保持电网的可靠性—来自可再生能源整合研究的经验教训

Paul Denholm, Ilya Chernyakhovskiy 和 Lauren Streitmatter 国家可再生能源实验室 技术报告NREL / TP - 5C00 -89166 2024 年 4 月 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Alliance for Sustainable Energy, 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 。 合同号 DE - AC36 - 08GO28308 维护电网可靠性 - 可再生集成研究的经验教训 Paul Denholm, Ilya Chernyakhovskiy 和 Lauren Streitmatter 国家可再生能源实验室 建议引文Denholm, Paul, Ilya Chernyakhovskiy, and Lauren Streitmatter. 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 - 5C00 - 89166.https: / / www. nrel. gov / docs / fy24osti / 89166. pdf. 国家可再生能源实验室 15013 丹佛西公园路 Golden ， CO 80401 303- 275 - 3000 • www. nrel. gov技术报告NREL / TP - 5C00 -89166 2024 年 4 月 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Alliance for Sustainable Energy, LLC运营。 合同号 DE - AC36 - 08GO28308 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的观点。 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 年之后发布的报告以及越来越多的1991 年之前的文件可用。免费通孔www. OSTI. gov Dennis Schroeder 的封面照片 ：(顺时针 ， 从左到右) NREL 51934 ， NREL 45897 ， NREL 42160 ， NREL 45891 ， NREL 48097 ， NREL 46526 。 NREL 在包含回收内容的纸张上打印。 Acknowledgments 作者感谢以下人员对本研究的贡献。编辑和其他沟通支持由Amy Brice、Liz Breazeale、Madeline Geocaris提供。Paul Donohoo-Vallett、Bahram Barazesh、Patrick Brown、Jaquelin Cochran、Jeffery Dennis、Jason Frost、Trieu Mai、Glenda Oskar、Sohum Pawar、Gian Porro、Eric Rollison、Mark Ruth、Paul Spitsen和Ryan Wiser提供了有益的审阅和评论。 目录 3 满足需求 ： 资源充足性研究的经验教训2 迎接斜坡 ： 变异性研究的经验教训。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 引言 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …4 保持网格移动 ： 频率稳定性研究的经验教训。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1.1 维持风电和太阳能增加情况下批量系统可靠性所面临的三大关键问题..............11.2 研究发现概述............................................................................................................ 21.3 我们是如何研究不断演变的电网的？..................................................................... 31.4 研究地理范围........................................................................................................... 41.5 考虑的研究............................................................................................................... 54.1 频率稳定性 - 问题和研究方法摘要 13 4.2 研究结果 135 从学习到实践 ： 我们现在在哪里 ， 我们要去哪里 ？ iv 1 Introduction 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%的电力，其中超过16%的总发电量来自风能和太阳能——由于这些能源的日间和季节性波动性，被称为“可变”的可再生能源来源（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的部署增加，电网可靠性是可以实现的。 风能和太阳能对国家电力混合结构的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%的比例。在增加可再生能源资源部署的同时保持电网的大规模电力系统高度可靠性，是电力网络规划者、运营商和监管机构的一项关键优先事项。 美国能源部（DOE）和其他组织在过去的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的影响，包括多项研究，这些研究探讨了每年能源供应中超过50%来自风能和太阳能的电网。在这里，我们讨论与电网可靠性相关的知识体系和实际经验中的关键发现，并展示了如何在未来随着风能和太阳能部署的增加规划并实现持续的可靠性。 1.1 通过增加风能和太阳能来保持散装系统可靠性的三个关键问题 维持大规模系统的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、天乃至更长的时间范围。1维持可靠性并在大规模部署风能和太阳能时面临的问题可以总结为三大类： 1.响应风能和太阳能发电的短期变化。风能和太阳能部署带来的可变可再生能源供应波动是早期的主要关注点之一。这些资源的输出可以在从秒到小时的多个时间尺度上波动，并且具有有限的可预测性。这种波动性和不确定性可能会影响系统的运行方式，因此已经进行了大量研究以减轻这些影响。 2.确保足够的发电量 ， 以满足一年中所有时间的需求。电网规划者传统上专注于在高峰时段满足需求，例如炎热夏季的午后和寒冷冬季的夜晚。但随着风能和太阳能发电的快速增长，重点已转向确保在所有时段内维持适当的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的地方。 规划进一步复杂化，受到了电气化带来的新负载的影响，这些新负载还可能改变峰值需求的时间安排。 3.在电网扰动的情况下保持稳定。电网稳定的一个方面与风能和太阳能的部署相关的是频率稳定性，即在发电机或输电线路故障后避免频率发生大幅变化的能力。这种担忧与传统系统惯性的丧失有关，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 的复数形式为 dozens，因此保留不变。以下是翻译结果： 1.可再生能源发电的短期波动性和不确定性可以通过提高电网灵活性成本有效地进行管理。许多电网灵活性选项已被部署，包括改变电力系统的调度方式、在更大区域内平衡供需、利用储能和其他快速调节资源，以及采用新的运行备用方法。dozens of studies address various aspects of reliability with the increased deployment of renewable energy resources in regions across the United States. The studies examine contributions from renewables that range from 30% to 100% of total generation and show that these systems can achieve a desired level of reliability if appropriate measures are taken to change how the grid is planned and operated. These measures can be summarized in four categories:在全美各地增加可再生能源资源部署的情况下，众多研究探讨了可靠性的各个方面。这些研究考察了从30%到100%不等的可再生能源占比，并表明如果采取适当措施改变电网规划和运营方式，这些系统可以达到所需的可靠性水平。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的电力需求。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的“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的时期运行的过程中，显著的可再生能源贡献和深度去碳化是可以实现的。接近或达到100%清洁能源系统的研究显示，新的“清洁基荷”技术可以替代主要作为备用资源发挥作用的现有化石资源。 3.电力电子设备的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的情况下，电网仍能保持可靠的运行。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——这可以抵消惯性的下降。 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的重要问题的大部分内容，但它并不全面。还有其他一些重要的问题已经进行了研究，并且有一些问题需要进一步的研究。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.扩展的传输网络是提高可靠性的核心。容量扩张和时间序列运营研究通常表明，为了以成本效益的方式在美国实现风能和太阳能的高贡献，需要增加现有传输设施的利用率以及扩展新的传输设施。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的传输能力，以便将电力从供应充足的地方输送到需求最大的地方。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的波动性。 这些发现已被纳入当前的公用事业实践，导致在美国的多个地区风能和太阳能的即时贡献率超过80%（Millstein, O’Shaughnessy 和 Wiser, 2023）。当前的公用事业计划现在采用了多种方法来实现风能和太阳能的经济部署增加，同时保持可靠性标准。 1.3 我们是如何研究进化网格的 ？ dozens 的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的场景开始，包括某些未来年份的电源组合。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的最优（最低成本）资源组合。4 一旦未来的资源组合和研究条