[论文解读] Characterizing Curtailed and Uneconomic Renewable Power in the Mid-continent Independent System Operator

Andrew A. Chien, Fan Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 10被引用 8

一句话总结

本研究利用40个月的5分钟分辨率数据，对MISO电网中的搁浅电力——即被削减或价格过低的可再生能源发电——进行了表征。研究发现，搁浅电力普遍存在（99%的时间内，平均超过1吉瓦），持续时间较长（平均109小时），并表明在高搁浅区域有针对性地部署储能可显著提高其利用率，尽管要实现100%的利用率需要大规模储能容量，且收益递减。

ABSTRACT

As power grids incorporate increased renewable generation such as wind and solar, their variability creates growing challenges for grid stability and efficiency. We study two facets: power the grid is unable to accept (curtailment), and power that is assigned zero economic value by the grid (negative or zero price). Collectively we term these "stranded power" or SP. We study stranded power in the Midcontinent Independent System Operator (MISO), characterizing quantity and temporal structure. First, stranded power is available in the MISO grid 99% of the time, and often in intervals >100 hours, with characteristic seasonal and time-of-day patterns. Average stranded power often exceeds 1 GW, with duty factors as high as 30%. About 30% of all wind generation in MISO is stranded. Examination of the top 10 individual sites shows stranded power can be as high as 70% duty factor and 250MW. Trends over the past 3.5 years suggest stranded power is a persistent phenomenon. The study characterizes opportunities to exploit stranded power. We consider using energy storage to increase the utility of stranded power. For a range of power levels and uniformly-distributed storage, adding 5 hours of storage doubles duty factor to 30% at 4MW, but another 95 hours is required for the next 15% increase. At 4MW with 50 hours of storage, only 3 of 200 sites reach 100% duty factor, and with 100 hours required for the next 10 sites. Higher power levels require 100's of hours. Storage at the top 10 sites is more productive, 5 hours increases duty factor to 70% at 4MW, but further storage has diminishing benefits. Studies of the amount of power served by storage show that distribution to the best sites provides 2 to 3.7-fold advantages over uniform distribution.

研究动机与目标

• 理解MISO电网中搁浅电力（定义为被削减或经济价值为零或负的可再生能源发电）的时间和空间特性。
• 量化3.5年期间搁浅电力的规模、持续时间和模式，以评估其持续性和可扩展性。
• 评估储能技术在提高搁浅电力可用性方面的有效性，特别是通过特定站点的部署策略。
• 识别需求侧负荷转移的机会，例如利用数据中心工作负载来利用搁浅电力资源。
• 通过量化高比例可再生能源渗透带来的挑战与机遇，为未来电网规划和可再生能源整合提供依据。

提出的方法

• 分析40个月的高分辨率（5分钟）MISO市场数据，包括潜在发电量（eco_max）、实际接受发电量以及节点边际电价（LMP）。
• 将“搁浅电力”（SP）定义为削减发电量与被分配零或负经济价值（负LMP）的发电量之和。
• 计算利用率因子（即某站点发电处于搁浅状态的时间比例），并分析其在不同季节和一天中不同时段的时间模式。
• 通过功率和储能容量参数，在单个站点建模储能部署，模拟储能如何延长可用发电时间。
• 比较在所有站点均匀分布储能与仅在前10个高搁浅站点有针对性部署储能的效率增益。
• 使用统计分析方法表征搁浅电力区间的持续时间、频率和规模，包括平均值、标准差和最大持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 MISO电网中的搁浅电力在多大程度上普遍存在且具有时间持续性？其典型持续时间和季节性模式如何？
• RQ2 MISO电网中搁浅电力的年总量是多少？不同风电发电站点之间的变化情况如何？
• RQ3 储能能在多大程度上提高搁浅电力的可用性？这取决于储能容量、功率水平和站点选择吗？
• RQ4 储能分布策略（均匀分布 vs. 针对性部署）如何影响利用率因子和整体系统效率的提升？
• RQ5 在当前储能技术条件下，实现搁浅电力接近100%利用率在经济和技术上存在哪些限制？

主要发现

• 在MISO电网中，搁浅电力在99%的时间内可获得，平均持续时间为109小时（标准差110小时），最大间隔可达816小时。
• 平均搁浅电力超过1吉瓦，该水平下的利用率因子为30%，且MISO中30%的风力发电处于搁浅状态。
• 在前10个站点中，搁浅电力的利用率因子可达到70%，功率达250兆瓦，而要实现100%利用率，需在4兆瓦功率下配置50至100小时的储能。
• 在4兆瓦功率下，为所有站点均匀配置5小时储能，可使利用率因子提升至30%；但仅有3个站点在50小时储能下达到100%利用率，另有10个站点需100小时储能。
• 在前10个高搁浅站点部署储能效果显著更优：5小时储能可使4兆瓦功率下的利用率因子提升至70%，但超过该点后收益递减。
• 将储能分配给前5个最佳站点，其效益是均匀分布的2至3.7倍，凸显了站点选择在最大化利用率中的关键作用。