报告 | NREL:《理解清洁能源未来的电力系统保护》

近日,美国国家可再生能源实验室(NREL)发布《理解清洁能源未来的电力系统保护》(Understanding Power Systems Protection in the Clean Energy Future)报告指出,未来的电网规划人员应该特别关注故障保护,以保障清洁能源未来电力的稳定。该项研究工作得到了美国能源部风能技术办公室的资金资助。

NREL 的研究人员已经了解了很多关于如何将大规模风能和太阳能可靠地并入电网的知识,但仍存在一些突出的挑战。其中一项挑战是确保在出现故障时(例如突发短路)如何保护电网。在新的报告指南和解释视频中,NREL 解释了如何解决这一挑战并在未来电网中使用更高水平的可再生能源来维持电力系统的保护。

惯性后的下一个挑战

在电力领域,人们付出了相当大的努力来了解电网规划和运营可能会如何随着风能和太阳能光伏等资源的大规模部署而发生的变化,风光发电系统使用的是逆变器而不是传统发电厂中使用的同步发电机。

电力系统于惯性有关的下降被认为对维持未来可靠的电力系统构成了大的挑战。2020 年,NREL 曾经发布过一个视频和指南(https://www.nrel.gov/news/program/2020/inertia-and-the-power-grid-a-guide-without-the-spin.html),反驳了这一点,解释了大规模可再生能源发电的电力系统依然可以保持惯性。

然而,惯性问题只是电网发展需要解决的几个挑战之一。

NREL 首席能源分析师兼这两份指南的主要作者 Paul Denholm 表示,虽然没有像惯性那样被广泛地讨论,但随着基于逆变器的发电的持续增长,故障保护是另一个需要解决的问题。NREL对如何解决故障保护的问题,也形成了自己的想法。

什么是故障保护以及它为什么重要?

最典型的故障类型是短路。电网可能会发生短路故障,诸如两根电线相碰或者大树接触到电线时。这会导致发电机产生很大的电流浪涌,也即出现故障电流,这时如果不加以纠正,可能会导致火灾事故和损坏设备。

在目前的电力系统中,故障电流主要由化石能源电厂、核电厂和水电厂等的同步发电机产生,这些发电机本身就可以产生大量电流。然而,逆变器技术通常不会产生大量故障电流,因此在未来拥有大量太阳能光伏和风能的电网中,电力系统可能需要寻找新的方法来提供故障保护。

NREL最新报告提供了完整的方案

为了给政策制定者和其他感兴趣的利益相关者提供建议,NREL 研究人员发布了《理解清洁能源未来的电力系统保护》报告,简要概述了维护一个安全的电力系统所需要知道的系统保护和故障电流的知识。报告描述了为什么随着风能和太阳能发电部署的增加,可能需要替代的方法,报告提出了在不断发展的电网中维护系统保护的各种方法。

NREL 电力系统工程中心主任兼该指导报告的合著者 Ben Kroposki 表示:有一系列方法可用来维持系统保护,其中包括一些非常容易理解且具有高度确定性的方法,例如同步调压器。其他方法包括不依赖大故障电流的全新保护方案。这些方案目前处于开发的早期阶段,因此还不太确定,但它们最终可以以更低的成本提供相同甚至更高级别的保护。

因此,尽管未来的电力系统可以通过增加可再生能源的部署来维持足够的故障保护,但什么是最佳方法,仍然存在很大的不确定性。

Denholm 补充说,确定成本最优的资源组合的最大挑战可能是了解各种方法的需求和成本情况,这可能需要根据现有和未来资源的位置和组合而定,其中会有很大的差异。

在 NREL,这项研究工作仍在继续,因为研究人员在通往更清洁、更实惠和更有弹性电网的道路上,需要孜孜以求,找到解决挑战的一个个答案。

来源:NREL

编译:风能专委会