孤岛电力系统中用于缓解可再生能源限发的电池储能系统容量配置与技术经济评估：以塞浦路斯为例

《Journal of Energy Storage》：Sizing and techno-economic assessment of battery energy storage systems for renewable energy curtailment mitigation in islanded power systems: Application to Cyprus

　　

电池储能系统（Battery Energy Storage Systems，BESS）可作为一种灵活性资源，用于缓解可再生能源限发（Renewable Energy Curtailment，REC），并提升高光伏（Photovoltaic，PV）渗透率电力系统的运行效率。本研究聚焦于高REC条件下BESS的容量配置、运行方式及技术经济表现，并以塞浦路斯孤岛电力系统作为应用案例。研究基于2022–2025年官方REC数据，量化REC的环境与经济影响，并将其作为以BESS为核心的运行仿真框架输入。分析评估了不同储能时长下BESS的运行表现，考察电池储能对REC的利用能力、峰值负荷管理能力以及跨时段延展能量利用的能力。结果表明，增加BESS时长可提升REC利用率，但该提升存在饱和点，超过该点后，附加储能容量带来的边际收益有限。针对REC条件下BESS运行开展的技术经济评估进一步显示，尽管其运行与环境效益均为正向，但仍需额外支持机制以提高投资吸引力。总体而言，本研究结果为政策制定者、网络运营商及投资者提供了以储能为核心的见解，可为受限发约束电力系统中BESS的有效容量配置与部署提供参考。

该文发表于《Journal of Energy Storage》，围绕高比例光伏接入背景下孤岛电力系统的可再生能源限发（REC）问题，系统评估电池储能系统（BESS）作为灵活性资源的容量配置与技术经济可行性。研究背景在于，随着能源转型推进与可再生能源装机快速增长，电力系统一方面需要降低化石能源依赖并实现脱碳，另一方面又因可再生能源出力的波动性、间歇性及电网灵活性不足，面临愈发突出的限发问题。特别是在孤岛电力系统中，由于缺乏跨区域互联支撑、储能部署不足以及必须维持最低常规机组出力，光伏发电在中午高出力而负荷不足时往往被迫削减。REC不仅降低光伏项目收益，也削弱减排效益，说明系统对高比例可再生能源的消纳能力不足。塞浦路斯作为欧盟成员中的孤岛电力系统，近年来光伏装机显著增加，但储能尚未规模化配置，因此成为研究REC与BESS耦合关系的典型场景。

为应对上述问题，研究人员首先基于塞浦路斯配电系统运营商和输电系统运营商发布的2022–2025年官方高分辨率REC数据，识别限发的规模、时间分布及其环境与经济后果；随后构建面向1 MWp光伏系统的直流耦合（DC-coupled）PV-BESS运行仿真模型，在不同储能时长情景下评估BESS对被弃光伏电量的吸收与时移能力；进一步通过净现值（Net Present Value，NPV）、内部收益率（Internal Rate of Return，IRR）和折现回收期（Discounted Payback Period，DPP）分析其投资表现。研究结论指出，BESS能够有效吸收原本被弃用的光伏电量，并在傍晚负荷高峰时段释放，从而提高可再生能源利用水平、减少温室气体排放并增强系统灵活性；但储能时长增加至一定范围后会出现边际效益递减，且项目经济性高度依赖储能电量的收益补偿。该研究的重要意义在于，将系统层面的REC问题与项目层面的储能投资决策直接联系起来，为孤岛或弱互联系统的储能规划提供了数据驱动的量化依据。

研究采用的主要技术方法包括以下几个方面：其一，利用2022–2024年塞浦路斯官方历史REC日数据及2025年官方预测数据，对REC比例、限发电量、持续时长、温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放及排放成本进行定量分析；其二，构建15 min时间分辨率的PV-BESS运行仿真模型，采用按月平均日光伏出力曲线，并结合荷电状态（State-of-Charge，SoC）、放电深度（Depth-of-Discharge，DoD）、逆变器效率与电池效率等约束，模拟REC驱动下BESS充放电行为；其三，设置500 kW功率、1/1.5/2 MWh能量容量的2 h、3 h、4 h三类储能情景，并开展不同放电起始时刻敏感性分析；其四，构建20年寿命期技术经济分析框架，将电池衰减与第10年扩容补强纳入评估。

在“塞浦路斯电力系统”部分，研究首先交代了案例系统的结构特征。塞浦路斯电网为典型孤岛系统，标称频率50 Hz，依赖常规机组供电，同时可再生能源装机以光伏为主。由于电网缺少储能设施，且系统运行必须维持一定数量常规机组在线以满足惯量、安全性与N-1准则（单一元件故障安全准则），当光伏出力过剩而需求不足时，只能通过REC抑制可再生能源并网。研究由此说明，塞浦路斯的REC并非偶发事件，而是系统灵活性不足的直接表现，为后续储能介入提供了明确问题导向。

在“塞浦路斯REC数值分析”部分，研究基于官方数据揭示了REC快速恶化的趋势。结果显示，2022年至2024年间，REC比例和被限发电量持续攀升，2024年平均限发比例达到28.64%，限发电量超过167 GWh；2025年官方预测进一步升至394 GWh，年均REC比例达45.33%。研究还显示，限发发生天数显著增加，在部分月份几乎天天发生，且平均每日限发持续时间在2024年已超过5 h。通过将限发电量折算为GHG排放与排放成本，研究进一步指出，REC不仅意味着电量损失，也带来显著的减排机会损失和碳成本负担。这一部分通过真实数据证明，REC在塞浦路斯已成为兼具运行、环境与投资后果的系统性问题。

在“高REC条件下PV-BESS的容量配置、运行与技术经济表现”部分，研究将前述REC特征作为输入，分析不同储能时长BESS的表现。结果表明，随着储能时长由2 h提高至3 h和4 h，BESS对REC的吸收能力逐步增强，充电与放电持续时间均被拉长，从而能够在光伏停止出力后的傍晚继续向电网提供清洁电能。研究指出，500 kW的储能功率足以覆盖所分析年度中每MWp光伏对应的最大限发功率，因此在该条件下进一步提高功率等级并不能显著提升REC利用率；真正决定性能提升的是储能能量容量，即储能时长。该结果说明，在REC约束系统中，储能配置应优先保证功率足以覆盖峰值限发，再通过适度增加能量容量提高限发电量吸收和晚高峰供电能力。

在环境效益方面，研究量化了三类储能情景对限发缓解的贡献。2 h、3 h、4 h情景分别可利用约277.34、340.19、378.85 MWh的原本被弃光伏电量，对应限发利用率约为61.21%、75.08%和83.61%。随着REC利用增加，GHG减排效果同步增强，其中4 h情景减排约246.65 t CO₂e，减排价值约16,033 EUR。研究据此指出，BESS的环境贡献主要来自将原本被弃的可再生能源重新导入系统并实现跨时段利用，而非单纯提高光伏装机发电量。值得注意的是，3 h与4 h情景之间的环境增益差距已明显缩小，提示3 h附近可能已接近环境效益饱和区间。

在经济性方面，研究基于不同储能放电电价开展敏感性分析。结果显示，随着BESS售电价格由0.01 EUR/kWh提升至0.22 EUR/kWh，各情景NPV与IRR显著改善，DPP缩短，但经济性对收益水平高度敏感。2 h情景表现最佳，在较低售电价格下即能维持较好经济可行性；3 h情景在性能与成本间体现一定平衡；4 h情景则需要更高售电价格才能达到盈利，表明储能时长继续增加会带来经济边际回报递减。在最优收益假设下，各情景仍存在约9年、10年和12年的较长回收期，说明即便技术可行，资本密集型储能项目仍需更完善的收益机制支持。研究据此强调，仅依赖REC驱动下的能量时移收益，尚不足以充分提升大时长BESS的投资吸引力。

讨论部分围绕结果的系统含义、方法边界与利益相关方启示展开。研究认为，REC本质上反映了电网灵活性不足，在孤岛系统中尤为突出。与部分文献认为限发可能比新建储能或输配电扩容更具成本优势不同，该研究通过环境与经济损失量化表明，REC并非无代价的调节工具。适当配置的BESS能够吸收大量被弃光伏电量，并在负荷高峰时段替代部分常规发电，对提升灵活性、支撑更高比例光伏消纳具有现实价值。研究同时指出，BESS放电起始时刻对总技术经济表现影响有限，因为系统中的REC主要集中在中午前后，电池通常都能被充满，放电时点变化更多影响的是出力时序而非总利用电量。此外，3 h以上储能时长出现效益饱和，这一结论在不同放电时点下均保持稳定。研究还说明，模型采用按月平均日光伏曲线与官方REC数据，旨在在保持现实性的同时控制计算复杂度；但由于20年寿命期内REC水平被假定恒定，未来若REC演化路径发生显著变化，则长期经济评估结果可能随之偏移。

研究结论部分可译述如下：高水平REC作为电网中过量可再生能源发电引发的不利后果，正对高比例可变可再生能源电力系统，尤其是孤岛电力系统，带来日益严峻的运行与经济挑战。在这一背景下，BESS作为关键灵活性资源，能够吸收被限发电量、缓解系统运行压力并提升整体系统效率。除缓解REC外，BESS还有助于改善光伏系统经济表现，从而支撑进一步的光伏部署。研究以塞浦路斯孤岛电力系统为应用案例，评估了高REC条件下与光伏集成的BESS容量配置及技术经济表现。通过分析2022–2025年官方高分辨率真实REC数据，研究量化了限发规模及时间特征，并将其直接作为BESS运行仿真模型输入。结果表明，随着BESS时长增加，REC利用率提高，但超过一定范围后新增能量容量仅带来有限边际收益；其中3 h时长已能捕获大部分可获得环境价值，表明储能时长优化对于避免过度配置具有重要意义。同时，研究显示，若要有效应对峰值REC事件，必须保证足够的储能功率，而储能能量容量则决定REC利用水平及向负荷高峰时段进行能量时移的能力。技术经济评估进一步表明，尽管BESS在高REC条件下具有明确环境效益和积极运行效果，但其经济表现对储能收益补偿高度敏感，较长投资回收期意味着仍需额外支持机制或市场激励以提升投资吸引力。总体而言，适中时长的BESS集成可作为REC受限孤岛电力系统中兼顾成本与效果的储能部署策略。研究所得结果分别对政策制定者、网络运营商与投资者具有参考价值：前者可据此制定减缓REC与推进脱碳的政策框架，后者可利用储能提升系统灵活性并减少弃电，投资者则可据此识别REC驱动运行下BESS实现经济可行的条件。