通用电气能源集团 亚洲开发银行 风电并网研讨会： 风电高普及率系统的问题与挑战 Nicholas W. Miller 通用电气能源咨询公司 北京 2013年9月22-23日 本报告将着重讨论高普及率问题，尤其是经济影响 该部分内容与“运营和调度”部分紧密相关，因为限制并入系统的风力发电量的相关问题大多数是可操作的。 Disclaimer: The views expressed in this document are those of the author, and do not necessarily reflect the views and policies of the Asian Development Bank (ADB), its Board of Directors, or the governments they represent. ADB does not guarantee the accuracy of the data included in this document, and accept no responsibility for any consequence of their use. By making any designation or reference to a particular territory or geographical area, or by using the term “country” in this document, ADB does not intend to make any judgments as to the legal or other status of any territory or area.

大规模并网—简介

需要灵活的不同能源的组合、新运营战略和市场、输电强化、电网友好型可再生能源 通用电气公司可再生能源并网经验 2004 年纽约 3 GW 风电 10% 峰值负荷 4% 能源 2005 年安大略省 15 GW 风电 50% 峰值负荷 30% 能源 2006年 加州 13 GW 风电 3 GW 太阳能 26% 峰值负荷 15% 能源 2007 年德州 25% 峰值负荷 17% 能源 2009 年美国西部 72 GW 风电 15 GW 太阳能 27% 能源 2010年 新英格兰 12 GW 风电 39% 峰值负荷 24% 能源 受个电力公司、能源署和ISOs的委托，研究了... 调查100+ GW 新可再生资源接纳的可行性 考虑电网运行、成本、排放和输电等各种因素 2008 年毛伊岛 70 MW 风电 39% 峰值负荷 25% 能源 2010 年欧胡岛 500 MW 风电 100 MW 太阳能 55% 峰值负荷 25% 能源 PJM 研究（正在进行） 96GW 风电 22GW 太阳能 30% 能源 通用电气能源咨询公司十多年来一直致力于研究这些问题。 这些研究代表: 数百万美元的研究投入 几十年的工程时间 不同时间段的上万次模拟 数百万亿字节的输入数据 必须进行方法和工具的研发。 需要灵活的不同能源的组合、新运营战略和市场、输电强化、电网友好型可再生能源 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

主要研究成果： 落实基础设施 充分利用 大型互联电力系统可接纳超过峰值负荷30%的不同的风能与太阳能普及率 但并非进行更多重复….. 为了实现高水平的风能和其它可再生能源发电： 落实基础设施 充分利用 多系统研究（纽约、安大略省、科罗拉多、明尼苏达州、爱达荷、加州、亚伯达省…）都得出相同结论，即维护和开发灵活发电组合是实现较高水平的风电普及率的关键 水力资源有限的系统需要依靠具有先进技术的火电厂满足这些要求。现有的水力资源需要保持其抵抗风险（堤岸侵蚀、鱼类死亡和灌溉等）的灵活性。 灵活发电对资源所有者（和电网运营商）的价值迅速变得与耗热率和其它更多传统价值尺度同等重要，灵活性是一种竞争优势。 每兆瓦的的灵活发电有助于实现多兆瓦额外风力发电的成功并网（具体水平取决于系统） 争论发生了改变： 不再是：“可能实现吗？” 现在：“我们如何实现呢？”

所有电网可接纳大比例的的风能和太阳能 … 从不存在硬上限。 经验学习 障碍 输电网络不足 区域间缺乏合作 市场规则/合约的局限性 难以监管的分布式发电 低谷负荷和高风险时运行策略的不灵活性 系统成本 能源不足 缺失风能/太阳能目标 电力成本高 可再生能源（%） 有利因素 系统成本 障碍 有利因素 风力预测 灵活的火电机组 更快速的启动 更深的调节深度 更快的爬坡率 风能/太阳能的地理空间多样性 电网友好型风能和太阳能 需求响应辅助服务 该列表总结了我们在以往所有大规模并网研究中了解的情况。 从不存在“某一系统能够获取多少风力”的硬限制…这是一个错误的问题。 所有电网可接纳大比例的的风能和太阳能 … 从不存在硬上限。 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

这些工具共同使用以确定、评估和提出控制风电并网挑战的方案 各种时间分度的多种工具… 次小时 这些工具共同使用以确定、评估和提出控制风电并网挑战的方案 正序负荷流 长期动态模拟 电压支持 惯性 调速器灵敏度 自动增益控制调节 经济调配 规划 统计风电可变性评估 小时内可再生能源可变性分析TM 多区生产模拟(GEMAPSTM) 风力在不同时间分度对系统产生影响…… 分析工具需要了解每个时间分度 时间框架部分重叠 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

西部风能和太阳能研究 35%的风能和太阳能是否可并入美国西部？ 目标：评估风能和太阳能的运营影响和经济效益 如何将本地资源与通过长距离输送的偏远、高质量的资源进行对比？ 平衡区域合作能否有助于变化管理？ 我们是否需要更多资源储备？ 我们是否需要更多电力存储？ 区域多样性有何作用？ 预测的价值何在？ 缺乏足迹 20% 风能 3% 太阳能 我会分享这个大规模研究中的几个例子。 该研究由美国国家可再生能源实验室与许多美国西部电力公司合作开展。 美国能源部提供资金 足迹 30% 风能 5% 太阳能 来源： NREL西部风能和太阳能研究 终期报告  http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47434.pdf 执行摘要  http://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47781.pdf Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

7月10日这一周 （峰值负荷时段） 调研区调度-7月10日这一周-无风能 调研区调度-7月10日这一周-10%风能 7月10日这一周 （峰值负荷时段） 调研区调度-7月10日这一周-无风能 调研区调度-7月10日这一周-10%风能 核能 太阳能复合钢板墙存储 燃气轮机 蒸汽煤 太阳能光伏 抽水蓄能式水力 风能 联合循环 水力 7月10日 7月11日 7月12日 7月13日 7月14日 7月15日 7月16日 7月10日 7月11日 7月12日 7月13日 7月14日 7月15日 7月16日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 调研区调度-7月10日这一周-20%风能 调研区调度-7月10日这一周-30%风能 在高负荷时段，调节风力相对简单。 取代峰值发电 腰荷，燃气发电，循环更多。 7月10日 7月11日 7月12日 7月13日 7月14日 7月15日 7月16日 7月10日 7月11日 7月12日 7月13日 7月14日 7月15日 7月16日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日

4月10日这一周 （负荷较低、风力更强） 调研区调度-4月10日这一周-无风能 调研区调度-4月10日这一周-10%风能 4月10日这一周 （负荷较低、风力更强） 调研区调度-4月10日这一周-无风能 调研区调度-4月10日这一周-10%风能 核能 太阳能复合钢板墙存储 燃气轮机 蒸汽煤 太阳能光伏 抽水蓄能式水力 风能 联合循环 水力 4月10日 4月11日 4月12日 4月13日 4月14日 4月15日 4月16日 4月10日 4月11日 4月12日 4月13日 4月14日 4月15日 4月16日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 调研区调度-4月10日这一周-30%风能 调研区调度-4月10日这一周-20%风能 在强风和低负荷时段，运营难度更大。 腰荷发电降低，随后关闭。 基本负荷发电循环深度更大，频率增加 由于偶尔会出现严重的风力预测误差，如发生异常，则需要峰化器。 4月10日 4月11日 4月12日 4月13日 4月14日 4月15日 4月16日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日 4月10日 4月11日 4月12日 4月13日 4月14日 4月15日 4月16日 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日 周一 周二 周三 周四 周五 周六 周日

运营成本 随着风能普及率的增长，系统运营/生产成本下降。 成本节约量与风能普及率不成正比 风力预测精度对风能普及率节约的运营成本十分重要。 普及率越高，收益递减 风力预测精度对风能普及率节约的运营成本十分重要。 预测的影响随普及率的增加而加深。 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

运营成本节约 （百万美元） 成本节约（百万美元） 节约的多数成本来自燃料消耗量的降低 火电厂的边际成本略有增加，但整体节约数额量大。 不要混淆边际节约成本和总体节约成本 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

即使没有完整的区位电力市场，节点边际电价是查看运营经济效益的良好方式。 节点边际电价（LMP） 风能被视为以“零成本”进入电力市场。 风力发电收益视为等同于其节点边际电价市值 随着风能普及率的增加，节点边际电价下降。 最高价时段影响最大 随着风力预测逐渐完善，所有时段的节点边际电价都下降。 虽然有着较为先进的预测方法，节点边际电价还是会因为预测误差而上升。 在场的各位大多数没有完整的节点边际电价市场，但相关经济效益是一样的：以最低成本运行系统。 即使没有完整的区位电力市场，节点边际电价是查看运营经济效益的良好方式。 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

美国西部电力协调委员会WECC发电收益 （十亿美元） 可再生能源 非可再生能源 收益（十亿美元） 增加发电会减少整体成本，因此价格是针对所有的发电 无风能 现有风能 10% 风能 20% 风能 30% 风能 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

对其它资源的影响 热（尤其是煤炭）循环 水力运营 区域间合作 这里我们将探讨特定领域的部分影响。 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

复合循环和燃煤电厂发电机启动总数 无风能 现有风能 10% 风能 10% 风能 20% 风能 30% 风能 复合循环 燃煤电厂 从左到右的竖列是增加的风力发电量 复合循环启动数略有增加。时间出现转移。 燃煤电厂启动数急剧上升，当燃煤电厂开始循环时，通常能源普及率达到20%-30%。 无风能 现有风能 10% 风能 10% 风能 20% 风能 30% 风能 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

如果仅调度水力负荷而非净负荷，则成本增加 水力局限如何影响这些成果？ 如果仅调度水力负荷而非净负荷，则成本增加 如果水力输出与去年持平则成本增加 运营成本增加（百万美元） 水电厂是运营灵活性的一大来源 通常制度障碍阻碍继风电之后的水力调度 这增加了不必要的运营成本 若运用恰当，水力可极大地促进风电并网，且几乎不会产生增加成本，但是水力通常需要以不同的方式运营。 风能 风能 风能 风能 风能 风能 风电节约运营成本后的水力调度 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

运营成本节约（十亿美元）-美国西部电力协调委员会-2006年 因风力预测节约的运营成本 运营成本节约（十亿美元）-美国西部电力协调委员会-2006年 节约200亿美元，风电88美元/MWh 完善预测，节约20亿美元 节约成本（十亿美元） 本幻灯片说明了针对可再生能源的不同普及率而做出的不同预测，运营/生产成本是如何因而发生变化的。 P 是完善预测，R 是不完善预测，但偏差有所缩减。 P = 完善风力预测 R = 先进风力预测 当可再生能源普及率达到30% 时，没有预测则无法运行该系统 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

加强区域间合作而节约的成本 整个区域间合作 部分合作 运营成本节约（百万美元） 公司（低可再生能源） 公司（中等可再生能源） 与相邻系统的合作十分重要。 这是相邻系统之间合作节约成本的案例之一 在这种情况下，合作意味着分享资源储备，实现区域间的短期调度。 这是一种十分经济的变化，因为无需额外的基础设施，只需变更合同或规则。 公司（低可再生能源） 公司（中等可再生能源） Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日

弃风现象因合作而缩减 完全合作 部分合作 基准情景 溢出能源（GWh） 公司（低可再生能源） 公司（中等可再生能源） 合作也减少了弃风现象。 Nicholas W.Miller,通用电气能源咨询公司 亚洲开发银行风电并网研讨会 2013年9月23-24日