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

到 2024 年，毛伊島計劃將投入使用超過 175MW 的新光儲混合電站。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，因此美國國家可再生能源實驗室(NREL) 正在開發(fā)和驗證多時間尺度工具，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劃性——毛伊島電網(wǎng)運營系統(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制。電網(wǎng)運營商在調(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，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)度可再生能源以實現(xiàn)多時間尺度的電網(wǎng)穩(wěn)定性。因此，大多數(shù)運營商在調(diào)度時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)。

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

「問題在于系統(tǒng)運營商基本上不會使用這些編程方法。系統(tǒng)運營商需要的是通過制定新的市場規(guī)則來激勵可再生能源主動提供電網(wǎng)服務(wù)。他們需要一些工具來驗證可再生能源系統(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)濟性以及運營方面的風(fēng)險?！?/span>

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

Tan 領(lǐng)導(dǎo)了MIDAS（多時間尺度綜合動態(tài)和調(diào)度計劃模型[2]）的開發(fā)，它是一款由國家可再生能源實驗室推出的系統(tǒng)軟件，幫助電網(wǎng)運營商管理高比例可再生能源系統(tǒng)。該軟件提供運營智能和高級系統(tǒng)分析功能。

MIDAS 由美國能源部太陽能技術(shù)辦公室 (SETO) 資助，它豐富了現(xiàn)有的調(diào)度運營工具，用于管理電力市場、進行可靠性分析，以及快速的小時間尺度動態(tài)系統(tǒng)分析。與現(xiàn)有的工具不同，MIDAS 銜接了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟分析和動態(tài)可靠性評估，因此電網(wǎng)運營商可以權(quán)衡可再生（和不可再生）資產(chǎn)的效益，再決定對各種電網(wǎng)服務(wù)的調(diào)度。

更進一步，MIDAS 通過對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）到頻率動態(tài)（分鐘到秒）和電磁瞬態(tài)（亞秒）時間尺度，提供了毛伊島高比例可再生能源系統(tǒng)的全景視圖。對于其他高比例可再生能源、低慣性系統(tǒng)，國家可再生能源實驗室這種多時間尺度可靠性和穩(wěn)定性的分析工具同樣重要。

時間尺度——資源充足率（年到天）、能量平衡（天到分鐘）、頻率動態(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行提供可靠的支持。」—— JinTan

多場景穩(wěn)定性分析：毛伊島完整的電磁瞬態(tài)模型

在亞秒級，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)電機來消除亞秒級擾動，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。國家可再生能源實驗室一直致力于低慣性動力系統(tǒng)的研究，在如何解決這些問題方面積累了很多經(jīng)驗。

國家可再生能源實驗室高級研究工程師 Andy Hoke 說，「沒有人運營過像毛伊島這樣大小的電力系統(tǒng)，它僅由太陽能、風(fēng)能和儲能電池提供 100% 的電力服務(wù)；要想實時、可靠地運行高達 80-100% 逆變器資源的電網(wǎng)，我們需要采取一些重要步驟，首先是在實驗室驗證，然后為現(xiàn)場實施做好準(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，以驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

作為可再生能源應(yīng)用的前沿，需要對毛伊島做有針對性的、徹底的電磁瞬態(tài)穩(wěn)定分析，Hoke 領(lǐng)導(dǎo)的國家可再生能源實驗室團隊模擬了整個島嶼的輸電系統(tǒng)——數(shù)百條線路、母線以及變壓器；光伏、儲能和風(fēng)能系統(tǒng)及其逆變器控制——全部基于亞秒級時間尺度[4]。國家可再生能源實驗室團隊還模擬了毛伊島未來電力系統(tǒng)的多個場景，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% 的可再生能源運營，有多種選擇可以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性，」「使用同步調(diào)相機[5]，或通過對相對少量逆變器進行電網(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。」

使用同步調(diào)相機，或通過對相對少量逆變器進行電網(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。

該團隊還發(fā)現(xiàn)，在極高比例逆變器資源的情況下，傳統(tǒng)建模工具可能會遺漏關(guān)鍵的穩(wěn)定性動力源。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)，國家可再生能源實驗室通過大規(guī)模硬件測試臺使研究更接近現(xiàn)實。

現(xiàn)場驗證前的最終測試

在毛伊島完全可再生能源運營前的最后驗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家可再生能源實驗室名為「SAPPHIRE」的項目來開發(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。該項目資助總額為 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 項目的首席研究員 Jin Tan 表示，「這項研究著眼于從[長時間尺度的]規(guī)劃到[小時間尺度]電磁瞬態(tài)穩(wěn)定解決可再生能源運營問題，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)濟系統(tǒng)所需的一切?！?/span>

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

SAPPHIRE 項目聯(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，我們需要在真實的電網(wǎng)條件下運行?！埂竿ㄟ^ ARIES 平臺，我們可以將電網(wǎng)設(shè)備連接到實際電源并復(fù)制它們在毛伊島的實際環(huán)境。這是我們在實際應(yīng)用之前，確認(rèn)性能和穩(wěn)定性的可靠方法?！?Hoke 正在為該項目開發(fā)動態(tài)穩(wěn)定性控制。

該項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里程碑，并表明國家可再生能源實驗室的技術(shù)能力和運營工具可以為任何地方的清潔能源系統(tǒng)實現(xiàn)相同的目標(biāo)。