KevinPorter凯文波特ExeterAssociates公司Energy

U.S.WindIntegrationStudies

and

DoingaWindIntegrationStudy

美国风电并网研究

及

研究方法KevinPorter凯文波特ExeterAssociates公司EnergyFoundationWindIntegrationMeeting并网经验介绍会能源基金会July2,2010PurposeofPresentation

介绍会的目的Determinewhetherthereisinterestinlearningmoreabouthowtodoawindintegrationstudy.了解大家是否有兴趣进一步学习开展风电并网问题研究的研究方法。DeterminewhetherthereisinterestinholdingaworkshoponwindintegrationstudymethodsinBeijinginDecember.了解是否需要于今年12月在北京再组织一个风电并网研究方法介绍会ConsiderinterestinconductingawindintegrationstudyinChina.考虑一下在中国开展风电并网研究的意义ExeterAssociates,Inc.2Overviewof

U.S.WindIntegrationStudies

美国风电并网研究概况3ExeterAssociates,Inc.Overviewof

U.S.WindIntegrationStudies

美国风电并网研究概况4ExeterAssociates,Inc.Severalutilities,statesandregionaltransmissionorganizationhaveconductedwindintegrationstudies,generallybeforelarge-scalewinddevelopmenthasoccurredOveradozensuchwindintegrationstudiessincethelate1990s,andmoreareplannedActualoperatingexperiencehasbeenlimited,thereforestudieshavebeenprospective–modelingapotentialfuturepowersystemwithcertainamountsofwindgenerationStudiesfocusedonreliability,operationalandeconomicimpactsofhigherlevelsofwindpenetrationEveryU.S.windintegrationstudyisdifferent,butsomecommonthemesareemergingStudieshaveevolvedfromwhetheritispossibletoincorporatewindtohowandatwhatestimatedcostAsexperienceisgained,studiesarestartingtofocusonpotentialsolutionstointegratinghigherlevelsofwindgeneration总的来说，在大规模并网实际发生之前，美国的一些电力公司、州及区域输电组织已经开展了风电并网问题的研究。上世纪90年代至今这样的研究做了有十几个，目前计划开展更多此类研究。由于实际运行经验的局限，前瞻性研究变得更为重要---模拟出接入一定规模风电情景下的未来的电力系统研究基本聚焦在大规模接入风电后系统的可靠性问题、运行影响和经济影响。每个研究都有所区别，但更多的共同关注问题已经开始显现。研究的重心已经从原来研究是否可能接入这么多风电，转为研究如何以及在多大经济代价下接入这些风电。由于已经有了一些经验基础，研究重点已经开始集中在去寻找接入更高比例风电的潜在解决办法。IntegrationCostEstimates

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

non-spinningreservesTendstoincreasecostsU.S.hasmoreflexiblepowersystemthanChina研究发现，风电接入比例在20%左右或以下的情况下，并网成本一般在每千度电5美元左右（0.5美分/千瓦时，即每度电人民币3分4厘左右）。机组组合成本占这些成本的大部分；“西北太平洋”的研究曾给出一个接近每千度电10美元左右的并网成本（1美分/千瓦时，即每度电人民币6分8厘左右）–没有小时内调度或相应市场更多地依赖调节而非旋转备用或非旋转备用倾向于提高成本美国的灵活性电源多于中国WindIntegrationCosts

DependentonSeveralFactors

影响风电并网成本的几个因素6ExeterAssociates,Inc.SizeofthebalancingareaLargebalancingareamakesiteasiertointegratewind,astherewillbeadeeperstockofgenerationtodrawfromSubhourlymarketsaccesstheflexibilityinherentinmanyconventionalgeneratorsandreducesrelianceonregulationinfollowingwind’svariabilityResourcemixAresourcemixwithmoreflexibilityinrampingupanddownandoperatingatdifferentdispatchpointswillmakewindintegrationeasierDepthandtypeofancillaryservicesAwell-functioninganddeepmarketforancillaryservices(presentinmostregionaltransmissionorganizations)willmakeiteasierandlessexpensivetointegratewindThegeographicconcentrationofwindprojectsGreaterspatialdiversityofwindprojectscanlessenthevariabilityinwindoutputandlowerwindintegrationcosts平衡区域的大小大平衡区接入风电更容易，因为可以利用发电容量大的优势时间间隔小于1小时的电力市场可以利用常规电源的灵活性，减少对调节风电波动的依赖。资源组合资源组合具有更好的爬坡（上下）灵活性，可以根据不同的调度要求运行，从而减少风电接入的难度。辅助服务的深度和类型完善、繁荣的辅助服务市场(多数由区域输电组织提供)可以减少风电接入的难度和成本风电项目地理分布的密集度风电项目在空间上的分散式分布可以减少风电的出力波动并降低并网成本KeyResultsfromMajorWindIntegrationCostStudies

主要风电并网成本研究的主要结论

7ExeterAssociates,Inc.Date时间Study研究WindCapacityPenetration风电装机容量整体占比IntegrationCost($/MWh)并网成本(美元$/千度电)Regulation调节LoadFollowing负荷跟踪.UnitCommit机组组合GasSupply天然气供应TOTAL总计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详见2008风电技术报告注解+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

解决办法：应用风电预测系统9ExeterAssociates,Inc.Ingeneral,windforecastingisvitaloncewindpenetrationsbyenergyreaches10%LowerifbalancingareaissmallorifresourcemixisnotoverlyflexibleAlthoughwindforecastingisnotperfect,today’sstate-of-the-artwindforecastswillbehelpfultogridoperatorsPotentiallargesavingsinunitcommitmentandfuelconsumptioncostsPromiseforfutureperformanceimprovementsinwindforecastingSeveralgridoperatorsintheUnitedStatesareimplementingwindforecastingEvolutiontowardscentralwindforecastingandawayfromdecentralizedwindforecasting一般来讲，一旦风电在电力供应中上到10%，预测就变得尤为重要平衡区面积不大或资源组合不是特别灵活的情况下，即便风电比重低于10%，预测的作用也非常关键尽管风电预测还不能尽善尽美，当前的风电预测技术对电网运营商也是非常有帮助的有希望节约大笔的机组组合和燃料消耗成本未来提高风电预测水平的承诺美国几家电网运营商正在进行风电预测风电预测的趋势正在由分散式预测向集中式预测发展演变。WesternWindandSolarIntegrationStudy(2010)

西部风电及太阳能并网研究(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.运用当前最先进的风电和太阳能预测技术以及机组组合非常必要；与忽视可再生能源电力在机组组合里的作用相比，充分运用这些，可以为WECC每年减少多达50亿美元的运行成本（2009年是40亿），或者，帮助可再生能源减少一定的单位发电成本：每千度电可减少12到20美元的成本（2009年实际每千度电减少10到17美元的单位发电成本）“完美的预测还能把全年运行成本再减少5亿美元（2009年是4.25亿），或，帮助可再生能源再减少单位发电成本：每千度电可再减少1到2美元的成本（2009年再减少0.9到1.7美元）Solutions:Develop

MoreFlexibleElectricityMarkets

解决方案：建设更灵活的电力市场11ExeterAssociates,Inc.OperationalflexibilityvaluabletooperatorsbutoflittlevaluetopowersuppliersunlesstheyaresomehowcompensatedMarketandpolicychangeswilllikelybenecessaryExpandingancillaryservicemarketsIncentivesforgreatergeneratorflexibility(existingandnewplants)Changestomarketrequirements,(e.g.,loadfollowingisnotacompensatedancillaryservice)Makechangestoaccommodatewindramps,whichmorecloselyresemblelargeloadrampsMorecloselyalignedwith10-30minutenon-spinningandsupplementalreserves;currentrulesrequirethesetobein-servicefor1-2hourswhenwindrampscanoccuroverseveralhoursForcesoperatorstousemoreexpensiveregulationserviceinsteadMultiplewaystodothis,dependingonelectricitysystemstructure灵活运行对电网运营商来讲很有价值，但是对电力供应商来讲却不是这样，除非可以在一定程度上给他们补偿市场和政策变化很可能无法避免扩展辅助服务市场鼓励发电商加强灵活运行的激励机制(新、老电厂)调整市场要求/标准,(比如负荷跟踪不作为付费辅助服务)做出调整以适应风电爬坡特性（很类似大型线性负荷）与10-30分钟非旋转备用和补充电源更紧密地配合；现行规定是当风电爬坡可能持续几小时的情况可以开动使用这些备用设施1-2小时要求运行商采用其他更昂贵的调节服务实现目标的方法有很多，能采用哪些方法取决于电力系统的结构Solutions:Operate

OverLargerMarketOperationAreas

解决办法：扩大市场运行区域12ExeterAssociates,Inc.Thereareabout140balancingareasintheU.S.withwidevariationsinsize,generationresources,andloadEachmustbalancegenerationandloadwithinitsareaLargerbalancingareashavemoreaccesstogeneratingresourcestoprovideancillaryservicesLargerbalancingareascanalsotakeadvantageofthegeographicdiversityofwindresources,helpingtosmoothwindvariabilityISOsandRTOsnaturallycapturethebenefitsoflargebalancingareasSmallerareascangainsomeofthosebenefitsthroughsharingagreementssuchastheACEDiversityInterchangethatpoolsareacontrolerroramongutilitiesinthewesternU.S.美国有140个左右的平衡区，大小、电源结构和负荷情况各不相同每个平衡区都必须平衡本区域内的发电运行和负荷大平衡区有更多的电源资源可供调配以提供更好的辅助服务大平衡区可以利用地理跨度大的优势，削弱风资源变化的影响，平滑风电出力波动ISOs和RTOs有大平衡区的先天优势小平衡区也可以通过分享协议，如“ACE一体化交换”，扩展平衡区域，在美国西部的电力公司间更大范围地调度。ExeterAssociates,Inc.13Lessthan1/3ofregulationisnecessaryifsub-hourlyschedulingisutilizied如果应用小时内调度，风电波动的调节需求只有不到原来的三分之一WindIntegrationCostsLower

inLargerBalancingAreas

大平衡区的风电并网成本更低Date时间Study研究单位ISO/RTOWindLevel风电占比IntegrationCost并网成本($/MWh)EnergyMarketInterval能源市场时间频度March2005NYISOISO/RTO10%VeryLow5minuteDecember2006Minnesota/MISOISO/RTO31%$4.415minuteMarch2007AvistaNo30%$8.841hourMarch2007IdahoPowerNo30%$7.921hourSummary

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

“howandatwhatcost”Thestudieshavefoundthatlargeinterconnectedpowersystemscanaccommodatehighlevelsofvariableenergyby:ImplementingawindforecastingsystemAcquiringflexiblegeneratingresourcesInstitutingnewoperatingstrategiesforminimumloadhoursandother

highriskperiods;andCreatinglargerbalancingareas,newmarketrules,andgridcodes15ExeterAssociates,Inc.截止2008年，美国的风电占整体电力供应的1-2%左右很多电力公司新增大量的风电装机开展了十来个风电并网研究，评估接入风电的技术能力和可行性总的来讲，研究的内容已经从“能不能”发展到“怎么做、多大代价做”研究表明，通过以下办法，大规模互联电网能够接纳较多的间歇式电源:应用风电预测系统利用灵活性电源针对负荷低谷和其他高风险时段制定新的运行办法创造大平衡区，新市场规则和并网规定DoingaWindIntegrationStudy

进行风电并网研究16ExeterAssociates,Inc.TypicalStudyScope

典型的研究范围17ExeterAssociates,Inc.IdentifyoperationalandcostissuesfromincreasinglevelsofwindpenetrationUsuallymultiplescenariosofbase,10%,20%,30%Note:Thestudyisaboutnetwindimpacts(loadminuswind),notjustwindalone,asthevariationsofloadandwindpartiallycanceleachotheroutDeterminescopeofstudy(allofChina,partofChina)IfnotmodelingallofChina,determinehowtomodelareasexternaltostudyAllassumptions,datainputs,andstudyresultsshouldbepublictoencouragemaximumparticipationandoverallsupportofthestudyresults找出风电比例提高后带来的运行和经济问题通常按照风电整体电源占比10%,20%,30%的几种情景开展研究注意:研究这些问题的时候，关注的是风电的“净影响”（剔除了风电和负荷能互冲的部分），而不仅仅是风电本身的影响，因为负荷变化也可以抵消一部分风电的影响。确定研究范围（整个中国，或部分地区）如果不是针对整个中国研究，则需确定如何选取研究目标区域所有的假设、数据和研究结果应该对外公布以实现广泛参与，促进研究结论得到认可和支持TypicalStudyScope(2)

典型的研究范围（2）Identifychangesinproductioncosts(andcostvolatility)fromhigherlevelsofwindpenetrationIdentifychangesinrequirementsforreservesovermultipletimeframesConsiderwhetherexistinggeneratingresources(i.e.,coal,naturalgas,hydro)canaccommodatehigherlevelsofwindgeneration18ExeterAssociates,Inc.风电比重加大后，发电成本的变化（成本波动）不同时段对备用电源要求的变化考虑现有电源结构（比如煤电、天然气发电、水电）是否能接纳更多的风电WhataWindIntegrationStudy

DoesNotDo(UnlessDesignedtoDoSo)

风电并网研究可以忽略哪些问题

（除非设计意图如此）AdditionalmaintenanceandforcedoutagesandderatesDegradationofheatratefromramping,cyclingandrangeofoperation19ExeterAssociates,Inc.附加维护、被动停发和减发爬坡、循环和运行范围引起的热效率下降WindIntegrationStudies

GenerallyHaveMultipleParts

风电并网研究通常包含几个部分Productioncostmodeling(forhourlysimulationsofpowerflows,costsanddispatch)Statisticalanalysis(fordetermininghourlydeviationsinnetloadfromaddingwind,andfordetermining

sub-hourlychanges)LoadflowanalysisTransmissionplanningandsiting20ExeterAssociates,Inc.发电成本模型（潮流、成本和调度的小时间隔模拟）统计分析(确定因增加风电导致的净负荷每小时偏离，及小时内变化)潮流分析输电线路规划和选择OrganizationalSet-Up

分工Studytime-consumingandlabor-intensiveTypicalstudytime1year,andcantakelongerNeedsingleorganizationtoleadandtakeresponsibilityWithhelpfromotherorganizationsandfromTechnicalReviewCommitteeConsiderwhodoestheworkCouldbedonein-housebuthardtojugglewindintegrationstudywithotherresponsibilitiesWorktypicallyisoutsourcedtomultipleconsultantsPowersystemsconsultantTransmission/loadflowsconsultantWindresourceandforecastingconsultant21ExeterAssociates,Inc.研究所需时间和人员付出一般来讲需要一年时间，可能还要更长需要一家机构牵头和负责同时需要其他机构和技术审查委员会的帮助考虑由谁来做可以内部来做，但是很难兼顾风电并网研究以外的其他问题和事情通常把一些工作外包给多个咨询专家/公司电力系统专家输变电/潮流专家风资源和风电预测专家TechnicalReviewCommittee

技术审查委员会Comprisedofgridoperators,governmentenergyofficials,renewableenergycompanies,renewableenergyexpertsand/orconsultantsHelpdesignstudyobjectivesandapproachandactaspeerreviewersConsiderquarterlymeetings,bothin-personandbytelephoneProvideeducationtoallcommitteeparticipants22ExeterAssociates,Inc.包含电网运营商、能源部门的政府官员、可再生能源发电公司、可再生能源专家和顾问帮助设计研究目标和方案，并帮助评议考虑召开季度会议，既可以当面开会交流，也可以电话会议为成员提供培训Scenarios

情景23ExeterAssociates,Inc.Includemultiplescenariosofincreasingwindpenetration,byenergyStartwithbaseyear(i.e.,currentyearorthelastyearwithmostcompletesetofdata)Includeatleastonescenariowithveryhighwindpenetration(e.g.,30%or40%)Considerscenariosfocusedonparticularcircumstances,e.g.,geographicallydiversifiedwind,highoffshorewind,hightransmission,etc.风电在能源结构中（依据发电量）占比递增的多种不同情景起始基年(比如有全套数据的当年或上一年)至少包含风电比例很高的一种情景(比如30%或40%)着重考虑特殊情况下的一些情景,如地理分布较为分散的风电,有较多的海上风电,较大的送电需求等Scenarios

情景Includemultiplescenariosofincreasingwindpenetration,byenergyStartwithbaseyear(i.e.,currentyearorthelastyearwithmostcompletesetofdata)Includeatleastonescenariowithveryhighwindpenetration(e.g.,30%or40%)Considerscenariosfocusedonparticularcircumstances,e.g.,geographicallydiversifiedwind,highoffshorewind,hightransmission,etc.ExeterAssociates,Inc.24风电在能源结构中（依据发电量）占比递增的多种不同情景起始基年(比如有全套数据的当年或上一年)至少包含风电比率很高的一种情景(比如30%或40%)着重考虑特殊情况下的一些情景,如地理分布较为分散的风电,有较多的海上风电,较大的送电需求等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%）逐步升高的发电量(包括风电)和负荷数据不要把预测的期限定的太远,因为很多潜在的变量是难以控制的一般来说研究预测的期限是10年左右为保持可靠性，可能需要在预测研究的基础上再增加发电量美国这边的研究通常以天然气发电量的增长来代表SensitivityStudies

敏感度研究26ExeterAssociates,Inc.MaywishtodoseveralsensitivitystudiesDifferentnaturalgasandcoalpricesDifferentfuelmixesHigherorlowerprojectedelectricitydemandMoredemandresponsePlug-inelectricvehiclesDifferentturnbackcapabilitiesforcoalunitsDifferinglevelsofhydroflexibilityVaryingaccuracylevelsofwindpowerforecast可能要做几种敏感度研究不同的天然气和煤炭价格不同的燃料组合高一点或低一点的电力需求预测更好的需求响应插入式电动车不同的燃煤机组爬坡控制能力不同水平的水电灵活性风电预测的不同准确度AssumptionstoMake

假设/预测27ExeterAssociates,Inc.ProjectedfuturefuelcostsfornaturalgasandcoalExpectedfutureloadgrowthProjectedfuturetransmissiongridProjectedgeneratingcapacityadditionsWhethertoinclude$/toncarbondioxideadderornot预测未来天然气和煤炭的燃料价格预期未来的负荷增长预测未来的输电网络预测发电装机的增加是否包含二氧化碳减排成本（美元/吨）DataNeeds

数据需求28ExeterAssociates,Inc.Multipleyears(usuallythree)oftime-synchronizedwindandloaddatatocaptureinter-annualvariabilityofloadandwindUseNumericalWeatherPredictionmodelstorecreatehistoricalweatherdata多年（一般三年）的同期风电及负荷数据，用以推测风电和负荷情况的年际变化使用数值模拟气象预测模型重现历史气象数据ExamplesofWindData

风电数据示例Windspeeddataextractedfrommultiple-yearmodelrunsthatareatwindturbinehubheightsandconvertedtowindpowerusingwindpowercurvesOutputistypically5-minuteor10-minutewinddataTonsofdataUseactualwindgenerationtoverifymodeledwinddataNeedtofactorinlanduserestrictionssuchasurbanareas,nationalparks,environmentallysensitiveareas,andotherareasunlikelytobedevelopedExeterAssociates,Inc.29从多年模型中取得轮毂高度风速数据，并利用风功率曲线换算为风能一般来讲，输出的风资源数据格式是5分钟或10分钟间隔海量数据使用实际风电发电量来核实模拟的风数据需要考虑土地征用限制如城市范围、国家公园、环境敏感区、及其他相关因素，排除不能开发风电的地区。DataNeeds(2)

数据需要（2）30ExeterAssociates,Inc.Sub-hourlyloadandgenerationdata(minute-by-minute,10-minute)foranalysisofinterestingperiods(highwind,highload,highwind/lowload,etc.)LoadforecastsformultipleyearsThisstepalwaystakesthelongest,andtheintegrationstudycannotproceedwithoutdata通过逐时负荷和发电数据（每分钟间隔、10分钟间隔）做重点时段分析（高比例风电出力，高负荷，高风电/低负荷，等）多年负荷预测这步工作用时最长，但并网研究缺了这些数据就没法继续WindForecasts

风电预测31ExeterAssociates,Inc.TechniquesforsimulatingwindpowerforecastsnotwelldevelopedTwobasicmethodsImposerandomerrorontopofwindgenerationprofilesMatchupwithanotherwindforecast(coveringsame