[论文解读] High Resolution Generation Expansion Planning Considering Flexibility Needs: The Case of Switzerland in 2030

Elena Raycheva, Jared Garrison+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2021

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种高分辨率、基于节点经济调度的发电扩容规划（GEP）模型，协同优化瑞士2030年的投资与运行决策，明确考虑了可再生能源、储能及跨国进口的灵活性需求。模型显示，若2030年非水风光可再生能源目标达到9 TWh，将导致三级备用容量需求增加26 MW（上行）和28 MW（下行），但无需新建可调度机组，因低成本生物质发电和基于市场的进口已满足灵活性需求。

ABSTRACT

This paper presents a static generation expansion planning formulation in which operational and investment decisions for a wide range of technologies are co-optimized from a centralized perspective. The location, type and quantity of new generation and storage capacities are provided such that system demand and flexibility requirements are satisfied. Depending on investments in new intermittent renewables (wind, PV), the flexibility requirements are adapted in order to fully capture RES integration costs and ensure normal system operating conditions. To position candidate units, we incorporate DC constraints, nodal demand and production of existing generators as well as imports and exports from other interconnected zones. To show the capabilities of the formulation, high-temporal resolution simulations are conducted on a 162-bus system consisting of the full Swiss transmission grid and aggregated neighboring countries.

研究动机与目标

• 开发一种集中式、协同优化的发电扩容规划（GEP）模型，以在高比例可再生能源渗透下整合投资与运行决策。
• 通过动态备用需求和节点经济调度，明确建模间歇性可再生能源（光伏、风电）带来的系统灵活性需求。
• 利用直流潮流约束和节点负荷数据，将新发电与储能机组置于最优位置。
• 评估2030年9 TWh非水可再生能源目标对瑞士投资、备用容量和电价的影响。
• 通过高时间分辨率模拟（每两天一次，每小时一次）与历史数据对比，验证模型的运行准确性。

提出的方法

• 构建一个静态混合整数线性规划（MILP）模型，以最小化总系统成本，包括投资、发电、启停及负荷削减成本。
• 引入节点经济调度与直流潮流约束，以模拟网络阻塞和实时功率注入。
• 通过随间歇性可再生能源容量动态调整的三级备用需求，建模系统灵活性。
• 采用基于市场的跨区联络线容量限制，而非线路全部容量，以反映实际进口/出口潜力。
• 对包含162个母线的瑞士输电系统进行模拟，邻近国家以聚合方式处理，时间与空间分辨率均较高（每小时，每两天一次）。
• 整合候选机组（燃气、生物质、风电、光伏）的详细成本参数，假设风电与光伏无补贴，生物质成本反映当前废料焚烧补贴。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2030年瑞士高比例可再生能源渗透背景下，动态三级备用需求的纳入如何影响投资决策？
• RQ2 当明确建模间歇性可再生能源带来的灵活性需求时，新发电与储能容量的最优组合与位置是什么？
• RQ3 在9 TWh非水可再生能源目标下，跨国进口在多大程度上可替代国内新增可调度发电容量？
• RQ4 可再生能源占比提升如何影响瑞士这类价格接受型市场中的系统备用需求与电价？
• RQ5 高时间分辨率运行模型与历史数据的匹配程度如何？这对投资结果有何影响？

主要发现

• 在业务常态情景下，所有12个生物质候选机组（240 MW）均被建设，原因在于成本低廉且核电出力持续下降，即使未设定可再生能源目标亦然。
• 为实现9 TWh非水可再生能源目标，将建设3,254 MW光伏与240 MW生物质，其余3.36 TWh由现有发电机组提供。
• 由于间歇性可再生能源渗透率提高，可再生能源目标情景下三级备用需求增加26 MW（上行）和28 MW（下行）。
• 尽管备用需求上升，但无需新建可调度热电机组，因低成本生物质发电与基于市场的进口已满足灵活性需求。
• 与2015年相比，可再生能源目标情景下电价上涨47%，业务常态情景下上涨51%，主因是国内发电减少及燃料/碳成本上升。
• 2030年，由于核电逐步退出与太阳能发电量低，瑞士在冬季和6月成为净电力进口国——这些月份此前为出口导向——主要进口来源为法国。