2018年12月，Agora Energiewende 發布《到2030年將可再生能源并入日本電網》，在此ERR能研微訊研究團隊對報告全文進行了翻譯，并在此分享給大家，歡迎轉發擴散!

執行摘要

獨立和透明的電網整合研究有助于對日本電力系統的未來進行事實上的辯論

將高水平的可再生能源納入電力結構，同時降低煤炭和核能等傳統發電的比例，這使日本的電力系統面臨新的挑戰。間歇性可再生能源的增加，尤其是太陽能光伏發電(2017年底總裝機容量為49GW)，已引起人們對間歇性可再生能源(VRES)對電網穩定性影響的擔憂。這促使人們研究能激勵電網系統實現足夠靈活性的各種可能性。在此背景下，電網整合研究已成為促進知情討論和指導國家政策的寶貴手段。

這項由日本可再生能源研究所和Agora Energiewende聯合進行的研究調查了日本可再生能源一體化對頻率穩定性的影響，以及在較小程度上對電力流動的影響。它是基于埃利亞斯國際電網公司和新型電力仿真軟件GridLAB為該項目開發的日本電力系統的建模和仿真工具鏈，旨在促進獨立的第三方研究。該研究比較了2030年的兩種情景：政府的目標情景，即可再生能源滲透率為22～24%(64GW光伏和10GW風電)，以及更加雄心勃勃的情景(100GW光伏和36GW風電)。該研究考察了系統如何響應一系列涉及非常高的非同步可再生能源滲透水平(即風能和太陽能)的極端快照。在這些水平上，傳統的發電廠被取代，從而降低慣性極限，這對確保日本電力系統的頻率穩定性起著關鍵作用。

該研究模擬了日本西部和東部同步區域的頻率穩定性和功率流。基于VRES的快速頻率響應(FFR)服務提高系統穩定性的程度以及使用已經到位的東西部同步區域之間的HVDC互連，對于應對某些緊急情況提供快速輔助支持進行了額外的分析。

特別強調制定透明的方法，以解決進行可再生能源一體化研究的國家面臨的兩個主要挑戰：(1)對數據可用性的重大限制(盡管日本能源監管機構發起了改進)，以及(2)為建模和模擬電力系統建立可持續工具鏈的必要性 - 特別是對于希望獨立進行的第三方研究。在此項目過程中生成的所有輸入和輸出數據均在此公布。我們希望本研究有助于進一步討論可再生能源的整合和數據透明度。

日本電網系統能夠容納能源結構中間歇性可再生能源的比例高于政府2030年目標中提出的間歇性可再生能源容納比例，同時仍可保持電網穩定性。

根據保守的假設，本研究表明，使用基于可再生能源的FFR服務可以使日本西部的可變可再生能源滲透水平上升至70%左右，東部同步區域可達60%，同時仍保持頻率穩定性在可接受范圍內范圍。這些數字意味著在某些地區可能實現更大的可再生能源滲透率。在沒有快速頻率響應(FFR)服務的情況下，日本西部的瞬時穿透水平僅為60%左右，日本東部的瞬時穿透率僅為50%。這些評估證實了2018年在九州和四國等地區觀察到的趨勢，其中每小時VRES進給已分別占需求的84%和79%(占產量的55%以上)。 到2030年，這些高的區域進給水平可能成為整個日本體系的標準。

瞬時進給水平高于這些閾值將開始挑戰系統的頻率穩定性的限制。然而，在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，這種情況很少發生，并且在政府情景中幾乎不會發生。因此，一種解決方案可以是引入瞬時穿透(SNSP)限制并減少超過這些閾值的可再生能源供給。 在更加雄心勃勃的可再生能源方案中，這種方法將導致每年可再生能源發電量減少2%以下。

分析表明，根據有關可再生能源發展的保守假設，到2030年，日本可再生能源的年度份額可以增加到至少33%5，同時仍然可以將電網穩定性保持在可容忍的范圍內，而無需額外的輸電線路加固。在同樣的穩定性極限假設(日本東部的SNSP限制為60%，日本西部的70%)下也可以獲得40%的更高可再生能源占比，縮減水平只有非常小的增長，達到年度的4% 可再生能源。即使假設到2030年傳統熱力發電(即煤電和核電)的顯著減少，這種情況也是可能的。此外，鑒于可再生能源在過去5年中的快速增長，即使是40%的份額似乎也是一個保守的數字，并且可能在2030年之前達到。

為了進一步擴大可變可再生能源，有必要考慮可能采取的其他措施來維持系統的穩定性。這些應以輔助服務(如FFR或虛擬慣性)的形式實施，并可由一系列技術提供，如電池，可變可再生能源，傳統發電廠，同步冷凝器，HVDC鏈路，需求響應和飛輪。 修改傳統和可再生發電機的服務條款也是提高電網穩定性的關鍵，同時增加日本可變再生能源的比例。

在高水平可變可再生能源可能對電網運行構成挑戰的情況下，風能和太陽能系統有助于維持電網穩定性。

保持電力系統穩定性是輸電系統運營商最關鍵的任務之一。 即使在主要系統干擾期間，也必須始終保持頻率穩定性。在這項研究中，在1.5GW發電損失的情況下評估頻率穩定性，其被確定為極端尺寸參考事件。系統頻率響應在不同快照中進行評估，涉及可變可再生能源滲透水平的提高(從9%到65%)，如圖1所示。關于評估標準，系統評估了其在日本西部維持頻率下降超過58.8Hz并且在日本東部維持在49Hz以上(即0.98pu的閾值)的能力。 如果頻率最低點低于此水平，則可能導致發電機和負載斷開，這可能反過來導致局部停電或級聯效應。 監控系統中的剩余慣量對于防止關鍵系統狀態和頻率穩定性問題非常重要。

西部地區頻率最低點的結果如圖E1所示。 在這里可以看出，在西部同步區域中，在快照S1(9%VRES)，S2(45%VRES)和S2b(49%VRES)中，頻率最低點仍然高于58.8Hz的臨界閾值。當應用的唯一校正措施是剩余系統慣性和熱發電機的主要控制時就是這種情況。快照S3(65%vRES)略低于臨界閾值。由于太陽能光伏發電對快速頻率服務的貢獻最小(總共250兆瓦，相當于實際光伏饋電的0.75%)，系統可以將頻率最低點保持在安全工作區域內(即高于58.8Hz))。這突出了基于VRES的FFR服務在這種特殊情況下的積極影響。

除了基于可再生能源的快速頻率響應(尚未普及)之外，還可以實施一系列其他技術解決方案和對服務提供要求的修改，以提高電網穩定性。可采用的技術包括通過HVDC線路的輔助支持，同步冷凝器(例如通過轉換退役的核反應堆來創建)，需求側響應和電池。 在日本，HVDC線路從西部同步區域到東部地區提供的現有600MW輔助支持有助于減輕系統中的頻率損失。本研究詳細評估了該服務對可再生能源一體化的貢獻，如圖E2所示。快照2b再次顯示了如何減輕危急情況以及如何將最低點提升到臨界閾值以上 49.0HZ。 在快照E3中，最低點仍然低于臨界閾值，但它可以提高2.2HZ。 類似地，來自風力渦輪機的快速頻率響應(風FFR)可以保持高于48.0Hz的頻率水平。

風電和光伏發電部署對區域內和區域間的負荷流量具有重大影響。 雖然某些地區的線路負載可能會減少，但預計系統的其他部分會增加。

該研究還調查了可再生能源滲透率在區域間和區域內水平上對負荷流量的影響。表1給出了較高RES情景的綜合結果，表E1顯示了區域間線路的負荷趨勢。這些趨勢分為三類：增加，減少和相同的范圍。增加表明可能需要加強電網，但也可以強調改善運營實踐的好處。實際上，通過向參與跨區域交換的市場參與者提供更高的電網容量(NTC值)，在某些情況下可以實現更高的負載。雖然對電網加固措施的詳細評估需要進一步調查，但我們的研究表明，九州到中國以及從中國到關西的電力流量隨著可變可再生能源滲透率的增加而增加。 相比之下，從四國到關西以及從北陸到關西的能量流減少了。這些趨勢是可以預期的，因為九州、中國和四國的重要太陽能光伏裝置有助于減少這些地區的進口依賴性并將其轉變為凈出口國。最后，VRES滲透率的提高伴隨著北海道 - 東北和中部 - 東京HVDC鏈路出口的增加。在最高VRES滲透快照中，這兩個鏈路都處于最大負載狀態。

該研究進一步評估了更大的可再生能源水平對每個區域內網狀15傳輸線的一般負荷的影響。RES情景較高的結果如表E2所示。一般來說，我們可以觀察到在某些地區(如九州，中國，四國和東北)，線路負荷以及能量傳輸的需求增加，這表明可能需要加強網格。然而，在某些地區，平均線路負荷減少。 這是因為在這些地區，由于裝機容量和能源結構中可再生能源的總占比增加，消費和發電正在彼此靠攏。

間歇性可再生能源可以提供一些額外的輔助服務，特別是額外的無功功率。

基于逆變器的可再生技術(主要由風電和光伏組成)的滲透率的提高具有取代傳統同步電機(即煤電，核電站和氣電)的效果。這種熱發電的位移不僅會影響頻率穩定性，還會影響對確保系統可靠性非常重要的輔助服務，例如無功功率/電壓支持、控制功率、短路電流和系統恢復。該研究表明日本的可再生能源供電水平有多高可能影響無功功率需求。總體結果在表E3中給出。

從這里可以看出，東部和西部地區對無功功率的額外需求仍然在<2GVAr的中等范圍內。該范圍是適中的，2GVAr僅占36GW風和100GW PV的假設可再生能源裝置的一小部分。最先進的風電場和光伏太陽能園區也有默認功能，可以提供無功功率。根據保守的假設，可變可再生能源只能以無功功率的形式貢獻其安裝的有功功率的10%(即100GW的PV可以提供10GVAr的無功功率)，VRES可以輕松滿足額外的2GVAr無功功率需求。可變可再生能源然后可以積極地促進無功功率管理(以及諸如控制功率的其他輔助服務)。

非歧視性市場規則，提高透明度以及最先進的運營和規劃實踐可促進日本可變可再生能源的整合。

根據其他各國的經驗，我們的分析可以得出一些建議。這些建議旨在以降低的成本促進可再生能源的整合，同時保持電力系統的高度可靠性。