分散决策下分布式光伏储能系统外部性价值量化评估 -pg电子网站

01 研究背景

  近年来，随着分布式光伏补贴的逐渐下降和储能技术的日益成熟，分布式光伏储能系统已逐渐成为能源结构转型的关键性环节之一。然而，不同于传统集中式优化规划框架，在分散决策模式下，大规模分布式光伏储能用户的自利性行为对整体系统运行效率的影响及其外部性价值评估方法仍有待进一步研究。

02 研究内容

2.1 分布式光伏储能外部性价值

  本文构建了如图1所示的分布式光伏储能系统外部性价值评估框架。

图1 分布式光伏储能外部性价值评估框架

  在本文中，分布式光伏储能的“外部性价值”具体指的是在用户投资分布式光伏储能后自身的净负荷曲线变化对系统整体运行效率及其余市场主体所产生的影响。具体而言，市场成员投资分布式光伏储能的本质影响在于其改变了用户的负荷曲线，降低了用户对上级电网的依赖性，进而会改变原有系统的调度运行方式。系统调度运行方式的改变一方面会影响运行的经济性和低碳性，即会改变原有的系统运行成本和碳排放强度；另一方面，对上级电网依赖性的降低会减少系统输配电成本和延缓部分线路投资。具体而言，外部性价值主要体现在运行价值、环境价值和非线路性替代价值3个方面，其中非线路性替代价值表现为分布式光伏储能系统的投资有助于用户降低对电网的依赖性，进而降低线路占用率。

 2.2 分布式光伏储能外部性价值评估模型

  本文通过构建计及分布式光伏储能投资决策的双层模型来捕捉需求侧市场主体分散决策行为与系统整体运行情况的关系，以实现分布式光伏储能系统的外部性价值的精准测算。

  上层模型以各市场成员用电成本最小为目标，根据所拥有的分布式光伏的预期出力、价格机制和自身电力供需确定需要配置的最优分布式储能容量。

  下层为市场出清模型，以系统总成本最小为目标，其中，系统运行成本包括传统机组发电成本以及碳排放成本，决策变量为系统中各机组分时段出清功率。

  总体来看，该双层模型上层包含多个需求侧市场成员，分别根据自身用电需求、屋顶光伏可用面积及光照强度以及下层形成的市场价格确定分布式光伏和储能的投资决策，该投资决策将会改变其在下层市场出清模型中的净负荷曲线；下层模型为市场出清模型，根据上层模型形成的净负荷曲线确定系统调度运行策略，形成市场出清电价传递给上层。

2.3 市场运行评价指标

  为揭示分布式光伏储能系统一般性的外部性价值规律，厘清其在不同地区的外部性价值异质性，本文考虑系统运行经济性和低碳性，从个体行为层和系统运行层两个维度定义了下述市场运行评价指标：

  1）个体行为层

  （1）用电侧平均碳排放强度 (average carbon emission intensity of demand-side, aced)

  （2）电网的依赖性 (reliance on the utility, rou)

  （3）电网公司净收益 (net profits of the utility, npu)

  2）系统运行层

  （1）无秩序代价 (price of anarchy, poa)

  （2）边际碳排放强度 (marginal emission intensity, mei)

  （3）峰值负荷需求 (peak load demand, pld)

03 算例分析

  本文基于中国河南省某地区用户负荷曲线和分布式光伏容量因子数据，构造如表1所示对比场景，分别从规划和运行两个维度突出上述双层模型中需求侧市场主体分散决策性所带来的影响。

表1 各场景不同阶段决策方式差异性

  对比m3和m4场景系统运行结果，得到某典型日各时段分布式光伏储能系统的外部性价值如图2所示，可见分布式光伏储能系统不同维度的外部性价值存在明显的时段差异性，但整体趋势较为一致。

图2 典型日不同时段分布式光伏储能系统外部性价值

  m1至m4场景下反映投资和调度决策两个不同阶段分散决策对系统运行效率影响的3个指标值如图3所示。

图3 不同阶段分散决策对系统运行效率的影响

  m1至m4场景下的poa指标呈现递减状态；从pld和rou指标来看，相比于m1场景，m2场景所对应的指标值反而相对较好。为从环境价值的角度分析分布式光伏储能对系统低碳运行的影响，在原有m3场景的基础上，额外设置了m3*场景，该场景下将移除各市场成员所投资的储能，多余的分布式光伏将直接被上级电网回收。图4给出了m3和m3*场景下部分市场主体的aced指标和系统层面的mei指标。

图4 m3和m3*场景下部分市场主体平均碳排放强度和系统的mei

  从图4中散点变化趋势可以看出，市场主体的用电平均碳排放强度与储能投资容量没有明显关联性。系统层面m3*场景下平均mei反而略低于m3场景，在个体层面m3场景下系统中其余未配置分布式光伏储能的刚性负荷aced高于m3*场景。图5给出了不同价格系数下分布式光伏投资比例和电网公司收益的变化。

图5 不同价格系数下分布式光伏投资比例和电网公司收益

  电网公司净收益随着价格系数和分布式光伏投资容量的增加呈现略微上升而后下降的趋势。后一阶段的下降的趋势容易理解，过高的分布式光伏回收价格显然容易导致电网公司净收益的下降；前一阶段的电网公司净收益略微上升，其原因主要在于分布式光伏储能投资比例提高后，系统整体净负荷需求相应下降，较低的净负荷需求导致了较低的批发市场出清电价，进而降低了电网公司购电成本。

04 结语

  本文通过构造双层模型模拟需求侧市场成员与系统运行的交互关系，从而准确测算不同边界条件下分布式光伏储能系统外部性价值。本文结果表明，分散决策在分布式光伏储能系统投资和调度决策阶段均可能导致不同程度的效率损失，个体层面的自利性分散决策将可能导致系统出现新的负荷需求高峰。从低碳运行的角度来看，当系统有足够的分布式能源消纳能力时，市场主体对分布式光伏储能的分散决策行为在促进个体层面分布式光伏出力与自身用电曲线拟合的同时也将导致清洁能源的“浪费”，反而可能引起系统碳排放量提高。此外，电网公司净收益并没有单纯随着价格系数和分布式光伏投资容量的增加而降低，而整体呈现略微上升而后下降的趋势。

来源：电力系统自动化