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第1部分 政策与法规3

第1章 重塑欧洲电力格局之路——挑战与开拓者3

1.1 背景3

1.2 2020年后的欧洲3

1.3 欧洲可再生能源并网：挑战和政策响应4

1.3.1 区域制约4

1.3.2 市场设计7

1.4 3位开拓者的故事：历史和未来8

1.4.1 丹麦8

1.4.2 德国9

1.4.3 英国9

1.5 趋势和未来展望10

参考文献11

第2章 消纳更高渗透率的间歇性能源的政策：美国前景和展望12

2.1 可再生能源部署趋势12

2.1.1 联邦政策对增长的影响：可再生能源发电PTC12

2.1.2 州政策对增长的影响：RPS14

2.2 风力发电为电力系统运营和规划带来的技术挑战14

2.3 高渗透率风能的相关经济挑战：削减成本的潜力16

2.3.1 风能削减的后果16

2.4 风电并网的输电规划：挑战和成功案例17

2.4.1 政策制定可能会推动输电系统的开发，以消纳可再生能源发电18

2.5 间歇性能源并网的联邦能源监管委员会764号令22

2.6 美国可再生能源开发的未来22

第3章 非洲可再生能源的应用与并网23

3.1 引言23

3.2 背景和内容23

3.2.1 非洲的能源挑战23

3.2.2 自然资源的可用性24

3.3 撒哈拉以南非洲地区在全球能源转型中的地位26

3.3.1 不断降低的技术成本26

3.3.2 合适的选择26

3.4 发展方向27

3.4.1 融资27

3.4.2 区域合作：电力市场、电网互联和电网基础设施28

3.4.3 可再生能源扶持政策29

3.4.4 创新商业模式31

3.5 结论31

参考文献32

第2部分 间歇性能源的建模37

第4章 含间歇性能源的电力系统多维度、多规模建模和算法：挑战和机遇37

4.1 电力系统维度及规模37

4.1.1 空间维度37

4.1.2 时间维度38

4.1.3 场景维度39

4.1.4 电力系统规模40

4.2 建模和分析40

4.2.1 多规模和规模不变性40

4.2.2 多规模框架41

4.2.3 推理和系统识别41

4.3 优化和控制41

4.4 数据处理和可视化43

4.4.1 多规模数据43

4.4.2 可视化43

4.5 并网的多维度分析平台44

4.6 结论45

参考文献46

第5章 北欧电力市场风电并网的经验48

5.1 引言48

5.2 输电系统运营商49

5.3 波罗的海和北欧现货市场49

5.4 价格区间50

5.5 日前电网阻塞管理：市场分割51

5.5.1 日前阻塞管理：市场联合51

5.5.2 市场联合或市场分割时电价的计算52

5.5.3 丹麦电力市场的风电并网53

5.6 维持供应安全：能源调节53

5.6.1 维持供应安全：调节能力53

5.6.2 实例：TSO带来的20MW上调能力54

5.6.3 调节能力：丹麦经验54

5.7 利用风力发电调节能源和供应的安全性54

5.7.1 实例：提供下调功能的风力发电55

5.8 电力市场中风电并网的其他机制和政策55

5.8.1 跨国电力交易市场55

5.8.2 丹麦为风力发电提供的补贴55

5.8.3 绿色证书：面向市场的可再生能源补贴计划56

5.8.4 瑞典—挪威绿色证书计划的实施57

5.9 高效和非有效的跨国市场（欧盟案例）58

5.10 结论：从北欧现货案例中得到的经验59

第6章 案例研究——可再生能源并网：灵活性需求、潜在的过量发电和频率响应挑战60

6.1 ISO实时市场概况62

6.2 可再生能源发电在ISO实时市场中的影响63

6.3 灵活性需求63

6.4 小时内灵活性需求64

6.5 潜在的过量发电问题65

6.6 惯性和频率响应67

6.7 敏感性分析69

参考文献71

第3部分 电力系统和市场运作中的间歇性能源75

第7章 间歇性能源对电力系统备用所产生影响的分析75

7.1 备用类型75

7.1.1 非线性备用需求77

7.1.2 备用需求随着时间变化78

7.2 备用和能源市场78

7.3 欧洲VS北美洲备用的定义80

7.3.1 一级备用81

7.3.2 二级备用81

7.3.3 三级备用81

7.4 建立备用需求的概率方法81

7.5 通过电力系统建模确定VER对储能要求的影响82

7.5.1 东部风电并网与传输研究83

7.5.2 西部风电和光伏发电并网研究85

7.6 讨论87

7.7 总结88

参考文献88

第8章 间歇性能源并网的市场管理解决方案进展90

8.1 引言90

8.2 电力批发市场和市场管理系统概述90

8.3 VER并网的市场运作挑战93

8.4 VER并网的市场管理解决方案进展95

8.4.1 为VER并网建立爬坡服务95

8.4.2 使用鲁棒和随机的机组组合管理VER不确定性98

8.5 结论102

参考文献102

第9章 得克萨斯州电力可靠性委员会案例研究：在电力市场中并网可再生能源发电的备用管理103

9.1 引言103

9.2 风力发电对辅助服务需求影响的研究104

9.3 ERCOT运营的风电预测104

9.3.1 小时级风电预测105

9.3.2 ERCOT大幅爬坡警报系统105

9.4 为并网风电电源进行的辅助服务需求方法改进106

9.4.1 上调和下调备用服务106

9.4.2 非旋转备用服务107

9.5 其他行动和未来考虑事项109

第10章 案例研究：印度泰米尔纳德邦的风电并网与电力市场111

10.1 背景111

10.1.1 印度间歇性可再生能源的渗透率111

10.1.2 VRE的体制和监管框架112

10.1.3 泰米尔纳德邦风电并网的案例研究112

10.2 分析：风电并网对国内的影响113

10.2.1 确定VRE发电并网的各项成本113

10.2.2 “弃风”问题115

10.2.3 “弃风”发生时，为什么相邻的SLDC不提供支持115

10.3 含VRE的电网和市场并网的法规与政策措施116

10.3.1 RRF机制116

10.3.2 偏差解决机制、辅助服务市场和需求预测117

10.4 发展方向118

参考文献119

第4部分 可再生能源预测123

第11章 电网中的可再生能源预测123

11.1 引言123

11.2 电网运营中的预测应用123

11.2.1 电网系统运营商123

11.2.2 风力发电和光伏发电商125

11.2.3 其他电力市场参与者125

11.3 预测风力发电和光伏发电：基础知识126

11.3.1 风力发电预测126

11.3.2 光伏发电预测127

11.4 新兴预测产品128

11.4.1 概率预测128

11.4.2 爬坡预测128

11.4.3 净负荷预测129

11.5 未来展望129

参考文献130

第12章 风力发电和光伏发电概率预测133

12.1 引言133

12.2 功率概率预测方法133

12.2.1 数值天气预测／电力并网预测133

12.2.2 校准／后期处理方法134

12.2.3 基于历史数据库的功率概率预测和确定性数值预测134

12.3 概率预测值与检验135

12.3.1 统计的一致性135

12.3.2 可靠性136

12.3.3 锐度137

12.3.4 分辨率138

12.3.5 风电概率预测的经济价值139

12.4 结论140

参考文献141

第13章 在电力公司控制中心纳入预测的不确定性142

13.1 引言142

13.2 不确定性和间歇性的来源143

13.2.1 负荷预测误差143

13.2.2 风力发电预测误差144

13.2.3 光伏发电预测误差144

13.2.4 被迫停机145

13.2.5 不明偏差误差146

13.2.6 离散误差146

13.3 总体不确定性的特点146

13.3.1 平衡需求146

13.3.2 平衡需求的非参数性质147

13.3.3 预测误差的自相关、互相关和非平稳性148

13.4 概率运营和规划148

13.5 不确定性并网至运营的3个层面149

13.6 实例：加利福尼亚州ISO爬坡不确定性预测工具150

13.7 结论151

参考文献152

第5部分 可再生能源并网155

第14章 利用全球电网管理可再生能源155

14.1 引言155

14.2 全球电网的发展阶段156

14.3 全球电网：图示157

14.4 从偏远地区获得RES158

14.5 通过偏远的RES地区连接两个大陆160

14.5.1 以峰值电价提供RES电力160

14.5.2 洲际电力交易161

14.6 洲际间专线互联161

14.7 讨论162

14.7.1 最大限度减少电力备用162

14.7.2 缓解储能问题162

14.7.3 其他优势163

14.8 结论163

附录A 电缆成本预测164

附录B 欧洲与美国之间的电力交易165

附录B.1 直接海底电缆165

附录B.2 通过位于格陵兰岛的一个风力发电厂连接欧洲与美国166

参考文献166

第15章 电网间歇性和分布式资源的管理实践168

15.1 引言168

15.2 高压直流输电的早期历史168

15.3 电缆传输用高压直流输电系统170

15.4 大容量电力传输用高压直流输电系统171

15.5 通过引入HVDC来提高交流系统的稳定性172

15.6 电压源换流器与电网换向换流器173

15.7 大规模可再生能源并网175

15.8 将DC引入低功率传输级别中178

15.9 结论178

参考文献179

第16章 可再生能源并网——印度管理实践180

16.1 引言180

16.2 政策举措180

16.3 监管举措181

16.4 输电规划举措182

16.4.1 输电规划标准182

16.4.2 绿色能源走廊报告182

16.5 印度的REC经验183

16.5.1 取得的经验183

16.6 挑战183

16.6.1 一体化183

16.6.2 间歇性183

16.6.3 REC机制184

16.6.4 机制安排184

16.7 结束语184

参考文献184

第6部分 系统灵活性189

第17章 长期能源系统规划：解释短期间歇性和灵活性189

17.1 引言189

17.2 电力系统的灵活性190

17.3 建模方法及其局限性191

17.3.1 时间分辨率191

17.3.2 可靠性方面的考虑192

17.4 处理短期和长期模型之间的差距193

17.4.1 可再生电力的展望研究193

17.4.2 TIMES-PLEXOS互联193

17.4.3 OSeMOSYS194

17.5 结论197

参考文献197

第18章 电力系统灵活性199

18.1 引言199

18.2 运营灵活性的度量200

18.3 通过功率节点建模框架为电力系统的灵活性建模202

18.4 运营灵活性的评估和可视化204

18.5 运营灵活性的集合206

18.6 结论208

参考文献208

第19章 丹麦案例：充分利用含高渗透率风电的能源系统灵活性能源优势209

19.1 引言209

19.2 丹麦发电机容量的分配209

19.3 用于平衡电力系统的丹麦市场210

19.4 风能是解决平衡问题的方案之一，而不是问题的一部分211

19.5 案例：为向下调节，以负价供电1h212

19.5.1 参与三级备用市场的挑战216

19.6 分布式热电联产电厂是平衡解决方案之一216

19.7 基于丹麦经验得出的结论和建议218

第7部分 需求侧响应和分布式能源221

第20章 间歇性可再生能源并网后的需求侧响应（DR）：西北部视角221

20.1 需求侧响应在间歇性能源并网中发挥的作用221

20.2 当今西北地区的需求侧响应222

20.2.1 电力公司发起的需求侧响应计划222

20.2.2 可再生能源的需求侧响应和并网：示范项目223

20.3 需求侧响应在西北地区的未来227

20.3.1 区域能源227

20.3.2 工业项目227

20.3.3 住宅和商业项目228

20.3.4 市场价格和结构的作用228

20.3.5 政策机遇229

20.4 对前进道路的思考229

参考文献231

第21章 案例分析：电力市场中的需求侧响应和替代技术232

21.1 PJM电力批发市场概述232

21.2 电力批发市场中需求侧响应的机会233

21.2.1 紧急需求侧响应：容量市场233

21.2.2 经济需求侧响应：实时市场和日前市场234

21.2.3 辅助服务市场：日前调度备用、同步备用和频率调节234

21.3 PJM的需求侧响应经验235

21.3.1 紧急需求侧响应235

21.3.2 经济需求侧响应236

21.3.3 辅助服务市场238

21.4 电力批发市场中的替代技术经验239

21.5 需求侧响应和替代技术的潜在未来发展239

第22章 分布式能源对传统电力公司商业模式的启示241

22.1 传统电力公司商业模式的发展241

22.2 ESI的逐步转型242

22.3 为什么分布式能源会崛起243

22.4 反思基本面245

22.5 服务的新定义246

22.6 应对颠覆性技术246

22.7 结论248

第23章 储能和电网灵活性需求249

23.1 储能是电网不可或缺的一部分251

23.2 技术生态系统帮助实现灵活性252

23.2.1 示例1253

23.2.2 示例2254

23.2.3 示例3254

23.2.4 示例4255

23.3 结论256

第8部分 孤岛电力系统中的间歇性能源259

第24章 孤岛可再生能源并网259

24.1 引言259

24.2 从较大互联系统的可再生能源并网研究中学到的经验教训260

24.3 孤岛系统的特点和挑战261

24.4 孤岛可再生能源并网方面的持续努力263

24.4.1 改进现有发电机265

24.4.2 燃料多样化265

24.4.3 自动化操作265

24.4.4 需求侧响应技术266

24.4.5 负荷增加266

24.4.6 储能和其他新技术267

24.4.7 政策的作用268

24.5 结论268

第25章 通过微型水力发电在配电网运营中实现计划性孤岛269

25.1 引言269

25.2 案例研究269

25.2.1 系统介绍269

25.2.2 建模方面269

25.3 计划性孤岛270

25.3.1 控制模式中孤岛的侦测和变更271

25.3.2 孤岛的形成275

25.3.3 微电网自主运营278

25.3.4 同期再并网280

25.4 结论284

参考文献285

第9部分 太阳能、潮汐能和波浪能并网289

第26章 大规模光伏电站的经济利益和可靠性效益289

26.1 引言289

26.2 技术类别和发电特点290

26.2.1 PV290

26.2.2 CSP291

26.3 价值评估方法概述291

26.3.1 经济价值的计算293

26.3.2 前景规划的方法和计量效益的基线294

26.4 研究成果综述295

26.4.1 容量效益295

26.4.2 能源效益299

26.4.3 辅助服务效益299

26.4.4 并网和削减成本300

26.4.5 总的经济效益301

26.5 结论303

参考文献303

第27章 波浪能和潮汐能并网的最先进技术水平和未来展望306

27.1 引言306

27.1.1 共同的挑战306

27.2 潮汐能307

27.2.1 能源开采308

27.2.2 潮汐涡轮机额定功率和容量309

27.2.3 潮汐资源和能源预测309

27.3 波浪能310

27.3.1 术语311

27.3.2 海洋状况311

27.3.3 波浪能发电312

27.3.4 波浪能的间歇性和可预测性312

27.3.5 提高预测准确性314

27.3.6 方向和波谱灵敏度315

27.4 总结315

参考文献315

第28章 德国在新世纪的可再生能源之路317

28.1 引言317

28.2 RES并网至德国电力系统的挑战增加318

28.3 未来展望321

参考文献322

第10部分 可再生能源并网实践和突破性技术325

第29章 含高渗透率间歇性发电的电力系统控制325

29.1 介绍与推动因素325

29.2 先进的控制方法案例325

29.3 惯性反应、一次控制和二次控制的作用：过去和未来326

29.4 电力系统中的频率调节327

29.4.1 使用新兴电网技术调节频率327

29.4.2 西部电力协调委员会的风力机组模型327

29.4.3 附加一次控制：蓄电池供电模型328

29.4.4 控制设计的广域机电动力学模型328

29.5 最优控制设计329

29.6 实践中的分布式控制设计330

29.7 案例研究结果：最优控制性能的多目标评价330

29.8 结论333

参考文献334

第30章 增强电力系统中的态势感知：克服可再生能源的不确定性和间歇性335

30.1 引言335

30.1.1 态势感知的定义及其重要性336

30.1.2 态势感知面临的挑战337

30.1.3 行业发展趋势和态势感知339

30.2 优化电力系统工具设计中的态势感知341

30.3 电网运营中态势感知的未来341

参考文献343

第31章 通过改进的可再生能源控制中心可视化工具来管理运行中出现的不确定性344

31.1 引言344

31.2 SCADA、RTU和协议相关背景344

31.3 当前IEC 60870-5-101的情况344

31.4 SCADA报警处理345

31.4.1 其他问题：环境影响和可再生能源发电商的影响345

31.4.2 围栅346

31.5 态势感知平台346

31.5.1 面向对象347

31.5.2 静态对象348

31.5.3 队列348

31.5.4 动态对象349

31.5.5 应用349

31.5.6 可视化结构350

31.6 异常状态通知351

31.7 态势感知的可视化平台的好处352

31.7.1 示例353

31.7.2 应用于可再生能源并网353

31.8 结论354

参考文献355

第32章 动态增容（DLR）：以安全、快捷、经济的方式将电力网络转换为可再生能源电力356

32.1 引言356

32.2 什么是动态增容356

32.3 使用DLR的好处和挑战358

32.4 DLR实践360

32.5 结论361

参考文献361

第33章 使用同步相量测量监测和控制可再生能源362

33.1 引言362

33.2 使用同步相量测量装置来进行实时监控364

33.2.1 广域监测系统364

33.2.2 PMU软件应用程序的快速原型开发环境364

33.3 风电场振荡监测的监测工具368

33.3.1 Smar TS实验室的监测工具368

33.3.2 俄克拉何马天然气电力公司369

33.4 测试和验证371

33.4.1 Smar TS实验室371

33.4.2 OG&E FFT检测程序的验证372

33.5 结论374

参考文献374

第34章 每时每刻都很重要：波动资源配电网的同步相量测量376

34.1 引言376

34.2 配电网的间歇性、不确定性和灵活性376

34.3 微同步相量测量技术378

34.4 μPMU测量的应用379

34.5 继续发展382

参考文献383

第35章 大数据、数据挖掘、预测分析和高性能计算384

35.1 引言384

35.2 公共事业中的数据来源385

35.2.1 可再生能源数据385

35.2.2 电网运营数据386

35.2.3 可再生能源发电数据386

35.2.4 风电场数据387

35.2.5 太阳电池板数据387

35.2.6 负荷计量数据387

35.2.7 市场数据388

35.2.8 模拟数据388

35.3 大数据时代388

35.3.1 管理大数据的工具389

35.3.2 数据挖掘389

35.3.3 预测分析393

35.3.4 关键绩效指标和数据挖掘过程394

35.3.5 高性能计算和大数据分析394

35.4 应用示例395

35.4.1 可视化和电网态势感知395

35.4.2 风力发电数据分析，用来诊断性能漂移和预测失效395

35.4.3 预测分析，用来支持控制中心的动态安全评估396

35.4.4 预测分析，以支持工业需求侧管理397

35.5 未来选择由此开始397

参考文献398

结尾399