研究背景与政策驱动 [page::0][page::1]

• 研报聚焦于市场参与限制对配电储能投资及运营的影响，拆分发电与配电以促进竞争的监管框架下，储能通常作为发电资产而非配电资产。

- 配电公司在当前政策下限制储能参与批发市场，导致储能利用率低，经济价值未充分释放。

• 以马萨诸塞州南塔克岛为案例，结合公开数据与投资计划，研究储能在未来25年的发展潜力及市场价值。

优化模型构建与核心约束 [page::3][page::4][page::7][page::8]

• 构建混合整数线性规划模型，综合投资成本（电网扩容、备用发电、储能）、运营成本及市场参与限制。

- 关键约束为市场参与限制：非电网资源（储能与备用发电）的供应不得超过电网容量与负荷差的正值，实现本地需求优先满足。

• 市场参与约束导致可行域非凸，增加计算复杂度，但通过引入二进制变量实现混合整数线性改写。

- 运营成本随储能及备用容量增加而单调递减，市场参与限制可能使得电网投资收益特性不再单调。

案例数据与参数概览 [page::9][page::10][page::11]

• 峰值负荷预计从2025年的62MW增长至2050年的98MW，现有容量逐年下降。

- 典型用电负荷曲线显示早晚峰值明显，储能可通过削峰填谷实现经济价值。

• 电力价格高峰主要集中在夏季暑期和冬季，储能在高价时段放电，低价时段充电，有利于市场套利和削峰。

- 容量市场价格及稀缺事件符合储能高价值时段，强化储能参与市场的潜力。

数值实验设置与关键结果 [page::12][page::13][page::14][page::15]

• 设计9组实验，变量涵盖市场参与限制、可投资资源、储能成本、周期限制、容量市场价格等。

- 仅允许电网投资时总成本最高（678.9百万美元）。

• 允许储能投资可降低成本4.7%，但受限于市场参与，储能利用仍偏低，充放电周期有限。

- 开放市场参与后，总成本在此基础上额外下降2.0%-4.5%，储能利用率提升至最大允许的150个充放电周期/年，且无额外增加储能投资。

• 储能运营在正常与应急状态下基本一致，说明市场参与对应急调度无显著影响。

- 储能全年度周期均匀分配限制导致运算时间下降，但成本节省减半，说明灵活运作效率更高。

• 备用发电投入在一些实验中提升0.5%-2.5%成本节约，但同时储能投资有所下降。

- 储能成本极低时，市场参与能显著激励储能部署，可能超过本地需求，破坏配电与发电的隔离。

图表解析

• 图4（成本节约柱状图）显著展示储能在网格投资推迟、容量市场及批发套利中的成本节约贡献，储能市场价值为网格削峰节省的约一半。

• 图5（2025年资源供给热图）体现市场参与限制对储能和备用发电利用率的影响，显示放开限制后储能全年活跃运行，增强系统弹性。

实践启示与监管建议 [page::15][page::16]

• 市场参与与削峰减载带来的储能经济价值相当，均可显著降低配电系统资本及运营成本。

- 现阶段技术与市场条件下，市场参与限制变动不会显著影响储能投资规模。

• 若储能成本大幅降低，应谨慎监控市场参与对储能规模扩张的激励，防止过度资本投入。

- 本文模型能够辅助监管机构审计储能投资，确保其符合配电系统正当需求，促进市场规范发展。

详细分析报告：《The Value of Storage in Electricity Distribution: The Role of Markets》

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1. 元数据与概览

报告标题： The Value of Storage in Electricity Distribution: The Role of Markets
作者： Dirk Lauinger、Deepjyoti Deka、Sungho Shin
机构： Massachusetts Institute of Technology (MIT)
联系方式： lauinger@mit.edu, deepj87@mit.edu, sushin@mit.edu
发布日期： 未明确具体日期，引用文献最早为2019年，最近引用至2025年，可推断2025年左右发布
研究主题： 电力配电系统中储能的经济价值，聚焦储能参市意愿及其对配电网升级投资的影响，结合电力市场参与限制的建模与实证分析，案例选取马萨诸塞州南塔克岛。

核心论点及信息：

• 电力配电网电池储能主要用于减少峰值负荷、推迟配电网设备升级。

- 在美国多个实行发电与配电分离的电力市场中，由于监管限制，配电公司拥有的储能设备一般无法参与电力市场、导致储能资源低效利用。

• 本文首次正式将市场参与约束集成至储能投资和运营优化框架中，提出数学模型以界定存储投资的合理容量，即不超出本地配电需求。

- 基于马萨诸塞州案例，发现允许市场参与可带来与峰负荷减少相当的经济效益；当前条件下，市场参与对储能投资规模的影响有限，但当储能成本极低时，市场参与可能激励超出本地需求的储能容量部署，与发电与配电分离原则相悖。

• 该模型可为政策制定者和监管机构提供工具，以评估和限制配电储能投资合理规模，平衡市场参与带来的经济价值与市场结构稳定性。 [page::0,1,2]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言部分（Section 1）

背景与动机：

• 介绍1980年代和1990年代的电力行业放松管制背景，强调发电与配电分离旨在增强发电市场竞争，避免交叉补贴与垄断行为（Massachusetts General Court, 1997）。

- 指出现有13个美国州及哥伦比亚特区限制公用事业公司同时拥有发电和配电资产。该制度安排导致储能设备属性定位及市场角色复杂。

• 储能设备本质上属于发电，但如果用来维护配网可靠性、推迟升级，则可归于配网资产。法规限制储能参与市场，造成低利用率，例如欧洲配网运营商不能采购第三方储能且不能市场参与。当前配电储能常仅用于偶发事件，平均约每月放电一次（Orange and Rockland Utilities, 2024）。

研究目的：

• 提出能兼顾市场参与和限制市场扭曲的政策框架。

- 建设包含市场参与约束的运营投资优化模型。

• 以马萨诸塞州南塔克岛为案例，量化市场参与带来的经济效益及其对储能投资规模的影响。

- 该研究背景契合当前数十亿美元级别的配网升级投资背景（Eversource, 2024; National Grid, 2024），并适合指导已开启市场参与的州（如Maryland和New York）决策。 [page::0,1]

2.2 研究问题与创新贡献（Section 1.2）

三个核心研究问题：

1. 如何在储能投资运营规划中刻画市场参与约束？

2. 市场参与收益与峰值需求降低带来的节省相比如何？

1. 市场参与是否会激励超过配网需求的储能投资，如是，如何检测？

解决方案摘要：

• 通过数学形式将市场参与约束表达为非电网资源供应量不能超过配电网容量短缺的限制。

- 将上述约束嵌入投资规划最优化模型中，首次系统化建模此类限制。

• 应用于马萨诸塞案例，回答市场参与经济价值及投资规模风险问题，提出政策工具实现市场参与和存量管控的权衡平衡。 [page::2]

2.3 文献回顾（Section 1.3）

• 现有电力投资规划多基于社会优化视角，假设资源完全协同，无市场参与限制。

- 配电研究主要关注削峰（peak shaving）和波动调节，但几乎未将市场参与约束纳入模型。

• 企业实际往往依据延期资本性支出的价值进行储能投资评估（Keen et al., 2022）。

- 储能运营多用启发式算法限制市场参与，避免与配电需求冲突。例如限时或状态电荷限制（Balducci et al., 2019）。但本文模型证明在部分情况下两者目标可共存。 [page::3]

2.4 模型结构与数学描述（Section 2）

• 投资成本建模（2.1节）：定义3类资产：配网（g）、备份发电(b)、储能(s)，投资容量受上下界限制，成本用分段线性函数描述。配网设备在应急（contingency, c=1）时需扣减最大单元容量。非配网资产可参与容量市场获得补贴。成本函数非增且分段线性。

- 运营成本建模（2.2节）：定义时间结构（年度N、日J、小时K、应急状态C），供需双向变量严格非负，满足供需平衡，设备供需均受容量限制。储能状态-of-charge (SoC)以线性约束维护，考虑充放电效率和周期开销限制（如电池寿命限制充放电周期150年/次）。充放电权衡及循环限制兼作保证设备健康和实用性。

• 总成本目标（2.3节）：最小化投资与运营总成本，体现投资规模与运营灵活性的权衡。

- 市场参与约束（2.4节）：关键创新，限制非配电网资源的释放只能填补配网容量短缺，表达为非凸约束，导致问题复杂度大幅提升，需引入二进制变量处理。引入该约束后，运营成本可能不再单调递减于配网投资。

• 理论总结（2.5节）：

1. 运营成本随着储能和备份投资递减；
2. 受限市场参与下配网投资不保证单调性；
3. 约束市场参与会提升运营成本（降低市场资源使用灵活度）；
4. 计算难度主要源于市场参与约束的非凸性及资本投资的投量不连续性。 [page::4-8]

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2.5 图表深度解读

图1（第10页）—— 峰值负荷与装机容量推演

• 左图描绘2025年至2050年峰值负荷（load）持续增长（62MW升至98MW），现有装机容量（capacity）与N-1冗余容量则逐步减少直至2040-2047年降为零，显示配电网迫切需求重大升级。

- 右图展示了2024年五个峰值负荷最严重日的24小时负荷曲线，峰值时段约57MW，低谷约30MW，负荷翻倍波动为储能调峰创造机会。

• 负荷日间模式连贯性强，验证模型中对每日储能初始SoC统一设定的合理性。 [page::10]

图2（第11页）—— 2024年负荷与电价日历热图

• 左图显示负荷特征，夏季下午负荷最高，非夏季常年保持低负荷，支持储能主要用于夏季峰谷套利或峰值削减。

- 右图电价显著在夏季下午和冬季波峰，价格高峰与负荷峰高相对应，说明储能充放电周期与市场高价期耦合良好。

• 存在价差驱动套利的良好激励。 [page::11]

图3（第11页）—— 电力市场稀缺事件分析

• 展示2024年6月18日和8月1日两次稀缺事件，价格暴涨，但负荷仅处于较高水平，稀缺事件集中于夏季傍晚段。

- 储能在稀缺期可参与容量市场，帮助满足供需缺口获得补偿。

• 该时段储能的市场价值和分配需求高度吻合峰负荷调控目标。 [page::11]

图4（第15页）—— 存储带来的成本节约示意

• 以百分比展示纯配电网投资延期节约（4.7%）和市场参与带来的额外节约（容量市场节约约2.5%，批发套利约2.0%）。

- 形象量化了市场参与对整体配网成本节约的贡献约等同于峰值削减本身的50%。

• 说明市场参与在现有条件下具备显著经济补益。 [page::15]

图5（第16页）—— 2025年资源供给决策热力分布

• 三组图分别对应备份发电(Grid)，配网设备(Grid)和储能(Storage)，上中下排列显示无市场参与vs有市场参与，以及基本事件vs应急事件差异。

- 发现有市场参与时储能使用大幅增加，尤其是正常操作的年周期放电达最大限制，且储能在应急和非应急状态下操作高度相似。

• 支撑观点：市场参与提高储能利用效率，未额外诱导储能扩容。

- 色彩红蓝交替显示储能充放电行为频繁，充分利用市场差价。 [page::16]

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3. 估值分析与数值实验（Section 3）

3.1 案例选择与背景

选址为马萨诸塞州南塔克岛，理由包括：

• 州电力市场实行发电与配电分离，当前法规禁止配电公司拥有的储能参与市场。

- 数据公开详实，系统规模适中，便于模型分析与计算。

• 该岛现有6MW/48MWh的电池储能系统和13MW的备份发电机，且已有公开评估（Balducci et al., 2019）。

- 该岛计划大规模升级配网，适用于长期规划分析。 [page::9-10]

3.2 关键参数概述

• 峰负荷自62MW（2025）攀升至98MW（2050），装机容量减退严重，体现配网设备亟待扩容（见图1）。

- 价格与负荷高度相关，夏季价差最大，稀缺事件集中于夏夕，储能充电时机与市场高价期吻合。

• 储能设备容量与充放电效率根据相关文献（PNNL、Balducci et al.）和实际运行数据设定，寿命周期150次放电限制。

- 采用一年、一天、小时三级时间结构，充放电控制基于有限视野假设，简化电池动力学假设，便于计算可行性。 [page::10-12]

3.3 数值实验设计与结果

• 实验1（仅配网投资）：总成本最高，678.9百万美元，容量投资160MW，无储能。

- 实验2（配网+储能，无市场参与）：总成本下降4.7%，储能投资19.3MW，配网容量降至120MW，储能利用率非常低（约7次放电/年），储能大部分时间闲置维持高SOC。

• 实验3与4（增加市场参与，允许套利及容量市场）：额外节约成本约2.0%-4.5%，储能放电次数上升至150次/年，储能利用大幅提升但并未促使扩容，储能运营策略在正常与应急情形高度统一。

- 实验5（分配循环预算每日均等）：提升计算效率但成本节约较低，仅2.9%，需要更大储能容量达到峰值削减。

• 实验6和7（允许备份发电投资）：备份发电扩容至22.2MW，储能容量降低至11.6MW，进一步提升成本优势。

- 实验8和9（极低储能成本假设）：无市场参与储能容量提高仅10%，若允许市场参与则激增至391.9MW，远超本地需求，表明市场参与将激励超额投资。 [page::13-15]

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4. 风险因素评估

• 市场参与风险：可能导致配电公司投资超出本地网需求的储能设备，违背发电与配电资产分离原则，潜在垄断和市场扭曲风险。

- 技术与模型风险：简化的电池动态不完全反映实际操作风险，限期放电循环的设置依赖于运营维护，负效率等模型假设不完全现实。

• 计算复杂度风险：模型中市场参与约束增加显著的二进制变量数量，可能影响实际应用规模和时效。

- 政策和市场不确定性：前瞻性电力价格及需求预测存较大不确定，市场规则和补贴政策演变可能使模型预测偏差。

报告提供了缓解措施，如利用模型限定储能投资上下限，审核市场参与项目，递交决策支持。市场参与带来的收益与风险需监管部门权衡。 [page::7,8,15,27-30]

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5. 批判性视角与细微差别

• 理论模型复杂，但缺少对电池退化影响的动态模拟。作者承认并假设市场参与不引起额外退化，实际运营一般更复杂，可能导致效率或寿命降低。

- 市场参与非凸约束解决方案需大量计算资源，现实中可能限制推广。报告通过分解和近似给出解决方案，但在大规模应用中仍待考验。

• 数据假设中负荷和电价未来趋势线性外推，忽视了潜在的需求侧反应与市场机制变革。价格波动可能会更加剧烈或变化，影响套利空间。

- 实验结果显示当前技术和市场条件下，市场参与未促进额外储能扩容，是乐观的判断。但未来技术进步和政策变化可能逆转此态势。

• 报告未深入讨论市场集中度或垄断风险的经济模型，仅以容量规模指标评估。监管策略尚需结合市场结构分析。 [page::11,15,27-29]

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6. 结论性综合

本报告通过数学建模、理论分析及马萨诸塞州南塔克岛案例研究，系统评估了储能在配电网中的经济价值及市场参与的政策影响。其结论包括：

• 市场参与约束建模首次被有效整合进储能投资与运营规划。该约束确保非配电资源供给不超过配电网容量缺口，避免过度市场利用。

- 数值案例显示，储能参与市场（套利与容量市场）可带来与传统峰值削减近似的成本节约，约占整体节省的50%。

• 在当前储能成本和市场结构下，市场参与不推动储能规模扩张，储能容量主要围绕本地配网需求配置。

- 当储能成本降至极低水平，市场参与会极大激励超配网需求的大规模扩张，可能对市场结构和监管构成挑战。

• 模型提供了一种调节工具，供监管机构界定允许的储能投资规模及审计市场参与储能资产的合理性。

- 理论与实证分析均指向关键政策抉择：是否松绑储能市场参与限制，并配合投资限制，达到成本效益与市场健康的平衡。

报告附带详细数据来源、数学证明和混合整数线性规划的完整模型定义，体现研究严谨和可复现性。图表直观演示了负荷、价格、稀缺事件分布及储能投入对成本结构的显著影响。该研究对电力市场设计、配网升级战略及储能政策制定具有示范和指导价值。[page::0-32]

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总结

该报告是储能经济价值和市场政策领域的前沿研究，创新性地引入市场参与限制模型到储能投资规划，结合详实马萨诸塞南塔克岛案例验证，揭示市场参与对储能经济性的双面效应。尤其是低成本储能时代可能引发的监管挑战，报告提供理论和工具支持监管判定。此外，丰富的数据分析和图表支持使得理论结论具有高度可信性与实用性。此报告对电力系统规划者、政策制定者乃至市场参与主体均有重要启示意义。

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所有结论与数据信息均基于原文内容，附页码溯源标识。

报告