U.S.WindIntegrationStudies

and

DoingaWindIntegrationStudy

美國風電并網研究

及

研究方法KevinPorter凱文波特ExeterAssociates公司EnergyFoundationWindIntegrationMeeting并網經驗介紹會能源基金會July2,2010PurposeofPresentation

介紹會的目的Determinewhetherthereisinterestinlearningmoreabouthowtodoawindintegrationstudy.了解大家是否有興趣進一步學習開展風電并網問題研究的研究方法。DeterminewhetherthereisinterestinholdingaworkshoponwindintegrationstudymethodsinBeijinginDecember.了解是否需要于今年12月在北京再組織一個風電并網研究方法介紹會ConsiderinterestinconductingawindintegrationstudyinChina.考慮一下在中國開展風電并網研究的意義ExeterAssociates,Inc.2Overviewof

U.S.WindIntegrationStudies

美國風電并網研究概況3ExeterAssociates,Inc.Overviewof

U.S.WindIntegrationStudies

美國風電并網研究概況4ExeterAssociates,Inc.Severalutilities,statesandregionaltransmissionorganizationhaveconductedwindintegrationstudies,generallybeforelarge-scalewinddevelopmenthasoccurredOveradozensuchwindintegrationstudiessincethelate1990s,andmoreareplannedActualoperatingexperiencehasbeenlimited,thereforestudieshavebeenprospective–modelingapotentialfuturepowersystemwithcertainamountsofwindgenerationStudiesfocusedonreliability,operationalandeconomicimpactsofhigherlevelsofwindpenetrationEveryU.S.windintegrationstudyisdifferent,butsomecommonthemesareemergingStudieshaveevolvedfromwhetheritispossibletoincorporatewindtohowandatwhatestimatedcostAsexperienceisgained,studiesarestartingtofocusonpotentialsolutionstointegratinghigherlevelsofwindgeneration總的來說，在大規(guī)模并網實際發(fā)生之前，美國的一些電力公司、州及區(qū)域輸電組織已經開展了風電并網問題的研究。上世紀90年代至今這樣的研究做了有十幾個，目前計劃開展更多此類研究。由于實際運行經驗的局限，前瞻性研究變得更為重要---模擬出接入一定規(guī)模風電情景下的未來的電力系統研究基本聚焦在大規(guī)模接入風電后系統的可靠性問題、運行影響和經濟影響。每個研究都有所區(qū)別，但更多的共同關注問題已經開始顯現。研究的重心已經從原來研究是否可能接入這么多風電，轉為研究如何以及在多大經濟代價下接入這些風電。由于已經有了一些經驗基礎，研究重點已經開始集中在去尋找接入更高比例風電的潛在解決辦法。IntegrationCostEstimates

并網成本估算5ExeterAssociates,Inc.Windintegrationstudieshavefoundcostwillgenerallybeunder$5.00/MWhforwindcapacitypenetrationsupto20%;Mostofthesecostsarefromunitcommitment;PacificNorthwestwindstudieshavetendedtoshowcostsupto$10/MWh–Nosub-hourlyschedulingormarketsGreaterrelianceonregulationversusspinningor

non-spinningreservesTendstoincreasecostsU.S.hasmoreflexiblepowersystemthanChina研究發(fā)現，風電接入比例在20%左右或以下的情況下，并網成本一般在每千度電5美元左右（0.5美分/千瓦時，即每度電人民幣3分4厘左右）。機組組合成本占這些成本的大部分；“西北太平洋”的研究曾給出一個接近每千度電10美元左右的并網成本（1美分/千瓦時，即每度電人民幣6分8厘左右）–沒有小時內調度或相應市場更多地依賴調節(jié)而非旋轉備用或非旋轉備用傾向于提高成本美國的靈活性電源多于中國WindIntegrationCosts

DependentonSeveralFactors

影響風電并網成本的幾個因素6ExeterAssociates,Inc.SizeofthebalancingareaLargebalancingareamakesiteasiertointegratewind,astherewillbeadeeperstockofgenerationtodrawfromSubhourlymarketsaccesstheflexibilityinherentinmanyconventionalgeneratorsandreducesrelianceonregulationinfollowingwind’svariabilityResourcemixAresourcemixwithmoreflexibilityinrampingupanddownandoperatingatdifferentdispatchpointswillmakewindintegrationeasierDepthandtypeofancillaryservicesAwell-functioninganddeepmarketforancillaryservices(presentinmostregionaltransmissionorganizations)willmakeiteasierandlessexpensivetointegratewindThegeographicconcentrationofwindprojectsGreaterspatialdiversityofwindprojectscanlessenthevariabilityinwindoutputandlowerwindintegrationcosts平衡區(qū)域的大小大平衡區(qū)接入風電更容易，因為可以利用發(fā)電容量大的優(yōu)勢時間間隔小于1小時的電力市場可以利用常規(guī)電源的靈活性，減少對調節(jié)風電波動的依賴。資源組合資源組合具有更好的爬坡（上下）靈活性，可以根據不同的調度要求運行，從而減少風電接入的難度。輔助服務的深度和類型完善、繁榮的輔助服務市場(多數由區(qū)域輸電組織提供)可以減少風電接入的難度和成本風電項目地理分布的密集度風電項目在空間上的分散式分布可以減少風電的出力波動并降低并網成本KeyResultsfromMajorWindIntegrationCostStudies

主要風電并網成本研究的主要結論

7ExeterAssociates,Inc.Date時間Study研究WindCapacityPenetration風電裝機容量整體占比IntegrationCost($/MWh)并網成本(美元$/千度電)Regulation調節(jié)LoadFollowing負荷跟蹤.UnitCommit機組組合GasSupply天然氣供應TOTAL總計2003Xcel-UWIG3.5%00.411.44Na1.852003WeEnergies29%1.020.151.75Na2.922004Xcel-MNDOC15%0.23na4.37Na4.602005PacifiCorp-200411%01.483.16Na4.642006Calif.(multi-year)*4%0.45tracetracena0.452006Xcel-PSCo15%0.20na3.321.454.972006MN-MISO*31%nananana4.412007PugetSoundEnergy12%nananana6.942007Pub.Service15%0.372.651.06na4.082007AvistaUtilities30%1.434.403.00na8.842007IdahoPower20%nananana7.922007PacifiCorp-200718%na1.104.00na5.102008Xcel-PSCo*20%nananana8.562009Bonneville(BPA)+36%0.221.14nana5.702009PacifiCorp-2009++22%nananana11.852009PortlandGen.Elect.27%nananana11.752010EWITS+++48%nana1.61na4.542010Nebraska63%nananana1.75*Seenotesfrom2008WindTechnologiesReport詳見2008風電技術報告注解+Costsin$/MWhassume31%capacityfactor.Theasidefromregulationandfollowingreserves,thecostofBPA’simbalancereservesare$4.33/MWh.++Thisintegrationcostassumesa$45/tonCO2tax.WithalowerCO2taxof$/ton,theintegrationcostdecreasesto$9.96/MWh+++UnitcommitmentcostislistedinEWITSasthecostofday-aheadwindforecasterror,remainingintegrationcostsareforshortertermreserves8ExeterAssociates,Inc.Solutions:Implement

aWindForecastingSystem

解決辦法：應用風電預測系統9ExeterAssociates,Inc.Ingeneral,windforecastingisvitaloncewindpenetrationsbyenergyreaches10%LowerifbalancingareaissmallorifresourcemixisnotoverlyflexibleAlthoughwindforecastingisnotperfect,today’sstate-of-the-artwindforecastswillbehelpfultogridoperatorsPotentiallargesavingsinunitcommitmentandfuelconsumptioncostsPromiseforfutureperformanceimprovementsinwindforecastingSeveralgridoperatorsintheUnitedStatesareimplementingwindforecastingEvolutiontowardscentralwindforecastingandawayfromdecentralizedwindforecasting一般來講，一旦風電在電力供應中上到10%，預測就變得尤為重要平衡區(qū)面積不大或資源組合不是特別靈活的情況下，即便風電比重低于10%，預測的作用也非常關鍵盡管風電預測還不能盡善盡美，當前的風電預測技術對電網運營商也是非常有幫助的有希望節(jié)約大筆的機組組合和燃料消耗成本未來提高風電預測水平的承諾美國幾家電網運營商正在進行風電預測風電預測的趨勢正在由分散式預測向集中式預測發(fā)展演變。WesternWindandSolarIntegrationStudy(2010)

西部風電及太陽能并網研究(2010)“Usingstate-of-the-artwindandsolarforecastsandunitcommitmentisessentialandwouldreduceannualWECCoperatingcostsbyupto$5billion($4billionin2009$)or$12-20/MWh($10-17/MWhin2009$)ofrenewableenergy,comparedtoignoringrenewablesintheunitcommitmentprocess.”“Perfectforecastswouldreduceannualcostsbyanother$500million($425millionin2009$)or$1-2/MWh($0.9-1.7/MWhin2009$)ofrenewableenergy,10ExeterAssociates,Inc.運用當前最先進的風電和太陽能預測技術以及機組組合非常必要；與忽視可再生能源電力在機組組合里的作用相比，充分運用這些，可以為WECC每年減少多達50億美元的運行成本（2009年是40億），或者，幫助可再生能源減少一定的單位發(fā)電成本：每千度電可減少12到20美元的成本（2009年實際每千度電減少10到17美元的單位發(fā)電成本）“完美的預測還能把全年運行成本再減少5億美元（2009年是4.25億），或，幫助可再生能源再減少單位發(fā)電成本：每千度電可再減少1到2美元的成本（2009年再減少0.9到1.7美元）Solutions:Develop

MoreFlexibleElectricityMarkets

解決方案：建設更靈活的電力市場11ExeterAssociates,Inc.OperationalflexibilityvaluabletooperatorsbutoflittlevaluetopowersuppliersunlesstheyaresomehowcompensatedMarketandpolicychangeswilllikelybenecessaryExpandingancillaryservicemarketsIncentivesforgreatergeneratorflexibility(existingandnewplants)Changestomarketrequirements,(e.g.,loadfollowingisnotacompensatedancillaryservice)Makechangestoaccommodatewindramps,whichmorecloselyresemblelargeloadrampsMorecloselyalignedwith10-30minutenon-spinningandsupplementalreserves;currentrulesrequirethesetobein-servicefor1-2hourswhenwindrampscanoccuroverseveralhoursForcesoperatorstousemoreexpensiveregulationserviceinsteadMultiplewaystodothis,dependingonelectricitysystemstructure靈活運行對電網運營商來講很有價值，但是對電力供應商來講卻不是這樣，除非可以在一定程度上給他們補償市場和政策變化很可能無法避免擴展輔助服務市場鼓勵發(fā)電商加強靈活運行的激勵機制(新、老電廠)調整市場要求/標準,(比如負荷跟蹤不作為付費輔助服務)做出調整以適應風電爬坡特性（很類似大型線性負荷）與10-30分鐘非旋轉備用和補充電源更緊密地配合；現行規(guī)定是當風電爬坡可能持續(xù)幾小時的情況可以開動使用這些備用設施1-2小時要求運行商采用其他更昂貴的調節(jié)服務實現目標的方法有很多，能采用哪些方法取決于電力系統的結構Solutions:Operate

OverLargerMarketOperationAreas

解決辦法：擴大市場運行區(qū)域12ExeterAssociates,Inc.Thereareabout140balancingareasintheU.S.withwidevariationsinsize,generationresources,andloadEachmustbalancegenerationandloadwithinitsareaLargerbalancingareashavemoreaccesstogeneratingresourcestoprovideancillaryservicesLargerbalancingareascanalsotakeadvantageofthegeographicdiversityofwindresources,helpingtosmoothwindvariabilityISOsandRTOsnaturallycapturethebenefitsoflargebalancingareasSmallerareascangainsomeofthosebenefitsthroughsharingagreementssuchastheACEDiversityInterchangethatpoolsareacontrolerroramongutilitiesinthewesternU.S.美國有140個左右的平衡區(qū)，大小、電源結構和負荷情況各不相同每個平衡區(qū)都必須平衡本區(qū)域內的發(fā)電運行和負荷大平衡區(qū)有更多的電源資源可供調配以提供更好的輔助服務大平衡區(qū)可以利用地理跨度大的優(yōu)勢，削弱風資源變化的影響，平滑風電出力波動ISOs和RTOs有大平衡區(qū)的先天優(yōu)勢小平衡區(qū)也可以通過分享協議，如“ACE一體化交換”，擴展平衡區(qū)域，在美國西部的電力公司間更大范圍地調度。ExeterAssociates,Inc.13Lessthan1/3ofregulationisnecessaryifsub-hourlyschedulingisutilizied如果應用小時內調度，風電波動的調節(jié)需求只有不到原來的三分之一WindIntegrationCostsLower

inLargerBalancingAreas

大平衡區(qū)的風電并網成本更低Date時間Study研究單位ISO/RTOWindLevel風電占比IntegrationCost并網成本($/MWh)EnergyMarketInterval能源市場時間頻度March2005NYISOISO/RTO10%VeryLow5minuteDecember2006Minnesota/MISOISO/RTO31%$4.415minuteMarch2007AvistaNo30%$8.841hourMarch2007IdahoPowerNo30%$7.921hourSummary

總結Windcontributesabout1-2%oftotalU.S.electricitygenerationasof2008AnumberofutilitiesareaddingsignificantamountsofwindcapacityOveradozenwindintegrationstudieshavebeenconductedtoassessthetechnicalabilityandfeasibilitytoincorporatewindenergyIngeneral,studieshaveprogressedfrom“canitbedone”to

“howandatwhatcost”Thestudieshavefoundthatlargeinterconnectedpowersystemscanaccommodatehighlevelsofvariableenergyby:ImplementingawindforecastingsystemAcquiringflexiblegeneratingresourcesInstitutingnewoperatingstrategiesforminimumloadhoursandother

highriskperiods;andCreatinglargerbalancingareas,newmarketrules,andgridcodes15ExeterAssociates,Inc.截止2008年，美國的風電占整體電力供應的1-2%左右很多電力公司新增大量的風電裝機開展了十來個風電并網研究，評估接入風電的技術能力和可行性總的來講，研究的內容已經從“能不能”發(fā)展到“怎么做、多大代價做”研究表明，通過以下辦法，大規(guī)?；ヂ撾娋W能夠接納較多的間歇式電源:應用風電預測系統利用靈活性電源針對負荷低谷和其他高風險時段制定新的運行辦法創(chuàng)造大平衡區(qū)，新市場規(guī)則和并網規(guī)定DoingaWindIntegrationStudy

進行風電并網研究16ExeterAssociates,Inc.TypicalStudyScope

典型的研究范圍17ExeterAssociates,Inc.IdentifyoperationalandcostissuesfromincreasinglevelsofwindpenetrationUsuallymultiplescenariosofbase,10%,20%,30%Note:Thestudyisaboutnetwindimpacts(loadminuswind),notjustwindalone,asthevariationsofloadandwindpartiallycanceleachotheroutDeterminescopeofstudy(allofChina,partofChina)IfnotmodelingallofChina,determinehowtomodelareasexternaltostudyAllassumptions,datainputs,andstudyresultsshouldbepublictoencouragemaximumparticipationandoverallsupportofthestudyresults找出風電比例提高后帶來的運行和經濟問題通常按照風電整體電源占比10%,20%,30%的幾種情景開展研究注意:研究這些問題的時候，關注的是風電的“凈影響”（剔除了風電和負荷能互沖的部分），而不僅僅是風電本身的影響，因為負荷變化也可以抵消一部分風電的影響。確定研究范圍（整個中國，或部分地區(qū)）如果不是針對整個中國研究，則需確定如何選取研究目標區(qū)域所有的假設、數據和研究結果應該對外公布以實現廣泛參與，促進研究結論得到認可和支持TypicalStudyScope(2)

典型的研究范圍（2）Identifychangesinproductioncosts(andcostvolatility)fromhigherlevelsofwindpenetrationIdentifychangesinrequirementsforreservesovermultipletimeframesConsiderwhetherexistinggeneratingresources(i.e.,coal,naturalgas,hydro)canaccommodatehigherlevelsofwindgeneration18ExeterAssociates,Inc.風電比重加大后，發(fā)電成本的變化（成本波動）不同時段對備用電源要求的變化考慮現有電源結構（比如煤電、天然氣發(fā)電、水電）是否能接納更多的風電WhataWindIntegrationStudy

DoesNotDo(UnlessDesignedtoDoSo)

風電并網研究可以忽略哪些問題

（除非設計意圖如此）AdditionalmaintenanceandforcedoutagesandderatesDegradationofheatratefromramping,cyclingandrangeofoperation19ExeterAssociates,Inc.附加維護、被動停發(fā)和減發(fā)爬坡、循環(huán)和運行范圍引起的熱效率下降WindIntegrationStudies

GenerallyHaveMultipleParts

風電并網研究通常包含幾個部分Productioncostmodeling(forhourlysimulationsofpowerflows,costsanddispatch)Statisticalanalysis(fordetermininghourlydeviationsinnetloadfromaddingwind,andfordetermining

sub-hourlychanges)LoadflowanalysisTransmissionplanningandsiting20ExeterAssociates,Inc.發(fā)電成本模型（潮流、成本和調度的小時間隔模擬）統計分析(確定因增加風電導致的凈負荷每小時偏離，及小時內變化)潮流分析輸電線路規(guī)劃和選擇OrganizationalSet-Up

分工Studytime-consumingandlabor-intensiveTypicalstudytime1year,andcantakelongerNeedsingleorganizationtoleadandtakeresponsibilityWithhelpfromotherorganizationsandfromTechnicalReviewCommitteeConsiderwhodoestheworkCouldbedonein-housebuthardtojugglewindintegrationstudywithotherresponsibilitiesWorktypicallyisoutsourcedtomultipleconsultantsPowersystemsconsultantTransmission/loadflowsconsultantWindresourceandforecastingconsultant21ExeterAssociates,Inc.研究所需時間和人員付出一般來講需要一年時間，可能還要更長需要一家機構牽頭和負責同時需要其他機構和技術審查委員會的幫助考慮由誰來做可以內部來做，但是很難兼顧風電并網研究以外的其他問題和事情通常把一些工作外包給多個咨詢專家/公司電力系統專家輸變電/潮流專家風資源和風電預測專家TechnicalReviewCommittee

技術審查委員會Comprisedofgridoperators,governmentenergyofficials,renewableenergycompanies,renewableenergyexpertsand/orconsultantsHelpdesignstudyobjectivesandapproachandactaspeerreviewersConsiderquarterlymeetings,bothin-personandbytelephoneProvideeducationtoallcommitteeparticipants22ExeterAssociates,Inc.包含電網運營商、能源部門的政府官員、可再生能源發(fā)電公司、可再生能源專家和顧問幫助設計研究目標和方案，并幫助評議考慮召開季度會議，既可以當面開會交流，也可以電話會議為成員提供培訓Scenarios

情景23ExeterAssociates,Inc.Includemultiplescenariosofincreasingwindpenetration,byenergyStartwithbaseyear(i.e.,currentyearorthelastyearwithmostcompletesetofdata)Includeatleastonescenariowithveryhighwindpenetration(e.g.,30%or40%)Considerscenariosfocusedonparticularcircumstances,e.g.,geographicallydiversifiedwind,highoffshorewind,hightransmission,etc.風電在能源結構中（依據發(fā)電量）占比遞增的多種不同情景起始基年(比如有全套數據的當年或上一年)至少包含風電比例很高的一種情景(比如30%或40%)著重考慮特殊情況下的一些情景,如地理分布較為分散的風電,有較多的海上風電,較大的送電需求等Scenarios

情景Includemultiplescenariosofincreasingwindpenetration,byenergyStartwithbaseyear(i.e.,currentyearorthelastyearwithmostcompletesetofdata)Includeatleastonescenariowithveryhighwindpenetration(e.g.,30%or40%)Considerscenariosfocusedonparticularcircumstances,e.g.,geographicallydiversifiedwind,highoffshorewind,hightransmission,etc.ExeterAssociates,Inc.24風電在能源結構中（依據發(fā)電量）占比遞增的多種不同情景起始基年(比如有全套數據的當年或上一年)至少包含風電比率很高的一種情景(比如30%或40%)著重考慮特殊情況下的一些情景,如地理分布較為分散的風電,有較多的海上風電,較大的送電需求等Scenarios(2)

情景（2）25ExeterAssociates,Inc.Escalategeneration(includingwind)andloaddatabyannualconstantpercentagetogettofutureyear(e.g.,2%)Don’tprojecttoofaroutintothefuture,asitmaybedifficulttocontrolallthepotentialvariablesStudiestypicallyforecastout10yearsMayneedtoaddgenerationoverstudyprojectionyearstomaintainreliabilityU.S.studiestypicallyaddgasturbinesasproxy基于年度固定百分比（如2%）逐步升高的發(fā)電量(包括風電)和負荷數據不要把預測的期限定的太遠,因為很多潛在的變量是難以控制的一般來說研究預測的期限是10年左右為保持可靠性，可能需要在預測研究的基礎上再增加發(fā)電量美國這邊的研究通常以天然氣發(fā)電量的增長來代表SensitivityStudies

敏感度研究26ExeterAssociates,Inc.MaywishtodoseveralsensitivitystudiesDifferentnaturalgasandcoalpricesDifferentfuelmixesHigherorlowerprojectedelectricitydemandMoredemandresponsePlug-inelectricvehiclesDifferentturnbackcapabilitiesforcoalunitsDifferinglevelsofhydroflexibilityVaryingaccuracylevelsofwindpowerforecast可能要做幾種敏感度研究不同的天然氣和煤炭價格不同的燃料組合高一點或低一點的電力需求預測更好的需求響應插入式電動車不同的燃煤機組爬坡控制能力不同水平的水電靈活性風電預測的不同準確度AssumptionstoMake

假設/預測27ExeterAssociates,Inc.ProjectedfuturefuelcostsfornaturalgasandcoalExpectedfutureloadgrowthProjectedfuturetransmissiongridProjectedgeneratingcapacityadditionsWhethertoinclude$/toncarbondioxideadderornot預測未來天然氣和煤炭的燃料價格預期未來的負荷增長預測未來的輸電網絡預測發(fā)電裝機的增加是否包含二氧化碳減排成本（美元/噸）DataNeeds

數據需求28ExeterAssociates,Inc.Multipleyears(usuallythree)oftime-synchronizedwindandloaddatatocaptureinter-annualvariabilityofloadandwindUseNumericalWeatherPredictionmodelstorecreatehistoricalweatherdata多年（一般三年）的同期風電及負荷數據，用以推測風電和負荷情況的年際變化使用數值模擬氣象預測模型重現歷史氣象數據ExamplesofWindData

風電數據示例Windspeeddataextractedfrommultiple-yearmodelrunsthatareatwindturbinehubheightsandconvertedtowindpowerusingwindpowercurvesOutputistypically5-minuteor10-minutewinddataTonsofdataUseactualwindgenerationtoverifymodeledwinddataNeedtofactorinlanduserestrictionssuchasurbanareas,nationalparks,environmentallysensitiveareas,andotherareasunlikelytobedevelopedExeterAssociates,Inc.29從多年模型中取得輪轂高度風速數據，并利用風功率曲線換算為風能一般來講，輸出的風資源數據格式是5分鐘或10分鐘間隔海量數據使用實際風電發(fā)電量來核實模擬的風數據需要考慮土地征用限制如城市范圍、國家公園、環(huán)境敏感區(qū)、及其他相關因素，排除不能開發(fā)風電的地區(qū)。DataNeeds(2)

數據需要（2）30ExeterAssociates,Inc.Sub-hourlyloadandgenerationdata(minute-by-minute,10-minute)foranalysisofinterestingperiods(highwind,highload,highwind/lowload,etc.)LoadforecastsformultipleyearsThisstepalwaystakesthelongest,andtheintegrationstudycannotproceedwithoutdata通過逐時負荷和發(fā)電數據（每分鐘間隔、10分鐘間隔）做重點時段分析（高比例風電出力，高負荷，高風電/低負荷，等）多年負荷預測這步工作用時最長，但并網研究缺了這些數據就沒法繼續(xù)WindForecasts

風電預測31ExeterAssociates,Inc.TechniquesforsimulatingwindpowerforecastsnotwelldevelopedTwobasicmethodsImposerandomerrorontopofwindgenerationprofilesMatchupwithanotherwindforecast(coveringsame