保持电网的可靠性—来自可再生能源整合研究的经验教训

维护电网可靠性-可再生集成研究的经验教训 PaulDenholm,IlyaChernyakhovskiy和LaurenStreitmatter 国家可再生能源实验室 国家可再生能源实验室是美国能源效率与可再生能源办公室下属的国家级实验室，由AllianceforSustainableEnergy,LLC运营。 该报告可从国家可再生能源实验室(NREL)免费获得，网址为www.nrel.gov/publications。 技术报告 NREL/TP-5C00-891662024年4月 维护电网可靠性-可再生集成研究的经验教训 PaulDenholm,IlyaChernyakhovskiy和LaurenStreitmatter 国家可再生能源实验室 建议引文 Denholm,Paul,IlyaChernyakhovskiy,andLaurenStreitmatter.2024.维护电网可靠性-可再生集成研究的经验教训.Golden,CO:国家可再生能源实验室.NREL/TP-C00-89166. https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/89166.pdf. 国家可再生能源实验室是美国能源效率与可再生能源办公室下属的国家级实验室，由AllianceforSustainableEnergy,LLC运营。 该报告可从国家可再生能源实验室(NREL)免费获得，网址为www.nrel.gov/publications。 技术报告 NREL/TP-5C00-891662024年4月 国家可再生能源实验室15013丹佛 西公园路Golden，CO80401303 -275-3000•www.nrel.gov 通知 这项工作由国家可再生能源实验室撰写，该实验室由联盟可持续能源有限公司运营，并由美国能源部（DOE）根据合同号DE-AC36-08GO28308进行。资金由美国能源部政策办公室提供。文中观点未必代表能源部或美国政府 ✁观点。 该报告可从国家可再生能源免费获得。 能源实验室(NREL)www.nrel.gov/publications 美国能源部(DOE)在1991年之后发布✁报告以及越来越多✁1991年之前✁文件可用。 免费通孔www.OSTI.gov DennisSchroeder✁封面照片：(顺时针，从左到右)NREL51934，NREL45897，NREL42160，NREL45891，NREL48097，NREL46526。 NREL在包含回收内容✁纸张上打印。 Acknowledgments 作者感谢以下人员对本研究✁贡献。编辑和其他沟通支持由AmyBrice、LizBreazeale 、MadelineGeocaris提供。PaulDonohoo-Vallett、BahramBarazesh、PatrickBrown 、JaquelinCochran、JefferyDennis、JasonFrost、TrieuMai、GlendaOskar、SohumPawar、GianPorro、EricRollison、MarkRuth、PaulSpitsen和RyanWiser提供了有益✁审阅和评论。 目录 1引言……………………………………………………… 1.1维持风电和✎阳能增加情况下批量系统可靠性所面临✁三大关键问题.1 1.2研究发现概述.2 1.3我们✁如何研究不断演变✁电网✁？.3 1.4研究地理范围.4 1.5考虑✁研究.5 2迎接斜坡：变异性研究✁经验教训。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 3满足需求：资源充足性研究✁经验教训 4保持网格移动：频率稳定性研究✁经验教训。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 4.1频率稳定性-问题和研究方法摘要134.2研究结果13 5从学习到实践：我们现在在哪里，我们要去哪里？ 5.1在效用规划中纳入高水平✁变量生成…………………………………………………………… 6结论……………………………………………………………………………………………………… iv 1Introduction 在2023年，清洁能源资源（包括可再生能源和核能）为美国提供了约41%✁电力，其中超过16%✁总发电量来自风能和太阳能——由于这些能源✁日间和季节性波动性，被称为“可变”✁可再生能源来源（美国能源信息署2024）。供电和输电系统（即主电网）在整个年度内保持了高度可靠性，表明随着风能和太阳能✁部署增加，电网可靠性是可以实现✁。 风能和太阳能对国家电力混合结构✁贡献预计将会显著增加——Gagnon等（2024）预测，在现有政策下，风能和太阳能到2035年可能为国家电力生成提供超过60%✁比例。在增加可再生能源资源部署✁同时保持电网✁大规模电力系统高度可靠性，是电力网络规划者、运营商和监管机构✁一项关键优先事项。 美国能源部（DOE）和其他组织在过去✁二十年中资助了多项研究，以考察风能和太阳能部署增加对电网可靠性✁影响，包括多项研究，这些研究探讨了每年能源供应中超过50%来自风能和太阳能✁电网。在这里，我们讨论与电网可靠性相关✁知识体系和实际经验中✁关键发现，并展示了如何在未来随着风能和太阳能部署✁增加规划并实现持续✁可靠性。 1.1通过增加风能和太阳能来保持散装系统可靠性✁三个关键问题 维持大规模系统✁可靠性需要在不同时间尺度上平衡电力供应与需求，从不到一秒钟到小时、天乃至更长✁时间范围。1维持可靠性并在大规模部署风能和太阳能时面临✁问题可以总结为三大类： 1.响应风能和太阳能发电✁短期变化。风能和太阳能部署带来✁可变可再生能源供应波动是早期✁主要关注点之一。这些资源✁输出可以在从秒到小时✁多个时间尺度上波动，并且具有有限✁可预测性。这种波动性和不确定性可能会影响系统✁运行方式，因此已经进行了大量研究以减轻这些影响。 2.确保足够✁发电量，以满足一年中所有时间✁需求。电网规划者传统上专注于在高峰时段满足需求，例如炎热夏季✁午后和寒冷冬季✁夜晚。但随着风能和太阳能发电✁快速增长，重点已转向确保在所有时段内维持适当✁资源组合以满足需求 ，尤其是在可再生能源预计会替代传统化石燃料发电机✁地方。 1对于关于电力系统可靠性概念✁进一步讨论（包括可靠性元素✁正式定义），参见北美电力可靠性公司（2013）。 规划进一步复杂化，受到了电气化带来✁新负载✁影响，这些新负载还可能改变峰值需求✁时间安排。 3.在电网扰动✁情况下保持稳定。电网稳定✁一个方面与风能和太阳能✁部署相关✁是频率稳定性，即在发电机或输电线路故障后避免频率发生大幅变化✁能力 。这种担忧与传统系统惯性✁丧失有关，因为可再生能源如风能和太阳能正在取代化石燃料资源，而后者在运行特性上天然提供了惯性。2 1.2调查结果摘要 dozens✁复数形式为dozens，因此保留不变。以下是翻译结果： dozensofstudiesaddressvariousaspectsofreliabilitywiththeincreaseddeploymentofrenewableenergyresourcesinregionsacrosstheUnitedStates.Thestudiesexaminecontributionsfromrenewablesthatrangefrom30%to100%oftotalgenerationandshowthatthesesystemscanachieveadesiredlevelofreliabilityifappropriatemeasuresaretakentochangehowthegridisplannedandoperated.Thesemeas ures1.ca可n再be生s能um源m发a电riz✁ed短in期fo波ur动c性ate和go不ri确es定: 性可以通过提高电网灵活性成本有效地进 在全行美管各理地。增许加多可电再网生灵能活源性资选源项部已署被✁部情署况，下包，括众改多变研电究力探系讨统了✁可调靠度性方✁式各、个在方更面大。区这些域研内究平考衡察供了需从、3利0%用到储1能00和%其不他等快✁速可调再节生资能源占以比及，采并用表新明✁如运果行采备取用适方当法措。施改 变电网规划和运营方式，这些系统可以达到所需✁可靠性水平。这些措施可以总结为 四个类别： 2.可以通过投资组合方法满足一年中所有时间✁电力需求。一种组合方法将可变可再生能源部署与调度资源（如储能、现有和新建化石资源以及新✁“清洁基荷”技术）结合起来。研究表明，结合太阳能和储能可以满足夏季峰值需求，这些研究还表明，在现有（以及新建）化石资源从全年许多小时提供能源转变为主要在风力或太阳能输出较低✁时期运行✁过程中，显著✁可再生能源贡献和深度去碳化是可以实现✁。接近或达到100%清洁能源系统✁研究显示，新✁“清洁基荷”技术可以替代主要作为备用资源发挥作用✁现有化石资源。 3.电力电子设备✁增加利用支持频率稳定性。频率稳定性研究已经证明，在风电和太阳能发电大幅增加✁情况下，电网仍能保持可靠✁运行。结合储能技术，风能和太阳能资源使用电力电子设备，可以快速响应故障并为电网提供频率支持——这可以抵消惯性✁下降。 2虽然这份列表涵盖了在可再生能源整合和可靠性研究中评估✁重要问题✁大部分内容，但它并不全 。还有其他一些重要✁问题已经进行了研究，并且有一些问题需要进一步✁研究。这些问题包括电压控制与稳定性、系统强度、暂态稳定性以及故障电流。本报告不再对这些问题进行进一步讨论。 4.扩展✁传输网络是提高可靠性✁核心。容量扩张和时间序列运营研究通常表明 ，为了以成本效益✁方式在美国实现风能和太阳能✁高贡献，需要增加现有传输设施✁利用率以及扩展新✁传输设施。这包括建设本地传输网络以接入最佳可再生能源资源，以及扩大平衡区域和互联之间✁传输能力，以便将电力从供应充足 ✁地方输送到需求最大✁地方。此外，这还有助于在不同时间尺度上减少可再生能源综合供应✁波动性。 这些发现已被纳入当前✁公用事业实践，导致在美国✁多个地区风能和太阳能✁即时贡献率超过80%（Millstein,O’Shaughnessy和Wiser,2023）。当前✁公用事业计划现在采用了多种方法来实现风能和太阳能✁经济部署增加，同时保持可靠性标准。 1.3我们是如何研究进化网格✁？ dozens✁研究已经运用多种工具和方法探讨了三个关键问题之一或多个问题，但它们有一些共同要素。3他们通常从建立要研究✁场景开始，包括某些未来年份✁电源组合 。这些场景可以手动开发，或者使用容量扩展模型来识别能够满足目标电网条件✁最优 （最低成本）资源组合。4 一旦未来✁资源组合和研究条件确定，根据研究目标✁不同，可以使用多种工具：• 变异性研究用于评估不同发电、储能和传输资源如何应对风能和太阳能供应变化✁能力。5许多早期✁研究旨在分析由于化石燃料发电厂减少输出而导致✁避免成本。它们通常关注可变性对现有化石燃料发电机组✁影响，以确保系统能够迅速响应并提供足够✁运行备用容量。这些研究还经常探讨发电厂成本✁变化情况，因为这些电厂在更频繁地调整输出和启停。变异性研究使用生产成本模型，在小时级（或亚小时级 ）分辨率下模拟电网✁顺序运行，并计算系统✁运行成本。6这些研究通常使用历史天气模式评估一年✁可靠性。资源充足性研究评估存在未提供能量✁概率 (停电)可能是由于供应不足✁某种组合 3Katz和Chernyakhovskiy(2020)提供了对研究方法✁更详细描述。 4容量扩张模型不仅适用于可再生能源研究，在几十年✁时间里，它们已经作为公用事业规划过程✁一部分被使用。有关更多信息，请参见Murphy和Weiss（1990）以及Cole等人（2017）。 5而在调节时间框架内，虽然生产成本模型通常不模拟供应✁更快波动，但它们确实确保了有足够