到2030年将可再生能源并入日本电网

独立和透明的电网整合研究有助于对日本电力系统的未来进行事实上的辩论

将高水平的可再生能源纳入电力结构，同时降低煤炭和核能等传统发电的比例，这使日本的电力系统面临新的挑战。间歇性可再生能源的增加，尤其是太阳能光伏发电（2017年底总装机容量为49GW），已引起人们对间歇性可再生能源（VRES）对电网稳定性影响的担忧。这促使人们研究能激励电网系统实现足够灵活性的各种可能性。在此背景下，电网整合研究已成为促进知情讨论和指导国家政策的宝贵手段。

这项由日本可再生能源研究所和Agora Energiewende联合进行的研究调查了日本可再生能源一体化对频率稳定性的影响，以及在较小程度上对电力流动的影响。它是基于埃利亚斯国际电网公司和新型电力仿真软件GridLAB为该项目开发的日本电力系统的建模和仿真工具链，旨在促进独立的第三方研究。该研究比较了2030年的两种情景：政府的目标情景，即可再生能源渗透率为22～24％（64GW光伏和10GW风电），以及更加雄心勃勃的情景（100GW光伏和36GW风电）。该研究考察了系统如何响应一系列涉及非常高的非同步可再生能源渗透水平（即风能和太阳能）的极端快照。在这些水平上，传统的发电厂被取代，从而降低惯性极限，这对确保日本电力系统的频率稳定性起着关键作用。

该研究模拟了日本西部和东部同步区域的频率稳定性和功率流。基于VRES的快速频率响应（FFR）服务提高系统稳定性的程度以及使用已经到位的东西部同步区域之间的HVDC互连，对于应对某些紧急情况提供快速辅助支持进行了额外的分析。

特别强调制定透明的方法，以解决进行可再生能源一体化研究的国家面临的两个主要挑战：（1）对数据可用性的重大限制（尽管日本能源监管机构发起了改进），以及（2）为建模和模拟电力系统建立可持续工具链的必要性 - 特别是对于希望独立进行的第三方研究。在此项目过程中生成的所有输入和输出数据均在此公布。我们希望本研究有助于进一步讨论可再生能源的整合和数据透明度。

日本电网系统能够容纳能源结构中间歇性可再生能源的比例高于政府2030年目标中提出的间歇性可再生能源容纳比例，同时仍可保持电网稳定性。

根据保守的假设，本研究表明，使用基于可再生能源的FFR服务可以使日本西部的可变可再生能源渗透水平上升至70％左右，东部同步区域可达60％，同时仍保持频率稳定性在可接受范围内范围。这些数字意味着在某些地区可能实现更大的可再生能源渗透率。在没有快速频率响应（FFR）服务的情况下，日本西部的瞬时穿透水平仅为60％左右，日本东部的瞬时穿透率仅为50％。这些评估证实了2018年在九州和四国等地区观察到的趋势，其中每小时VRES进给已分别占需求的84％和79％（占产量的55％以上）。 到2030年，这些高的区域进给水平可能成为整个日本体系的标准。

瞬时进给水平高于这些阈值将开始挑战系统的频率稳定性的限制。然而，在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，这种情况很少发生，并且在政府情景中几乎不会发生。因此，一种解决方案可以是引入瞬时穿透（SNSP）限制并减少超过这些阈值的可再生能源供给。 在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，这种方法将导致每年可再生能源发电量减少2％以下。

分析表明，根据有关可再生能源发展的保守假设，到2030年，日本可再生能源的年度份额可以增加到至少33％5，同时仍然可以将电网稳定性保持在可容忍的范围内，而无需额外的输电线路加固。在同样的稳定性极限假设（日本东部的SNSP限制为60％，日本西部的70％）下也可以获得40％的更高可再生能源占比，缩减水平只有非常小的增长，达到年度的4％ 可再生能源。即使假设到2030年传统热力发电（即煤电和核电）的显著减少，这种情况也是可能的。此外，鉴于可再生能源在过去5年中的快速增长，即使是40％的份额似乎也是一个保守的数字，并且可能在2030年之前达到。

为了进一步扩大可变可再生能源，有必要考虑可能采取的其他措施来维持系统的稳定性。这些应以辅助服务（如FFR或虚拟惯性）的形式实施，并可由一系列技术提供，如电池，可变可再生能源，传统发电厂，同步冷凝器，HVDC链路，需求响应和飞轮。 修改传统和可再生发电机的服务条款也是提高电网稳定性的关键，同时增加日本可变再生能源的比例。

在高水平可变可再生能源可能对电网运行构成挑战的情况下，风能和太阳能系统有助于维持电网稳定性。

保持电力系统稳定性是输电系统运营商最关键的任务之一。 即使在主要系统干扰期间，也必须始终保持频率稳定性。在这项研究中，在1.5GW发电损失的情况下评估频率稳定性，其被确定为极端尺寸参考事件。系统频率响应在不同快照中进行评估，涉及可变可再生能源渗透水平的提高（从9％到65％），如图1所示。关于评估标准，系统评估了其在日本西部维持频率下降超过58.8Hz并且在日本东部维持在49Hz以上（即0.98pu的阈值）的能力。 如果频率最低点低于此水平，则可能导致发电机和负载断开，这可能反过来导致局部停电或级联效应。 监控系统中的剩余惯量对于防止关键系统状态和频率稳定性问题非常重要。

西部地区频率最低点的结果如图E1所示。 在这里可以看出，在西部同步区域中，在快照S1（9％VRES），S2（45％VRES）和S2b（49％VRES）中，频率最低点仍然高于58.8Hz的临界阈值。当应用的唯一校正措施是剩余系统惯性和热发电机的主要控制时就是这种情况。快照S3（65％vRES）略低于临界阈值。由于太阳能光伏发电对快速频率服务的贡献最小（总共250兆瓦，相当于实际光伏馈电的0.75％），系统可以将频率最低点保持在安全工作区域内（即高于58.8Hz））。这突出了基于VRES的FFR服务在这种特殊情况下的积极影响。

除了基于可再生能源的快速频率响应（尚未普及）之外，还可以实施一系列其他技术解决方案和对服务提供要求的修改，以提高电网稳定性。可采用的技术包括通过HVDC线路的辅助支持，同步冷凝器（例如通过转换退役的核反应堆来创建），需求侧响应和电池。 在日本，HVDC线路从西部同步区域到东部地区提供的现有600MW辅助支持有助于减轻系统中的频率损失。本研究详细评估了该服务对可再生能源一体化的贡献，如图E2所示。快照2b再次显示了如何减轻危急情况以及如何将最低点提升到临界阈值以上 49.0HZ。 在快照E3中，最低点仍然低于临界阈值，但它可以提高2.2HZ。 类似地，来自风力涡轮机的快速频率响应（风FFR）可以保持高于48.0Hz的频率水平。

风电和光伏发电部署对区域内和区域间的负荷流量具有重大影响。 虽然某些地区的线路负载可能会减少，但预计系统的其他部分会增加。

该研究还调查了可再生能源渗透率在区域间和区域内水平上对负荷流量的影响。表1给出了较高RES情景的综合结果，表E1显示了区域间线路的负荷趋势。这些趋势分为三类：增加，减少和相同的范围。增加表明可能需要加强电网，但也可以强调改善运营实践的好处。实际上，通过向参与跨区域交换的市场参与者提供更高的电网容量（NTC值），在某些情况下可以实现更高的负载。虽然对电网加固措施的详细评估需要进一步调查，但我们的研究表明，九州到中国以及从中国到关西的电力流量随着可变可再生能源渗透率的增加而增加。 相比之下，从四国到关西以及从北陆到关西的能量流减少了。这些趋势是可以预期的，因为九州、中国和四国的重要太阳能光伏装置有助于减少这些地区的进口依赖性并将其转变为净出口国。最后，VRES渗透率的提高伴随着北海道 - 东北和中部 - 东京HVDC链路出口的增加。在最高VRES渗透快照中，这两个链路都处于最大负载状态。

该研究进一步评估了更大的可再生能源水平对每个区域内网状15传输线的一般负荷的影响。RES情景较高的结果如表E2所示。一般来说，我们可以观察到在某些地区（如九州，中国，四国和东北），线路负荷以及能量传输的需求增加，这表明可能需要加强网格。然而，在某些地区，平均线路负荷减少。 这是因为在这些地区，由于装机容量和能源结构中可再生能源的总占比增加，消费和发电正在彼此靠拢。

间歇性可再生能源可以提供一些额外的辅助服务，特别是额外的无功功率。

 基于逆变器的可再生技术（主要由风电和光伏组成）的渗透率的提高具有取代传统同步电机（即煤电，核电站和气电）的效果。这种热发电的位移不仅会影响频率稳定性，还会影响对确保系统可靠性非常重要的辅助服务，例如无功功率/电压支持、控制功率、短路电流和系统恢复。该研究表明日本的可再生能源供电水平有多高可能影响无功功率需求。总体结果在表E3中给出。

从这里可以看出，东部和西部地区对无功功率的额外需求仍然在<2GVAr的中等范围内。该范围是适中的，2GVAr仅占36GW风和100GW PV的假设可再生能源装置的一小部分。最先进的风电场和光伏太阳能园区也有默认功能，可以提供无功功率。根据保守的假设，可变可再生能源只能以无功功率的形式贡献其安装的有功功率的10％（即100GW的PV可以提供10GVAr的无功功率），VRES可以轻松满足额外的2GVAr无功功率需求。可变可再生能源然后可以积极地促进无功功率管理（以及诸如控制功率的其他辅助服务）。

非歧视性市场规则，提高透明度以及最先进的运营和规划实践可促进日本可变可再生能源的整合。

根据其他各国的经验，我们的分析可以得出一些建议。这些建议旨在以降低的成本促进可再生能源的整合，同时保持电力系统的高度可靠性。

翻译：＠ERR能研微讯团队