【编者按】目前，可再生能源发电成为炙手可热的话题，然而如何更加有效的利用这些电，更加灵活的并入电网，输送更清洁、更可靠的电成为各个国家关注的问题。本文为美国可再生能源实验室（NREL）发布的报告，主要介绍了如何将高质量的可再生能源发电并入电网，并就如何提高电网的灵活性展开了详细的分析。
电力系统正在变革
获得天然气储量的新方法、针对老化发电厂的环保法规、国家级的投资组合标准都为可再生能源和天然气发电提供了新的机会。效率的提高和智能电网技术的进步也具有改变历史需求曲线的潜力。新的可再生能源发电技术（太阳能和风能）成本继续下跌，而设备的费用正在增加。美国国家可再生能源实验室（NREL）研究可再生能源电网的变化，并塑造他们，以提高能源和环境安全。该实验室致力于帮助世界各地的公用事业、政策制定者、投资者、监管机构和行业领袖了解和操控这样的电力系统。该实验室的分析报告、数据集和工具等阐述了可再生能源电力系统的可靠性、对减少温室气体排放、提高经济和能源安全的影响。其工作是重新定义可再生能源发电并入电网，输送比以往任何时候更清洁、更可靠的电。
国际可再生能源路线图的规划
对于墨西哥而言，在电力领域减少温室气体排放的关键战略是扩大可再生能源使用。实现可再生能源目标——到2024年可再生能源发电占比35%——一个关键的挑战，是将风能和太阳能发电并入到现有的电网。通过美国政府对“低排放发展战略（EC-LEDS）”计划的优化能力，国家可再生能源实验室（NREL）与墨西哥能源部、电力系统运营商、研究机构和决策者合作，研究并实现技术以达到年度可再生能源目标，从而支持墨西哥的可再生能源的目标。
国家可再生能源实验室（NREL）与墨西哥合作开发的墨西哥可再生能源发电并入电网路线图，概述了大规模整合可再生能源技术的技术方案和建议，以及能源机构需要确定电力基础设施和系统如何改变以适应高质量的可再生能源的步骤。该路线图的重点是分析方法——包括电网扩大建模、资源特征、预测和电网运营实践——评估可再生能源的增长对基础设施和运营的影响。该路线图为政策制定者提供了依据，用来评估潜在挑战及增加不同水平可再生能源并入电网对经济的影响，并为可能出现的问题提供了解决方案，以增加系统操作员的信心。
研究显示并入高质量的可再生能源是可能的
通过国家电网可再生能源的开创性的模型和对可操作性、经济性和环境影响的分析，国家可再生能源实验室（NREL）表明，操作上的改进和提高传输访问效率可以提高整个电力系统的灵活性，从而获取更高水平的可再生能源。灵活性的提高有助于平衡风电和太阳能发电给电网增加的可变性和不确定性。为适应增加的电力系统灵活性，目前，该研究室正在研究一些物理的解决方案。虽然利用制度、立法和市场的选择增加灵活性相对比较复杂，但提高整合技术、开发新的操作流程、发展新的商业模式和新的市场规则，则是必不可少的。
改变操作性，增强系统的灵活性
频繁的调度和派遣
电网整合的研究表明，发电机频繁的调度（间隔5或15分钟）能够提高系统的效率，降低平衡系统所需的储备量，并且使更多可变的可再生能源发电并入系统。快速调度可以使系统从现有单元来访问储量，并且只需要很少甚至没有额外的费用。它也可以减少调节储量的需求，这是最昂贵的一部分花费，因为当系统经常重新调度时，负载和发电之间在瞬间会有偏差。例如，西部风能和太阳能集成化研究表明，频繁的调度对系统最小化调节非常重要。每5或15分钟调度资源，（而不是每一个小时）减少了机组爬坡，提供负载跟踪。研究还发现，风能和太阳能的可变性在管理需求上的影响比每小时调度监管发电机组的影响要小。
扩大平衡的足迹
研究表明，加强地区之间的合作可以降低供应和需求之间的波动，并更加容易地维护系统平衡。此外，扩大平衡足迹可以提高调度的收益，减少必要的储量管理和相关成本。平衡地区之间的频繁调度有利于较高层次的可再生能源发电。特别是在有输送约束问题的地方，跨区域快速调度可以让不同的发电机组与周边市场更快速的、协调的调度，实现更有效的整合。
先进的多样的发电厂预测
最新预测认为一个有效且可靠的重要方法是整合风能和太阳能发电。根据2014年西方互联系统操作员的调查显示，VG预测成本有望下降，同时系统操作员在预测方面越来越自信。
现在，许多系统运营商认为VG预测作为一种经济有效的机制，能够有效地维护电力可靠性和调度资源。有人认为，该系统能够节约大量能量且使成本达到最低，以至于不需要正式的成本效益分析。
通过调查几乎所有的系统运营商的可再生能源比例，或月平均负荷，从而实现对现有企业风能使用的预测。风能预测准确率的不断提高得益于先进的预测技术和模式、经验丰富的供应商、不断增加的投资规模。风能预测的误差一般为提前一个小时的预测误差为3%-6%，提前一天的预测误差为6%到8%。为了比较，负荷的预测误差范围通常是提前一天的误差为1%至3%。
太阳能预测仍处于起步阶段，但一些系统运营商最近已经开始致力于内部太阳能预测，至少有一家公司已开始跟踪太阳预测的准确性。
增加燃煤电厂的灵活性可以提高可再生能源一体化
灵活发电
提高风能和太阳能普及率也增加了改善煤炭灵活性的机会。使用商业生产成本模型，国家可再生能源实验室（NREL）估计风力和太阳能发电机组整合对发电机灵活性的影响在15%和60%之间。通过降低煤60%-40%铭牌额定值的最低发电量来模拟增加灵活性。最低发电量可以是机组在电价低时保持的运行状态，例如晚上和受周期影响需求量小的时候。在更灵活的系统中，燃料成本和二氧化碳排放量都很低，而可变操作和维护成本较高。
提高燃煤电厂的灵活性可以通过改造和运营实践，使其能够低负荷运行、更快的启动和停止，增加负载设定值之间的速度。北美地区的一个燃煤发电厂调节影响周期的关键是硬件的更改和操作流程上的改变。例如，受设备执行检测程序的影响，监控和管理温度变化率，需要有持久的操作培训。这些变化使潜在的损害最小化并尽量减少电厂维修周期的费用。
增强全系统的灵活性可以通过改装电力系统常规发电机来实现。国家可再生能源实验室（NREL）调查改装的成本和收益，25%煤炭和天然气发电厂运力用来提高运营灵活性。研究表明，虽然提高燃气和燃煤电厂的发电水平有可能会或不会对全厂有好处，但是该改造是有净效益的。进一步分析可以帮助确定系统快速升温和快速、慢速启动的成本和收益。
灵活负载——需求响应优势
需求响应（DR）是故意减少或增加负荷需求高峰或高市场价格的周期来平衡系统负载管理实践。DR资源是一个潜在的大的且用于电网系统灵活性相对未开发的资源。NREL正在与其他国家实验室为美国西部估计DR资源的经济价值——包括水加热、供热与供冷，以及水和污水泵站。计算的价值是降低系统的生产成本和潜在的收入来源。因为有些DR资源可以更灵活、更好的与系统需求一一对应，来源于能源和提供网络服务的收入会得到显著改变。
灵活的存储
电力存储技术——如抽水蓄能、电池、飞轮、压缩空气——在美国电网取得了有限的部署，但可能允许更多地使用可变可再生能源调度需求量大的时期，在高RE输出期间提供灵活的负载，并提供多种高价值的配套服务。存储技术开发商面临的一个的挑战是量化存储，特别的效益可能不会完全占领美国电力市场。
存储的业务价值预计将随着可变风能和太阳能发电的增加而增加。对于存储应用涉及发电的时间平移（即电站调峰），相对于高峰电价可变发电更易于抑制非高峰期的价格，提高能量储存的价格差异。额外运行储备需要具有更高水平的可变发电，提供这些储备时也增加了存储的潜在价值。VG渗透是在40%-50%的范围内才会实现可再生能源充电和相关的碳排放量减少。存储值的其他形式，例如替换或延迟发电、输电和配电投资也会受到VG资源部署的影响。
精心设计的大规模电力市场技术支持系统的灵活性
市场的设计在很大程度上决定了保持长期和短期电力系统可靠性的运行机制。对于高水平的可变发电系统，精心设计的电力市场驱动高效的解决方案，以用最低成本满足可靠性需求，同时可以获得更大的选择范围以提高系统的灵活性。下表总结了当前和新兴市场设计方法以及建立激励机制和访问灵活性的最佳实践。与电力社区协作，国家可再生能源实验室继续致力于市场设计的最佳实践分析。
译自：2015年4日【美国】国家可再生能源实验室（NREL）
编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 谢攀