评估SSB蓄电池储能与光伏电站联动的可行性，参与能源及辅助服务市场，通过电力系统优化和亚小时模拟

2026-07-28 20:39:00

将可变可再生能源整合进电网带来了重大挑战和机遇。其中最有前景的解决方案之一是电池储能系统（BESS），该系统可提供多种服务，如削峰、负载转移、辅助服务、关键负载备份等。然而，BESS的安装受限于其高昂的成本（尽管持续逐年降低）以及监管挑战，尤其是关于每项服务的报酬机制。
在此背景下，本研究研究监管框架和市场激励机制，并评估采用BESS的光伏（PV）电厂的运营和财务指标，以评估其在公用事业规模市场中的经济可行性。提出了一个两阶段电力系统成本优化模型（BESS安装与运营），考虑能源和储备分配、直流耦合电池的安装以及现有太阳能电站的扩建。此外，模型结合了电池充电状态和健康状态，基于使用系统顾问模型（SAM）软件实现的PV+BESS模拟，以捕捉BES的非线性和劣化行为。
该模型作为案例研究应用于智利电力系统，采用26节点网络进行BESS安装和直流太阳能容量扩展阶段，212节点网络作为运营阶段，拥有311座太阳能电站和超过1000个发电单元，考虑了国家电网中最相关的节点。模拟了多个场景，主要涉及不同预备役激活概率。本研究为PV+BESS电厂如何有效融入能源市场提供了宝贵见解，主要通过参与提供频率控制储备，从而支持可再生能源技术的更广泛采用。
结果显示，绝大多数BESS安装用于提供辅助服务，而非能源套利，且大多数太阳能电厂通过扩大直流容量，因其成本低于显式储能（BESS）而增强了隐式储能。此外，电池安装分布在全国各地，表明需要分布式储能以最低成本运行电力系统，而非集中在特定区域。此外，根据所考虑的监管框架和薪酬方案，地理位置和太阳能资源对经济可行性影响不大;独立系统操作员（ISO）偏好的解决方案可能对单个工厂操作员（通常为工厂所有者）并不理想;电池劣化因不同工厂和场景差异显著。因此，为了在电网中有效部署储能系统，需要兼顾集中和独立视角的详细研究。

简介

2012年至2022年间，全球可再生能源发电增长了8.36%，需求增长了28.5%[1]。太阳能是增长最快的能源，全球份额达到4.5%，在美国、中国、印度、巴西和智利等国的参与度显著增长[1]。
在此背景下，光伏能源以其模块化特性脱颖而出，支持家庭向公用事业规模的电厂部署。到2027年，预计其装机容量将超过煤炭[2]，巩固其作为脱碳和《巴黎协定》目标的关键技术[3]。然而，由于气候和地理因素的变异性和间歇性[4]、[5]，以及小规模电厂的分散分布，鉴于其惯性低于传统发电[5]、[6]，对电网稳定性、可靠性和电力质量构成挑战。
光伏能源的贡献受输电拥塞和发电限制[7]。高渗透率重塑了净需求曲线，形成传统发电机难以追随的坡度，常导致需求削减[8]、[9]、[10]。电网稳定性依赖于辅助服务（AS），如频率和电压控制[11]、[12]、[13]，但当前设计为低可再生能源渗透率的市场可能已不再是最优[11]，[14]，[15]。可变可再生能源（RES）增加了储备需求，甚至导致价格为零或负值，凸显了市场设计调整的必要性[16]、[17]、[18]。为支持可再生能源的整合，提出了需求响应、预测、灵活发电和储能等措施[13]。其中，储能系统（ESS）在提升电力质量、需求可靠性、应急供给和峰值缓解方面发挥着关键作用[5]、[19]、[20]。为实现《巴黎协定》目标，全球储存容量必须在2030年前增加三倍[21]、[22]。在现有技术中，如抽水蓄能[23]、热储[23]、[24]、超级电容器、飞轮和氢电池[24]，电池储能系统（BESS）以其灵活性、模块化及提供多项服务能力脱颖而出，使其成为大规模可再生能源集成最具吸引力的解决方案之一[5]， [25]， [26]， [27]。
尽管有诸多优势，电池储能系统（BESS）相较其他技术仍然成本较高[25]，[28]限制了大规模应用。预计到2050年，成本将下降21%至67%[29]，但监管挑战依然存在，市场必须明确BESS在能源、容量和储备中的参与情况，以及适当的补偿方案。研究表明，纳入辅助服务（AS）收入可以提升欧洲BESS的可行性[30]、[31]，尽管结果仍取决于能源价格、投资成本和调度情况。尺寸和分配还需要详细考虑降解和系统组件。此外，还需要监管政策来鼓励BESS在AS市场应用，用更快、响应更快的解决方案取代较慢的传统技术[32]、[33]。

文献综述重点介绍了PV+BESS工厂技术经济评估的关键方面，包括评估指标、目标函数、时间尺度、工厂设计、系统建模和经济框架。这些措施必须根据具体情况量身定制，因为电力系统在结构、需求、市场设计和法规上各不相同[22]、[34]。一个核心问题是电力系统的表现。价格接受者方法，即从历史数据或预测中假设已知边际成本，因其计算成本较低且在评估植物相较于系统较小时具有相当准确性而被广泛使用[28]， [35]， [36]， [37]， [38]。相比之下，生产成本模型（PCM）模拟系统的详细运行，协同优化能源和储备，被PJM、CAISO、ERCOT和智利等ISO采用[39]、[40]、[41]、[42]。然而，很少有研究将太阳能电站重构或BESS安装纳入PCM，因为规模问题传统上在分辨率和范围有限的长期规划模型中被处理[43]、[44]。
经济评估在范围和细致程度上差异很大。线性价格接受者模型已被应用于PV+BESS电厂或风能+BESS系统的规模，通常能以从秒到每小时的时间分辨率最大化收入[35]、[45]、[46]、[47]。其他方法包括住宅聚合的随机优化[48]以及混合系统中将规模调整与收益最大化结合的遗传算法[49]。由于计算和数据限制，小时尺度模型被广泛用于电力系统和太阳能电站的评估。然而，小时内的太阳波动会影响发电和储能使用，因此需要采用亚小时模型以避免平滑效应并低估储能需求[28]、[50]、[51]。
在PV+BESS建模目标函数和评估指标中，确定了两个主要目标：最大化工厂收入（MR）[28]、[37]或最小化系统范围成本（MC）[52]，后者在评估辅助服务参与时尤为重要。在财务评估方面，常用的标准化能源成本（LCOE）[28]、[53]，而储能专用指标包括储能平准成本（LCOS）[54]和整合了LCOE和LCOS的平准交付成本[55]。由于LCOD可能与LCOS有显著偏离，应与LCOE联合使用。其他指标如净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和回收期（PP）也与投资决策相关[56]。

可变可再生能源（RES）参与辅助服务（AS）带来了多项好处。首先，它为工厂所有者提供了额外的收入来源。其次，它允许ISO访问成本较低的储备以满足增长限制[42]。然而，在美国等国，房地产参与率仍然偏低，这引发了对监管框架和现有激励措施的质疑。
参考文献[42]分析了包括PJM、CAISO、MISO、ERCOT、SPP和NYISO在内的多种电力市场，采用有无BES的四种太阳能和风电站配置，考虑旋转储量和频率调节。该研究评估了价格接受者计划下的收入，并得出结论：在大多数情况下，加入BESS后报酬会增加。结果显示，除非能源价格足够高，使套利更有利可图，运营商往往会提供储备。此外，允许RES参与AS还能降低平均监管成本。最后，更高的AS报酬激励抵消因RES渗透率提升导致的能源价格下跌。在智利，学生参与AS的人数也有限。AS市场基于磨损成本拍卖运作，每项技术设有最高价格上限。ISO通过提前的协同优化分配储备和能量，实时运行后，AS根据机会成本获得报酬，这并未为参与提供额外激励。此外，现有公式未考虑充放循环间的小时内变化或差异，这可能对储能系统产生负面影响[57]、[58]。

表1总结了本节文献综述的主要发现。正如所证明的，大多数研究将BESS视为以小时分辨率调度的线性装置。同样，物理治疗方法非常流行，大多数研究聚焦于较小的网格。采用PCM方法的大规模研究稀少，且由于计算复杂度和成本极高，主要用于BESS的小时和线性模型。此外，本摘要中除一项研究外，所有研究均考虑了AS的小时调度，但这是基于PCM方法进行的。如[28]所示，考虑更粗糙的时间分辨率会极大地改变存储需求及其调度特性，即使不考虑AS，因为AS只有在考虑后才会叠加。因此，从本总结来看，尚无研究分析过大规模电网，采用PCM方法，考虑AS在小时内尺度，并考虑BESS在短期（充放电动态）和长期（劣化）特性上的非线性。
基于这些原因，本研究旨在解决所有这些不足，并在PCM方法下，以PCM方法在大规模电网中、按小时计量，评估PV+BESS电厂的动态和经济可行性，并考虑AS并纳入评估。
具体来说，这项工作的主要贡献包括：

• •
  提出了一个大型电力系统的综合模型，考虑了辅助服务并考虑PV+BESS动态中的亚小时和长期非线性特性。该模型能够决定光伏/BESS/PV+BESS电厂隐式和显式储能的容量扩展，并以最低网络成本协调系统运行。
• •
  隐式存储策略的有效性以及储能直流耦合与光伏直流容量的价值得到了证实。同样，本研究显示，在使用发电预测指导光伏部分储备分配的情况下，光伏容量在储备市场中具有显著潜力。
• •
  研究表明，BESS降解对储备激活极为敏感。虽然已知BESS降解与其使用成正比，但具体取决于实际激活储备，但每年降解率范围为1%至10%。因此，这为网格耦合存储系统及其后续可行性的技术经济评估构成了重大不确定性。
• •
  本研究表明，任何地点的经济可行性都无法因太阳能资源的可用性、能源及辅助服务的报酬，或承诺储备的有效激活而得到保障。没有典型的单一电站配置是可行的，且可行与不可行PV+BESS电站的配置之间没有显著差异，然而，可行电站的太阳能场过大尺寸和BESS容量通常略低于不可行电厂，总体上更倾向于隐式储能，BESS功率和容量相对较低。
• •
  在储量具有系统性质的系统中，显著的储能分散化成为对冲太阳能资源和输电线路拥堵波动的有效策略。
• •
  虽然一定数量的BESS对整体系统有利，因为它降低了整体成本，但也导致了对个人所有者来说经济上不可行的工厂配置。因此，存储系统安装和运营的集中规划范式导致了不切实际的解决方案。这项工作强调了需要一种新的双边方法，虽然目标仍是降低整体系统成本，但最终结果是，有效扩产只涵盖那些经济可行的工厂，因为这些工厂才是真正能建成的。