公用事业和分析师看到新工具，以平滑可再生能源整合，2024年建设潮即将来临

随着美国电力系统为2024年可再生能源的大规模扩张做准备，公用事业公司和行业分析师报告称，工程师们正在部署新策略，以更有效地整合清洁能源。根据最近一份行业综述中引用的消息来源，这一推动得到了拜登政府目标和联邦资金的支持。

研究人员和公用事业消息人士一致认为，随着可变的风能和太阳能发电渗透率不断提高，突然和周期性的需求激增以及电流的技术波动对可靠性构成了日益严重的威胁。消息人士称，新的管理方法——包括整合客户自有资源以平衡供需的控制室和通信技术——可以缓解这些威胁。

爱迪生照明公司协会（AEIC）技术战略副总裁伊丽莎白·库克表示：“过时的基于市场的法律和规则没有认识到整合新技术和资源的价值。”她补充道：“要释放当今系统的真正能力，需要将其视为一个整体，从大容量系统资源到客户负荷和客户自有资源。”

一些公用事业公司正在探索新技术和策略，以整合系统范围的运营和调度。Xcel Energy发言人凯文·科斯表示：“我们正在积极考虑不仅使用哪些技术，而且在何处以及何时部署它们”，以优化“不仅是配电系统，最终还包括大容量系统”。

库克、科斯和其他人承认，强大的新工具和实践——例如系统增强型潮流工具、先进通信以及客户行为数据分析——尚未广泛部署。然而，他们补充说，能源部的研究模拟和电力供应商试点项目开始验证在整合和受益于大容量和配电系统清洁能源方面有更大的潜力。

新兴系统

根据12月7日荣鼎集团的一份报告，尽管供应链持续中断，但2023年第三季度美国清洁能源投资达到了创纪录的640亿美元，比2022年第三季度增长了42%。预测显示，这一投资激增仅仅是个开始。根据国家可再生能源实验室（NREL）最近的一份报告，要实现拜登政府到2035年实现零碳电力部门的目标，可能需要将太阳能和风能的预计年增长率提高四倍。分析师表示，这种增长将改变美国的电力系统。

太平洋西北国家实验室（PNNL）电力办公室的实验室研究员和子部门经理凯文·施奈德表示：“过去五年的变化比之前五十年还要多，而且还在加速。”他补充道：“新兴系统将更加自动化，并在更广泛的条件下运行，客户期望比以往任何时候都高。”

公用事业公司和行业分析师一致认为，这意味着来自可变的公用事业规模可再生能源以及不确定的客户自有发电和负荷对可靠性的挑战日益增加。

平滑波动性

NREL和PNNL的研究人员报告称，地理资源多样性的重要性以及为管理更高清洁能源渗透率而进行资源共享的需求已得到充分理解。据这些实验室称，资源和负荷预测以及大容量系统爬坡能力正在改善。

根据11月Grid Strategies的一项研究，进入2024年，对区域间输电以增加获取低成本清洁能源机会的新重视，可以减少对更昂贵的化石燃料发电的使用，从而为客户节省数百亿美元的发电和输电成本。但Grid Strategies总裁罗布·格拉姆利克在11月17日的Volts播客中表示，由于互联、许可和其他监管及经济障碍，新的输电线路并未建设。然而，格拉姆利克表示，可以立即部署优化潮流的电网增强技术和承载更多电流的新型高性能导体，以“从现有输电线路中获得更多吞吐量”。

格拉姆利克继续说道，提高现有基础设施的效率以输送公用事业规模的清洁能源，也避免了对“未受干扰土地上的新路权”的需求。他说，监管机构可以考虑对部署新技术给予奖励，对不考虑这些技术的行为进行处罚。

但工程师们表示，整合更多可变和分布式可再生能源的技术，增加了因每日资源可用性变化或极端天气条件而导致更陡峭或意外需求激增的威胁。他们说，能够吸收并响应涌入控制室的日益增长的供需数据的能源管理和通信系统及策略可能是解决方案。

管理需求激增

研究人员、系统运营商和公用事业公司一致认为，日益陡峭或意外的客户需求激增是可再生能源整合带来的直接挑战，因为资源可用性可能受到日落、风力减弱或极端天气导致的极端客户需求的影响。

Xcel Energy系统战略高级副总裁兼首席规划官爱丽丝·杰克逊去年告诉Utility Dive，可供公用事业公司使用的DER管理系统（DERMS）技术尚无法优化所需的大容量和配电系统资源的整合。Xcel的科斯补充说，Xcel继续投资和研究DERMS和其他能源管理系统。他说，目标是实现“不仅有利于配电系统，最终也有利于大容量系统”的技术。

Eversource Energy的电网现代化副总裁詹妮弗·席林报告称，该公司正在其马萨诸塞州地区部署DERMS，以整合超过1吉瓦的已安装分布式能源（DER）以及其互联队列中的1吉瓦DER。但她说，将DERMS用作公用事业运营系统的一部分是“新兴的”，并且“将客户自有的DER作为电网资产进行调度将需要监管机构批准的补偿框架”。

PNNL的施奈德补充说，在2024年，“DERMS是一个营销术语”，用于描述“提供DER调度能力”的工具。公用事业公司最终可能从配电级资源满足其30%或更多的负荷，这意味着“必须在整个系统内解决可变可再生能源的整合问题，以优化可靠性和弹性，并避免意外后果”，他说。

施奈德继续说，一个“在运营上足够灵活”以整合当前和未来的大容量和分布式系统资源的系统，可能需要一个独立的配电系统运营商。但他补充说，在2024年，“目前尚不清楚该实体将如何运作、由谁运营、其职责范围是什么，或者它将如何将其提供的服务货币化”。

公用事业工程师一致认为，如果没有特定的综合工具来管理配电系统灵活性，公用事业公司可以增强多种能力来建立系统可见性和控制。AEIC的库克说：“先进的技术、更强大的计算能力、新的通信系统和潮流解决方案将输电系统变成了世界上最大的机器。”她说，未能为可变和配电系统资源发展新方法“正在阻碍电力行业整合它们的能力”。

库克继续说道：“一个针对整个系统的框架可以根据所有资源的物理能力和技术可行性来优化系统上的所有资源。”她说：“但今天的调度是通过基于能源市场价格的模型来优化的，而不是基于显示新资产能力和价值的细粒度实时数据。”

库克说，一些公用事业公司已经在部署的一个关键技术解决方案是私有900 MHz频谱LTE宽带网络。这将提高控制室的系统意识，并在条件因可再生能源波动而变化时加快其响应速度。

圣地亚哥天然气和电力公司的可持续发展项目和计划通信经理温贝托·古尔米兰表示，该公司正在部署更广区域、更低延迟的通信和分析技术，以类似地增强其网络能力。杜克能源公司综合供需规划副总裁艾米丽·亨森表示，杜克能源的综合供需规划包括“未来部署预测分析、传感器以及带机器学习的通信”。

“先进通信对某些公用事业公司来说很快就会变得至关重要，而有些公用事业公司可能十年或更长时间都不需要它们，”PNNL的施奈德表示。部署将取决于监管机构关于网络价值和高昂资本成本的决策，但他补充说，最终“将需要一个安全、可靠且有弹性的通信基础设施”来管理更高水平的可变可再生能源。

先进通信还可以让公用事业公司了解“变压器处的客户影响，这可能导致变压器过载或保护变压器，”库克指出。库克补充说，为了防止过载引起的停电，人们对逆变器重新产生了兴趣，这些逆变器将使可变可再生能源能够取代传统发电来稳定电力系统。

稳定系统

北美电力可靠性公司（NERC）和能源系统集成集团（ESIG）的工程师最近告诉Utility Dive，逆变器将可再生能源产生的能量转换为输电系统的交流电，而构网型逆变器具有可以稳定频率波动和电压变化的电力电子设备。根据NREL 2020年11月的一份报告，传统上，传统发电厂稳定频率和电压，但它们正在退役，并被公用事业规模的可再生能源所取代，如果没有构网型逆变器，这些可再生能源无法提供稳定性。NERC表示，随着向可再生能源的过渡加速，可靠性威胁也在增加。

最近发布的NERC三年可靠性标准制定计划是对联邦能源监管委员会10月决定回应，该决定旨在解决当系统条件导致频率波动时可再生能源跳闸离线的问题。根据ESIG总工程师朱莉娅·马特沃相的说法，系统运营商在没有构网能力的情况下，可靠地整合可变可再生能源的估计渗透率不超过75%。但她补充说，有了构网能力，“稳定服务”可以避免异常运行条件，这些条件在电压下降破坏系统频率稳定时可能威胁到停电。

马特沃相在2023年3月的ESIG论文中表示，部署具有构网能力的公用事业规模电池是“为高可再生能源系统带来更多稳定性的一个唾手可得的解决方案”。她说，要求美国互联队列中超过400吉瓦的电池容量具有构网能力，可以使可变可再生能源的增长“比增加新的输电线路来缓解稳定性问题更便宜、更快”。

Xcel的科斯表示，如果能够验证具有构网能力的电池的充电状态，它们对于稳定性和其他系统服务来说是“理想的”。据马特沃相称，德克萨斯州电力可靠性委员会将在2024年最终确定构网型电池的性能要求。但PNNL的施奈德警告说：“如果系统的构网型逆变器没有正确协调，它们可能会加剧不稳定。”他说：“未来几年将是如何发展对所有新资源的正确整合和控制，并消除对将为所有利益相关者改善系统的新技术的抵制。”

“系统正在经历一场变革，”AEIC的库克说。但电网增强技术、高速通信系统和构网型逆变器等工具将使公用事业公司能够提高可靠性和弹性，并且“随着经济范围的电气化增加峰值需求以及气候驱动的极端天气影响变得更加频繁，它们将变得越来越重要，”她说。