[论文解读] A 2030 United States Macro Grid Unlocking Geographical Diversity to Accomplish Clean Energy Goals

Yixing Xu, Daniel H. Olsen+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用 5

一句话总结

本文提出了一项结合交流输电（AC）与高压直流输电（HVDC）的全国性美国宏观电网扩展方案，以利用风能与太阳能资源在地理上的多样性，实现成本效益高的脱碳。研究证明，通过优化跨区域电能流动，2030年宏观电网可实现80%清洁电力，其输电成本比当前计划降低50%，系统总成本降低30%。

ABSTRACT

Some U.S. states have set clean energy goals and targets in an effort to decarbonize their electricity sectors. There are many reasons for such goals and targets, including the increasingly apparent effects of climate change. A handful of states (Washington, California, New York, and Virginia) are aiming for deep decarbonization by 2050 or earlier, a mere 30 years or less from today. The urgency of substantial carbon emissions reduction (50% or more by 2030) needed to avoid catastrophic climate impacts requires even more ambitious efforts than some of the original targets (e.g., a 30% renewable portfolio standard) set for between now and 2030. With the cost of solar and wind energy falling faster than expected in recent years, economics are also driving rapid expansion of clean energy investments. With this in mind, this report examines combinations of interregional AC and High-Voltage DC (HVDC) transmission upgrades and additions to evaluate the benefits of large-scale transmission expansion.

研究动机与目标

• 评估大规模输电扩展在实现2030年美国激进清洁能源目标中的作用。
• 评估风能与太阳能资源在地理上的多样性如何降低系统成本并提高电网可靠性。
• 比较不同输电升级情景（包括交流与高压直流互联）在经济与技术性能上的表现。
• 识别能够实现高比例可再生能源渗透率、同时满足可靠性与脱碳目标的成本效益输电投资。
• 通过量化协调性全国规模输电战略的效益，为政策制定与规划提供依据。

提出的方法

• 开发了具有高时间与空间分辨率的美国电力系统生产成本模型，用于模拟电网运行。
• 整合了所有平衡区域的详细输电网络升级，包括交流输电（HVAC）与高压直流输电（HVDC）线路。
• 采用机组组合与经济调度框架，在清洁能源目标下优化发电与输电决策。
• 通过利用各区域可再生能源资源可用性与负荷模式的差异，模拟跨区域电能流动。
• 评估多种输电扩展情景，包括最大化跨区域输电能力的“宏观电网”配置。
• 应用太阳能、风能与输电基础设施的成本数据，计算系统层面的平准化度电成本（LCOE）与投资需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 为实现2030年80%清洁电力目标，交流与高压直流输电升级的最优配置是什么？
• RQ2 风能与太阳能资源在地理上的多样性如何降低系统成本与输电投资需求？
• RQ3 与区域或渐进式输电规划相比，全国宏观电网在成本与可靠性方面有何优势？
• RQ4 不同输电扩展情景如何影响电力的平准化成本与碳排放？
• RQ5 协调性输电扩展在多大程度上可减少弃用并提升可再生能源利用率？

主要发现

• 包含扩展交流与高压直流输电的全国宏观电网，相比当前区域规划方法，可使总系统成本降低30%。
• 宏观电网情景使2030年实现80%清洁电力成为可能，输电投资成本较渐进式扩展计划降低50%（按每兆瓦时计）。
• 与仅限区域部署相比，地理多样性可使可再生能源弃用减少60%，提升资源利用效率。
• 高压直流线路在长距离跨区输电中至关重要，尤其在将平原与西南部等高资源区的电力输送至负荷中心方面。
• 宏观电网配置减少了对可靠备用容量的需求，降低了对天然气与高碳排放调峰电厂的依赖。
• 研究表明，即使太阳能与风能成本快速下降，输电扩展仍是实现2030年激进脱碳目标的关键推动力。