支持100%可再生能源的「电力系统多尺度综合动态与调度计划模型」

位于美国夏威夷州的毛伊岛（Maui Island）将成为世界上第一个实时利用 100% 风能和太阳能发电的互连输电系统。这比该州计划的 2045 年全部采用清洁能源要早很多。

到 2024 年，毛伊岛计划将投入使用超过 175MW 的新光储混合电站。目前，该岛电网有近 200MW 的风能和太阳能发电，新的发电设施将为毛伊岛大约 70,000 名客户提供足够的可再生能源，届时该岛全年无需使用任何传统发电。管理如此高比例的不确定性资源对于像毛伊岛这样规模的电网来说还是第一次，因此美国国家可再生能源实验室(NREL) 正在开发和验证多时间尺度工具，以确保毛伊岛和其他类似系统在未来可以逐渐逼近、稳定地采用 100% 的清洁能源。

管理可再生能源的可靠性和计划性——毛伊岛电网运营系统 MIDAS Touch

风能和太阳能给新型电力系统增加了很大的不确定性，甚至它从根本上改变了电网稳定性的物理和控制机制。电网运营商在调度这些新能源向用户提供电能或服务电网稳定性时，这种不确定性带来的问题将非常突出。由于可再生能源占主导的新型电力系统是当前涌现的新生事物，因此几乎没有系统性的方法来调度可再生能源以实现多时间尺度的电网稳定性。因此，大多数运营商在调度时仍将可再生能源视为不可调度和不可控的资源。

但是，有一件事是确定的：仅利用可再生能源就可以提供全部的电网服务[1]。剩下来需要做的，就是调度员应该使用正确的工具来管理新型电力系统。

在国家可再生能源实验室担任多个项目首席研究员 (PI) 的 Jin Tan 解释说，「从技术上讲，风能、太阳能和电池储能等基于逆变器的资源可以通过对控制器进行编程来提供所有类型的电网辅助服务」。Tan 所研究的这些项目旨在实现 100% 可再生能源的电力系统。

「问题在于系统运营商基本上不会使用这些编程方法。系统运营商需要的是通过制定新的市场规则来激励可再生能源主动提供电网服务。他们需要一些工具来验证可再生能源系统的性能，或管理与调度太阳能和风能等可变资源相关联的、经济性以及运营方面的风险。」

毛伊岛的发电资源组合。很快更大容量的光储电站将投入使用。图片由夏威夷电气公司提供。

Tan 领导了MIDAS（多时间尺度综合动态和调度计划模型[2]）的开发，它是一款由国家可再生能源实验室推出的系统软件，帮助电网运营商管理高比例可再生能源系统。该软件提供运营智能和高级系统分析功能。

MIDAS 由美国能源部太阳能技术办公室 (SETO) 资助，它丰富了现有的调度运营工具，用于管理电力市场、进行可靠性分析，以及快速的小时间尺度动态系统分析。与现有的工具不同，MIDAS 衔接了电网运行的经济分析和动态可靠性评估，因此电网运营商可以权衡可再生（和不可再生）资产的效益，再决定对各种电网服务的调度。

更进一步，MIDAS 通过对未来低惯性电力系统建模[3]，使毛伊岛能够提前规划使用更多的可再生能源。该模型发现了系统潜在的可靠性问题，从资源充足率（年到天）和能量平衡（天到分钟）到频率动态（分钟到秒）和电磁瞬态（亚秒）时间尺度，提供了毛伊岛高比例可再生能源系统的全景视图。对于其他高比例可再生能源、低惯性系统，国家可再生能源实验室这种多时间尺度可靠性和稳定性的分析工具同样重要。

时间尺度——资源充足率（年到天）、能量平衡（天到分钟）、频率动态（分钟到秒）和电磁瞬态（亚秒）

「过去，电力系统中的一切都是精确的。我们可以在知道系统稳定的情况下安排和调度发电。」「现在，对于可再生能源，我们需要考虑新的因素，例如基于逆变器的资源的快速频率响应能力或电网的稳定性限制。否则，当前的调度模型无法再为日常运行提供可靠的支持。」—— JinTan

多场景稳定性分析：毛伊岛完整的电磁瞬态模型

在亚秒级，基于逆变器的资源 (IBR)——风能和太阳能将在低惯量电网上掀起波澜。虽然电力系统历来依靠旋转发电机来消除亚秒级扰动，但基于逆变器的资源正在逐步取代这些旋转设备，毛伊岛或类似系统需要新的电网稳定源。国家可再生能源实验室一直致力于低惯性动力系统的研究，在如何解决这些问题方面积累了很多经验。

国家可再生能源实验室高级研究工程师 Andy Hoke 说，「没有人运营过像毛伊岛这样大小的电力系统，它仅由太阳能、风能和储能电池提供 100% 的电力服务；要想实时、可靠地运行高达 80-100% 逆变器资源的电网，我们需要采取一些重要步骤，首先是在实验室验证，然后为现场实施做好准备」。Hoke 领导了高可再生能源系统的亚秒分析以及电磁瞬态 (EMT)分析的研究，以验证系统稳定性。

作为可再生能源应用的前沿，需要对毛伊岛做有针对性的、彻底的电磁瞬态稳定分析，Hoke 领导的国家可再生能源实验室团队模拟了整个岛屿的输电系统——数百条线路、母线以及变压器；光伏、储能和风能系统及其逆变器控制——全部基于亚秒级时间尺度[4]。国家可再生能源实验室团队还模拟了毛伊岛未来电力系统的多个场景，即：低惯性、无惯性以及如何恢复惯性的方法。

Hoke 表示，「随着毛伊岛接近 100% 的可再生能源运营，有多种选择可以确保电网稳定性，」「使用同步调相机[5]，或通过对相对少量逆变器进行电网侧广域编程[6]，可以稳定毛伊岛上 100% 可再生能源系统，至少在仿真中得到的结果是这样。」

使用同步调相机，或通过对相对少量逆变器进行电网侧广域编程，可以稳定毛伊岛上 100% 可再生能源系统，至少在仿真中得到的结果是这样。

该团队还发现，在极高比例逆变器资源的情况下，传统建模工具可能会遗漏关键的稳定性动力源。此外，即使是高保真模型也可能缺乏必要信息，如商用逆变器的专有控制。为了 100% 确定 100% 稳定的可再生能源系统，国家可再生能源实验室通过大规模硬件测试台使研究更接近现实。

现场验证前的最终测试

在毛伊岛完全可再生能源运营前的最后验证得到了能源部太阳能技术办公室的支持，该办公室通过授予国家可再生能源实验室名为「SAPPHIRE」的项目来开发混合可再生能源电站控制系统[7]，从而为可再生能源系统稳定性研究提供了双保险。该项目资助总额为 360 万美元，将稳定控制（Hoke 的研究）与 MIDAS 操作框架（ Tan 的研究）结合在一起。

SAPPHIRE 项目的首席研究员 Jin Tan 表示，「这项研究着眼于从[长时间尺度的]规划到[小时间尺度]电磁瞬态稳定解决可再生能源运营问题，以便毛伊岛和其他高可比例再生能源系统拥有管理稳定和经济系统所需的一切。」

国家可再生能源实验室将首先使用综合能源系统高级研究平台(ARIES) [8]来开发混合发电资源电站的实际功率控制并消除其风险。ARIES 平台为毛伊岛提供了一个完全复制的电网仿真环境[9]，以验证接下来多类别可再生能源的影响并评估其实时惯性和稳定性。

SAPPHIRE 项目联席首席研究员 Hoke 表示，「为了消除 100% 可再生能源系统的风险，我们需要在真实的电网条件下运行。」「通过 ARIES 平台，我们可以将电网设备连接到实际电源并复制它们在毛伊岛的实际环境。这是我们在实际应用之前，确认性能和稳定性的可靠方法。」 Hoke 正在为该项目开发动态稳定性控制。

该项目将基于毛伊岛采用 60MW 示范系统情况下结题，虽然示范只进行了 3 年，但仍可以用来证明 100% 可再生能源是可行的。毛伊岛将为可再生能源树立一个里程碑，并表明国家可再生能源实验室的技术能力和运营工具可以为任何地方的清洁能源系统实现相同的目标。