绿色传输：背景、原理和规划方法

政策研究工作论文 绿色输电 背景、理由和规划方法 DebabrataChattopadhyayDurrehTabassum 10517 公开公披开公露披开公授露披开权授露披权授 能源与采掘业全球实践2023年7月 政策研究工作论文10517 摘要 传输是清洁发电的关键推动者，因为首先需要建设输电线路和变电站以鼓励对发电的投资。然而，对通过升级现有的输电线路/变电站和电网扩大来准备好电网的关注有限。因此，传输已经成为一个主要瓶颈，不仅在发展中国家，而且在它们的发达国家同行中，包括美国，已经看到了930吉瓦的清洁发电“排队”等待输电建设。为了优先考虑输电电网的升级和扩大，需要从长期的角度采用更全面的全系统观点，并开发一种承认传输是清洁发电推动者的方法。这种方法可以围绕复合发电-传输协同优化模型来设计。本文设定了“绿色传输”需要考虑的背景 ，并进一步提出了一种建模框架。 该模型汇集了发电和输电规划中的关键要素，包括作为混合整数线性规划问题的系统安全约束。模型公式化尝试在网络的模型技术严谨度和计算可行性之间找到一个合理的平衡。还有一些重要的实施细节，例如，使规划期足够长，以凸显输电的价值。从该模型中提取的关键约束的影子价格可用于优先考虑输电项目，特别是在将输电容量和二氧化碳限制的陪集结合起来时。这些问题围绕一系列说明性示例进行讨论。预计该模型和相关讨论将为进一步优化模型、将其应用于实际案例研究，以发展绿色输电和可持续发电-输电规划的整体定义提供一个起点。 本文是能源及采掘业全球实践部门的产品。它是世界银行更大规模努力的一部分，旨在提供其研究成果的开放访问，并对全球范围内的政策讨论做出贡献。政策研究报告也在http://www.worldbank.org/prwp网站上发布。作者可以通过dchattopadhyay@worldbank.org和dtabassum@ifc.org联系。 《政策研究工作论文系列》传播正在进行中的工作的发现，以鼓励关于发展的思想交流。问题。该系列的一个目标是迅速发布研究结果，即使报告的呈现还不够完美。论文包含作者姓名应相应引用。本文中表述的发现、解释和结论完全是本文作者的。 作者的观点。它们不一定代表国际复兴开发银行/世界银行的看法。其关联组织或世界银行的执行董事代表或他们的政府。 由研究支持团队生产 绿色传输：背景、理由和规划方法 DebabrataChattopadhyay和DurrehTabassum1 关键词：输电投资，绿色金融，优化模型，电力系统规划，脱碳。 JEL分类：L94 1 DebChattopadhyay是（世界银行）高级能源专家，DurrehTabassum是（国际金融公司）投资官员助理 。作者们感谢世界银行的同事ClaudiaVasquezSuarez（能源专家负责人）、MelaniaLotti（基础设施金融专家）、StephaneHallegatte（高级气候变化顾问）和SandhyaSrinivasan（高级气候变化专家）就本话题的有益讨论。特别是Claudia对该论文进行了广泛的评审，这促使了实施挑战内容的确立，Melania则提供了关于欧盟和IDB使用的绿色传输标准的意见。然而，本文中表达的观点和意见完全是作者自己的，并不一定代表他们的同事或世界银行集团的立场。 1.引言 1.1需要通过更好的规划来优先考虑传输。 在谈到电力部门的脱碳问题时，显然，主要焦点应该是清洁发电端，这包括扩大可再生能源（RE）的生产规模以及逐步淘汰燃煤/燃气发电厂。世界银行（2022）在COP27期间明确地提出了这一点。.在最初十年里，对可再生能源（RE）的扩大规模的关注已达到预期，并在后半期 渐转向减少煤炭使用——在欧洲联盟的一些国家和英国最为突出。世界银行在脱碳路径方面的内部工作，加速煤炭转型（ACT：Huang等，2021年），国家气候与开发报告（CCDR；世界银行，2021-2023年）以及最近的扩大规模工作（世界银行，2023）也对这些方面进行了全面 的分析工作。本文强调了在升级和扩展电网时，传输投资的重要性，因为它们显然在重新定位网络以适应清洁发电方面发挥着关键作用。在脱碳状态下，传输基础设施通常需要连接到远程可再生能源中心，并在面对其他挑战时发挥重要作用来管理其可变性。例如，传输和分配（T&D）网络系统将需要应对更高和更不可预测的负载（随着电动汽车、供暖等负载的增加），解决传统“单向”分配网络中的逆流问题，需要显著数字化，并智能化以应对供需更大程度的变化，低惯性和缺额的响应功率系统。这些角色在文献中得到了广泛认可，并且在这些可再生能源比例上升的国家中，正在实施处理这些问题的实际方法。然而，T&D以及传输作为关键和首先的使能者，其作用与发电处于同等地位，这在某种程度上被低估了。本文解决的核心政策研究问题是：（a）哪些类别的传输项目应被认定为“绿色”？（b）评估其效益的方法应该是什么？ 过程需要从规划和发电与传输开始，以便充分利用这两种资源的互补性，包括需要大量进行协调计划的变发电和负荷相关的问题。然而，几十年以来，电力系统规划者已经熟知，发电与传输子系统的协调规划可以在不考虑任何环境考虑的情况下，或考虑环境因素时，导致成本效益的解决方案。能够做到这一点的高级研究级方法论也已经至少被知晓十年。基于线性/混合整数规划（LP/MIP）的发电或传输规划模型已经存在很长时间，尽管计算负担意味着早期模型使用顺序方法来遵循发电计划进行传输计划。例如，1989年由Youssef和Hackam（1989）提出的一种基于非线性规划（NLP）的传输规划模型，可以作为一个输入发电计划进行顺序求解。Bahinese等人 （2001）和Akbar和Mina（2014）使用了MIP进行传输规划。LeitedeSilva等人（2010）使用元启发式方法，如蚁群系统，来解决实际系统中一个非常大的组合问题。Hemmati等人（2016 ）也使用粒子群优化（PSO）技术来解决非线性MIP模型。协调规划可以提高资源优化，通常减少对资本密集型传输资源的依赖。复合 发电-输电规划问题previously由Pozo等人（2013年）、Hemmati等人（2016年）以及Fürsch等人（2013年）解决过。所有这些方法形式各异，都将问题分解成更小的组成部分，并在发电和输电的子组件之间进行迭代。例如，Pozo等人（2013年）利用电力市场出清（池）模型来决定用于驱动博弈论发电能力扩张模型的价格，该模型随后又输入到输电扩建规划模型中。Hemmati等人（2016年）中的PSO技术实际上也是一种协调发电和输电规划问题中的MIP和NLP子问题的方式。这些模型最终证明，优化模型可以被部署以同时优化发电和输电决策。 存在一些迭代方法，这些方法交互式地结合使用一个投资和调度优化模型与一个基于潮流的电网模型。例如，Försch等人（2013年）使用启发式算法来协调市场模型和潮流模型，这涉及解一个包含大量非线性联立方程的大型系统。他们展示了这样的模型集如何被用来在欧洲确定2050年成本效益较高的输电扩容方案，以满足更低的可再生能源目标。然而，认识到在深度脱碳的背景下这种协调的重要性是一个较新的认识。尽管在过去的十年中已经发表了关于100%可再生能源的研究，但Heard等人（2017年）的一项审查显示，在他们考察的24项研究中，只有四项研究考虑了以任何形式对输电的表示。在最近几年中也有一些好的研究，确实揭示了输电的价值。例如，Brown等人（2021年）对美国电网进行的一项研究表明，通过对7年期间进行每小时模拟 ，跨州协调和输电扩容可以将100%可再生能源的美国电力系统中的电力系统成本降低46%（从135$/MWh降至73$/MWh），相比每个州各自优化其产能的情况。正如Heard等人（2017年）所指出的——对输电网络扩展选项进行可信的描述对于确定任何高渗透率可再生能源电力系统的可行性至关重要。一般来说，这将为提高输电水平以降低系统成本提供理由。例如，Försch等人（2013年）在欧洲进行的研究发现，适当的输电扩容优化方案到2050年将在欧洲新增约228,000公里的输电线路，与2012年的现有电网相比，这意味着电网增长了76%。Brown等人（2021年）还证明了所有类型互联选项的最优选择（包括交流电或AC选项以及直流电或DC选项）将涉及400TeraWatt-公里（TW-km）的跨州容量建设，这比仅有交流线路的次优低互联场景多四倍以上。 传输技术的选择，尤其是投资高但灵活且容量的直流选项，是一个重要问题。正如Reed等人（2019）在美国环境中所争论的那样，将现有的长距离交流走廊转换为高容量走廊往往可能是更经济有效的解决方案，同时也能避免寻找新土地用于建设新传输走廊的关键问题。他们的分析显示，在美国，超过350公里长度的HVDC转换是成本更低的选项，并可实现超过50%的容量增加。 1.2传输不足可能延迟可再生能源的投入 一个单一的关注点在于“扩大”可再生能源，而未给予传输足够的重视，并未对这一事业有所帮助 。传输项目在融资和获得批准程序方面notoriousdifficulty.因此，如果不被永久性地搁置，可能需要非常长的时间来建设它们。由于几乎全部为固定成本资产，融资这些通常由监管部门拥有的资产，通常需要 国有企业在本质上就是一个挑战。然而，这仅仅是包括确保土地、许可、与困难地形相关的技术挑战以及可能横跨数百英里的线路的社区支持在内的几个挑战之一。这些其他挑战反过来可能导致重大的成本和时间超支。由于发电项目需要在并网之前建设好输电基础设施，因此输电项目必须尽早开始，以便允许可能的许可和社区协商的延迟，因为即使是线路（例如，少量塔或变电站）的小部分监管审批过程也可能使整个项目在几年内陷入困境。SunZia输电项目是美国历史上最大的清洁能源基础设施项目，旨在从新墨西哥州的3.5吉瓦风能项目中输电，该项目于2006年启动了审批流程，并在2023年5月最终获得批准（Moore，2023）。事实上，正如美国能源部（2022）的一篇文章标题为排队中2022年注明：超过930吉瓦（GW）的太阳能、风能、水力、地热和核能产能目前正等待并网，同时还有超过420吉瓦的储能……这大约相当于实现到2030年清洁电力占比达到80%所需的清洁发电能力。这同时也是朝着在加速电气化的背景下，到2035年实现100%清洁电力目标的巨大一步，这与国家的去碳化承诺是一致的。” 尽管问题和规模在不同国家之间显然会有所不同，2美国例子很好地说明了能源转型中的主要难题。在资金需求和实施挑战方面的巨大传输量，需要得到目前尚未达到的关注水平。缺乏远见来推进这一脱碳关键推动者，意味着大量可再生能源项目正在被推迟。3Ammann(2023) 对PJM系统进行了深入分析，指出截至2022年9月，有202吉瓦的可再生能源项目正在“并网队 列”中等待，占项目总数的95%。这不仅为可再生能源投资者带来了极大的不确定性，还导致了项目成本的显著上升。Seel等（2023）报告称，自2019年以来，可再生能源项目成本已经上涨了八倍。《经济学人》(2023)在一篇题为“拥抱输电塔，而非树木”的文章中，非常巧妙地将这一难题表达如下：问题在于，适应世界电网所需变革的规模被严重低估。投资太少。规划则成为障碍。而且，一个深刻且具有讽刺意味的事实是，一些最大的气候变化减缓倡导者不接受这样一个逻辑：要实现这一点，需要建设更多的设施。” 将重点重新放在输电投资上非常重要，因为大多数希望实现其国家自主贡献、联合排放转型路径和净零排放目标的国家都需要在重大升级、新的输电技术和开发新的绿色走廊以连接可再生能源枢纽等方面进行大规模投资。将风能和太阳能连接起来的输电方式是近年来的新事物，甚至在它们的前几年和最初的百吉瓦时期，印度和中国都遇到了正确实施这一项目的挑战。特别是中国，其输电发展严重落后于发电，导致某些省份在2010-2015年间可再生能源弃电率高达