电力行业可变可再生能源的整合成本概述

Commentary 电力部门可变可再生能源的集成成本概述 2023年6月 FarisF.Aljamed,FrankA.Felder,AmroM.Elshurafa 集成成本分为三个部分 ：平衡成本、网格 成本和概况费用 Introduction 近年来，可再生能源发电的成本已大大降低，与传统电厂相比具有成本竞争力（ Heptostall和Gross，2021）。然而，将风能和太阳能光伏（PV）等可变可再生能源 （VRE）技术纳入电力系统会产生间歇性。通过增加间歇性的发电来源，需求和供应并不总是匹配的。这意味着该系统需要更多的备用发电机和更大的灵活性来平衡供需之间的不匹配。 必须考虑集成成本，以确定VRE的最佳份额和总系统成本。 传统上，能源的平均成本（LCOE）已用于比较不同发电机的成本。LCOE计算建造和运营工厂的总生命周期折扣成本，并将其除以其假定寿命期间产生的预计总能量。但是，LCOE并未考虑由于VRE间歇性而产生的成本或与使电力系统适应VRE带来的变化相关的费用。因此，当VRE引入电网时，单独的LCOE不能捕获总的系统成本(Loth等人。，2022）。本评论简要概述了VRE。 集成成本是通过检查文献中可用的各种方法来计算的。 集成成本的定义和其组成部分 集成成本分为三个部分:平衡成本、网格成本和配置文件成本。平衡成本是指VRE生成的不可预测性质所带来的成本。供应不确定性导致 日前预测错误，这需要运营储备和/或存储来平衡供需。电网成本由VRE区域特定要求产生。VRE技术在构建位置方面不如传统一代灵活。有时，VRE发电机远离负载中心，需要额外的传输基础设施来输送能量。配置文件成本主要是由于VRE的可变性(Uecerdt等人。2013). 档案成本以前被称为“充足成本”。充足成本是可归因于VRE低容量信贷的费用。传统的发电能力被认为是“稳定”的能力，随时准备满足需求，而VRE则不是这种情况。结果,随着更多的VRE被集成到系统中,容量成本增加。配置文件成本是一个更全面的概念，它涵盖了VRE可变性带来的所有成本（Heptostall和Gross2021）。 配置文件成本包括三个部分。第一个部分是生产过剩成本，这是由于过度发电所需的削减而产生的成本。第二个部分是备用成本，这是平衡供应所需的备用容量的成本 图1.集成成本及其组成部分的层次结构。 资料来源：Ueckerdt等人（2013年）。 anddemand.Thethirdcomponentisfull-loadhour(FLH)reductioncosts.VREreducetheFLHofdispatchableplants,resultinginlowergenerationpercapacityfortheseplants(Ueckerdtetal.2013).Figure1summarizestheintegrationcosts. 可变可再生能源集成成本的计算方法综述 负荷持续曲线法 评估集成成本的一种方法是负荷持续时间曲线(LDC)方法。LDC显示一年的每小时负荷 ，从最高负荷小时到最低负荷小时排序。添加(VRE)后，LDC将更改为剩余负荷持续时间曲线(RLDC)，该曲线显示减去可再生资源供应后剩余的电力需求。 为了确定具有VRE的系统的剩余成本,需要沿着RLDC的倒数进行积分,并将该值乘以相应的最小筛选曲线值。对于没有VRE的系统，积分是沿着LDC的逆。筛选曲线显示了不同发电技术每年每千瓦(W)的总成本。图2显示了LDC和RLDC的示例。 图2.解释LDC和RLDC之间区别的概念示意图。 资料来源：作者的插图。 Ueckerdtetal.(2013)introducedthesystemLCOEmetric,whichisthesumoftheplant’smarginalgenerationcostsandmarginalintegrationcosts.TheauthorsdividedthecostsofthesystemintoVREgenerationcostandresidualcosts.Theresidualcostsare 传统工厂的成本和VRE的集成成本。 作者比较了两个系统的剩余成本：一个带有VRE，一个没有。由于没有VRE的系统没有集成 costs,comparingtheresidualcostsofthetwosystemsisolatestheVREintegrationcosts.Theintegrationcostsaredefinedasthedifferencebetweenthespecificcostsperunitofresidualloadofthetwosystemsmultipliedbytheresidualgeneration. Uecerdt等人。从以前的研究和计算的配置文件成本估计平衡和电网成本。对于5％至30％的风电份额，平衡成本范围为每兆瓦2.5至5欧元（€/MWh），40％的风电渗透率的电网成本约为13€/MWh。在30%的风渗透率下，配置文件成本达到约30欧元/兆瓦时，在40%的风渗透率下，整体集成成本可能高达60欧元/兆瓦时。集成成本可以通过引入选项，如长距离互连，存储，降低。 anddemandmanagement.Notethatthestudybeingrevieweddoesnotoptimizetheenergymix.Theonlyoptionconsideredwasthecapacitymixofresidualpowergenerationbythermalgenerator.Thus,theprofilecostscalculatedareoverestimated. 成本生产模型法 评估集成成本的另一种方法是成本生产模型方法。在这里，建模者将一个没有可再生能源的场景与另一个有可再生能源的场景进行比较。两个场景之间的成本差异将是集成成本 。可以使用标准软件或编程语言构建模型。 例如，Brower等人。（2015）使用PLEXOS，一种对电力系统进行建模的商用软件包 ，来模拟2050年西欧的电力部门。对于不同的渗透水平，作者考虑了以最低成本集成VRE的五个补充方案：需求响应（DR），有和没有碳捕获的燃气发电厂，增加的互连容量，削减和电力存储。PLEXOS优化单位承诺和经济调度。 同时满足五个约束：平衡电力供需，发电机的灵活性约束，互连的有限传输能力，计划内和计划外停电以及平衡储备要求。 配置文件成本是针对22％至59％之间的可变可再生能源（VRE）渗透率水平计算的 ，线性插值为0％至22％之间的值。由于添加VRE而导致的配置文件成本增加主要归因于两个因素：由于VRE增加而导致的热力发电机的容量系数降低，以及由于可再生能源的生产过剩而需要更多的削减（Brower等人。2015).对于0%至60%的渗透率水平 ，边际成本从0€/MWh到100€/MWh不等。高达40%的渗透率，集成成本线性增加，达到约30欧元/兆瓦时。然而，在40%之后，集成成本开始呈指数级增长。 Reichenbergetal.(2018)focusedontheintegrationcostsofVREinEuropebydividingitinto10regions.Theyusedanelectricityinvestmentmodelthataccountsforvariabilityandvariationmanagementtooptimizethedispatchandinvestmentingeneration,storage,andtransmis 电力(LCOE)使用与Uecerdt等人相同的定义。随着VRE渗透率的增加，边际系统LCOE线性增加，每增加10％，速率为6€/MWh，直到达到80％的渗透率。此后，由于在容量系数较低的地区分配VRE以及需要减少或存储多余的能量，边际系统LCOE开始呈指数增长。 Xi等人。(2022)计算了中国吉林省电力系统的整合成本，将没有VRE发电的系统与有VRE发电的系统进行了比较。由于吉林电力系统以煤炭为主，与其他电力系统相比，其在较早的渗透水平上经历了集成成本的快速增长。姚明等人。(2020)模拟了中国广东省的电力系统，发现风能和太阳能光伏的集成成本在-2.18之间。 €/MWh至11.47€/MWh和-5.21€/MWh至6.73€/MWh，渗透率高达30%。 总体而言，VRE的集成成本因渗透水平而异，系统灵活性，以及特定的 分析电力系统的特点 总体而言，VRE的集成成本取决于渗透水平，系统灵活性以及所分析的电力系统的特定特征。虽然热电厂的边际系统LCOE和增量运行成本倾向于随着更高的VRE渗透率而线性增加，但在更灵活的电力系统中，削减成本，闲置成本和平衡成本可能会降低或保持不变。 ThetwostudieswediscussedonChinaonlyconsiderintegrationcostsforpenetrationlevelsupto40%.However,toincreasethedeploymentofVREintheChinesepowersystem,bettersystemflexibilityisneeded.Ruetal.(2022)proposethattheChinesepowersystemc 通过实施不同的储能技术和基于特高压直流(UHVDC-based)的特高压输电等变化管理选项，VRE渗透率介于70%和85%之间。 Discussion InUeckerdtetal.’smodel,theintegrationcostsstartedtoincreaseatahigherrateatlowerpenetrationlevelsthaninotherstudies.Forwind,thejumpoccurredat25%penetration,whileforPV,itoccurredat15%penetration.Reichenbergetal.sug 集成成本相对较早的跳跃是由于缺乏变化管理解决方案，例如贸易，存储，需求响应或风能和太阳能的互补性。 Brower等人。计算了高达60%渗透率的VRE集成成本。型材成本的急剧增加发生在 Uecerdt等人之后。的研究。Brower等人。的模式在整个欧洲实施，而不仅仅是在德国 。这给了它一个更广泛的范围，占地区之间的贸易。但是，该模型的一个缺点是VRE容量和传输位置未得到优化，并且由于FLH和缩减成本的降低，配置文件成本的急剧增加发生在渗透率约40％时。 Reicheberg等人的集成成本。在比以前的研究高得多的渗透率水平下开始急剧增加，这发生在80%左右的渗透率。作者指出，集成成本的价值主要归因于成本假设，而成本开始急剧增加的时间点源于系统动力学。这项研究显示了对变更管理选项进行会计处理的好处，以及它们如何影响与小股票的VRE渗透率相关的集成成本的线性增加。采用不同的集成选项也可以证明是相互补充的。例如，Agadra。 等人（2023）证明了需求响应是对储能的补充，并为储能技术提供了灵活性。 Reichenberg等人的模型的一个局限性是，它没有考虑一些技术方面，如预测误差和平衡热电厂功率的需要。另一个限制是，虽然模型投资 Intransmissionbetweentheregions,transmissionwithineachregionisunaccountedfor.AlimitationofsolarPVsisthatthetimeresolutionisnothourly,whichimpactssolaravailability,asitcanchangeradicularly 从一个时间点到下一个时间点（例如