州正在推动能源储存系统的布局。根据加州公用事业委员会（加州能源委员会，2018年）的要求，到2020年，能源储存系统新增装机量将达到1.3吉瓦。

自2016年以来，CAISO共安装了80兆瓦的新电池存储系统，总发电量约为150兆瓦时。包括当时北美最大的锂离子设施（30兆瓦/120兆瓦时），该项目位于El Escondido，归圣地亚哥天然气和电力公司所有（Davis，2018年）。从远期来看，美国爱依斯电力公司计划在艾斯阿拉米托斯能源中心安装最大的电池储能。该项目将包括一个300兆瓦和1200兆瓦时的电池系统，第一个100兆瓦预计在2020年前投入运行（AES，2018年）。因此，新产品的开发可以吸引投资者使用这些技术，增加了市场的灵活性。

如果可以做到智能充电，电动汽车（EVs）也可以成为向电力系统提供灵活过渡的设备。然而，如果电动汽车不能智能充电，通常被称为不受控制的充电，那么它们可能对系统的可靠性构成风险。因为它们会增加夜间峰值，形成非常陡峭的鸭子曲线。因此，智能充电的应用对于提高电动汽车的灵活性至关重要。

4.提供灵活峰谷储能

电池存储系统已经在加州提供了灵活的斜坡服务。CAISO在其网站上实时监控一些已安装电池的调节情况。虽然这些数据并没有清楚地显示电池实际提供的服务，但它们有助于了解电池运行如何响应市场信号，以及电池如何与光伏发电交互影响。

单凭CAISO提供的数据分析太阳能光伏与电池的相互作用并不容易。电池可能同时提供灵活的斜坡、能源套利（见案例“能源套利”）、容余储备（见案例一“容余储备”）以及其他可能的服务，这证实了一种用途可以作为应用储能的触发因素。一旦应用，能源储备项目将通过同时提供多种服务来实现收入的最大化。此外，在需求高峰之下，目前应用的电池数量非常低，它们在系统调度中尚未产生突出的作用。一旦所有计划的储能项目都到位（到2020年达到1.3千兆瓦），对灵活斜坡服务就可以做进行更详尽地分析。下图示例展示了对提供柔性斜坡的储能服务对鸭子曲线的预期影响。

除此之外，一些研究论文还研究了电池提供柔性斜坡产品的最佳策略。Hu等人（2018）研究了电池聚合器如何更好地提供不同的服务，包括FRP，以最大化其经济收益。Kim等人（2017）做了更为深入的研究。经过对电动汽车提供FRP能力的研究，发现了系统的运行成本可以被降低，尤其是在适用性领域存在高度可变的VRE资源的情况下。

5. 结论（案例2：柔性斜坡）

在VRE渗透率较高的电力系统中，负荷曲线正被这些资源的可变性和不确定性所重塑。特别是当光伏渗透率非常高时，负荷曲线会按照所谓的“鸭子曲线”进行重塑，鸭子曲线在加州电力系统中最为突出。此曲线的特征是系统中的其他设备需要满足非常高的爬坡需求。灵活的技术，如储能，可满足这些爬坡的要求，并使得鸭子曲线变得平坦。储能产品市场化，将带来储能的应用，从而带来鸭子曲线扁平化。

CAISO开发了一种产品，旨在获得必要的柔性峰谷曲线，以满足每个时期的净负荷。CAISO地区的存储应用规模一直在增长。到2020年，该系统的总存储容量需要达到1.3吉瓦。存储是否提供了灵活的爬坡难以评估。然而，一旦储能利用达到足够高的级别，下图中所示的效果就可以被预测。