【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(gè)國(guó)家關(guān)注的問(wèn)題。本文為美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)發(fā)布的報(bào)告，主要介紹了如何將高質(zhì)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(xì)的分析。
電力系統(tǒng)正在變革
獲得天然氣儲(chǔ)量的新方法、針對(duì)老化發(fā)電廠的環(huán)保法規(guī)、國(guó)家級(jí)的投資組合標(biāo)準(zhǔn)都為可再生能源和天然氣發(fā)電提供了新的機(jī)會(huì)。效率的提高和智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)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(shù)(太陽(yáng)能和風(fēng)能)成本繼續(xù)下跌，而設(shè)備的費(fèi)用正在增加。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)和行業(yè)領(lǐng)袖了解和操控這樣的電力系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)室的分析報(bào)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(duì)減少溫室氣體排放、提高經(jīng)濟(jì)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(shí)候更清潔、更可靠的電。
國(guó)際可再生能源路線圖的規(guī)劃
對(duì)于墨西哥而言，在電力領(lǐng)域減少溫室氣體排放的關(guān)鍵戰(zhàn)略是擴(kuò)大可再生能源使用。實(shí)現(xiàn)可再生能源目標(biāo)——到2024年可再生能源發(fā)電占比35%——一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，是將風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電并入到現(xiàn)有的電網(wǎng)。通過(guò)美國(guó)政府對(duì)“低排放發(fā)展戰(zhàn)略(EC-LEDS)”計(jì)劃的優(yōu)化能力，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)與墨西哥能源部、電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、研究機(jī)構(gòu)和決策者合作，研究并實(shí)現(xiàn)技術(shù)以達(dá)到年度可再生能源目標(biāo)，從而支持墨西哥的可再生能源的目標(biāo)。
國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(shù)的技術(shù)方案和建議，以及能源機(jī)構(gòu)需要確定電力基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)如何改變以適應(yīng)高質(zhì)量的可再生能源的步驟。該路線圖的重點(diǎn)是分析方法——包括電網(wǎng)擴(kuò)大建模、資源特征、預(yù)測(cè)和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐——評(píng)估可再生能源的增長(zhǎng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)的影響。該路線圖為政策制定者提供了依據(jù)，用來(lái)評(píng)估潛在挑戰(zhàn)及增加不同水平可再生能源并入電網(wǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響，并為可能出現(xiàn)的問(wèn)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(zhì)量的可再生能源是可能的
通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)可再生能源的開創(chuàng)性的模型和對(duì)可操作性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響的分析，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)表明，操作上的改進(jìn)和提高傳輸訪問(wèn)效率可以提高整個(gè)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(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電給電網(wǎng)增加的可變性和不確定性。為適應(yīng)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(chǎng)的選擇增加靈活性相對(duì)比較復(fù)雜，但提高整合技術(shù)、開發(fā)新的操作流程、發(fā)展新的商業(yè)模式和新的市場(chǎng)規(guī)則，則是必不可少的。
改變操作性，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性
頻繁的調(diào)度和派遣
電網(wǎng)整合的研究表明，發(fā)電機(jī)頻繁的調(diào)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(chǔ)備量，并且使更多可變的可再生能源發(fā)電并入系統(tǒng)?？焖僬{(diào)度可以使系統(tǒng)從現(xiàn)有單元來(lái)訪問(wèn)儲(chǔ)量，并且只需要很少甚至沒(méi)有額外的費(fèi)用。它也可以減少調(diào)節(jié)儲(chǔ)量的需求，這是最昂貴的一部分花費(fèi)，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)經(jīng)常重新調(diào)度時(shí)，負(fù)載和發(fā)電之間在瞬間會(huì)有偏差。例如，西部風(fēng)能和太陽(yáng)能集成化研究表明，頻繁的調(diào)度對(duì)系統(tǒng)最小化調(diào)節(jié)非常重要。每5或15分鐘調(diào)度資源，(而不是每一個(gè)小時(shí))減少了機(jī)組爬坡，提供負(fù)載跟蹤。研究還發(fā)現(xiàn)，風(fēng)能和太陽(yáng)能的可變性在管理需求上的影響比每小時(shí)調(diào)度監(jiān)管發(fā)電機(jī)組的影響要小。
擴(kuò)大平衡的足跡
研究表明，加強(qiáng)地區(qū)之間的合作可以降低供應(yīng)和需求之間的波動(dòng)，并更加容易地維護(hù)系統(tǒng)平衡。此外，擴(kuò)大平衡足跡可以提高調(diào)度的收益，減少必要的儲(chǔ)量管理和相關(guān)成本。平衡地區(qū)之間的頻繁調(diào)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(wèn)題的地方，跨區(qū)域快速調(diào)度可以讓不同的發(fā)電機(jī)組與周邊市場(chǎng)更快速的、協(xié)調(diào)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)更有效的整合。
先進(jìn)的多樣的發(fā)電廠預(yù)測(cè)
最新預(yù)測(cè)認(rèn)為一個(gè)有效且可靠的重要方法是整合風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電。根據(jù)2014年西方互聯(lián)系統(tǒng)操作員的調(diào)查顯示，VG預(yù)測(cè)成本有望下降，同時(shí)系統(tǒng)操作員在預(yù)測(cè)方面越來(lái)越自信。
現(xiàn)在，許多系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為VG預(yù)測(cè)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的機(jī)制，能夠有效地維護(hù)電力可靠性和調(diào)度資源。有人認(rèn)為，該系統(tǒng)能夠節(jié)約大量能量且使成本達(dá)到最低，以至于不需要正式的成本效益分析。
通過(guò)調(diào)查幾乎所有的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的可再生能源比例，或月平均負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有企業(yè)風(fēng)能使用的預(yù)測(cè)。風(fēng)能預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的不斷提高得益于先進(jìn)的預(yù)測(cè)技術(shù)和模式、經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商、不斷增加的投資規(guī)模。風(fēng)能預(yù)測(cè)的誤差一般為提前一個(gè)小時(shí)的預(yù)測(cè)誤差為3%-6%，提前一天的預(yù)測(cè)誤差為6%到8%。為了比較，負(fù)荷的預(yù)測(cè)誤差范圍通常是提前一天的誤差為1%至3%。
太陽(yáng)能預(yù)測(cè)仍處于起步階段，但一些系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商最近已經(jīng)開始致力于內(nèi)部太陽(yáng)能預(yù)測(cè)，至少有一家公司已開始跟蹤太陽(yáng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)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(fēng)能和太陽(yáng)能普及率也增加了改善煤炭靈活性的機(jī)會(huì)。使用商業(yè)生產(chǎn)成本模型，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)估計(jì)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組整合對(duì)發(fā)電機(jī)靈活性的影響在15%和60%之間。通過(guò)降低煤60%-40%銘牌額定值的最低發(fā)電量來(lái)模擬增加靈活性。最低發(fā)電量可以是機(jī)組在電價(jià)低時(shí)保持的運(yùn)行狀態(tài)，例如晚上和受周期影響需求量小的時(shí)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(hù)成本較高。
提高燃煤電廠的靈活性可以通過(guò)改造和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，使其能夠低負(fù)荷運(yùn)行、更快的啟動(dòng)和停止，增加負(fù)載設(shè)定值之間的速度。北美地區(qū)的一個(gè)燃煤發(fā)電廠調(diào)節(jié)影響周期的關(guān)鍵是硬件的更改和操作流程上的改變。例如，受設(shè)備執(zhí)行檢測(cè)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(xùn)。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(fèi)用。
增強(qiáng)全系統(tǒng)的靈活性可以通過(guò)改裝電力系統(tǒng)常規(guī)發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)調(diào)查改裝的成本和收益，25%煤炭和天然氣發(fā)電廠運(yùn)力用來(lái)提高運(yùn)營(yíng)靈活性。研究表明，雖然提高燃?xì)夂腿济弘姀S的發(fā)電水平有可能會(huì)或不會(huì)對(duì)全廠有好處，但是該改造是有凈效益的。進(jìn)一步分析可以幫助確定系統(tǒng)快速升溫和快速、慢速啟動(dòng)的成本和收益。
靈活負(fù)載——需求響應(yīng)優(yōu)勢(shì)
需求響應(yīng)(DR)是故意減少或增加負(fù)荷需求高峰或高市場(chǎng)價(jià)格的周期來(lái)平衡系統(tǒng)負(fù)載管理實(shí)踐。DR資源是一個(gè)潛在的大的且用于電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性相對(duì)未開發(fā)的資源。NREL正在與其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)西部估計(jì)DR資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值——包括水加熱、供熱與供冷，以及水和污水泵站。計(jì)算的價(jià)值是降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和潛在的收入來(lái)源。因?yàn)橛行〥R資源可以更靈活、更好的與系統(tǒng)需求一一對(duì)應(yīng)，來(lái)源于能源和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的收入會(huì)得到顯著改變。
靈活的存儲(chǔ)
電力存儲(chǔ)技術(shù)——如抽水蓄能、電池、飛輪、壓縮空氣——在美國(guó)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(diào)度需求量大的時(shí)期，在高RE輸出期間提供靈活的負(fù)載，并提供多種高價(jià)值的配套服務(wù)。存儲(chǔ)技術(shù)開發(fā)商面臨的一個(gè)的挑戰(zhàn)是量化存儲(chǔ)，特別的效益可能不會(huì)完全占領(lǐng)美國(guó)電力市場(chǎng)。
存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)價(jià)值預(yù)計(jì)將隨著可變風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的增加而增加。對(duì)于存儲(chǔ)應(yīng)用涉及發(fā)電的時(shí)間平移(即電站調(diào)峰)，相對(duì)于高峰電價(jià)可變發(fā)電更易于抑制非高峰期的價(jià)格，提高能量?jī)?chǔ)存的價(jià)格差異。額外運(yùn)行儲(chǔ)備需要具有更高水平的可變發(fā)電，提供這些儲(chǔ)備時(shí)也增加了存儲(chǔ)的潛在價(jià)值。VG滲透是在40%-50%的范圍內(nèi)才會(huì)實(shí)現(xiàn)可再生能源充電和相關(guān)的碳排放量減少。存儲(chǔ)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(huì)受到VG資源部署的影響。
精心設(shè)計(jì)的大規(guī)模電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)的靈活性
市場(chǎng)的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了保持長(zhǎng)期和短期電力系統(tǒng)可靠性的運(yùn)行機(jī)制。對(duì)于高水平的可變發(fā)電系統(tǒng)，精心設(shè)計(jì)的電力市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)高效的解決方案，以用最低成本滿足可靠性需求，同時(shí)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(jié)了當(dāng)前和新興市場(chǎng)設(shè)計(jì)方法以及建立激勵(lì)機(jī)制和訪問(wèn)靈活性的最佳實(shí)踐。與電力社區(qū)協(xié)作，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)致力于市場(chǎng)設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐分析。
譯自：2015年4日【美國(guó)】國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)
