到2030年將可再生能源并入日本電網(wǎng)

獨(dú)立和透明的電網(wǎng)整合研究有助于對(duì)日本電力系統(tǒng)的未來進(jìn)行事實(shí)上的辯論

將高水平的可再生能源納入電力結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低煤炭和核能等傳統(tǒng)發(fā)電的比例，這使日本的電力系統(tǒng)面臨新的挑戰(zhàn)。間歇性可再生能源的增加，尤其是太陽能光伏發(fā)電（2017年底總裝機(jī)容量為49GW），已引起人們對(duì)間歇性可再生能源（VRES）對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響的擔(dān)憂。這促使人們研究能激勵(lì)電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)足夠靈活性的各種可能性。在此背景下，電網(wǎng)整合研究已成為促進(jìn)知情討論和指導(dǎo)國家政策的寶貴手段。

這項(xiàng)由日本可再生能源研究所和Agora Energiewende聯(lián)合進(jìn)行的研究調(diào)查了日本可再生能源一體化對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響，以及在較小程度上對(duì)電力流動(dòng)的影響。它是基于埃利亞斯國際電網(wǎng)公司和新型電力仿真軟件GridLAB為該項(xiàng)目開發(fā)的日本電力系統(tǒng)的建模和仿真工具鏈，旨在促進(jìn)獨(dú)立的第三方研究。該研究比較了2030年的兩種情景：政府的目標(biāo)情景，即可再生能源滲透率為22～24％（64GW光伏和10GW風(fēng)電），以及更加雄心勃勃的情景（100GW光伏和36GW風(fēng)電）。該研究考察了系統(tǒng)如何響應(yīng)一系列涉及非常高的非同步可再生能源滲透水平（即風(fēng)能和太陽能）的極端快照。在這些水平上，傳統(tǒng)的發(fā)電廠被取代，從而降低慣性極限，這對(duì)確保日本電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。

該研究模擬了日本西部和東部同步區(qū)域的頻率穩(wěn)定性和功率流?；赩RES的快速頻率響應(yīng)（FFR）服務(wù)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的程度以及使用已經(jīng)到位的東西部同步區(qū)域之間的HVDC互連，對(duì)于應(yīng)對(duì)某些緊急情況提供快速輔助支持進(jìn)行了額外的分析。

特別強(qiáng)調(diào)制定透明的方法，以解決進(jìn)行可再生能源一體化研究的國家面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：（1）對(duì)數(shù)據(jù)可用性的重大限制（盡管日本能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)起了改進(jìn)），以及（2）為建模和模擬電力系統(tǒng)建立可持續(xù)工具鏈的必要性 - 特別是對(duì)于希望獨(dú)立進(jìn)行的第三方研究。在此項(xiàng)目過程中生成的所有輸入和輸出數(shù)據(jù)均在此公布。我們希望本研究有助于進(jìn)一步討論可再生能源的整合和數(shù)據(jù)透明度。

日本電網(wǎng)系統(tǒng)能夠容納能源結(jié)構(gòu)中間歇性可再生能源的比例高于政府2030年目標(biāo)中提出的間歇性可再生能源容納比例，同時(shí)仍可保持電網(wǎng)穩(wěn)定性。

根據(jù)保守的假設(shè)，本研究表明，使用基于可再生能源的FFR服務(wù)可以使日本西部的可變可再生能源滲透水平上升至70％左右，東部同步區(qū)域可達(dá)60％，同時(shí)仍保持頻率穩(wěn)定性在可接受范圍內(nèi)范圍。這些數(shù)字意味著在某些地區(qū)可能實(shí)現(xiàn)更大的可再生能源滲透率。在沒有快速頻率響應(yīng)（FFR）服務(wù)的情況下，日本西部的瞬時(shí)穿透水平僅為60％左右，日本東部的瞬時(shí)穿透率僅為50％。這些評(píng)估證實(shí)了2018年在九州和四國等地區(qū)觀察到的趨勢，其中每小時(shí)VRES進(jìn)給已分別占需求的84％和79％（占產(chǎn)量的55％以上）。 到2030年，這些高的區(qū)域進(jìn)給水平可能成為整個(gè)日本體系的標(biāo)準(zhǔn)。

瞬時(shí)進(jìn)給水平高于這些閾值將開始挑戰(zhàn)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性的限制。然而，在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，這種情況很少發(fā)生，并且在政府情景中幾乎不會(huì)發(fā)生。因此，一種解決方案可以是引入瞬時(shí)穿透（SNSP）限制并減少超過這些閾值的可再生能源供給。 在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，這種方法將導(dǎo)致每年可再生能源發(fā)電量減少2％以下。

分析表明，根據(jù)有關(guān)可再生能源發(fā)展的保守假設(shè)，到2030年，日本可再生能源的年度份額可以增加到至少33％5，同時(shí)仍然可以將電網(wǎng)穩(wěn)定性保持在可容忍的范圍內(nèi)，而無需額外的輸電線路加固。在同樣的穩(wěn)定性極限假設(shè)（日本東部的SNSP限制為60％，日本西部的70％）下也可以獲得40％的更高可再生能源占比，縮減水平只有非常小的增長，達(dá)到年度的4％ 可再生能源。即使假設(shè)到2030年傳統(tǒng)熱力發(fā)電（即煤電和核電）的顯著減少，這種情況也是可能的。此外，鑒于可再生能源在過去5年中的快速增長，即使是40％的份額似乎也是一個(gè)保守的數(shù)字，并且可能在2030年之前達(dá)到。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大可變可再生能源，有必要考慮可能采取的其他措施來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些應(yīng)以輔助服務(wù)（如FFR或虛擬慣性）的形式實(shí)施，并可由一系列技術(shù)提供，如電池，可變可再生能源，傳統(tǒng)發(fā)電廠，同步冷凝器，HVDC鏈路，需求響應(yīng)和飛輪。 修改傳統(tǒng)和可再生發(fā)電機(jī)的服務(wù)條款也是提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)增加日本可變?cè)偕茉吹谋壤?/p>

在高水平可變可再生能源可能對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行構(gòu)成挑戰(zhàn)的情況下，風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)有助于維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。

保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是輸電系統(tǒng)運(yùn)營商最關(guān)鍵的任務(wù)之一。 即使在主要系統(tǒng)干擾期間，也必須始終保持頻率穩(wěn)定性。在這項(xiàng)研究中，在1.5GW發(fā)電損失的情況下評(píng)估頻率穩(wěn)定性，其被確定為極端尺寸參考事件。系統(tǒng)頻率響應(yīng)在不同快照中進(jìn)行評(píng)估，涉及可變可再生能源滲透水平的提高（從9％到65％），如圖1所示。關(guān)于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)評(píng)估了其在日本西部維持頻率下降超過58.8Hz并且在日本東部維持在49Hz以上（即0.98pu的閾值）的能力。 如果頻率最低點(diǎn)低于此水平，則可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和負(fù)載斷開，這可能反過來導(dǎo)致局部停電或級(jí)聯(lián)效應(yīng)。 監(jiān)控系統(tǒng)中的剩余慣量對(duì)于防止關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)和頻率穩(wěn)定性問題非常重要。

西部地區(qū)頻率最低點(diǎn)的結(jié)果如圖E1所示。 在這里可以看出，在西部同步區(qū)域中，在快照S1（9％VRES），S2（45％VRES）和S2b（49％VRES）中，頻率最低點(diǎn)仍然高于58.8Hz的臨界閾值。當(dāng)應(yīng)用的唯一校正措施是剩余系統(tǒng)慣性和熱發(fā)電機(jī)的主要控制時(shí)就是這種情況?？煺誗3（65％vRES）略低于臨界閾值。由于太陽能光伏發(fā)電對(duì)快速頻率服務(wù)的貢獻(xiàn)最小（總共250兆瓦，相當(dāng)于實(shí)際光伏饋電的0.75％），系統(tǒng)可以將頻率最低點(diǎn)保持在安全工作區(qū)域內(nèi)（即高于58.8Hz））。這突出了基于VRES的FFR服務(wù)在這種特殊情況下的積極影響。

除了基于可再生能源的快速頻率響應(yīng)（尚未普及）之外，還可以實(shí)施一系列其他技術(shù)解決方案和對(duì)服務(wù)提供要求的修改，以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性?？刹捎玫募夹g(shù)包括通過HVDC線路的輔助支持，同步冷凝器（例如通過轉(zhuǎn)換退役的核反應(yīng)堆來創(chuàng)建），需求側(cè)響應(yīng)和電池。 在日本，HVDC線路從西部同步區(qū)域到東部地區(qū)提供的現(xiàn)有600MW輔助支持有助于減輕系統(tǒng)中的頻率損失。本研究詳細(xì)評(píng)估了該服務(wù)對(duì)可再生能源一體化的貢獻(xiàn)，如圖E2所示?？煺?b再次顯示了如何減輕危急情況以及如何將最低點(diǎn)提升到臨界閾值以上 49.0HZ。 在快照E3中，最低點(diǎn)仍然低于臨界閾值，但它可以提高2.2HZ。 類似地，來自風(fēng)力渦輪機(jī)的快速頻率響應(yīng)（風(fēng)FFR）可以保持高于48.0Hz的頻率水平。

風(fēng)電和光伏發(fā)電部署對(duì)區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的負(fù)荷流量具有重大影響。 雖然某些地區(qū)的線路負(fù)載可能會(huì)減少，但預(yù)計(jì)系統(tǒng)的其他部分會(huì)增加。

該研究還調(diào)查了可再生能源滲透率在區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)水平上對(duì)負(fù)荷流量的影響。表1給出了較高RES情景的綜合結(jié)果，表E1顯示了區(qū)域間線路的負(fù)荷趨勢。這些趨勢分為三類：增加，減少和相同的范圍。增加表明可能需要加強(qiáng)電網(wǎng)，但也可以強(qiáng)調(diào)改善運(yùn)營實(shí)踐的好處。實(shí)際上，通過向參與跨區(qū)域交換的市場參與者提供更高的電網(wǎng)容量（NTC值），在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)載。雖然對(duì)電網(wǎng)加固措施的詳細(xì)評(píng)估需要進(jìn)一步調(diào)查，但我們的研究表明，九州到中國以及從中國到關(guān)西的電力流量隨著可變可再生能源滲透率的增加而增加。 相比之下，從四國到關(guān)西以及從北陸到關(guān)西的能量流減少了。這些趨勢是可以預(yù)期的，因?yàn)榫胖荨⒅袊退膰闹匾柲芄夥b置有助于減少這些地區(qū)的進(jìn)口依賴性并將其轉(zhuǎn)變?yōu)閮舫隹趪?。最后，VRES滲透率的提高伴隨著北海道 - 東北和中部 - 東京HVDC鏈路出口的增加。在最高VRES滲透快照中，這兩個(gè)鏈路都處于最大負(fù)載狀態(tài)。

該研究進(jìn)一步評(píng)估了更大的可再生能源水平對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)狀15傳輸線的一般負(fù)荷的影響。RES情景較高的結(jié)果如表E2所示。一般來說，我們可以觀察到在某些地區(qū)（如九州，中國，四國和東北），線路負(fù)荷以及能量傳輸?shù)男枨笤黾?，這表明可能需要加強(qiáng)網(wǎng)格。然而，在某些地區(qū)，平均線路負(fù)荷減少。 這是因?yàn)樵谶@些地區(qū)，由于裝機(jī)容量和能源結(jié)構(gòu)中可再生能源的總占比增加，消費(fèi)和發(fā)電正在彼此靠攏。

間歇性可再生能源可以提供一些額外的輔助服務(wù)，特別是額外的無功功率。

 基于逆變器的可再生技術(shù)（主要由風(fēng)電和光伏組成）的滲透率的提高具有取代傳統(tǒng)同步電機(jī)（即煤電，核電站和氣電）的效果。這種熱發(fā)電的位移不僅會(huì)影響頻率穩(wěn)定性，還會(huì)影響對(duì)確保系統(tǒng)可靠性非常重要的輔助服務(wù)，例如無功功率/電壓支持、控制功率、短路電流和系統(tǒng)恢復(fù)。該研究表明日本的可再生能源供電水平有多高可能影響無功功率需求?？傮w結(jié)果在表E3中給出。

從這里可以看出，東部和西部地區(qū)對(duì)無功功率的額外需求仍然在<2GVAr的中等范圍內(nèi)。該范圍是適中的，2GVAr僅占36GW風(fēng)和100GW PV的假設(shè)可再生能源裝置的一小部分。最先進(jìn)的風(fēng)電場和光伏太陽能園區(qū)也有默認(rèn)功能，可以提供無功功率。根據(jù)保守的假設(shè)，可變可再生能源只能以無功功率的形式貢獻(xiàn)其安裝的有功功率的10％（即100GW的PV可以提供10GVAr的無功功率），VRES可以輕松滿足額外的2GVAr無功功率需求?？勺兛稍偕茉慈缓罂梢苑e極地促進(jìn)無功功率管理（以及諸如控制功率的其他輔助服務(wù)）。

非歧視性市場規(guī)則，提高透明度以及最先進(jìn)的運(yùn)營和規(guī)劃實(shí)踐可促進(jìn)日本可變可再生能源的整合。

根據(jù)其他各國的經(jīng)驗(yàn)，我們的分析可以得出一些建議。這些建議旨在以降低的成本促進(jìn)可再生能源的整合，同時(shí)保持電力系統(tǒng)的高度可靠性。

翻譯：＠ERR能研微訊團(tuán)隊(duì)