可再生能源大规模并网：挑战与解决方案

### 可再生能源大规模并网：挑战与解决方案 #### 1. 可再生能源过渡阶段现状 当前，全球能源系统尚未实现100%可再生能源的目标，许多国家距离这一目标仍有很大差距。以北欧国家（瑞典、挪威、芬兰和丹麦）为例，虽然部分电力已经由可再生能源生产，如瑞典和挪威主要依靠水电，丹麦的风电占比不断增加，但从整个能源系统来看，包括交通运输等领域，可再生能源占比不到一半。 在过渡阶段，非可再生能源在燃料组合中仍占很大比例，用于交通和发电，导致部分能源转换过程部分或完全依赖非可再生能源。这一阶段非常重要，因为无法直接构建一个全新的完全可再生能源系统来替代传统能源系统，100%可再生能源系统需要从现有能源系统逐步发展而来。在过渡期间，能源系统必须满足可靠性和电压质量等要求，这对可再生能源生产提出了一定要求。 为了推动过渡，应尽量减少非可再生能源的使用，并通过市场机制设定电价，鼓励建设更多可再生能源发电单元。 #### 2. 可再生能源集成面临的问题 可变可再生能源（VRE）的快速发展在全球一些地区引发了技术问题。在某些市场的特定时期，VRE可能会对高峰时段的发电 - 需求平衡产生影响，例如在加利福尼亚或南欧，夏季空调高峰需求往往与炎热天气重合。此外，风能通常在傍晚时分能满足部分能源需求，在英国，下午和傍晚风力最强，这使得太阳能和风能的生产可能会侵蚀调峰发电的重要市场。 大量太阳能光伏接入低压配电系统，在某些地区导致功率反向馈入电路，引发过电压、节点拥堵等电能质量和可靠性（PQR）问题。科学界普遍认为，当前电网配置下，配电网容纳VRE的能力存在限制，因此大规模VRE对配电网的影响令人担忧。一些公用事业公司已暂停在某些地区的新安装项目，特别是屋顶太阳能项目，等待解决方案。 同时，一些国家正在着手解决大规模VRE带来的技术挑战。电力部门的改进应基于技术进步，使生产者能够优化生产，减少对电网的影响，使VRE更“友好”，并实现可调度性，以便在不影响PQR的情况下集成到未来的智能电网中。 早期VRE主要关注从能源源获取最大功率，忽略了对电力系统PQR的贡献以及与系统其他部分的协调运行。早期国际标准较为保守，当出现异常情况时，分布式能源资源（DER）会迅速脱网，以隔离DER并减少意外孤岛的风险。然而，在传统电网中，大量DER因短期电压或频率波动同时脱网会导致电网供电中断，威胁电网稳定性。DER在短期干扰下保持并网的能力（故障穿越能力，FRT）对于大规模可再生能源集成至关重要。 如今，越来越多的国家要求VRE在支持电网稳定性方面发挥作用，如静态电压控制、电压骤降时的动态运行支持、频率上升或运行安全风险时的有功功率限制以及提供无功功率进行网络重新定相。新的电网互联标准要求DER在故障时保持连接一段时间，并通过注入无功功率支持电网电压。 近年来，电力电子技术的发展，如先进逆变器，使风力发电机组的性能可与传统发电机组相媲美甚至更优。智能或多功能光伏逆变器除了基本功能外，还能通过有功功率调节参与频率控制，提供额外的FRT能力、电压控制、无功功率补偿以及提高局部电能质量和稳定性。 随着趋势发展，“脱离电网”成为一种可能的选择。越来越多的家庭采用住宅储能系统（ESS），使人们能够选择是否保持与电网的连接。尽管太阳能加电池ESS对大多数消费者来说目前还不经济，但随着系统价格下降，当投资回收期低于十年的心理障碍时，在一些国家将更具财务吸引力。虽然大多数客户可能不会完全脱离电网，但电网使用量可能会减少。 鉴于VRE带来的挑战，需要提高电力系统的灵活运行和快速调度能力，以应对需求波动。市场的本质正在发生变化，高峰发电需求的可预测性降低，常规运行所需容量的运行小时数减少。已经有很多努力来理解这些方法对电网的影响，一些提高电力系统灵活性的技术解决方案正在推进，应尽快采用以适应新现实。 #### 3. 消费者 - 生产者（Prosumer）的角色 为了集成DER技术，除了上述努力外，政治努力至关重要。需要长期政策来提供可预测和可靠的市场及监管框架，以符合当今社会的目标。 全球正在兴起一种新的模式，即“可持续能源社区”（SECs）运动。其动机包括提高社区能源效率、保护环境以及积极参与能源领域决策。在一些国家，公民拥有可再生能源设施已成为现实，例如在德国，50%的可再生能源发电厂由家庭、农民和合作社拥有，而大型能源公司拥有的比例不到10%。 “Prosumer”，即消费者 - 生产者，最初是指既能生产部分能源供自己消费又与电网连接的消费者，未来有望自行或在第三方支持下管理整个能源循环。在DER模式下，SECs是本地生产单元的一种特殊形式，其中DER工厂至少部分由积极参与实现SEC目标的成员拥有。 除了社区成员和公用事业公司外，第三方参与者也进入了这一领域，如消费品制造商和电信公司。他们为住宅提供能源审计、个性化能源效率指南、建筑监测集成解决方案以及电力负荷聚合套餐等服务。随着电表外机会的增加，能源相关产品和服务的价值竞争将加剧。 然而，即使是最雄心勃勃的可再生能源计划也往往缺乏针对Prosumer的具体政策。政策通常更关注大型VRE设施，如风力发电场或太阳能公园，原因包括规模经济导致的单位千瓦项目成本较低、涉及的利益相关者较少、本地公用事业公司更熟悉其电网集成和运营等。此外，