电网整合可再生能源新方案涌现：Xcel、Eversource等公用事业公司披露进展

据公用事业公司和行业分析师报告，工程师们正为美国电力系统在2024年迎来的清洁能源整合热潮做准备，这一热潮由拜登政府的目标和资金推动。

研究人员和公用事业消息人士一致认为，随着可变风电和太阳能渗透率上升，突然的周期性需求尖峰和电流技术波动对可靠性的威胁日益增大。消息人士称，通过控制室和通信技术整合客户自有资源以平衡供需的新管理方式，可缓解这些威胁。

爱迪生照明公司协会（AEIC）技术战略副总裁Elizabeth Cook表示：“过时的基于市场的法律和规则未能认可整合新技术和资源的价值。要释放当今系统的真正能力，需将其视为一个整体，从大宗系统资源到客户负荷和客户自有资源。”她补充道，当前调度优化基于能源市场价格模型，而非显示新资产能力和价值的细粒度实时数据。

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Kevin Coss表示：“我们正在积极考虑不仅使用哪些技术，还包括在何处以及何时部署它们”，以优化“不仅是配电系统，最终还有大宗系统”。

Cook、Coss等人承认，诸如系统增强功率流工具、先进通信和客户行为数据分析等潜在新工具和实践尚未广泛部署。但他们补充说，能源部研究模拟和电力供应商试点项目正开始验证整合和受益于大宗及配电系统清洁能源的更高潜力。

新兴系统

根据12月7日荣鼎集团报告，尽管供应链持续中断，2023年第三季度美国清洁能源投资达到创纪录的640亿美元，较2022年第三季度增长42%。

预测显示，这一投资激增仅是开始。根据国家可再生能源实验室（NREL）最近的一份报告，实现拜登政府到2035年零碳电力部门的目标，可能需要太阳能和风能年增长率达到预测的四倍。分析师称，这种增长将改变美国电力系统。

太平洋西北国家实验室（PNNL）电力办公室实验室研究员兼某分部经理Kevin Schneider表示：“过去五年的变化比之前50年还要多，而且正在加速。新兴系统将更加自动化，在更广泛的条件下运行，客户期望比以往任何时候都高。”他补充说，这意味着来自可变公用事业规模可再生能源和不确定的客户自有发电及负荷的可靠性挑战日益增加。

平滑可变性

NREL和PNNL的研究人员报告称，地理资源多样性的重要性和资源共享的需求已得到充分理解。实验室表示，资源和负荷预测以及大宗系统爬坡能力正在改善。

根据11月Grid Strategies研究，进入2024年，对区域间输电的新重视以增加获取低成本清洁能源的机会，可能减少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Rob Gramlich在11月17日告诉Volts播客，由于互联、许可和其他监管及经济障碍，新输电线路并未建设。然而，优化功率流的电网增强技术和承载更多电流的新型高性能导体可立即部署，以“从现有输电线路获得更多吞吐量”，Gramlich说。他继续表示，提高现有基础设施效率以输送公用事业规模清洁能源，也避免了对“未受干扰土地的新地役权”的需求。监管机构可考虑对部署新技术的奖励和对不考虑这些技术的惩罚。

工程师表示，整合更多可变和分布式可再生能源的技术增加了因日常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尖峰的威胁。他们说，能源管理和通信系统及策略，能够吸收和响应涌入控制室的日益增长的供需数据，可能是解决方案。

管理需求尖峰

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尖峰是可再生能源整合的直接挑战，因为资源可用性可能因日落、风力减弱或极端天气导致的极端客户需求而受损。

Xcel Energy系统战略高级副总裁兼首席规划官Alice Jackson去年告诉Utility Dive，公用事业可用的DER管理系统（DERMS）技术尚不能优化大宗和配电系统资源的整合。但Xcel的Coss补充说，Xcel继续投资和研究DERMS及其他能源管理系统。目标是技术将“不仅惠及配电系统，最终还有大宗系统”，他说。

Eversource Energy正在其马萨诸塞州地区部署DERMS，以整合超过1 GW的已安装分布式能源资源（DER）及其互联队列中的1 GW DER，该公用事业公司电网现代化副总裁Jennifer Schilling报告。但她说，将DERMS作为公用事业运营系统的一部分是“新兴的”，且“调度客户拥有的DER作为电网资产将需要监管机构批准的补偿框架”。

PNNL的Schneider补充说，2024年，“DERMS是一个营销术语”，用于“提供调度DER能力”的工具。公用事业最终可能满足其30%或更多的负荷来自配电级资源，这意味着“整合可变可再生能源必须在整个系统中解决，以优化可靠性和韧性，避免意外后果”，他说。

Schneider继续说，一个“运营上足够灵活”的系统，以整合当前和未来的大宗和分布式系统资源，可能需要一个独立的配电系统运营商。但在2024年，“尚不清楚该实体将如何运作、由谁运营、其职责范围如何，或如何将其提供的服务货币化”，他补充道。

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，公用事业可以增强多种能力以建立系统可见性和控制。

AEIC的Cook表示：“先进技术、更大的计算能力、新的通信系统和功率流解决方案将输电系统变成了世界上最大的机器。”未能为可变和分布式系统资源发展新方法“正在阻碍电力行业整合它们的能力”，她说。Cook继续说：“一个针对整个系统的框架可以基于物理能力和技术可行性优化系统上的所有资源。但今天的调度是由基于能源市场价格的模型优化的，而不是显示新资产能力和价值的细粒度实时数据。”

Cook说，一个关键的技术解决方案，一些公用事业已经在部署，是私有900 MHz频谱LTE宽带网络。这将提高控制室的系统意识，并加快其对可再生能源可变性引起的条件变化的响应。

圣地亚哥天然气和电力公司正在部署更广覆盖、更低延迟的通信和分析，以类似地增强其网络能力，该公用事业公司可持续性项目和倡议通信经理Humberto Gurmilan说。

Duke Energy的综合供需规划包括“未来部署预测分析、传感器和机器学习通信”，Duke综合电网战略副总裁Emily Henson说。

PNNL的Schneider表示：“先进通信对某些公用事业很快将至关重要，而有些公用事业可能十年或更长时间内不需要。”部署将取决于监管机构关于网络价值和资本成本高的决策，但最终“将需要安全、可靠和有韧性的通信基础设施”来管理更高水平的可变可再生能源，他补充道。

Cook指出，先进通信还可以让公用事业了解“变压器上的客户影响，可能过载或保护该变压器”。Cook补充说，为了防止过载引起的停电，人们对逆变器重新产生兴趣，这些逆变器将允许可变可再生能源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发电转换为输电系统的交流电，而构网型逆变器具有可稳定频率波动和电压变化的电力电子设备。历史上，传统电厂稳定频率和电压，但它们正在退役，被公用事业规模的可再生能源取代，而如果没有构网型逆变器，这些可再生能源不提供稳定性，2020年11月NREL论文报告。随着向可再生能源过渡加速，可靠性威胁增加，根据NERC。

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月决定的回应，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的事件。

根据ESIG首席工程师Julia Matevosyan的说法，系统运营商在没有构网能力的情况下，可靠整合的可变可再生能源渗透率估计不超过75%。但有了构网能力，“稳定服务”可以避免异常运行条件，如果电压下降使系统频率不稳定，这些条件可能威胁停电，她补充道。

Matevosyan在2023年3月ESIG论文中表示，部署具有构网能力的公用事业规模电池“是低垂的果实解决方案”，可为高可再生能源系统带来更多稳定性。要求美国互联队列中超过400 GW的电池容量具有构网能力，可以使可变可再生能源增长“比增加新输电线路以缓解稳定性问题更便宜、更快”，她说。

Xcel的Coss表示，如果具有构网能力的电池的充电状态可以验证，它们对于稳定性和其他系统服务是“理想的”。据Matevosyan称，德克萨斯电力可靠性委员会将在2024年最终确定构网能力电池的性能要求。

但PNNL的Schneider警告说：“如果系统的构网逆变器没有适当协调，它们可能加剧不稳定。”他说：“未来几年将是如何发展所有新资源的适当整合和控制，并消除对将改善系统所有利益相关者的新技术的阻力。”

AEIC的Cook表示：“系统正在经历转型变化。”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能够提高可靠性和韧性，并且“随着经济范围的电气化增加峰值需求，气候驱动的极端天气影响变得更加频繁，它们的重要性将增长”，她说。