位于美國(guó)夏威夷州的毛伊島（Maui Island）將成為世界上第一個(gè)實(shí)時(shí)利用 100% 風(fēng)能和太陽能發(fā)電的互連輸電系統(tǒng)。這比該州計(jì)劃的 2045 年全部采用清潔能源要早很多。

到 2024 年，毛伊島計(jì)劃將投入使用超過 175MW 的新光儲(chǔ)混合電站。目前，該島電網(wǎng)有近 200MW 的風(fēng)能和太陽能發(fā)電，新的發(fā)電設(shè)施將為毛伊島大約 70,000 名客戶提供足夠的可再生能源，屆時(shí)該島全年無需使用任何傳統(tǒng)發(fā)電。管理如此高比例的不確定性資源對(duì)于像毛伊島這樣規(guī)模的電網(wǎng)來說還是第一次，因此美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL) 正在開發(fā)和驗(yàn)證多時(shí)間尺度工具，以確保毛伊島和其他類似系統(tǒng)在未來可以逐漸逼近、穩(wěn)定地采用 100% 的清潔能源。

管理可再生能源的可靠性和計(jì)劃性——毛伊島電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng) MIDAS Touch

風(fēng)能和太陽能給新型電力系統(tǒng)增加了很大的不確定性，甚至它從根本上改變了電網(wǎng)穩(wěn)定性的物理和控制機(jī)制。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在調(diào)度這些新能源向用戶提供電能或服務(wù)電網(wǎng)穩(wěn)定性時(shí)，這種不確定性帶來的問題將非常突出。由于可再生能源占主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)是當(dāng)前涌現(xiàn)的新生事物，因此幾乎沒有系統(tǒng)性的方法來調(diào)度可再生能源以實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度的電網(wǎng)穩(wěn)定性。因此，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商在調(diào)度時(shí)仍將可再生能源視為不可調(diào)度和不可控的資源。

但是，有一件事是確定的：僅利用可再生能源就可以提供全部的電網(wǎng)服務(wù)[1]。剩下來需要做的，就是調(diào)度員應(yīng)該使用正確的工具來管理新型電力系統(tǒng)。

在國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任多個(gè)項(xiàng)目首席研究員 (PI) 的 Jin Tan 解釋說，「從技術(shù)上講，風(fēng)能、太陽能和電池儲(chǔ)能等基于逆變器的資源可以通過對(duì)控制器進(jìn)行編程來提供所有類型的電網(wǎng)輔助服務(wù)」。Tan 所研究的這些項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn) 100% 可再生能源的電力系統(tǒng)。

「問題在于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商基本上不會(huì)使用這些編程方法。系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需要的是通過制定新的市場(chǎng)規(guī)則來激勵(lì)可再生能源主動(dòng)提供電網(wǎng)服務(wù)。他們需要一些工具來驗(yàn)證可再生能源系統(tǒng)的性能，或管理與調(diào)度太陽能和風(fēng)能等可變資源相關(guān)聯(lián)的、經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)營(yíng)方面的風(fēng)險(xiǎn)?！?/span>

毛伊島的發(fā)電資源組合。很快更大容量的光儲(chǔ)電站將投入使用。圖片由夏威夷電氣公司提供。

Tan 領(lǐng)導(dǎo)了MIDAS（多時(shí)間尺度綜合動(dòng)態(tài)和調(diào)度計(jì)劃模型[2]）的開發(fā)，它是一款由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室推出的系統(tǒng)軟件，幫助電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商管理高比例可再生能源系統(tǒng)。該軟件提供運(yùn)營(yíng)智能和高級(jí)系統(tǒng)分析功能。

MIDAS 由美國(guó)能源部太陽能技術(shù)辦公室 (SETO) 資助，它豐富了現(xiàn)有的調(diào)度運(yùn)營(yíng)工具，用于管理電力市場(chǎng)、進(jìn)行可靠性分析，以及快速的小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析。與現(xiàn)有的工具不同，MIDAS 銜接了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)分析和動(dòng)態(tài)可靠性評(píng)估，因此電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以權(quán)衡可再生（和不可再生）資產(chǎn)的效益，再?zèng)Q定對(duì)各種電網(wǎng)服務(wù)的調(diào)度。

更進(jìn)一步，MIDAS 通過對(duì)未來低慣性電力系統(tǒng)建模[3]，使毛伊島能夠提前規(guī)劃使用更多的可再生能源。該模型發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)潛在的可靠性問題，從資源充足率（年到天）和能量平衡（天到分鐘）到頻率動(dòng)態(tài)（分鐘到秒）和電磁瞬態(tài)（亞秒）時(shí)間尺度，提供了毛伊島高比例可再生能源系統(tǒng)的全景視圖。對(duì)于其他高比例可再生能源、低慣性系統(tǒng)，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室這種多時(shí)間尺度可靠性和穩(wěn)定性的分析工具同樣重要。

時(shí)間尺度——資源充足率（年到天）、能量平衡（天到分鐘）、頻率動(dòng)態(tài)（分鐘到秒）和電磁瞬態(tài)（亞秒）

「過去，電力系統(tǒng)中的一切都是精確的。我們可以在知道系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下安排和調(diào)度發(fā)電?！埂脯F(xiàn)在，對(duì)于可再生能源，我們需要考慮新的因素，例如基于逆變器的資源的快速頻率響應(yīng)能力或電網(wǎng)的穩(wěn)定性限制。否則，當(dāng)前的調(diào)度模型無法再為日常運(yùn)行提供可靠的支持?！埂?JinTan

多場(chǎng)景穩(wěn)定性分析：毛伊島完整的電磁瞬態(tài)模型

在亞秒級(jí)，基于逆變器的資源 (IBR)——風(fēng)能和太陽能將在低慣量電網(wǎng)上掀起波瀾。雖然電力系統(tǒng)歷來依靠旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)來消除亞秒級(jí)擾動(dòng)，但基于逆變器的資源正在逐步取代這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備，毛伊島或類似系統(tǒng)需要新的電網(wǎng)穩(wěn)定源。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室一直致力于低慣性動(dòng)力系統(tǒng)的研究，在如何解決這些問題方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究工程師 Andy Hoke 說，「沒有人運(yùn)營(yíng)過像毛伊島這樣大小的電力系統(tǒng)，它僅由太陽能、風(fēng)能和儲(chǔ)能電池提供 100% 的電力服務(wù)；要想實(shí)時(shí)、可靠地運(yùn)行高達(dá) 80-100% 逆變器資源的電網(wǎng)，我們需要采取一些重要步驟，首先是在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，然后為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施做好準(zhǔn)備」。Hoke 領(lǐng)導(dǎo)了高可再生能源系統(tǒng)的亞秒分析以及電磁瞬態(tài) (EMT)分析的研究，以驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

作為可再生能源應(yīng)用的前沿，需要對(duì)毛伊島做有針對(duì)性的、徹底的電磁瞬態(tài)穩(wěn)定分析，Hoke 領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)模擬了整個(gè)島嶼的輸電系統(tǒng)——數(shù)百條線路、母線以及變壓器；光伏、儲(chǔ)能和風(fēng)能系統(tǒng)及其逆變器控制——全部基于亞秒級(jí)時(shí)間尺度[4]。國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還模擬了毛伊島未來電力系統(tǒng)的多個(gè)場(chǎng)景，即：低慣性、無慣性以及如何恢復(fù)慣性的方法。

Hoke 表示，「隨著毛伊島接近 100% 的可再生能源運(yùn)營(yíng)，有多種選擇可以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性，」「使用同步調(diào)相機(jī)[5]，或通過對(duì)相對(duì)少量逆變器進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)廣域編程[6]，可以穩(wěn)定毛伊島上 100% 可再生能源系統(tǒng)，至少在仿真中得到的結(jié)果是這樣?！?/span>

使用同步調(diào)相機(jī)，或通過對(duì)相對(duì)少量逆變器進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)廣域編程，可以穩(wěn)定毛伊島上 100% 可再生能源系統(tǒng)，至少在仿真中得到的結(jié)果是這樣。

該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在極高比例逆變器資源的情況下，傳統(tǒng)建模工具可能會(huì)遺漏關(guān)鍵的穩(wěn)定性動(dòng)力源。此外，即使是高保真模型也可能缺乏必要信息，如商用逆變器的專有控制。為了 100% 確定 100% 穩(wěn)定的可再生能源系統(tǒng)，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室通過大規(guī)模硬件測(cè)試臺(tái)使研究更接近現(xiàn)實(shí)。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證前的最終測(cè)試

在毛伊島完全可再生能源運(yùn)營(yíng)前的最后驗(yàn)證得到了能源部太陽能技術(shù)辦公室的支持，該辦公室通過授予國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室名為「SAPPHIRE」的項(xiàng)目來開發(fā)混合可再生能源電站控制系統(tǒng)[7]，從而為可再生能源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究提供了雙保險(xiǎn)。該項(xiàng)目資助總額為 360 萬美元，將穩(wěn)定控制（Hoke 的研究）與 MIDAS 操作框架（ Tan 的研究）結(jié)合在一起。

SAPPHIRE 項(xiàng)目的首席研究員 Jin Tan 表示，「這項(xiàng)研究著眼于從[長(zhǎng)時(shí)間尺度的]規(guī)劃到[小時(shí)間尺度]電磁瞬態(tài)穩(wěn)定解決可再生能源運(yùn)營(yíng)問題，以便毛伊島和其他高可比例再生能源系統(tǒng)擁有管理穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)所需的一切。」

國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將首先使用綜合能源系統(tǒng)高級(jí)研究平臺(tái)(ARIES) [8]來開發(fā)混合發(fā)電資源電站的實(shí)際功率控制并消除其風(fēng)險(xiǎn)。ARIES 平臺(tái)為毛伊島提供了一個(gè)完全復(fù)制的電網(wǎng)仿真環(huán)境[9]，以驗(yàn)證接下來多類別可再生能源的影響并評(píng)估其實(shí)時(shí)慣性和穩(wěn)定性。

SAPPHIRE 項(xiàng)目聯(lián)席首席研究員 Hoke 表示，「為了消除 100% 可再生能源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，我們需要在真實(shí)的電網(wǎng)條件下運(yùn)行。」「通過 ARIES 平臺(tái)，我們可以將電網(wǎng)設(shè)備連接到實(shí)際電源并復(fù)制它們?cè)诿翇u的實(shí)際環(huán)境。這是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用之前，確認(rèn)性能和穩(wěn)定性的可靠方法?！?Hoke 正在為該項(xiàng)目開發(fā)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制。

該項(xiàng)目將基于毛伊島采用 60MW 示范系統(tǒng)情況下結(jié)題，雖然示范只進(jìn)行了 3 年，但仍可以用來證明 100% 可再生能源是可行的。毛伊島將為可再生能源樹立一個(gè)里程碑，并表明國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力和運(yùn)營(yíng)工具可以為任何地方的清潔能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。