近日，美国国家可再生能源实验室（NREL）称，NREL和通用电气（GE）正联手解决对于电力行业来说相对较新的问题。五年前，大多数人无法想象光伏和风能等可变发电再生能源在电网中的广泛普及。但是现在，这个场景正在成为现实，因此维护电网稳定性的主题非常重要。
前NREL研究员卡拉•克拉克最近与通用电气能源咨询公司的尼古拉斯•米勒和斯洛博丹•帕基奇合作发表了一项名为《聚光太阳能热发电对电网可靠性的影响》的研究报告。
“他们瞄准的整体问题是：随着太阳能和风能可变发电技术的普及，电网的可靠性和稳定性是否会受到负面影响。”NREL首席能源分析师保罗•丹霍尔姆表示：“电网稳定性的一个要素是在严格的系统公差范围内保持频率。光伏发电机和风能发电机是‘非同步’或基于逆变器的技术，它们不像传统的热力发电机和水力发电机那样提供传统的惯性和主频率响应。这种差异会降低电网阻止由大型偶发事件引起的频率变化的能力。”
NREL/GE的研究模拟了北美西部互联系统每年约33%的太阳能和风能需求，可变发电在该系统的瞬时普及率高达60%左右。该系统的历史峰值需求约为152吉瓦，服务约8000万人。
研究人员利用行业标准的正序电流模型（Positive Sequence Load Flow）探索了当大型发电机出现故障时对频率的影响。基本情况是只检查了非同步光伏和风能。第二种情况是利用聚光太阳能发电（CSP）替换了部分光伏，并检查了CSP提供频率响应服务的能力。在第三种情况下，将调节器添加到CSP，调节器是一种允许发电机直接和自动响应频率的设备。
图1显示了2750兆瓦Palo Verde发电机损耗的三种情况，这是规划北美西部互联系统突发事件的设计基础。
• 绿色迹线，假设没有CSP，最大的频率下降——接近59.5赫兹，在这一点上低频减载或停电将发生。
• 红色迹线对应于利用CSP取代大约10吉瓦光伏 。在这种情况下，CSP装置是联机的，并提供惯性，但不提供调节器（或主频率）响应。频率下降的速度减慢了，但是益处非常小，无法恢复频率。
• 蓝色迹线参与CSP调节器，从而增加频率最低点（图中凹处最低点）和沉降频率（曲线向右移动的值）。
图1. CSP惯性响应和调节器响应对美国西部频率的影响。CSP可以通过将频率最低点保持在59.5赫兹以上来帮助防止电网崩溃。
横轴：时间（秒），纵轴：美国西部电力联合体的频率（赫兹）
— CSP，有调节器控制
—CSP，无调节器控制
—无CSP
NREL/GE的研究还将CSP的响应与包括储能在内的其他频率响应源进行了比较。此外，还考虑了可用于增加频率响应和潜在增加值的其他CSP设计。例如，图2显示了“fast valving” (快关汽门)的影响—一种操作技术，可以提高CSP设备对频率事件的响应能力。
图2. 快关汽门对CSP调节器响应的影响。
横轴：时间（秒），纵轴：Pmech（兆瓦）
Δ P大约5%，正如预期（适用于有足够动态余量的本装置）
—CSP，有调节器控制
—CSP，有调节器和快关汽门
在总结本研究的主要发现时，出现了两个与CSP相关的关键点：
• CSP的主频率响应有助于满足频率响应的义务，并且可以代替光伏，储能的快速频率响应或需求反应。
• 随着太阳落下和光伏的贡献下降，CSP频率响应的益处是巨大的，可以为电网运营商提供有价值的选择。
“总的结论强调：在本研究中，将大量的太阳能集成到西部互联系统中，并不会带来任何明显的棘手挑战。”丹霍尔姆表示：“具体来说，通过对CSP和光伏的频率敏感控制，频率响应可以获得显著的帮助。如果在系统构建过程中遵循良好的系统工程实践，使用本研究的工具、数据和结果，我们的电力系统的持续可靠性就可以得到理解和保证。”
