【編者按】目前，可再生能源發(fā)電成為炙手可熱的話題，然而如何更加有效的利用這些電，更加靈活的并入電網(wǎng)，輸送更清潔、更可靠的電成為各個國家關注的問題。本文為美國可再生能源實驗室(NREL)發(fā)布的報告，主要介紹了如何將高質量的可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)，并就如何提高電網(wǎng)的靈活性展開了詳細的分析。
電力系統(tǒng)正在變革
獲得天然氣儲量的新方法、針對老化發(fā)電廠的環(huán)保法規(guī)、國家級的投資組合標準都為可再生能源和天然氣發(fā)電提供了新的機會。效率的提高和智能電網(wǎng)技術的進步也具有改變歷史需求曲線的潛力。新的可再生能源發(fā)電技術(太陽能和風能)成本繼續(xù)下跌，而設備的費用正在增加。美國國家可再生能源實驗室(NREL)研究可再生能源電網(wǎng)的變化，并塑造他們，以提高能源和環(huán)境安全。該實驗室致力于幫助世界各地的公用事業(yè)、政策制定者、投資者、監(jiān)管機構和行業(yè)領袖了解和操控這樣的電力系統(tǒng)。該實驗室的分析報告、數(shù)據(jù)集和工具等闡述了可再生能源電力系統(tǒng)的可靠性、對減少溫室氣體排放、提高經(jīng)濟和能源安全的影響。其工作是重新定義可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)，輸送比以往任何時候更清潔、更可靠的電。
國際可再生能源路線圖的規(guī)劃
對于墨西哥而言，在電力領域減少溫室氣體排放的關鍵戰(zhàn)略是擴大可再生能源使用。實現(xiàn)可再生能源目標——到2024年可再生能源發(fā)電占比35%——一個關鍵的挑戰(zhàn)，是將風能和太陽能發(fā)電并入到現(xiàn)有的電網(wǎng)。通過美國政府對“低排放發(fā)展戰(zhàn)略(EC-LEDS)”計劃的優(yōu)化能力，國家可再生能源實驗室(NREL)與墨西哥能源部、電力系統(tǒng)運營商、研究機構和決策者合作，研究并實現(xiàn)技術以達到年度可再生能源目標，從而支持墨西哥的可再生能源的目標。
國家可再生能源實驗室(NREL)與墨西哥合作開發(fā)的墨西哥可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)路線圖，概述了大規(guī)模整合可再生能源技術的技術方案和建議，以及能源機構需要確定電力基礎設施和系統(tǒng)如何改變以適應高質量的可再生能源的步驟。該路線圖的重點是分析方法——包括電網(wǎng)擴大建模、資源特征、預測和電網(wǎng)運營實踐——評估可再生能源的增長對基礎設施和運營的影響。該路線圖為政策制定者提供了依據(jù)，用來評估潛在挑戰(zhàn)及增加不同水平可再生能源并入電網(wǎng)對經(jīng)濟的影響，并為可能出現(xiàn)的問題提供了解決方案，以增加系統(tǒng)操作員的信心。
研究顯示并入高質量的可再生能源是可能的
通過國家電網(wǎng)可再生能源的開創(chuàng)性的模型和對可操作性、經(jīng)濟性和環(huán)境影響的分析，國家可再生能源實驗室(NREL)表明，操作上的改進和提高傳輸訪問效率可以提高整個電力系統(tǒng)的靈活性，從而獲取更高水平的可再生能源。靈活性的提高有助于平衡風電和太陽能發(fā)電給電網(wǎng)增加的可變性和不確定性。為適應增加的電力系統(tǒng)靈活性，目前，該研究室正在研究一些物理的解決方案。雖然利用制度、立法和市場的選擇增加靈活性相對比較復雜，但提高整合技術、開發(fā)新的操作流程、發(fā)展新的商業(yè)模式和新的市場規(guī)則，則是必不可少的。
改變操作性，增強系統(tǒng)的靈活性
頻繁的調度和派遣
電網(wǎng)整合的研究表明，發(fā)電機頻繁的調度(間隔5或15分鐘)能夠提高系統(tǒng)的效率，降低平衡系統(tǒng)所需的儲備量，并且使更多可變的可再生能源發(fā)電并入系統(tǒng)。快速調度可以使系統(tǒng)從現(xiàn)有單元來訪問儲量，并且只需要很少甚至沒有額外的費用。它也可以減少調節(jié)儲量的需求，這是最昂貴的一部分花費，因為當系統(tǒng)經(jīng)常重新調度時，負載和發(fā)電之間在瞬間會有偏差。例如，西部風能和太陽能集成化研究表明，頻繁的調度對系統(tǒng)最小化調節(jié)非常重要。每5或15分鐘調度資源，(而不是每一個小時)減少了機組爬坡，提供負載跟蹤。研究還發(fā)現(xiàn)，風能和太陽能的可變性在管理需求上的影響比每小時調度監(jiān)管發(fā)電機組的影響要小。
擴大平衡的足跡
研究表明，加強地區(qū)之間的合作可以降低供應和需求之間的波動，并更加容易地維護系統(tǒng)平衡。此外，擴大平衡足跡可以提高調度的收益，減少必要的儲量管理和相關成本。平衡地區(qū)之間的頻繁調度有利于較高層次的可再生能源發(fā)電。特別是在有輸送約束問題的地方，跨區(qū)域快速調度可以讓不同的發(fā)電機組與周邊市場更快速的、協(xié)調的調度，實現(xiàn)更有效的整合。
先進的多樣的發(fā)電廠預測
最新預測認為一個有效且可靠的重要方法是整合風能和太陽能發(fā)電。根據(jù)2014年西方互聯(lián)系統(tǒng)操作員的調查顯示，VG預測成本有望下降，同時系統(tǒng)操作員在預測方面越來越自信。
現(xiàn)在，許多系統(tǒng)運營商認為VG預測作為一種經(jīng)濟有效的機制，能夠有效地維護電力可靠性和調度資源。有人認為，該系統(tǒng)能夠節(jié)約大量能量且使成本達到最低，以至于不需要正式的成本效益分析。
通過調查幾乎所有的系統(tǒng)運營商的可再生能源比例，或月平均負荷，從而實現(xiàn)對現(xiàn)有企業(yè)風能使用的預測。風能預測準確率的不斷提高得益于先進的預測技術和模式、經(jīng)驗豐富的供應商、不斷增加的投資規(guī)模。風能預測的誤差一般為提前一個小時的預測誤差為3%-6%，提前一天的預測誤差為6%到8%。為了比較，負荷的預測誤差范圍通常是提前一天的誤差為1%至3%。
太陽能預測仍處于起步階段，但一些系統(tǒng)運營商最近已經(jīng)開始致力于內部太陽能預測，至少有一家公司已開始跟蹤太陽預測的準確性。
增加燃煤電廠的靈活性可以提高可再生能源一體化
靈活發(fā)電
提高風能和太陽能普及率也增加了改善煤炭靈活性的機會。使用商業(yè)生產(chǎn)成本模型，國家可再生能源實驗室(NREL)估計風力和太陽能發(fā)電機組整合對發(fā)電機靈活性的影響在15%和60%之間。通過降低煤60%-40%銘牌額定值的最低發(fā)電量來模擬增加靈活性。最低發(fā)電量可以是機組在電價低時保持的運行狀態(tài)，例如晚上和受周期影響需求量小的時候。在更靈活的系統(tǒng)中，燃料成本和二氧化碳排放量都很低，而可變操作和維護成本較高。
提高燃煤電廠的靈活性可以通過改造和運營實踐，使其能夠低負荷運行、更快的啟動和停止，增加負載設定值之間的速度。北美地區(qū)的一個燃煤發(fā)電廠調節(jié)影響周期的關鍵是硬件的更改和操作流程上的改變。例如，受設備執(zhí)行檢測程序的影響，監(jiān)控和管理溫度變化率，需要有持久的操作培訓。這些變化使?jié)撛诘膿p害最小化并盡量減少電廠維修周期的費用。
增強全系統(tǒng)的靈活性可以通過改裝電力系統(tǒng)常規(guī)發(fā)電機來實現(xiàn)。國家可再生能源實驗室(NREL)調查改裝的成本和收益，25%煤炭和天然氣發(fā)電廠運力用來提高運營靈活性。研究表明，雖然提高燃氣和燃煤電廠的發(fā)電水平有可能會或不會對全廠有好處，但是該改造是有凈效益的。進一步分析可以幫助確定系統(tǒng)快速升溫和快速、慢速啟動的成本和收益。
靈活負載——需求響應優(yōu)勢
需求響應(DR)是故意減少或增加負荷需求高峰或高市場價格的周期來平衡系統(tǒng)負載管理實踐。DR資源是一個潛在的大的且用于電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性相對未開發(fā)的資源。NREL正在與其他國家實驗室為美國西部估計DR資源的經(jīng)濟價值——包括水加熱、供熱與供冷，以及水和污水泵站。計算的價值是降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和潛在的收入來源。因為有些DR資源可以更靈活、更好的與系統(tǒng)需求一一對應，來源于能源和提供網(wǎng)絡服務的收入會得到顯著改變。
靈活的存儲
電力存儲技術——如抽水蓄能、電池、飛輪、壓縮空氣——在美國電網(wǎng)取得了有限的部署，但可能允許更多地使用可變可再生能源調度需求量大的時期，在高RE輸出期間提供靈活的負載，并提供多種高價值的配套服務。存儲技術開發(fā)商面臨的一個的挑戰(zhàn)是量化存儲，特別的效益可能不會完全占領美國電力市場。
存儲的業(yè)務價值預計將隨著可變風能和太陽能發(fā)電的增加而增加。對于存儲應用涉及發(fā)電的時間平移(即電站調峰)，相對于高峰電價可變發(fā)電更易于抑制非高峰期的價格，提高能量儲存的價格差異。額外運行儲備需要具有更高水平的可變發(fā)電，提供這些儲備時也增加了存儲的潛在價值。VG滲透是在40%-50%的范圍內才會實現(xiàn)可再生能源充電和相關的碳排放量減少。存儲值的其他形式，例如替換或延遲發(fā)電、輸電和配電投資也會受到VG資源部署的影響。
精心設計的大規(guī)模電力市場技術支持系統(tǒng)的靈活性
市場的設計在很大程度上決定了保持長期和短期電力系統(tǒng)可靠性的運行機制。對于高水平的可變發(fā)電系統(tǒng)，精心設計的電力市場驅動高效的解決方案，以用最低成本滿足可靠性需求，同時可以獲得更大的選擇范圍以提高系統(tǒng)的靈活性。下表總結了當前和新興市場設計方法以及建立激勵機制和訪問靈活性的最佳實踐。與電力社區(qū)協(xié)作，國家可再生能源實驗室繼續(xù)致力于市場設計的最佳實踐分析。
譯自：2015年4日【美國】國家可再生能源實驗室(NREL)
