Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Från ökande koldioxidutsläpp, elektrifiering och distribuerad produktion till mer frekventa extrema väderhändelser från klimatförändringar, genomgår elkraftsystemet en enorm förändring. Dessa faktorer påverkar hur nätet planeras och drivs för att upprätthålla säker och pålitlig kraft.
North American Electric Reliability Corporation – som är dedikerad till att övervaka den övergripande hälsan hos bulkkraftsystemet och minimera tillförlitlighets- och säkerhetsrisker – publicerade 2022 Summer Reliability Assessment. Rapporten identifierade flera områden som löper högre risk i sommar på grund av extrema torkaförhållanden, överföringsledningar ur drift, högre efterfrågan och mer. Ökade tillförlitlighetsrisker gör planering av kraftsystem ännu viktigare.
För att rama in frågan om tillförlitlighet använder forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) de "tre Rs för kraftsystems tillförlitlighet":resursanpassa, drifttillförlitlighet och motståndskraft. Alla tre R krävs för ett säkert och pålitligt kraftsystem. Detta koncept har varit vägledande för de senaste NREL-studierna om att bibehålla tillförlitlighet med ett föränderligt nät och miljö.
Det finns ingen enskild absolut definition för var och en av de tre R, och vissa aspekter överlappar varandra. Dessutom utvecklas fortfarande de mätetal som används för att mäta kraftsystemens tillförlitlighet och är för närvarande ett viktigt samtal inom nätplaneringsområdet. Däremot kan de tre R:en informera holistisk kraftsystemplanering och drift för att säkerställa ett säkert och pålitligt nät.
"Varje region är olika och kräver sin egen unika analys, men de tre R kan hjälpa till att ge en mer heltäckande bild av kraftsystems tillförlitlighet och risker för nätplanerare, tillsynsmyndigheter och beslutsfattare", säger Paul Denholm, energianalytiker på NREL. "De tre R kan också vägleda utvecklingen av kraftsystems tillförlitlighetsmått framöver."
Resurstillräcklighet:Tillräcklig ledig kapacitet
Resursanvändning är kraftsystemets förmåga att leverera tillräckligt med el – på rätt ställen – för att hålla lamporna tända, även under extrema väderdagar eller tider då belastningen minskar. Tillräcklighet av resurser mäts vanligtvis som sannolikheten för ett avbrott under en längre tid. När NREL utvärderar resursernas tillräcklighet tar NREL i stort sett hänsyn till osäkerhet i både utbud och efterfrågan.
Belastningsosäkerhet inkluderar ökande elbehov, stressiga belastningsperioder med mera. Försörjningsosäkerhet inkluderar enstaka men förväntade vanliga avbrott i kraftverk, transmissions- och distributionsledningar och annan nätutrustning. Osäkerhet i utbudet inkluderar också tillgången på varierande resurser som sol och vind, såväl som energilagring och efterfrågerespons, särskilt under tider av systemstress.
Ett lämpligt system har tillräckligt med tillgängliga resurser (t.ex. ledig kapacitet och/eller flexibel belastning) för att ersätta kapacitet som går sönder, är ur drift för underhåll eller är otillgänglig på grund av bränslebegränsningar. Transmissionssystemet är också viktigt för att säkerställa att resurserna är tillräckliga eftersom det ger generering från många resurser till lastplatser och ger tillgång till en större mångfald av variabla förnybara resurser och belastning över närliggande regioner.
I takt med att fler förnybara energikällor läggs till nätet, måste resursanvändning i allt högre grad ta hänsyn till variationen i förnybar energiförsörjning, lagrings roll, förändringar i efterfrågemönster och effekterna av överföringsavbrott och interregional samordning.
Driftssäkerhet:Förmåga att svara i realtid
Driftsäkerhet är kraftsystemets förmåga att balansera utbud och efterfrågan i realtid genom att hantera variabilitet, rampningsbegränsningar och flexibla belastningar – inklusive omedelbart efter en "händelse" som ett stort kraftverk eller överföringsledningsfel. Ett pålitligt elsystem kan hålla lamporna tända under dessa oväntade händelser med kraftverk som snabbt kan variera produktionen eller slutanvändare som kan minska sin elförbrukning.
En aspekt av driftsäkerhet är driftsreserver, eller tillgänglig ledig kapacitet som aktivt reagerar under en händelse för att hjälpa till att balansera kraften och upprätthålla en stabil frekvens. Till exempel ger tröghet på nätet tid för de mekaniska systemen som styr de flesta kraftverk att upptäcka och reagera på ett fel.
Nättjänster som tröghet har traditionellt tillhandahållits av konventionella fossila, kärnkrafts- eller vattenkraftverk som använder snurrande synkrona generatorer. Däremot är vind, solceller och batterier växelriktarbaserade resurser, vilket innebär att de förlitar sig på kraftelektronik, eller växelriktare, för att generera nätkompatibel el.
"Eftersom fler konventionella generatorer ersätts med växelriktarbaserade resurser är det viktigt att förstå hur de kan upprätthålla ett säkert och stabilt nät", säger Mohit Joshi, NREL-nätanalytiker som stödjer utvecklingsländer i Sydasien och Sydostasien med deras långsiktiga planering av kraftsystem.
Resiliens:Förmåga att studsa tillbaka
Resiliens är inte lika tydligt definierad som resurstillräcklighet eller driftsäkerhet. Federal Energy Regulatory Commission definierar det som "förmågan att motstå och minska omfattningen och/eller varaktigheten av störande händelser, vilket inkluderar förmågan att förutse, absorbera, anpassa sig till och/eller snabbt återhämta sig från en sådan händelse."
Delar av motståndskraften överlappar med resursanvändning och driftsäkerhet, men generellt sett fångar det hur väl ett system återhämtar sig eller hur snabbt strömmen kan återställas efter ett avbrott. Resiliens inkluderar också mer extrema händelser än de typiska avbrotten som anses vara tillräckliga med resurser och driftsäkerhet.
"Under åren med ökande förnybar produktion, elfordon, efterfrågerespons och andra framväxande teknologier har vi lärt oss att det inte behöver vara en avvägning mellan avkarbonisering och kraftsystems tillförlitlighet," sa Joshi. "För ungefär ett decennium sedan fanns det skepsis i länderna i Sydasien och Sydostasien om kraftsystemet skulle kunna fungera med vind och sol, men i vissa nät har vi sett momentana bidrag från variabel produktion upp till 100%. Framöver kommer det att vara ny teknik och det kan finnas nya utmaningar, men genom vår forskning kan vi hitta lösningar för att fortsätta säkerställa ett koldioxidsnålt, säkert och pålitligt nät." + Utforska vidare
