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任何向低碳电力供应的成本效益转换都需要改进系统灵活性，以应对平衡要求的增加和资产使用退化的挑战。能源存储（ES）是一种灵活的选择，可以为电力行业的各个领域带来重要的基础经济效益，包括降低发电，输电和配电基础设施的投资需求，并降低系统运行和平衡成本。ES提供的额外灵活性还可以显着降低投资低碳发电能力的要求，同时实现既定的碳强度目标。此外，ES还可能具有重要的期权价值，因为它可以为未来系统开发中的不确定性处理提供灵活性。
概要
未来几十年将英国的电力部门转变为低碳系统将面临巨大挑战。根据政府计划，预计到2030年的重大碳减排将部署基于热力和运输部门的电气化部分的可再生能源和核能发电技术。传统的基础设施规划以及可变和不灵活的低碳发电的高渗透率可能导致系统集成成本过高，低碳发电的削减（潜在的2030年超过25％）以及基础设施资产利用率显着下降（从今天的55％降至2030年的30％）。在这种情况下，诸如ES、需求侧响应(DSR)和灵活发电等技术选择可以提供扭转这些趋势的多功能性。我们最近的研究表明，ES技术可在促进低碳电力系统的低成本过渡方面可能发挥重要作用。通过抵消发电和网络投资的需求，ES可以在整个电力系统中节约成本，同时有助于节省运营成本。在此背景下，由英国电力网络牵头的开创性示范项目智慧网络存储研究了电网规模电池存储设备推迟传统网络增强的能力，同时还提供了国家级平衡服务。
然而，传统的监管制度和电力市场安排可能会成为提供某些服务的障碍，可能会破坏ES的商业案例。 在这种情况下，本文的具体目标是
- 展示未来英国电力系统在多个行业部署ES的经济效益。
- 确定ES在降低碳排放方面的价值。
- 评估ES和其他灵活选项（DSR，灵活发电和互连器）之间的潜在竞争。
- 演示未来市场安排对ES的业务案例的影响。
- 提出一个概念来量化ES对供应安全的贡献。
- 论证了不确定条件下ES的期权价值。
未来英国电力系统的整体存储效益存储部署的经济效益
在本节中，我们将讨论2030年英国电力系统ES的整体系统价值。在伦敦帝国理工学院开发的WeSIM模型被应用于在国家电网的“绿色环保”情景中为GB发电组合增加成本最优ES容量，该方案具有高可变可再生能源的普及率该模型只能调整常规发电容量联合循环燃气轮机（CCGT）和开放循环燃气轮机（OCGT） - 同时投资ES与低碳发电组合原始情况
保持一致。有关2030年分布式ES技术成本的假设取自碳信托基金会和帝国理工学院的报告，ES高成本为1,160英镑/ kW，ES低成本为360英镑 / kW。将ES投资成本按年计算，则资本成本为20年，资本成本为7%。
系统优化结果表明，该模型根据成本增加8-19GW的额外ES值是最优的。因此，构建ES的选项代表了降低整体系统成本的机会。图2显示了每个组件每年系统成本节约的总额，比较了没有新ES的情况和以高成本或低成本提供新ES的情况。ES部署所带来的总净成本节约总额每年约在20亿至30亿英镑之间; 较高的节省与ES的较低成本相关，反之亦然。 净系统成本节约由以下几个关键组件组成。
- 系统运营支出（OPEX）节省。 ES的部署导致更多地使用低碳发电，其特点是降低了运营成本（减少了削减），并减少了传统燃气电厂的产量。 这还包括提供平衡和频率调节（FR）服务，鉴于系统惯性的降低，现在对GB的重要性日益增长。
- 分配资本支出（D CAPEX）。 分布式ES可以支持配电网络中的电力流动管理，导致配电网络投资的要求更低，这可能会加强电网以应对不断增长的需求和/或增加分布式发电的部署，例如光伏（PV）发电。
- 代资本费用（G CAPEX）。ES取代调峰能力（例如，开式循环燃气轮机）需要满足供水安全的常规发电容量充裕的供应商。这体现在产能下降，因此降低了调峰能力单位的投资成本。
- 输电资本支出（T CAPEX）。 这部分代表了国家重点输变电通道加固的投资成本。国内其他地区通过ES容量提高了北部风能资源的利用，使得南北输电能力得到加强更为经济。
- 存储资本支出（CAPEX）。 这部分在净节省总额方面似乎为负值，因为这是建立新的ES资产所需的额外成本;因此，这一构成部分将从系统总节余中抵消。
在实现低碳目标时储存的价值
ES可以通过提高传统工厂的运营效率和提高低碳发电的使用率来节省碳排放。直接的结果是，ES的部署可能使低碳发电能力降低，从而实现既定的碳减排目标，相应的节省投资成本。为了证明这一影响的严重性，对2030年碳强度为100克/千瓦时和2050年为25克/千瓦时的碳强度目标进行了一系列研究。基本案例假定没有新的ES添加到系统中。 如图3所示，该情景的特点是2050年风电和光伏组合容量为61GW，核电容量为32GW。
随后又进行了两套额外的研究，系统中存在20 GW的附加ES：在保持2030和2050碳指标的同时，降低了核电和常规能力，并降低了风能。在这两种情况下，新的ES的20 GW使得有可能避免建设大量的低碳发电能力，同时仍然达到相同的碳排放目标。图4中显示了ES附加功能实现的发电组合变化。在2030，新ES消除了安装1.2 GW的核能或2.9 GW的风力能力的需要，作为输送强度为100g/kWh的碳的混合物的一部分。
ES和其他灵活解决方案之间的竞争
除了ES之外，还有其他竞争性的灵活技术解决方案可以对系统实现低成本一体化的能力产生积极影响。一些研究的最多的解决方案包括DSR和灵活的一代。 在本节中，我们考虑ES和其他灵活选项之间的潜在竞争，并量化它们对ES最佳部署级别的影响以及由此带来的系统收益。图5显示了这些灵活选项在交付成本效益低的低碳电力系统时的交互和竞争。 虽然没有可以直接替代的两种选择，但它们之间会有一定程度的竞争。
正如在“存储部署的经济效益”一节中介绍的仅存储研究一样，系统优化模型只有在ES获得系统净收益时才会添加ES。图6显示了ES系统部署的净收益随系统中其他灵活选项变化时而发生变化，同时也指出了顶部轴上相同场景下ES的成本最优化量。
由于更高效的运行和更低的可再生能源限制，灵活发电的可用性减少了新ES的节省运营成本的机会。相反，生成和分配CAPEX的系统成本节约不受影响。与纯存储方案相比，ES的年度净收益总额下降到每年0.4-14亿美元不等 - 但有趣的是，ES部署的数量没有明显变化。出现这种情况的原因是，只要边际收益高于其成本，添加存储成本就具有效益，并且在有无灵活生成的情况下，在类似数量的情况下观察到盈亏平衡点。另一方面，在没有灵活发电的情况下，第一兆瓦存储容量的边际系统效益更高; 因此，达到收支平衡点的总累积收益也更大。
在DSR的全面渗透下，ES可以提供的净收益进一步降低。 由于ES成本较低，净收益为每年3.8亿英镑（明显低于仅存储）; 在存储成本高的情况下，系统净收益几乎为零。使用DSR的高成本场景中添加的成本最优ES数量低于1 GW; 在低成本的情况下，由于DSR利用与ES相同的成本节约机会，所以最佳容量比仅存储容量的情况下低7GW。 与柔性发电机不同，DSR也会影响配电网负载，从而降低相关的配置成本。同时，DSR可以支持系统的平衡，提供备用和响应服务，减少对备用发电能力的要求。
在ES同时与灵活生成和DSR竞争的情况下，结果与只有DSR与ES竞争的情况类似，确认DSR代表分布式ES的关键竞争对手。 此外，电力和热力行业的整合可为电力系统提供更具灵活性成本效益，从而大大减少对基于电力的ES解决方案的需求。
市场安排与ES的商业案例
部署ES可以节省大量的系统成本以及碳收益。然而，如果ES中的潜在投资者没有见过充分奖励创造这些多重价值来源的可行商业案例，则这种社会效益就可能无法实现。以下列表描述了ES可以成为主要贡献者的关键服务。
- 能源套利。 参与日前的能源市场，ES可以通过在较低价格期间收费和在较高价格期间放电来利用电价差别。
- 平衡服务。 参与实时平衡市场，ES可为系统运营商提供短期运营储备。
- FR服务。 向系统运营商提供一次，二次和三次FR业务需要快速的响应时间，并且特别适合电池存储技术（国家电网最近推出了一种新的FR产品，增强了频率响应，需要响应时间达到1秒，特别适用于锂离子电池应用）。
- 网络支持。在配电或输电网络中的战略位置放置ES可以减少加强网络以应付高峰负载条件的需要。
- 节约碳。 传统工厂运营效率的提高和低碳发电能力的使用可以有助于减少碳排放。 这种贡献可以像低碳发电一样得到回报。
- 期权价值。 期权价值是指ES推迟和/或避免过早投入资本投资的能力。
目前的市场安排并不普遍支持提供这些服务，因此可能会破坏ES的商业案例。在若干司法管辖区，ES目前被排除在其能力机制之外，无法在公平的竞争环境中与传统的一代竞争。一些人认为ES是资源的市场可能认为它与燃气轮机和其他可能运行时间有限的快速启动资源类似，但可以在市场设计触发适当响应时推迟传统传输改进。在这些情况下，ES通常不被视为输配电费的一部分。为了实现系统高效的ES部署，建立一个公平竞争环境势在必行，以促进传统网络强化与ES之间的竞争，如“评估ES供应贡献安全性”部分所讨论的。
在下文中，我们将展示一个ES资产如何通过分层多个服务并确保多个收入流（假设完全反映成本的市场设计）来最大化其收入并实现积极的商业案例。如果这些收入来源中有一些不能用于ES，那么收入可能不足以证明ES投资的合理性，从而破坏ES的商业可行性。 我们进一步证明了如何有效地将存储作为网络规划和传统资产一起使用的选项之一，尽管目前这在传输和分配规划中并不常见。我们还强调了存储的选择价值，即网络规划人员在面对需求不确定性演变时可以实现的附加效益。
ES提供多种服务的商业价值
在这里，我们通过向各个行业提供服务组合来评估ES可能获得的收入。在这个例子中，假定ES连接到本地PV生成，允许管理其不平衡以及任何本地网络限制。此外，我们还假定不同服务的市场是完全反映成本的; 显然，实际市场安排中的低效率可能会限制ES资产的收入机会。服务之间可能存在冲突和协同作用，需要考虑作为ES收入最大化策略的一部分。例如，考虑能源套利和配送网络支持服务，如果高市场价格的时段与配送网络层次的高需求时段相吻合，那么显然这两种服务都将推动存储在同一时段内放电， 两种服务之间就会变现出明显的的协同作用。 但是，如果当地配电网的高峰需求状况不符合高系统需求，那么这两种服务就会相互冲突。这里进行的ES的市场收入评估确保了任何合同服务都可以在需要时提供交付服务。图7总结了来自分层服务提供的ES的商业价值的结果。他根据ES提供的服务范围同时资本化年收入的价值在460英镑/千瓦和5540英镑/千瓦之间。ES的价值被资本化，假设其资产的使用期限为20年，资本成本为7％。分析假设市场设计（包括网络计费）完全反映成本，并且存储资源被分配用于提供不同的服务，从而最大限度地提高ES的总收入，同时实现所有承诺。换句话说，这种方法能够最大限度地平衡提供不同服务的协同效应和冲突，同时最大限度地提高ES拥有者的收入。显然，任何一项服务的收入都不能证明投资ES是合理的。因此，优化提供多种服务是ES创造盈利业务案例的关键途径。这些结果表明，存储与光伏电站（或潜在的风电场）共同运行并运行，特别是在存在主动网络约束的情况下，存在相当大的附加价值。参与产能市场可以获得额外的预付款项，同时只会略微减少从其他市场获得的利润。从ES提供FR将显着提高其价值主张，但这很大程度上取决于FR市场安排。显然，目前的长期合同辅助服务框架（而不是辅助服务的实时市场）将阻止ES同时获得与提供FR和分销网络管理服务或能源套利相关的收入。此外，FR的系统要求（及其值）与实际系统条件（即可再生能源的需求水平和生产水平）显着不同（这与系统中可用惯性问题相关，由旋转同步发电机提供）。当低需求条件与可再生能源的高产量相一致时，由于系统惯性降低，FR值可能非常高; 相反，在峰值负载条件下，频率响应规定值非常低，因此ES能够提供峰值管理服务。但是，目前根据长期合同提供FR的安排将阻止ES获得与提供这两种服务相关的收入。这清楚地表明需要对辅助服务进行高效的实时市场设计，以便将商业激励与系统利益完全对齐。但是，这样的设计需要充分考虑可靠的系统操作，包括操作规划需求和人机界面。
评估ES供应贡献的安全性
ES工厂以及其他灵活的解决方案（如DSR和分布式发电）可以在提高电气系统的安全性方面发挥作用; 他们可以提供调峰服务，并在网络突发事件期间保持供应，因此可能是传统网络增强的可行替代方案。新技术的出现正在创造审查历史网络规划标准的需求，以建立公平的竞争环境，在确定处理需求增长的最具成本效益的解决方案时，将允许考虑常规网络解决方案和新技术。
为了确定连接到配电网的ES工厂的容量信用，我们采用有效承载能力（ELCC）的概念，该标准度量定义为需求可以增加的量，同时保持相同的供应可靠性， 通过未服务的预期能量进行测量（EENS）。 因此，ELCC表示可以添加到ES支持的网络的需求量，从而导致与原始网络相同的EENS（称为“基本情况”）; 图8显示了这种等价性。
采用连续时间的时间序列蒙特卡罗模拟框架来生成故障历史记录，并与ES操作的离散时间稳态模型相结合，以在很多年内对EENS进行量化。 假设一个简单的N-1系统，如图8所示，每个系统带有两个1 MW的变压器和峰值1兆瓦的需求。 进一步假设ES工厂完全致力于提供安全性。 然后，ES安全贡献将根据ES工厂的功率和能量能力以及网络特性（如网络中断时间和需求形状）进行量化。
第一个关键发现是ES的更高能量容量增加了在停电情况下维持运行的能力。 在图9中，针对六种不同的ES设备尺寸给出了标准化的ELCC值，其特征在于在峰值需求上标准化的额定功率
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