电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮

电力和天然气以及石油和天然气实践 电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮 为了将可再生能源整合到电网中并支持能源转型，运营商可能需要重新考虑其规划方法和工具，以应对网络和价值链挑战。 本文由AdamBarth、DavidGonzález、JoseLuisGonzalez、ViktorHanzlík、GonçaloPinheiro、HumayunTai和AlexanderWeiss共同撰写，代表了麦肯锡电力和天然气实践的观点。 ©GettyImages 2024年2月 电网是基础通过使用可再生能源（RES）在能源转型中发挥关键作用。为了满足对可再生能源不断增长的需求，世界可能需要将RES整合到电网中-但仍有障碍需要克服。 随着经济脱碳的推动，到2050年，可再生能源的装机容量预计将出现大幅增长。向RES的过渡，再加上经济增长，将导致电力需求飙升-从2020年到2030年增长40％，并翻一番 到2050年。1 将RES集成到电网中时，公用事业面临两个重大挑战。首先，他们面临网络不足，缺乏物理容量来容纳资源最好的地方的供应和需求。 其次，随着RES份额的增加，缺乏实时网络管理 电网不稳定,影响高可靠性标准,引起电力系统电压不稳定 、频率不一致和谐波失真。 电网最初并不是为这样一个快节奏的能源系统而建立的 ；他们的工具和流程是在一个速度较慢、波动性较低的世界中开发的。在本文中，我们研究了电网运营商在规划、连接和运营方面面临的挑战，并探索了协调的解决方案，以从快速增长的RES需求中受益。 为了支持RES集成到电网中，电网运营商可能需要重新考虑他们在规划、连接、 操作和协调方法(图表1)。 1《2023年全球能源展望》，麦肯锡，2023年11月。 附件1 电网运营商可能需要重新考虑其端到端流程，以将可恢复的能源带入电网。 说明性过程 IT和数据架模型构 在电网应用之前电网施工应用流程和通电 技术灵活性服 务 具有集成数据产品的模块化架构，可与能源市场平台和所有业务领域合作 基于情景的能源系统技术经济优化随机模型 与规划模型协调的容量估算方法的优化;提高电网约束的可见性和对RES开发人员的最低应用要求 修订连接要求以简化流程；定义提供给RES开发人员的技术标准化连接模块 高效的资本支出交付（管理供应链和通货膨胀风险）和设备标准化 支持优化现有电网容量使用的新硬件通过网格管理、监控和存储解决方案 增加灵活性服务中不同资源（例如，客户、可再生能源）的参与；拥塞服务、储备、频率响应和惯性容量 计划连接操作 继续下一页 2电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮 附件1，续 坐标 内部：运营模式 外部：与能源市场利益相关者合作 People 结构 系统和流程 传动系统操作员 许可证、监管机构和当局 RES开发人员和操作员 灵活性资产和行业 电力零售商和消费者 员工权利、人才和能力管理 治理、责任关系、跨职能团 设计流程的改进和简化，系 DSO-TSO²能源规划和系 与许可机构(环境、民事、地 促进发电弹性（例如，非峰 采用灵活性资产以实现系统 需求弹性的激励（例如，能 、组织文化设置 队协作模型 统的自动化和数字化 统稳定的目标合作模式； 方)、监管机构和政府的有效 值发电的激励），以激励参 稳定性；激励工业用户适应 源效率计划）；明确的电力 通过国际能源 合作框架 与电网平衡（ 无功功率使用 生产者连接和 贸易实现系统 例如，减少拥 的技术 关税框架 平衡 塞） 1可再生能源。 2配电系统运营商-输电系统运营商。 麦肯锡公司 对可再生能源日益增长的需求需要电网整合 能源转型正在改变发电的格局。由于脱碳驱动RES需求， 预计到2030年，RES将占全球电力供应的45％至50％ ，到2040年将占60％至70％。2随着这种蓬勃发展的需求，从2020年到2050年，RES的装机容量可能会增长9倍（图表2）。向RES的过渡，加上经济增长，可能会导致电力快速增长。3电网将需要扩大，以满足对电力和可再生能源日益增长的需求：要到2050年实现净零排放，各国需要将输电线路和其他基础设施的投资增加一倍，到2030年达到每年5500亿欧元。4 将可再生能源整合到电网中的挑战 为了利用RES的机会，RES需要集成到电网中——这不是一件容易的事。电网运营商在这方面面临两个主要的限制。 首先，我们已经注意到，网络不足对许多运营商来说是一个挑战(参见侧栏“网络不足”)。目前，没有足够的物理电网容量来容纳供需连接。这主要是由于优化电网容量的困难 （目前设计用于集中式，主要是化石燃料发电）和低效的电网规划，导致新建的RES容量少于所需。 2同上。 3同上。 4电网和安全能源转型，IEA，2023年11月。 电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮能源3 附件2 电网需要适应不断增加的可再生能源渗透率以及能源需求。 全球电力装机容量，terawatt 30 间歇性发电可调度一代² 25 9× 20增加 间歇发电能力 15到2050年 （vs2020年） 10 5 0 电力需求，佩塔瓦特小时 2020202520302035204020452050 23324152 2×电力需求增加到2050年（与2020年相比） 1太阳能光伏，集中太阳能热发电（CSP），陆上和海上风能。 2天然气，核能，石油，煤炭，生物质，氢气，地热，储存和水电。 资料来源：2023年全球能源展望，麦肯锡，2023年11月；当前轨迹情景麦肯锡公司 网络不足 近1,000吉瓦（GW）的太阳能项目正在等待欧洲和美国的连接（这是2022年全球新增太阳能装机容量的近四倍）。此外，500吉瓦的风力装机容量正在等待投入电网（是2022年建造量的五倍）。 InEurope,thisiscausingdelionsinthephase-outofpositivefuelpowerplants,longerleadtimeforsupply-and-demandconnections,andincreaseddevelopmentcostsofRESprojects. 例如，荷兰的电网拥堵导致了连接拒绝和RES输出上限，阿姆斯特丹的几个地区已经达到了最大容量。同样，在美国，自2015年以来，等待连接的平均时间几乎翻了一番，现在超过了三年。 1“足够长的电网可以到达太阳是气候斗争的关键，”BloombergNEF，2023年3月8日。 2“阿姆斯特丹的案例研究提供了帮助解决电网拥堵的经验教训”，阿姆斯特丹高级都市解决方案研究所，2022年5月。 4电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮 其次，运营商应对网络不稳定性（参见侧栏“网络不稳定性”）。间歇性电源的渗透率增加，如 作为太阳能和风能，引起了更高的公用频率和电压波动。5运营商面临的问题是，“旋转质量”较少，由于逐步淘汰了当前的平衡资产，例如热发电，从而失去了稳定系统的能力。6他们还处理与分配相关的植物的削减和潜在的不平衡惩罚。因此，有 对复杂的平衡服务以及输配电系统运营商协调流程的重组的需求日益增长。 电网运营商如何导航可再生能源集成 电网运营商在价值链中面临着多种挑战，这可能会使 他们面临能源转型准备不足的风险。 但是，他们有许多可用的途径来帮助他们更好地计划，连接和运营。 计划：利用综合电网规划 目前可用于电网规划的工具和过程不适合优化当前容量和规划以建立有效的新容量的任务。复杂的潮流模型无法处理长时间框架，也无法处理当今系统在需求（绝对增长和轮廓效应）和供应（可用性，位置和可调度性）增长趋势方面的不确定性，并可能影响未来的监管格局。 这使得操作员无法在各种输入中进行粒度级别的不确定性建模，包括： —供需预测例如电动汽车，太阳能屋顶或消费者采用的热泵，电网运营商需要计划优化其与系统的集成。 —气候和天气预报，影响间歇性发电源发电的能力，如风力和太阳能技术，以及损害电网 5NinaZalaznik和AnoopGangadharan，“将可再生能源与DER电压控制集成”，LandisGyr，2023年1月12日；KrzysztofLowczowski， 产消者光伏安装中的电压波动和闪烁，ResearchGate，2022年3月。 6“电力安全比以往任何时候都更重要”，IEA，2020年。 网络不稳定 另一个例子可以在2018年的澳大利亚发现，那里风能和太阳能发电厂(主要包括住宅屋顶太阳能设施)的高渗透率导致了相当大的电压波动。较高的电压 导致电器达到饱和，多余的部分作为热量被烧掉。尽管客户未使用能源，但多余的能源导致能源费用膨胀。此外，电源质量下降（导致灯光闪烁和变暗 ）。为了了解电压波动对消费者的影响，对大约12,000个电表进行了调查，结果表明大约14％的电表的读数高于最大电压限值。. 1JillianAmbrose和KevinRawlinson，“重大停电后英格兰和威尔士的交通混乱”，《卫报》，2019年8月9日；NinaChestney，“英国电网，8月停电后火车系统需要审查：电网运营商”，路透社，2019年9月10日。 2LizHobday，“电费上涨？电器烧坏了？您可能有电压问题，”ABC新闻，2018年11月7日。 电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮能源 5 英国的一起事件就是网络不稳定的一个例子-该国在2019年面临重大停电，这是由于Horsea海上风电场和LittleBarford燃气发电厂意外关闭而引发的。这导致了大部分系统的崩溃，一百万电力客户受到影响。关闭持续了40分钟，影响了包括伊普斯威奇医院，纽卡斯尔机场和伦敦铁路系统在内的多项公共服务。. 由于越来越多的极端天气事件而产生的弹性。 —资产失效概率，这是由电网老化或植被对电网线路的影响等方面驱动的，进而影响电网可用性，增加电网维护和运行的复杂性，并间接影响电网发展计划。 这些因素凸显了对更集成的电网规划方法的需求（图表 3）。 规划人员可以利用灵活和模块化的数据架构以及人工智能驱动的随机 优化投资计划，因为这些可以帮助优化现有电网容量和使用集成电网规划构建新容量。 模块化IT和数据体系结构 公司可以重新设计其数据架构，以强调模块化（将复杂系统分解为更小，更易于管理的组件的能力）。这将允许数据架构具有更大的灵活性、可扩展性和适应性，以帮助组织更有效和高效地实现其数据管理目标，包括更好地与能源市场平台合作。目标是能够像数据一样使用“数据构建块”进行操作。 附件3 需要一种集成的网格建模方法来在不确定的能源环境中建立信心。 说明性网格模型 Simulation层 解决方案识别 通过网格升级确定性能改进 (例如，对SAIDI的贡献，未提供能量)-迭代过程 电网仿真(功率流)众多 场景的随机模拟 （例如，RES容量因子和位置，EV负载曲线） 解决方案识别选择解决方案并确定其优先级，探索所有可用技术 经济可行性估计 高水平的经济/财务影响估计 （例如，内部收益率/净现值 ，资本支出投资概况） 瓶颈识别 每小时和资产水平分析 （例如，未提供能源 ，削减，重新调度） 微观供需预测节点级和每小时缩减负载和生成数据 cro”趋势 预测 气候和天气预报 RES²容量系数和电网弹性风险 资产故障预测故障对网络性能的影响（如老化、植被 ） 宏观供需预测 中长期趋势(例如，电动汽车采用、RES²渗透率) 该模型结合了多个“m”a 预测和“微”电网动力学模型 驱动基于场景的模拟(例如，电动汽车采用) AA随机方法可以进行详尽的分析 成千上万的场景，风险和不确定性建模 1电动车。 2可再生能源。 3系统平均中断持续时间指数。 麦肯锡公司 6电网运营商如何整合即将到来的可再生能源浪潮 是完美的，因此，首先，当真实信息可用时，只需要更新一个块，其次，可以根据预测的置信度统计地表示预