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Adam Barth、David Gonz á lez、Jose Luis Gonzalez、Viktor Hanzl í k、Gon ç alo Pinheiro、Humayun Tai和Alexander Weiss共同撰写，代表了麦肯锡电力和天然气实践的观点。 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。 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。 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 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)。 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。 说明性过程 麦肯锡公司 对可再生能源日益增长的需求需要电网整合 将可再生能源整合到电网中的挑战 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 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。 附件2 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）。 In Europe, this is causing delions in the phase - out of positive fuel power plants, longer lead time for supply - and - demand connections, and increaseddevelopment costs of RES projects.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。 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 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。 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。 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 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。 网络不稳定 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Little Barford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。. 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。. 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。 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。 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。 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 附件3 说明性网格模型 麦肯锡公司 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测数据的不确定性。 流程。高管可以在以下阶段使连接流程对其客户更加透明。 第一阶段：在申请将新RES连接到电网之前 运营商可以通过采用集成的电网规划方法（由先进的分析技术支持）以及考虑目前不常用的解决方案（如电池）来优化可再生能源工厂的托管能力。并行地,运营商可以通过关于电网拥塞和网络的每个点中的托管容量的公开可用信息来提高电网约束的可见性。他们还可以为RES开发人员定义最低要求，以优化应用程序流程，同时仍保持在适用的电源质量要求范围内。 基于情景的随机模型 此类模型结合了宏观电网趋势和微电网动态来评估许多选择，有助于在不确定性下建立信心。这允许更好的规划，能够对全年进行建模，量化资产故障和电压波动等事件的不可预测性，这还可以作为监管机构和运营商的可靠事实基础，并为明智的决策提供有价值的见解。 例如，这些模型可以量化几个输入的影响-例 如RES 第二阶段：网格应用过程操作员可以考虑通过条件需求来修改和优化连接需求。这样的示例将是在特定时间将太阳能输出调节到网络拥塞，以增加连接的可再生发电的数量，而无需升级任何电网设备（例如变压器和电力线）并为RES开发人员定义预定义和标准化的连接产品集。 渗透，网格拓扑和电动汽车的采用-进入主要的服务质量（QoS）指标（例如，削减和未提供的能源），利用随机方法（请参见侧栏“随机网格建模”）。模型可以包括深度学习代理模型，以便在中长期运行全年模拟时，将执行时间从几天缩短到几秒钟。 连接：加速可再生电网连接过程 第三阶段：建设和激活新的电网连接 电网运营商在其连接过程中面临各种障碍，包括过时的连接分析优先级，无法考虑未来的增加，整个过程的数字化不足，以及设备采购和许可过程缺乏标准化。 运营商可以通过更好地管理紧张的供应链（例如原材料和组件）和通货膨胀风险来改善资本支出。他们还可以应用各种设计杠杆-例如设备标准化 -通过应用设计成本和开发 与设备供应商的战略合作伙伴关系。此外，运营商可以专注于与许可当局的有效合作。新的电网连接在申请过程中需要许多权限，有效的合作框架可以提高申请成功率并最大限度地减少整体交付时间。 为了应对这些挑战，运营商可以优化用于托管容量估计的方法（例如，利用如上所述的高级电网规划模型）;自动化流程;利用生成AI（geerative AI）来改善客户接口和信息流;适应连接要求;标准化设备;并确保卓越的资本交付以加速连接和许可。 随机网格建模：一个欧洲示例 一个欧洲配电运营商部署了一种随机网格建模方法，以量化网格影响并确定特定地区的最佳潜在网格升级。 通过部署先进的随机模型，电网运营商在许多领域取得了成功，包括： 压力测试其当前的网络发展计划，主要集中在业务照常解决方案上，例如变电站容量增加和新线路。运营商利用随机方法通过计算未来几年未提供的削减和能源的概率来理解与计划相关的风险。 —开发额外的投资方案考虑传统电网升级之外的替代解决方案（例如，存储，可再生能源增加的电网中的最佳位置以及高级逆变器），并具有不同的目标功能，例如优化服务质量或资本支出（capex）。 —与当前计划相比，估计这些方案对资本支出和QoS的影响。例如，一个运营商发现，在一个场景中，它可以实现15％的资本支出减少和80％的QoS指标改善，而在第二个场景（展示）中，分别减少了40％和65％的改善。 说明性随机模型 配电系统运营商（DSO）将能够优化当前的资本支出（capex）计划... •增加资本支出分配效率追求最优解考虑供应质量(QoS)和成本之间的权衡 •改善QoS，降低ENSand削减 拥堵服务和灵活性招标)，以解决物理充足性瓶颈、提高稳定性和简化日常运营。 运营：改善运营 高度集中的流程和有限的数据可用性可能导致操作可见性不足，从而影响系统稳定性。通常，配电网运营商缺乏有关低压电网中电力流动的实时信息以及允许他们通过管理连接到网络的电网资产来维持电网稳定性的操作实践。 先进的网格技术 运营商还可以考虑提高其管理网络能力的技术，或者将非常规技术视为升级电网线路和变电站容量的替代方案。先进的电网技术可以分为四类，根据影响和成熟度而有所不同：高级组件；系统监视和优化；分布式能源（DER）集成软件；和储能技术（图表4）。 运营商可以使用系统稳定性和网络充分性技术-例如先进的逆变器，主交换机和虚拟同步机-并引入创新的灵活性服务（例如，惯性采购， 先进的网格技术热图（说明性） 麦肯锡公司 先进的变压器、电网管理和能源存储是高成熟度、高价值的池解决方案。这些可以帮助电网运营商将可再生能源整合到系统中，在系统中，电网监控是获得电网状态可见性和改善整个价值链中电网运营(例如，网络规划和维护)的关键推动者。一些地区，如 就人员而言，运营商可以审查他们的人才和能力管理以及组织文化。这可能涉及雇用新人才和提高现有员工的技能，以确保他们拥有在快速变化的能源市场中取得成功所需的技能和知识。 作为联合王国，已经开始激励电力运营商监控低压网络，以支持电动汽车和可再生能源发电进入电网。他们通过安装具有计算边缘