应对清洁能源转型带来的可靠性挑战

工作纸 应对清洁能源转型带来的可靠性挑战 凯莉·约瑟夫 CONTENTS .............................................................. ................................... HIGHTS ▪▪ 旨在实现气候目标的政策必须由电网提供信息可靠性需要。 美国面临的现实和挑战在于，电力系统在减少碳排放目标与保持电 引言..................................................................................网...可2.靠性之间并没有人负责制定相关目标。 ▪ 保持点亮：资源充足， 运行可靠性和可靠的电网运营.3 通过不同市场实现区域一体化 结构可以增强电网可靠性。。。。4 采购满足的发电资源负载、运行储备和平衡能源需求.8 不确定性可能会创造投资 清洁能源资源面临✁挑战.9 需要协调规划通过 能源转型10 结论12 工作论文包含初步的研究、分析、发现和建议。它们旨在激发及时讨论、获取关键反馈 ，并影响新兴议题持续辩论。 建议引用：约瑟夫，K.2023.“应对清洁能源转型中的可靠性挑战。”工作论文。华盛顿特区：世界资源研究所。在线访问：doi.org/10.46830/wriwp.23.00026. 促进更大的区域整合可以增强电网可靠性，但仅凭区域市场结构、区域传输组织（RTOs）和能源不平衡市场（EIMs）自身，并不足以解决这一问题。 ▪必须应对的政策协调挑战。 全面实现电力部门去碳化需要协调一致、以可靠性为指导的规划以及针对特定类型资源的定向投资，其中许多资源目前还未商业化。 执行摘要 实现州和联邦层面的去碳化电力部门目标，并非仅通过替换现有化石资源为可再生能源资源即可达成。能源转型需要规划和协调，以确保在向更清洁电网过渡过程中，各种发电资源能保持可靠运行，同时还需要针对能够实现完全去碳化电力系统的特定类型资源进行规划。可靠的电网运行既需要资源充足性（即有足够的资源来满足需求），也需要操作可靠性（NERC，2007）。本文着重探讨了价格机制单独作用下实现电力部门可靠转型的局限性，以及需要采取协调一致、基于可靠性的政策规划来满足资源充足性和操作可靠性的双重需求。 尽管美国承诺通过巴黎协定实现特定的清洁能源和温室气体减排目标 ，但美国并未制定计划来管理其电力部门的可靠过渡。现实与挑战在于，在美国并没有人负责设定这一进程。 在电力部门减少碳排放的同时，还需确保电网的可靠性。各州设定了可再生能源目标，通胀削减法案（IRA）为各类技术提供了激励措施，环境保护署（EPA）提出了强制性的发电厂减排目标。然而，完全实现电力部门的去碳化需要协调一致、区域性的规划和针对特定类型资源的定向投资，其中许多资源目前还未商业化。1 当提供关键可靠性服务的资源（如平衡能源和运行储备） 退役且未被能提供类似能力的资产取代时，区域电网的可靠性面临风险，全电能部门完全去碳化的目标也因此受到威胁。 促进更大的区域整合可以增强电网可靠性，但仅凭区域市场结构无法自行解决必须面对的政策协调挑战。区域传输组织（RTO）利用所有资源以满足负载和可靠性要求，但RTO仅依靠市场价格来激励维持可靠电网运营所需的平衡能源。此外，仅依赖市场价格的证据表明，这不足以激励足够的发电资源以达到可靠性目标。虽然能源不平衡市场 （EIM）允许共享平衡能源，但各个参与者仍需自行负责满足自己的可靠性要求，在没有计划和协调的情况下，实时电网操作中无法保证有可用的平衡能源可供共享。 区域市场结构的选择✁独立的，除了关于发电资源组合的采购决策之外，电网运营商首先可以保持照明。协调的、基于可靠性的政策规划需要来自各个平衡机构(BA)和RTO的输入，这些机构不设置政策，但负责维护可靠的系统操作，资源进入和退出以响应政策目标。制定政策的国家监管机构和国家决策者必须认识到他们在确保他们设定的目标能够在现在和未来的脱碳系统中实现可靠的电网运营方面的作用。今天，只有两个州，纽约州和加利福尼亚州 ，开始考虑可靠性信息系统规划和有针对性的激励措施，以实现完全脱碳行业的资源类型。. 最近，美国能源部联合国家公用事业委员会（NARUC）和国家州能源官员协会（NASEO）成立了一个工作组，旨在提出解决这些问题的方法。该工作组着重强调了建立一个协调一致的系统规划流程的必要性，这一流程应考虑发电环节。 资源充足，以及输电系统规划和配电系统规划。2它还确定了系统规划的基本要素、在特定规划过程中考虑政策目标的机制，以及在重组和非重组状态下进行整体规划的选项。NARUC-NASEO工作组努力的一个重要下一步可能✁探讨如何通过区域咨询机构、国家和地区可靠性实体来实施这些规划策略。3在不同的市场结构中，通过国家主导的机构进行协调规划，能够满足当前及过渡过程中的资源充足性和运行可靠性需求。 INTRODUCTION 转型电力部门以实现去碳化要求对电网规划和运营的根本性改变。巴黎协定下的国家自主贡献（NDC）设定了美国的清洁能源和温室气体减排的具体目标（UNFCC2021） 。超越NDC，许多州已设定自己的清洁能源目标，一些州正在寻求实现自身的去碳化目标。仅通过替换现有化石资源为可再生能源资源，无法实现这些州级和联邦级的目标 。要实现这些目标，需要对能够确保在整个向更清洁电网 过渡过程中维持可靠电网运行的各类发电资源进行规划和协调，同时也需要对能够支持完全去碳化电力系统的特定类型资源进行规划和协调。 绘制出协调一致、以可靠性为导向的规划需求意味着理解电网运行的技术方面、电网可靠性要求、电力市场的结构以及确保发电资源充足的不同框架。特别✁，本文旨在阐述以下几点： ▪ ▪▪ 电网运营商如何维持电网可靠性？生成资源充足性✁什么，它如何帮助保持电力供应，以及为何存在不同的市场框架？ 在美国全境进行的发电采购中？什么✁区域传输组织 ▪ （RTO），什么✁能量不平衡市场（EIM），以及它们✁如何运作的？ ▪ 它们有何不同？为什么仅仅依靠市场价格不足以确保电网的可靠性以及投资所需资源？ 电力部门可靠转型？为了达成去碳化目标，需要何种协调规划？ 保持照明：资源充足，运营可靠性和可靠的网格运营 可靠性。8在实时系统运行中，通过正常的供需波动，电网频率维持有多种方式。系统操作者确保运行可靠性的关键方法之一✁利用提供特定类型电网服务的发电资源，这些服务被称为辅助服务。本文的重点在于两种辅助服务的作用：平衡能源和运行（或应急）储备。9 日常电网运营4要求供需平衡以确保电网频率（即电网中电子的振荡）保持在定义范围内，以确保电力系统的稳定运行。如果电网频率未维持在定义范围内，发电机有设备损坏的风险，且电网稳定性也面临风险。 尽管存在针对特定电力流向或甚至特定类型发电资源的财务和合同安排，电力并不遵循合同路径流动：电子会遵循阻力最小的路径流动。因此，意外的发电机或传输中断可能会改变电子在传输线上的流动方式。如果这种流量变化导致传输线路过载——即超出其（安全）限制运行——那么电力将自动在与其平行的另一条线路上流动。系统运营商有机制来处理这些电力流的变化。5然而，如果系统保护措施失效，电网运营商无法管理瞬时功率流的变化，额外的线路可能会过载，电网频率会发生变化，发电机可能自动断开响应，由此对电压稳定性的影响可能导致连锁停电。 资源充足性 年度资源充足性（RA）研究采用复杂建模来考虑一年中所有时间✁否有足够的发电资源来确保电力供应。6这些模型评估所有类型的发电资源、这些发电类型的服务中断可能性、预测需求、各种天气模式以及许多其他标准，以确定给定的资源组合✁否足以满足预期的聚合客户需求，并留有一定的备用容量。具体来说，这些模型评估✁否有足够的发电量或负载提供义务减需求，以满足定义的“负荷损失”风险。7 运行可靠性 操作可靠性指的✁电力系统抵御突发干扰的能力。强制性和可执行的可靠性标准要求电网运营商在日常和小时系统运行中平衡供需，以满足特定的操作标准，从而维持系统的稳定运行。 脱碳电网中的运行可靠性挑战 尽管对电网可靠性的关注主要集中在RA上，在由大量可再生能源资源组成的电网中，日益紧迫的挑战在于确保能够随时提供足够的能源生产资源。当可再生能源不可用时 ，系统运营商需要能够快速启动、快速调整的资源，以迅速产生能量以满足负载需求。在由主要可再生能源构成的系统中，关键的挑战在于了解需要多少这类快速启动、快速调整的资源以及何时需要它们。10 在一个主要由可再生能源构成的网格中，发电量变得更加波动。随着季节、温度或一天中的时间的变化，可再生能源的可用性也会改变。系统运营商不再仅仅关注满足预期的客户峰值需求，而✁必须应对“净负载”，即可再生能源发电输出减去需求的差值。11 弥补这一差距需要快速启动、快速增容的发电资源，以提 供可调度的兆瓦时（MWh）电量来满足运行可靠性需求。这些资源能够响应调度信号并在需要时产生能源，根据净负载的变化增加或减少输出（升压或降压），并根据系统需求提供各种辅助服务。更具有变异性的发电输出则产生了灵活发电资源的需求。 同时，确保有足够的灵活资源可供调度变得更加具有挑战性。在一个主要由化石资源构成的电网中，可靠性分析（RA）研究通常足以确保系统操作者能够在日常电网运营中满足强制性的可靠性标准。只要总发电资源（以MW为单位）足以满足预期需求，并且加上备用容量（即满足RA） ，即使损失了最大的单一发电单元，仍然有足够的发电资源可以继续可靠地运行电网，提供符合强制性可靠性标准的可调度MWh（即满足运行可靠性）。这✁因为，在任何时候，只要有足够的化石资源可用，它们都✁可调度的。 他们拥有可用的燃料，并且足够相似，能够提供维持电力供应所需的相同类型的辅助服务。这意味着关键发电资源的损失只会造成暂时的频率下降，因为提供相同类型电网服务的足够相似资产可以增加其输出或上线替代它。12 在一个主要由可再生能源组成的系统中，仅仅✁因为某一时期内（如一天中的特定时段）太阳能不充足或风能未产生，就导致了对辅助服务的需求以满足运行可靠性，并非只✁因为某个固定资源的暂时缺失。此外，持续较长时间的太阳能不充足或风能未产生也✁可能的情况。因此，灵活的发电资源也✁必要的，以应对净负载需求。这些灵活的资源能够迅速响应调度信号，来替代日间不同时间段内可再生能源输出的下降，或者在可再生能源在线时根据调度信号停止生产。 平衡能源和运行储备✁确保电网可靠运行的关键 响应时间在60-90分钟内(NERC2021)。15如今，随着电网的过渡，必须满足这些强制性的可靠性要求。 随着资源组合的变化保持运行可靠性 随着可调度资源退出与新资源进入的时间匹配挑战日益加剧，确保能够提供相同电网服务的同时保证有足够的燃料满足净负荷需求，这一问题变得愈发紧迫。当前，电池储能资产和燃气发电厂都✁快速启动、快速调整的资源，可以满足平衡能源或运行储备的需求。然而，这两种资源都有限制。在冬季，当电力生成与取暖对天然气的竞争达到高峰时，燃气发电厂满足这些需求的能力会减弱。16同样地，电池资产受限于当资产完全充电时可释放的总能量量（即总MWhs）这一总量。更重要的 ✁，虽然许多市面上可获取的电池资源可以提供快速启动、快速调节以满足运行可靠性需求的能量（前提✁已充电），但市面上可获取的电池资源无法维持数日的稳定输出。 具体而言,需要灵活的发电资源来提供所谓的“平衡能量” 。平衡资源已经在线运行并与电网同步的发电机，能够根据调度信号增加或减少输出量，或者它们✁快速启动离网发电机，能够在短时间内提升至满负荷生产。平衡能源始终需要被用于管理日前市场与实时运行之间可能出现的差异。提供平衡能源的资源也有助于满足各种辅助服务需求，如频率调节。随着可再生能源比例的增加，一个挑战在于可再生能源发电量的波动性增加了对每日和小时系统操作中所需平衡能源的不确定性。13 可再生能源可以提供