整合可再生技术的挑战研究

S. U. Karki¹， S. B.哈尔巴维²， S. G.库尔卡尼^3.

印度贝尔高姆Balekundri理工学院电气与电子工程系。
印度贝尔高姆高特理工学院电气与电子工程系。

摘要

可再生能源发电技术的发展过程面临许多挑战，如实现降低资本成本和提高不同类型的可再生能源系统的能源效率，如风能、太阳能光伏、太阳能热和潮汐能。大规模储能技术的重大发展是必要的。为了在电网中持续整合可再生资源，必须在电力系统规划和运行以及电网连接中解决高渗透水平的挑战。电力和能源工程职业的有志之士需要接受教育，以便他们能够预见和发展新的方法和技术，以保持电网的可靠性和经济性完好无损。将高渗透的可再生能源技术整合到电网中的挑战很少被重视，因为它们需要电力系统分析、通信、电力电子、经济学、运筹学和工业组织等领域的跨学科创新。本文讨论了可再生技术集成中的一些挑战。

关键字

可再生技术，挑战，电网运营商，不可预测性，不确定性。

介绍

1973年，石油输出国组织(石油输出国组织，成立于1960年)限制石油生产，并开始实施石油价格控制战略。石油价格猛涨，造成严重的全球能源危机。这导致了各种商业能源价格上涨的升级，导致全球通货膨胀。人们非常认真地认识到这一危机，认为发展替代能源的想法是必要的。替代能源得到了令人担忧的考虑，大量资金被分配给公用事业替代能源。继1973年的石油危机之后，1979年和1990年又发生了两次震惊世界的石油危机，使全球进一步关注非传统能源形式的替代能源[9]。

化石燃料使用的日益增加和这些资源的迅速枯竭使全球生态处于危险之中，并迫使发展可再生和环境友好的替代能源。因此，探索和开发非常规能源资源以减少对常规资源的独特依赖变得至关重要。原因如下:[1]

1.由于快速的工业化和人口增长，能源需求正在成倍增长，传统的能源资源将不足以满足日益增长的需求。

2.传统能源(水电除外)是不可再生的，在不久的将来一定会枯竭

3.常规来源(化石燃料、核能)造成污染，从而对环境和全球生态系统产生不利影响。

4.由于大坝的建设，以水利资源为基础的大型项目会导致森林砍伐，并造成严重的生态社会问题。

然而，从目前非常规能源的发展趋势来看，可再生能源将成为传统能源的补充而非替代。但如果非常规资源被成功整合，那么它可能成为常规能源的替代品。本报告讨论了将可再生资源与电网的其余部分综合起来所面临的挑战，包括现有的发电资源、客户需求和传输系统。可再生能源发电包括风能、太阳能、潮汐能、地热能和可再生生物质能。本文主要讨论风能和太阳能，原因有二。首先，它们具有巨大的能源潜力，但在能源产生方面受自然可变性和不可预测性的影响[1]。这一事实为将可再生能源整合到更大的电力系统中提出了一个独特的挑战，称为非调度能力。其次，风能和太阳能在大容量和大范围应用方面相对更成熟。因此，拟议的整合对传统电网有重大影响，而且这种影响可能会随着时间的推移而增加。可再生能源一体化是一个多节点问题，涉及多个决策者在不同的空间和时间尺度上，协调程度差异很大，可预测性不均匀。 The decision-makers include operators of Renewable energy sources, energy storage resources, grid operators, energy market operators and transmission planning and management authorities [3]. The integration of the energy systems is not performed by any one entity in the power system, but instead involves the actions of many of entities, where some are adequately coordinated and others in discrete status. The rapidly growing development of smart grids adds many more tools and protocols, options and operators to the hybrid system governed by various technology standards, practices, procedures and policies for the operation of individual conventional generators, Renewable energy clusters, substations, and the broader electrical energy system as a whole[6].

关于(可再生能源)电网整合的挑战

风能和太阳能发电都经历了a)间歇性，b)不受控制的可变性和部分不可预测性的组合，c)依赖于地理位置依赖的资源[8]。在将风能和太阳能发电与传统电网整合的过程中，这些重要方面以及其他一些方面给发电当局和电网运营商带来了挑战。

A.非可控变异性:

风能和太阳能的输出随不确定性而变化，使发电不可控，因为风速和可用的阳光可能会不稳定地变化，影响实时功率输出[8]。功率输出的这种波动导致需要额外的能量来实时平衡电网的供需，以及频率调节和电压管理等辅助服务。风能和太阳能资源的可变性是指它们的输出不是恒定的这一事实。它不同于我们在下一节中讨论的不可预测性。即使运营商可以完美地预测风能和太阳能发电厂的输出，输出仍然是可变的，并对电网运营商构成具体的挑战。在秒到分钟的时间尺度上，电网运营商必须处理传输系统的频率和电压波动，如果不加以控制，将会损坏相关的操作系统。为此，运营商可能要求向电网注入电力(有功或无功)，但不是为了出售给消费者，而是为了平衡实际和预测的发电量，这对维持电网中的频率和电压分布是必要的。这些辅助服务有大量的名称和具体描述。一般概述的典型服务包括:

频率调节:以秒到分钟为单位进行，并通过自动生成控制(AGC)信号向发电机进行。

旋转储备:这些发电机通常在10分钟内提供电力。当系统上的另一个发电机出现故障或意外停用时，这些储备将被使用。

非旋转储量:这些发生器的功能与旋转储量相同，但响应时间较慢。

电压支持:这些发电机用于无功功率管理，在必要时调整电压。

黑启动能力:这些发电机可在级联停电的情况下重新启动电力系统。

此外，电网运营商必须跟踪负荷(电网消费端的电力需求)，并确保发电始终与负荷匹配。当电力需求在一天的典型时间段(如上午、炎热的下午或晚上)大幅增加时，这种负载跟踪功能就变得至关重要。负荷跟踪可以通过一类辅助服务或“快速能源市场”来安排，这取决于系统运营商。自电网发展以来，电网运营商一直在调节频率和电压，保持储备，并跟随负荷的变化。这是因为负荷本身是可变的，即使是传统的、可控的发电也会出现问题，不能始终如一地按照规定的计划运行。

因此，风能和太阳能发电并不会带来运营商从未遇到过的全新问题。事实上，在低能量穿透时，集成的挑战主要是设备和局部电网特定的，例如次同步谐振和谐波，这可能是由于涡轮机本身。然而，风能和太阳能发电的高渗透率确实给能源系统增加了比电网运营商传统管理方式更多的可变性。因此，可再生能源的整合导致对辅助服务和整体平衡能源的需求增加。在设备级管理这些挑战更加困难，有时甚至是不可能的，因此在网格级、技术和策略上的行动是必不可少的。大量的风能和太阳能资源也可能扰乱负荷跟踪过程，当由于剧烈的天气变化而改变风能或太阳能资源的输出而发生大规模需求变化时。位于较偏远地区和服务于较小负荷的电网运营商在提供辅助服务方面的灵活性可能低于规模较大的同行。更复杂的是，大量的可再生资源往往位于这些偏远的地方。国际能源署和其他机构建议对电网运营商进行整合，以便在更大范围内整合可再生能源资源，从而减少产生的电力的差异，同时放松对销售辅助服务的市场限制，作为解决这一问题的一个方法。

B.部分不可预测性:

风和阳光的可用性在一定程度上是不可预测的。风力涡轮机只能在有风的时候发电。太阳能光伏系统需要充足的阳光以获得良好的产量。不可预测性可以通过改进的天气和发电预测技术来管理，当再生能源发电产生的能量低于预测时，保持储备，随时准备提供额外的电力，并确保可调度负荷的可用性，以“吸收”多余的电力，当再生能源发电产生的能量超过预测的能量。部分不可预测性，也称为不确定性，不同于可变性。风能和太阳能发电的可变性是始终存在的，这是依赖于不断变化的风能和太阳能的结果，并在每时每刻的时间尺度上实时影响电网系统。而部分不可预测性，指的是即使风和阳光通常可用于能源生产，也无法准确预测。这种小时到天的不确定性非常重要，因为电网运营商通过“单元承诺”管理电网上的绝大部分能源。机组承诺是提前调度生成的过程，一般提前数小时到一整天，以满足预期负荷。当实际产量与预测不符时，电网运营商必须平衡差额。 RE generation increases the cost of this function by increasing the spread between predicted and supplied energy, a cost that is ultimately borne by consumers. Unit commitment at present is largely deterministic, meaning that once a conventional generator is scheduled to run at its full capacity is expected to be available for use. This practice reflects the relative predictability and controllability of traditional coal, gas and hydropower generation resources. Operators ensure the availability of reserves – generators that withhold the supply of energy and available in ready status to balance the system in an emergency – so as to protect against a loaded transmission line outage or generator outage. But the process of unit commitment and the calculation of reserves needed to ensure reliability becomes more complex when dealing with uncertain generation through RE. Forecasting technologies aim to predict weather and thus generation output from wind and solar resources at various timescales more accurately, and communicates those predictions to the grid operators in integrated system so as to allow the operator to schedule the energy generation more effectively and dispatch energy from resources. Properly anticipating wind and solar output levels allows the operator to modify the scheduling of other generators so as to more optimally utilize all generating resources under the grid operator’s purview. The operator must ensure that reserves are available not only to cover transmission line or generator outages, but also to respond to still unanticipated changes in wind and solar output. Advanced unit commitment methods enable the operator in this process of integrated grid operation , with an objective to prepare the system for multiple potential and uncertain outcomes that cannot be predicted by the forecasting technologies. Unlike deterministic unit commitment processes, advanced unit commitment methods must take into account the stochastic nature of wind and solar generation and their relative concentration on the system in recommending the scheduling of other resources. Ultimately, the objective of advanced unit commitment is to maintain sufficient flexibility in the system with cost effectiveness, such that the integration of RE resources neither exposes the system to unacceptable reliability risks nor over schedule the reserve generation.

C.位置依赖:

风能和太阳能资源的数量基于特定的位置，与煤炭、天然气、石油或铀不同，它们不能被运输到电网最优的发电地点。发电必须与资源本身配置在一起，而且这些位置通常远离最终使用电力的负荷中心。通常需要新的输电能力来将风能和太阳能资源连接到电网的其他部分。对于海上风能资源来说，传输成本尤其重要，而且这种线路往往需要使用陆地输电线路所没有的特殊技术。由于风能和太阳能的可用性在时间和空间上都超出了人类的控制，因此将风能和太阳能发电资源整合到传统电网中涉及管理其他可控操作，这些操作可能会影响电网的许多其他部分，包括传统发电。这些操作和活动发生在从秒到年的多个时间尺度上，包括a)可扩展发电资源的新调度策略，b)负荷管理，c)提供频率和电压控制的辅助服务，d)扩展传输容量，e)利用更高容量的储能技术，以及e)将电网运营商调度规划与天气和资源预测联系起来[8]。对变量RE集成的基本见解是，它的可变性迫使网格的其余部分需要更大的灵活性。仅讨论可变发电运行不足以描述高渗透稀土对电力系统运行的全部影响。因此，本文从发电厂运营商和电网系统运营商的角度探讨了可再生能源集成，以确定涉及的全部操作范围。与电网的日常管理相去甚远的是它的长期规划——特别是新输电线路的选址和使用。 Here RE generation plays a significant role and introduces new challenges. Because wind and solar resources are often located in remote locations, far from load centres, developing sufficient transmission facility to move RE to markets is vital in the process of integrated grid operation. Transmission planning processes are subjected to high variations, and tend to be influenced by regional politics. For example, a transmission line may provide capacity for energy produced in one country or state, passed through another territory, and consumed in yet another. These disparities in generation capacity, transmission location and load size between locations can make the development of transmission for RE contentious and complex, particularly with respect to cost allocation. Because new transmission lines built for RE generation resources will carry primarily renewably generated, variable and partially unpredictable electricity where technical needs arise regarding the transmission technology to be used. On the other hand, distributed energy resources provide for an alternative vision of the future grid, where energy is generated and used locally on a micro-grid, avoiding the cost of line losses and the high capital cost of transmission lines. In such a scheme, the electricity grid could be conceptualized as a collection of independent micro-grids with significantly reduced long-distance energy transmission needs.

D.电力系统规划与风险管理:

如果没有大规模、经济的储能能力和需求响应式负荷，可变发电资源将更难保持发电供应和实时客户需求之间的平衡。现有的常规规划方法、工具、指标和资源充分性标准需要为具有可变发电、能源储存、需求响应负载、可再生能源标准和温室气体排放政策的运行环境开发。需要进行研究，以了解和应对新兴智能电网和客户自有技术对电网可靠性的影响。必须开发新的规划和风险管理工具，以支持电力系统的决策，这比以前经历的不确定性要大得多。

E.配电和输电规划:

电网正在成为一个日益自动化的网络，并有望具有更高的功能、更高的效率、更好的可编程性和更大的灵活性。需要规范的通信网络连接到电网的传感，监测和控制。可再生能源的渗透增加可能导致输电线使用率低，除非有大规模的存储。分布式能源、存储和分布层面的需求响应负载使线路负载更加不确定。规划人员必须能够确定最适合这种新的集成运行环境的网络拓扑结构，以及拥有大量空间分布式电源对系统性能和可靠性的影响。新的网络拓扑结构需要设计成比传统网络性能更好，传输损失更低，在突发事件下性能和可靠性问题的易感性更低。新的拓扑结构必须能够大幅提高可再生能源发电水平，同时考虑到遗留系统，并在HVDC、FACTS、分布式电子功率流控制器和用于连接可再生资源的功率转换设备中纳入新兴技术。保护系统的设计必须适应新的操作条件。计算方法的进步将允许网络拓扑作为资源调度的一部分进行共同优化，因此网络设计不能被设计为静态资产，并且允许由技术和经济目标驱动的动态重新配置。最后，由于线路和变压器负载的不确定性增加，新的客户使用和存储技术对配电规划提出了挑战。

f .操作:

运营(提前)计划必须考虑可再生资源的可变性和需求响应负荷[1]。市场设计必须确保为新一代提供足够的商业激励，同时为现有的一代所有者提供足够的补偿机会。市场价格变异性增大可能成为市场参与者面临的重要额外风险，特别是在新的环境政策下。在高渗透水平下，保持可靠性和满足NERC标准(例如，平衡和辅助服务)变得很困难。标准本身可能需要针对新技术和客户选择进行审查。平衡发电与负载需求的动态负载控制将需要更高水平的需求响应负载。插电式混合动力汽车和电动汽车的广泛使用要求在负载侧进行更大的管理。在WAM广域监测系统中，需要使用相量测量单元(PMU)的数据。PMU可以有效地监测电网的动态状态，包括电压和角度稳定性和热极限，并可以向网络运营商提供可能发生故障、压力或潜在不稳定的早期预警，从而使运营商能够采取预防措施。为了保证电力系统在不确定性条件下的可靠性和稳定性，未来控制系统的运营者必须拥有一套新的决策工具。

G.网格与RE资源的接口:

在将任何设备连接到电网[1]时，必须满足基本的电能质量要求，如谐波、电压、频率等。可再生能源发电机及其相关电力电子设备产生谐波，并在电压和频率偏差下具有电气特性，可能难以满足电能质量要求。大规模风电场和大规模光伏系统提出了一系列技术挑战，这些挑战主要来自于电力电子设备在高额定功率下的广泛应用。可再生能源在配电层面的连接也需要对配电系统设计进行重大修改，以适应双向功率流。促进分布式能源的整合需要在微电网和能源管理系统方面进行创新，以透明地提供控制和监管。

需要新的运营和规划工具，以便在新一代智能电网技术带来的更大的不确定性和多样化的技术选择下进行高效和有效的分析。需要新的操作工具将可再生资源与其特殊特性结合起来。这些工具包括:

可再生资源渗透率从低到高的最优潮流研究

环境政策约束下的电力市场分析，包括可再生资源的低到高渗透

应急分析，随机潮流研究，动态安全评估和安全分析与随机模型捕捉可再生资源的不确定性。

资源调度算法，在资源分配的同时优化网络拓扑结构。还需要新的规划工具:

长期基础设施评估，包括不确定性下的发电规划，也包括可再生资源的短期不确定性

分配和传输计划，包括可能开发可再生资源的地点

系统资源规划，以适应所有资源，包括发电和需求资源，同时考虑结构和灵活性的传输拓扑和更高水平的资源不确定性。

最后，电力能源系统技术、操作和规划方法以及分析工具的变化需要一个授权的教育系统。新学生进入工作岗位后需要做好贡献的准备，现有的工程师必须提高他们的技能。使可再生技术的高渗透成为可能的不仅仅是技术，还有劳动力。

结论

要实现具有可变发电特性的可再生技术的高渗透，需要在电力系统的规划和运行方式上进行许多根本性的改变，以确保可靠的服务，并在经济上做到这一点。通过实施更好的网格技术，可以克服这些挑战。为了应对这些挑战，应该对可再生能源发电技术的高普及率的电力系统运行和规划进行系统研究。业界应该呼吁并支持更多关于电网集成挑战的研究和教育。

参考文献

PSERC:将可再生能源技术整合到电力系统中的挑战，白皮书，2010年4月
北美电力可靠性公司2009年长期可靠性评估:2009-2018年。2009年10月。[http://www.nerc.com/files/2009_LTRA.pdf]
北美电力可靠性公司适应高水平的可变发电。特别报道。2009年4月。[http://www.nerc.com/files/IVGTF_Report_041609.pdf]
PSERC白皮书。美国能源基础设施投资:可再生资源高渗透、分散发电和客户参与的大规模集成智能电网解决方案。2009年3月。[http://www.pserc.org/ecow/get/publicatio/2009public/]
PSERC白皮书。美国能源基础设施投资:为政策制定提供信息的长期战略规划。2009年3月。[http://www.pserc.org/ecow/get/publicatio/2009public/]
Vittal Vijay。“可再生资源对电网性能和可靠性的影响。这座桥。国家科学院出版社。2010年4月。[http://www.nae.edu/nae/bridgecom.nsf]
美国电力和能源工程劳动力合作组织。为未来电力能源系统准备美国基金会:强大的电力和能源工程队伍。2009年4月。[http://www.ieee-pes.org/workforce/workforce-collaborative]
I. Perez-Arriaga:间歇性可再生能源大规模渗透管理，MITEI间歇性可再生能源大规模渗透管理研讨会，美国剑桥，2011年4月20日。
非常规能源，可汗，b.h.， TMH，第2版。