扩大可能性：电网增强技术、分布式能源和微电网何时何地能支持未来的电网？

Srishti Slaria Molly Robertson和Karen Palmer 关于作者 ：是堪萨斯大学的经济学博士候选人， Resources for the Future (RFF) a summer 2023 intern. Her current research寻求探索气候变化和自然资源稀缺的影响，以及The policy implications of the findings. Within energy economics, Slaria’s research专注于美国电力部门。在环境领域，她研究了家庭节水。将来，她对申请特别感兴趣改善消费者决策的行为理论和工具能源和环境行为，如节约、回收、食物浪费和运输，无论是在美国还是在国际上。 莫莉·罗伯逊是RFF的研究助理，致力于与电力部门，包括电网脱碳、电气化和电力市场设计。她还为RFF在公平方面不断发展的工作做出了贡献社区转型和环境正义。她拥有公共政策硕士学位来自密歇根大学的福特学院. 凯伦·帕尔默是RFF的高级研究员和经济学专家电力部门的环境、气候和公用事业监管。她的工作旨在改善环境和技术法规的设计在该部门和新机构的发展，以帮助指导正在进行的电力部门的转型。为此，她探讨了气候政策设计，分析促进可再生和其他清洁能源使用的有效途径电力来源，并调查新的市场设计、新方法为电价和监管改革铺平道路电力供应的脱碳和能源经济的电气化。 关于RFF 未来资源（RFF）是一家独立的非营利性研究机构 Washington, DC. Its mission is to improve environmental, energy, and natural resource通过公正的经济研究和政策参与做出决定。RFF是致力于成为最广泛信任的研究见解和政策来源解决方案带来健康的环境和繁荣的经济。 这里表达的观点是个别作者的观点，可能与那些其他RFF专家、其officers或其董事。 分享我们的工作 我们的工作可以在一个归属下分享和改编- NonCommercial - NoDerivatives 4.0 International (CC BY - NC - ND 4.0)许可证。你可以以任何媒介或格式复制和重新分发我们的材料；您必须提供适当的信用，提供许可证的链接，并指出是否进行了更改，并且您不得应用其他限制。您可以在任何合理的情况下这样做方式，但不得以任何方式暗示许可人认可您或您的使用。您不得将材料用于商业目的。如果您重新混合、转换或在材料的基础上构建，则您不得分发修改后的材料。有关更多信息信息,访问https: / / creativecommons. org / licenses / by - nc - nd / 4.0 /. Contents 1. Introduction1 3.网格增强技术2 3.1.动态线路额定值23.2.柔性交流输电系统3.3.拓扑优化573.4.关于GET的主要发现10 4.分布式能源10 114.1.基于燃料的分布式发电4.2.无排放分布式发电4.3. Battery Energy Storage111313154.4.需求响应和虚拟电厂4.5. Takeaways on Distributed Energy Resources 5.微电网16 5.1. Takeaways on Microgrid20 6. Conclusion20 7.参考资料22 1. Introduction 实现拜登制定的雄心勃勃的脱碳目标政府，到2035年100%清洁电力和净零排放到2050年的经济，需要大幅增加清洁和可再生的份额发电组合中的能源。为了达到这些脱碳以成本为目标，可再生能源将需要增长到电流的倍数levels. The transmission system is not equipped to handle the anticipated substantial潮流增加；其容量和可用性不足导致电网拥堵，这会导致更高的能源价格并限制可再生能源。此外，随着预计经济的电气化将导致未来需求的大幅增长，电网的负担越来越大。REPEAT项目的报告估计要充分利用降低通货膨胀中提供的补贴法案(IRA)，传输容量必须每年增长约2.3%，超过是过去10年的两倍(Jenkins等人，2022年)。 然而，由于 涉及其规划，选址和许可的复杂性。州和联邦政策制定者已经认识到这一挑战，并采取措施支持基础设施投资和就业法案(IIJA)和爱尔兰共和军为扩大输电提供了支持，拨款125亿美元，分别为50亿美元。此外，拜登政府最近宣布计划通过以下方式简化输电线路的联邦许可程序能源部（DOE）以促进建设。尽管如此，专家们仍然怀疑我们能否及时建立足够的新变速器来支持换档发电组合和增加电气化以实现气候目标。 然而，建设新线路并不是增强弹性、可靠性和aff有序。几种不同类型的投资可以带来类似的结果。网格-增强技术可以增加现有线路的容量，分布式能源资源可以分散发电资源，使其更靠近负载中心，并且微电网可以使用现场发电来支持负载和绝缘的口袋校园或社区从更广泛的网格上的问题。这些解决方案可以提供好处，但每种都最适合特定的情况，并面临自己的实施的技术和监管障碍。 This report survests the literature on dientfftypes of grid solutions. We discuss这些技术是如何工作的，在什么情况下它们可以作为传输扩展、其影响的证据和挑战(技术和regulatory) in implementing them. New lines will undoubtedly be an important piece能源转型，但探索这些额外类型的投资可以帮助我们了解成本更低、部署更迅速的替代方案何时何地可以为我们的一些传输问题提供解决方案。 2.网格必需品 对新传输的需求由电网运营商的两个核心目标驱动：可靠性 and affordability. New lines can increase reliability by connecting more generationresources to the grid and linking entire regions with diverse types of resources. For例如，将具有充足太阳能的区域连接到具有充足风的区域的线当其中一个资源不可用时，电源可以帮助扩展电源可用性。新的变速器还可以提供ff的可靠性，特别是在放松管制的地区具有竞争力的发电。通过增加接入的发电机数量对于市场来说，负载服务实体有更大的机会找到低成本的电力来源，因为更大的竞争导致更低的价格。 对于在某种情况下被视为传输“替代品”的投资， it must deliver increased reliability and affordability to the region of interest. In some在这种情况下，投资不会取代对新变速器的需求，但可以推迟它。这些投资可以在短期内带来好处，是具有挑战性的新生产线。我们探索的投资提高了可靠性和afforderability in the following ways: (1) relieving line congestion, (2) connecting low成本资源(特别是可再生能源)加载，(3)最小化能源损失，以及(4)提高灵活性和响应速度，实时处理不确定性。 我们讨论了三大类投资，在某些情况下，替代新变速器:网格增强技术(GET)是硬件以及提高电网效率和可靠性的软件；分布式能源资源(DERs)是小规模的模块化资源和技术，它们产生并在使用地点或附近供电；和微电网是局部能量可以自主发电、储存和分配电力的系统设施，无论是否连接到传统的高压电网。 3.网格增强技术 GET增强了高压线路的容量，减少了拥堵。我们探索三种主要类型的GET的价值-动态线路额定值(DLR)、灵活交替当前传输系统(FACTS)和拓扑优化(TO)。我们回顾了每个技术及其特定的好处和局限性。 3.1.动态线路额定值 架空线的最大载流能力（称为“安培”）取决于关于温度、线路下垂/张力、建筑材料和天气（IRENA 2020）。传统上，传输系统运营商（TSO）使用静态线路额定值（SLR）依赖于一组保守的天气测量，例如低风速度、高太阳辐射和高温，以预先确定一个固定的水平ampacity. These ratings often vary by season, referred to as“seasonal static ratings” (Tsuchida et al. 2021). In contrast, DLR systems actively vary line ratings, based on real -环境因素的时间监测，如环境温度，风速and direction, and sunlight (IRENA 2020). Ambient adjusted ratings (AAR) appearin some regions and lie in between SLRs and DLRs in dynamicity. These devices use线路特定数据和环境空气温度数据，但不监控实际变化时间或考虑太阳辐射，风或其他因素，产生更准确的线接近实时的额定值（图1；纽约电力局n. d.）。最近的FERC命令881和881a要求传输提供商采用AAR进行传输2025年7月（Thappetaobula 2023）。 DLR系统旨在优化线路使用，从而减少拥堵并改善单条线路的传输能力。为了给出一个常见的运输类比，SLR就像始终保持较低的速度限制，以适应雨雪路况，而DLR就像根据不同的天气实时调整速度限制和道路状况(Mendell等人，2022年；Tsuchida等人，2021年)。在物理方面基础设施，DLR系统通常包括线路上或附近的传感器、信息中继通信和分析系统，处理DLR数据，控制系统，以及根据DLR做出线路使用决策的运营商图2描述了DLR系统(美国DOE2020)。 DLR系统可以为电网带来许多好处。DOE和ONCOR的联合研究发现DLR可以将线路的传输能力相对提高5 - 25%到SLR，这降低了拥堵成本和可再生能源削减(Tsuchida etal. 2021). Capacity increases are especially prominent for wind power integration因为大风同时产生电力并冷却附近的线路，增加他们的转移能力(美国能源部2020年)。宾夕法尼亚州的两个案例研究和纽约州北部(Tsuchida等人2023)演示了拥塞的DLR是如何线路将避免估计的2350万美元的年度拥堵成本，并减少风和太阳能削减超过350兆瓦。 与重新传导相比，DLR设备还具有更低的成本和更快的安装速度和重建线路，这可能需要几年时间，需要延长线路停电时间。PJM的一项研究表明，使用DLR升级密歇根州和伊利诺伊州之间的线路50万美元的技术可以节省400万美元的年度拥堵成本，而The traditional solution could cost $22 - 176 million (US DOE 2020). Furthermore,DLR设备可以快速部署和重新定位，为变速器所有者(Tsuchida等人2023)。 DLR技术还通过增加 态势感知。例如，实时监控可以通知操作员何时动态评级低于静态评级，线路处于风险之中，可能在一天内极热无风。定期的数据和线路反馈有助于跟踪该系统，检测任何违规行为，并告知未来的传输预测和发电规划(美国能源部2020年)。DLR还可以在极端情况下增强弹性天气事件与增加的线路承载能力相关，例如在当加热需求异常高时，冷启动，但线路可以承载更多的电流（美