在可再生能源渗透率较高的线性电力系统中，可再生能源的削减：技术驱动因素、节点电价分离以及等效储能需求——以智利为例

《Journal of Energy Storage》：Renewable energy curtailment in a high-penetration linear power system: Technical drivers, nodal price decoupling, and equivalent storage requirements in Chile

　　• 智利国家电力系统（SEN）的可再生能源限电量通过多维度数据进行了量化（2022–2025年）。
• 太阳能光伏的限电量超过了风能，反映了不同技术对电网拥堵的影响。
• 智利北部在春季和夏季由于高比例的可变可再生能源（VRE）和较低的需求导致限电量达到峰值。
• 节点价格的分离表明存在结构性拥堵以及可再生能源收益的被侵蚀现象。
• EESC指标将限电的能量转换为存储需求，以用于灵活性规划。

**引言**
全球能源转型在雄心勃勃的脱碳目标和可变可再生能源成本大幅下降的推动下，以前所未有的速度加速了太阳能光伏和风能的整合。2024年，新增的可再生能源装机容量达到创纪录的429吉瓦，其中风能和太阳能占新安装总量的83% [1]。然而，这种电力系统的结构转变揭示了一个日益严重的矛盾：VRE渗透率最高的市场正是限电率最高的市场，即本可以并入电网的可再生发电量被迫减少 [2], [3]。
限电不仅仅是操作上的低效率问题。它代表了清洁能量的实际损失，减少了可再生能源项目的收入，并清楚地表明电网基础设施和市场机制未能跟上发电扩张的步伐 [4]。在VRE渗透率高的市场中，零边际成本的发电量同时注入会导致实时价格下降，在高峰生产时段，节点边际成本甚至降至零或负值，从而侵蚀现有和未来可再生能源资产的经济效益 [5], [6], [7]。最近的实证证据表明，边际限电率普遍高于平均水平：在饱和节点上每增加一单位VRE装机容量，面临的限电量比例会大于之前的装机基数，这在缺乏配套基础设施和市场改革的情况下削弱了可再生能源扩张的投资可行性 [4], [8]。

智利国家电力系统（SEN）是一个具有全球代表性的案例研究对象，用于分析可再生能源的限电问题。其南北轴线长达约3100公里，到2025年VRE装机容量渗透率达到47.6%，且几乎没有国际互联，这使得该系统在结构上容易发生拥堵 [9], [10]。这种倾向并非偶然，而是由于地理空间的不平衡所致。太阳能光伏和风能发电主要集中在北部地区，尤其是安托法加斯塔省和阿塔卡马省，这得益于优质太阳能资源的丰富以及有利于大型项目开发的条件。然而，这种快速的 renewable 能源供应扩张与负荷中心的分布形成对比——负荷中心主要集中在中部地区。首都大区是主要的消费中心，年需求量超过20太瓦时（TWh），且有许多受监管的用户。安托法加斯塔省虽然能源需求巨大，但其消费结构与矿业活动密切相关，导致工业负荷具有更稳定的行为模式，但地理上较为局限。图1显示了2024年的地图，展示了太阳能光伏和风能装机容量（a）、年发电量（b）以及年电力需求（c）的 regional 分布 [9]。

可再生能源资源与关键消费中心之间的这种结构不匹配导致了了对长距离输电走廊的依赖，加剧了拥堵风险。这种空间上的差距迫使所有来自北部的 renewable 发电都必须通过这些走廊才能到达需求节点，这种情况在其他高VRE渗透率的系统中也有类似的表现 [11], [12]。类似的动态在德国的南北瓶颈、加州内陆地区的拥堵（CAISO）以及中国的东西向输电短缺中也有体现。然而，由于缺乏国际互联和 SEN 的极端地理线性，这些限制是全球最为严重的问题 [13], [14]。

科学文献记录了美国加州 [3]、英国 [14]、中国 [15] 和澳大利亚 [16] 等国家的限电情况。但这些研究存在共同局限性：它们要么只关注单一技术，要么使用汇总的国家统计数据来掩盖系统内的空间差异，要么缺乏将限电能量转化为实际基础设施需求的操作性指标。据我们所知，没有任何研究同时涵盖了以下几点：（i）在系统饱和的情况下，不同VRE技术（太阳能光伏与风能）的限电差异；（ii）通过双变量分类分析这两种技术同时发生的压力事件的时空动态；（iii）基于高渗透率系统的实际运行数据校准的新规划指标得出的存储需求。2025年，智利SEN的限电率达到了18.49%，相当于6044吉瓦时的清洁能源未被利用，这是已记录的高渗透率市场中最为严重的情况，是澳大利亚（约9.3%）的两倍，超过加州（约12%），是中国全国平均水平（约4-6%）的三倍 [17], [18], [19]。因此，SEN不仅是一个重要的实证研究案例，也凸显了全球能源政策的紧迫性。

本研究提出以下核心假说：智利SEN中可再生能源输入量的激增（从2022年的6.38%上升到2025年的18.49%）是由于结构性因素造成的，具体来说是长距离输电走廊的物理饱和以及北部节点处光伏发电的同步输入。另一个衍生假说认为，太阳能光伏（21.59%）和风能（13.28%）之间的限电率差异是由于在拥堵条件下两种资源的时间分布不同所致。太阳能发电的确定性日内模式会导致可预测且反复出现的饱和事件，而风能的分布式发电模式则部分避免了这种情况。此外，假设可以使用等效储能容量（EESC）指标来量化这种结构性缺陷的程度，该指标将年限电量转化为具体的存储功率需求（MW）。这一指标为接近VRE饱和系统的电网运营商和能源政策制定者提供了可行的规划参考 [20], [21]。

为了验证这些假说，本研究使用国家电力协调机构（CEN）提供的运营数据，对2022–2025年期间智利国家电力系统中的可再生能源限电情况进行了全面的定量分析。研究提出了三个原创性贡献：
1. 2022–2025年间SEN限电的多维度特征分析。系统地按VRE技术（太阳能光伏与风能）、地理区域（地区和输电走廊）和时间维度（小时段和季节）对限电进行了分解，揭示了汇总的国家统计数据未能揭示的差异性模式。
2. 通过参数敏感性分析对EESC指标进行引入和验证。提出了一种新的操作性指标，将限电量转化为不同放电持续时间配置和C-rate值下的存储功率需求（MW）。通过放电深度和全周期效率的敏感性分析验证了该指标的可靠性。
3. 为具有高可再生能源渗透率的线性电网架构的新兴经济体提供了一个可复制的分析框架。通过将智利案例放在国际比较背景中（澳大利亚、加州、中国和德国），本研究表明，智利的情况并非个例，而是具有地理限制的系统中普遍存在的系统性挑战的极端表现。EESC方法和双变量时空分类框架专门设计用于在其他国家电力系统中复制。

文章的其余部分安排如下：第2节回顾了限电决定因素的理论框架，涵盖了输电限制、供需刚性、市场动态以及储能的作用；第3节描述了数据来源、分析框架和EESC模型及其参数假设和敏感性分析；第4节展示了定量结果和讨论，包括2022–2025年间限电的系统性演变、时空和季节动态、由EESC得出的拥堵引起的价格分离机制以及基础设施差距分析；第5节提出了缓解策略和能源政策建议；第6节总结了研究结论并指出了未来的研究方向。

**理论框架：可再生能源限电的决定因素**
可变可再生能源（VRE）的限电是一个多因素现象，由电网基础设施的物理限制、系统的运行刚性、市场信号故障和储能容量不足之间的复杂相互作用引起。限电绝不是高VRE渗透率系统的边际运营效率问题，而应被视为清洁发电扩张与系统协调不足的诊断症状。

**方法论**
本研究的方法论框架包括三个互补的分析组成部分：（i）NPS长期运行数据的处理和清洗；（ii）用于多维度能量注入特征分析的时空和市场评估框架；（iii）用于量化储能基础设施差距的EESC模型。图2总结了整个分析流程。每个组成部分都旨在可在其他具有类似特征的电力系统中复制。

**2022–2025年SEN的注入系统演变**
2022–2025年间SEN的运营表现显示出逐渐恶化的系统性趋势，其恶化速度远远超过了装机容量的增长速度（见图3）。如表2所示，限电量从2022年的1471吉瓦时增加到2025年的6044吉瓦时，绝对值增加了311%，而同期VRE装机容量仅增加了42%。这种限电增长速度与装机容量增长速度之间的脱节表明了系统问题的严重性。

**缓解策略和政策建议**
智利SEN中记录的严重限电情况要求采取超越渐进性干预的措施，从根本上解决造成问题的三个结构性问题：输电网的物理限制、储能容量不足以及市场机制对运营灵活性的补偿不足。以下小节按实施时间线和减少挑战的潜力对缓解策略进行了排序。

**结论和未来研究方向**
本研究提供了2022–2025年期间智利国家电力系统中可再生能源限电的全面多维度分析，证实了引言中提出的结构饱和假说，并提出了一个新的规划指标EESC，该指标具有在其他类似系统中的复制潜力。研究得出了五个主要结论：首先，SEN的输入量呈指数级增长，从2022年的1471吉瓦时（6.38%）增加到……

**作者贡献声明**
Juan Carlos Acosta：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、软件开发、方法论设计、调查、定量分析、数据整理、概念化；
Mauricio Trigo-Gonzalez：写作——审稿与编辑、可视化制作、软件开发、数据整理；
Marcelo Cortes：写作——审稿与编辑、验证工作、方法论设计、调查、资金获取、定量分析、概念化；
Jorge Vega-Herrera：写作——审稿与编辑、可视化制作、软件开发、数据整理。

**资助**
本研究得到了智利国家研究委员会（ANID-Chile）的支持，通过其太阳能研究中心（SERC Chile）在“国家利益研究中心计划”下的资助（项目编号CIN250043）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究的部分工作是在智利安托法加斯塔大学访学期间由Joaquin Alonso Montesinos完成的，该访问得到了智利教育部（MINEDUC-UA）项目（项目编号ANT22991）的支持。作者还需感谢智利安托法加斯塔大学的太阳能博士项目。

**作者名单**
Juan Carlos Acosta | Mauricio Trigo-Gonzalez | Marcelo Cortes | Jorge Vega-Herrera | Joaquin Alonso-Montesinos | Carlos Portillo