[论文解读] The Value of Flexibility in a Carbon Neutral Power System

Elena Raycheva, Jared Garrison+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文提出了一种具有小时分辨率的集中式发电扩容规划模型，通过整合灵活发电、负荷转移和跨国进口，评估碳中和瑞士电力系统中灵活性的价值。结果表明，将燃气轮机与负荷转移相结合可最小化系统成本，并减少对可再生能源和传统发电容量的投资需求，凸显负荷管理在实现成本效益脱碳中的关键作用。

ABSTRACT

In this paper, we use a formulation of the generation expansion planning problem with hourly temporal resolution, to investigate the impact of the availability of different sources of flexibility on a carbon-neutral central European power system (with a focus on Switzerland) for the year 2040. We assess the role of flexible generation, load shifting and imports on the investment and operation of existing and newly built units. Our results show that including load shifting as part of the optimization could reduce the need for investments in both RES and conventional technologies. The combination of newly built flexible generators (gas turbines) and load shifting increases the flexibility of the simulated power system and results in the overall lowest system costs. The reduction of cross-border transmission capacity between Switzerland and its neighbors has a significant impact on the domestic operation and investments but could also affect the surrounding countries.

研究动机与目标

• 评估不同灵活性来源（灵活发电、负荷转移和进口）对碳中和电力系统中投资和运行决策的影响。
• 研究负荷转移对减少可再生能源和传统发电容量投资需求的影响。
• 分析跨国输电容量对瑞士国内系统运行和投资的影响。
• 评估在碳中和目标下，燃气价格上升对投资决策的敏感性。
• 识别到2040年实现低碳电力系统最经济有效的灵活性资源组合。

提出的方法

• 采用具有小时时间分辨率的集中式、确定性单年发电扩容规划模型，协同优化投资与运行决策。
• 模型详细表征了热电机组（含爬坡限制）、水电、电池储能、风力、太阳能光伏以及灵活负荷。
• 明确建模跨国输电约束，邻国通过聚合发电组合与功率流进行表示。
• 优化目标为最小化总系统成本，包括投资成本、可变运行成本、燃料成本、排放成本和负荷削减成本。
• 负荷转移建模为特定节点的可控功率注入，对过度或同时进行的上下移动作施加成本惩罚。
• 模型在Nexus-e平台的CentIv模块中实现，采用直流潮流约束以表示输电网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 在发电扩容规划模型中引入负荷转移，如何影响对可再生能源和传统发电技术的投资需求？
• RQ2 在碳中和电力系统中，灵活燃气轮机与负荷转移的联合影响对系统成本和投资决策有何作用？
• RQ3 跨国输电容量减少如何影响瑞士电力系统中的国内投资和运行决策？
• RQ4 在2040年碳中和情景下，投资决策对燃气价格变化的敏感性如何？
• RQ5 进口和出口在塑造瑞士电力系统的灵活性和成本结构方面发挥什么作用？

主要发现

• 在优化中纳入负荷转移可减少对可再生能源和传统发电技术的投资需求，从而降低整体系统成本。
• 新建燃气轮机（使用合成天然气或配备碳捕集与封存技术）与负荷转移的组合可实现最低的总系统成本，代表最经济有效的灵活性策略。
• 燃气价格提高25%导致光伏装机容量增加60%，表明太阳能部署对燃料价格变化具有强烈市场响应性。
• 即使燃气价格翻倍，建设燃气机组在经济上依然可行，凸显系统对灵活发电的持续需求。
• 跨国输电容量减少会显著增加负荷削减，并提高系统成本，对瑞士及邻国均产生影响。
• 敏感性分析表明，燃气轮机投资对燃料价格敏感，极端价格上涨下容量接近减少十倍。