美国的电力市场结构（下）：硬件技术篇
本周焦点
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电网是气候转型的基础设施。架空或埋在地下管廊的电线和光纤将我们所有人都连到了一起。为实现2050零净排放的目标，我们必须依赖一个电缆长度甚至可以一直延伸到太阳的超长大电网。
上上周，我们强调美国的电力市场必须为可靠、有韧性和脱碳的电网做好准备。为了实现这一目标，电网需要不断关注电流的平衡。确保电网的可靠性、韧性和安全性是资产、系统和参与者之间必须做出的平衡。随着电力需求因人口增长和电气化转型而增加，扩大和加强电网势在必行。
为了量化这种增长需求，国际能源署（IEA）预计到2040年全球需要新建或升级的电力线路长度约为8000万公里。而电力线路只是“铁轨”，保持“电力火车”的运行，还需要相关的硬件、软件和服务，这些都是构建可靠、有韧性、清洁和可获取的电网的重要组成部分。
如果实现零净排放意味着需要电气化一切，那么在电网技术上的投资将至关重要。因此，今年我们看到公共和私人投资对这个领域的兴趣不断增加。例如在美国，能源部宣布将提供35亿美元用于电网升级，作为电网韧性和创新计划（GRIP）的一部分。
物理和数字“媒人”
电网是基础设施，而电力市场则通过执行两个关键功能保持整个电力系统的正常运转。首先，就像其他大宗商品市场一样，利用价格信号来影响市场行为。其次，它们充当电力买家和卖家之间的媒人，以平衡电子的实时流动。
这种平衡体现在两个层面：
物理层：电力从发电侧流向最终用户侧的基础设施，包括输电线路、配电线路、变压器和变电站设备等系统和结构。
数字层：电网的定价、管理和运营的数据、分析和数字流程。数字层面的交易也决定了电子流动的方向。
在这里，我们将重点关注物理层，具体来说就是电网硬件。我们将向您介绍这个行业的“指南”、美国电力市场运作方式、关键技术和参与者，以及其他需要了解的必备内容。
美国电力价值链速览：
电网遵循四个步骤的价值链。过去电力市场遵循相对线性的运作方式；而现在愈加数字化、分布式和脱碳化的电网则创造了一套更复杂、循环的流程。如上图双向箭头所示，电力不再从发电侧到用户侧单向流动，有时候可能是反向的。
随着居民、商业和工业客户安装分布式能源资源（DERs）、建立虚拟电厂（VPPs）或微电网，他们从持续的电力消费者转变为更灵活的电力需求来源，有时甚至成为电力供应者。但电网运营商如何利用这种额外的灵活性和发电量，并将这些能力纳入电网呢？在市场框架图中，这通过一个数据箭头突显出来。这种数据交换允许具有现场灵活需求、发电和储能能力的最终用户提供辅助和电网灵活性服务。
价值链中的薄弱环节
电网价值链的每个环节都面临着特定的挑战。
发电：公用事业、独立发电厂（IPP）和其他单位从化石、核能和可再生能源中产生电子。
排队等待互连：电网接入速度未能跟上可再生能源项目的投资和建设速度。积压的互连项目在2021年底就已经超过了电网的现有容量。为什么会出现拖延？将新发电资产连接到电网是一个精细且复杂的过程。电网运营商需要确保新资产不会引起干扰或停电，要匹配电网的频率、电压和相位，这都需要时间。
惯性合成和管理：还记得牛顿的第一运动定律吗？惯性是由旋转发电机（如蒸汽涡轮发电机）产生的，并提供储存能量以保持电网的稳定运行。随着越来越多可再生能源上线，保持电网的稳定变得愈加困难。太阳能连接到电网时没有旋转惯性动能的稳定作用，大部分风能也没有直接连接到电网，因此它们提供的惯性合成能力很少或几乎没有。
传输：电力从发电厂通过长距离、高电压的输电线路传输到变电站，变电站将电压降低到市电，然后通过配电网传输。
拥堵：输电线路可能会过载，导致无法将电力传送至最终用户。当输电线路无法满足电力需求并且达到线路容量时，就会发生过载。
损耗：当电力通过导线传输时，并非所有的电力都能从A点传输到B点。在美国，约有5%的输电和配电电力通常会以热能形式损失掉，尤其是在年龄超过50年的老化输电线路中这一比例更高。
物理威胁：由植被生长等物理危害引起的风险威胁着电力传输系统。过度生长的植被、恶劣天气或其他事件可能会损坏输配电线路，导致停电、跳闸，并和其他破坏（如野火）一起形成恶性循环。
长期许可：建设新的输电（和配电）基础设施具有挑战性，而且由于邻里不愿意和在长距离输电线路上所涉及的利益相关方太多，使得获得土地使用（ROW）许可变得更加复杂和困难。不仅需要与许多地方、州和联邦机构合作，还需要获得从公用事业公司到监管机构和土地所有者在内的所有利益相关者的支持。
配电：电力公司将电力从变电站以较低的市电电压传输到终端用户处。
故障和停电：由老化设备或物理损坏引起的设备故障日益普遍，可能导致用户频繁停电。
需求增加：人口增长和电气化转型推动了对电网的更多需求。电力公司现在面临着更大的压力，需要管理增加的线路拥堵，同时减少停电时间，处理设备升级和安装。
污染风险：隔离故障的开关设备传统上使用六氟化硫（SF6）作为绝缘体。这种温室气体的温室效应比二氧化碳高出23,500倍。
最终用途：居民、商业和工业用户用电力进行各种应用。
参与度增加：终端用户正在从被动的消费者转变为电网中的积极参与者。分布式能源资源、虚拟电厂和车辆对电网的输电（V2G）意味着更多的电子从终端用户流回电网。这种双向流动给电网增加了压力，需要有效地管理增加的灵活性和负载。
电网科技中的关键玩家
输电和配电领域正成为创新的热土，为提高整体电网容量、灵活性和韧性提供了巨大的机遇。强大的物理电网，现代化的输配电基础设施，是实现数字化、分布式和低碳、韧性电网的先决条件。
某些电网硬件技术正在引领这一变革，力求解决阻碍电网发展的最迫切问题。它们直接解决基础设施老化或拥挤，无缝集成可再生能源等挑战。
这里我们介绍一些关键技术以及最前沿技术发展的趋势。
先进导体
许多电力线路已经超过了它们的最佳使用年限。这套电力线路是在20世纪中期设计和安装的，目前正在迅速老化，无法应对不断增加的需求压力。由于长时间的使用以及自然的反复损耗，电网已经变得越来越低效、不稳定。
这导致了两个问题：1）电力容量下降，电力线路无法再以相同的成本承载更多的电力；2）电力损耗增加，更多的能量以热的形式散失，而不是被传送到线路的另一端给用户。
先进导体是下一代导线或传输技术，可以取代现有线路，并且能够以更高的效率承载更多的容量。将它们加入电网不需要进行重大的物理改造，并且与铺设新的电力线路相比，避免了漫长的审批许可流程。它们可以为运营商提供即刻解决方案，并优化现有的输电走廊。因此，替换旧电力线路对于想要增加容量、减轻拥挤和减少损失的运营商来说是一个低成本的解决方案。
关键创新者：VEIR已经开发出一种冷却技术，能够使现有的电力线路的传输容量提高5至10倍。TSConductor已经开发出一种轻量级、基于核心的先进导体，能够将线路传输损失降低50%。
应用：美国全国电网(NationalGrid)已经与VEIR合作，试点他们的冷却技术，使传输线路具备“超导”能力。StarwoodEnergy和TSConductor已经建立合资企业，用于建设超导传输线路。
惯性合成与控制
随着越来越多的可再生能源接入，电网惯性水平正在下降。旋转的化石燃气轮机通过惯性储存缓释能量，在电网故障和设备故障期间尤为有用。然而，要在特定时间管理和了解惯性水平以保持电网稳定正变得越来越困难。
惯性合成与控制设备是一组传感器和测量设备，用于检测电网中的惯性水平。可以将其想象成听诊器，可以监听电网储存能量的变化。准确检测惯性水平的变化有助于运营商对故障和停电做出响应。如果惯性水平下降，运营商可以通过启动备用发电机快速做出响应。
关键创新者：ReactiveTechnologies开发了一种调制器，可以向电网发送能量脉冲以检测惯性水平。ThirdEquation正在研究一种可以夹在电网边缘设备上的解决方案，用于测量和响应变化的惯性水平。
应用：ReactiveTechnologies与台湾电力公司（TPC）合作，以识别隐藏的惯性并在更多可再生能源接入电网时保持电网稳定。
先进变压器
与其他电网资产类似，现有的变压器分别用于升压和降压以进行输电和配电。变压器代表着电力在网络中传输的重要接口，确保系统的每个部分都设定在正确的电压上。但它们就像老化的关节一样，变得越来越僵硬，无法应对现代电网所需的负载变化。除此之外，由于变压器通常是根据其在电网中的位置而定制的大型电力设施设备，因此它们越来越难以更换。
先进变压器是下一代变压器，通常具有可互换的即插即用设计，可降低交付和安装成本与时间。这些新型变压器大多是数字化的，允许操作员实时监测其运行状况，并提前预测故障。相比之下，现有的变压器以模拟方式运行，为操作员提供有限的可见性。一些先进变压器还提供基于软件的动态调节，可升降到多个电压级别，以增强电力传输并应对多重负载。
关键创新者：IONATE已开发出一种智能混合变压器，可作为现有变压器的即插即用替代品。通用电气已开发出下一代变压器，为操作员提供监控功能，从而更好地控制变压器。
应用：IONATE的变压器正在西班牙的EDP、葡萄牙和西班牙的E-REDES进行测试。通用电气已获得Amprion的大订单，其先进变压器的交付将于2025年开始。
高压直流（HVDC）
预计到2050年，发电能力将增加55%至108%。通过使用先进导线替换当前的电力线路，可以改善拥挤和损耗，但即使进行了改进，现有的能力仍远低于需求。电网还需要通过新的输电线路扩建，特别是采用高压直流（HVDC）线路。
通常，运营商一直依赖于高压交流（HVAC）线路传输，因为这些线路更便宜、更容易安装，它们不需要在交流（AC）和直流（DC）之间进行功率转换。然而，随着高压直流（HVDC）技术的进步，远距离输电变得更加高效。HVDC线路有助于整合位于近海、跨州甚至跨国边界的可再生能源项目，潜力超越了地区网络。目前，大多数运营中的HVDC项目都在中国，而在欧洲和美国的占比较小。运营中的HVDC线路超过200GW（58,000公里），计划中的线路超过180GW（45,000公里）。
关键创新者：ABB已经开展了众多HVDC项目，提供变流器。Xlinks旨在使用HVDC海底电缆-- 而非架空线路-- 将可再生能源项目连接到电网。
应用：ABB已经建立了多个HVDC项目连接近海风电，并且是HVDC组件的供应商。Xlinks的摩洛哥-英国电力项目计划使用HVDC海底电缆将英国与摩洛哥的大型太阳能和风能开发项目连接起来。
动态线路负载（DLR）
从历史上看，电力线路一直是通过静态线路负载（SLR）和环境调整负载（AAR）进行监测的，这些负载确定了在一组环境条件假设下传输线路可以安全承载的最大电流，通常是基于静态历史数据和每小时数据进行的预测。
由于运营商对各条线路发生的情况没有足够精确的了解，他们难以知道在特定时刻可用的真实容量，并调整反映这种可用容量的电流变化。
动态线路负载（DLR）技术是通过传感器或无人机实时监测电力线路的下一代技术。大多数DLR技术可以像血压监测仪一样，后期安装在现有电力线路上，而不是内置于电力线路本身。DLR技术可以提供有关线路条件（如电压、电流和频率水平）的精准信息。这些数据可以用于确定功率负载，并在线路拥挤时通知运营商，以便他们能够预测、反应和解决问题。
主要创新者：LineVision正在研发首款非接触式DLR传感技术。LakiPower提供可以套在电力传输线上的夹式传感器。
应用：全国电网正在与LineVision合作，安装非接触式DLR监测系统，这些系统安装在控制格线上，而不是直接安装在电力线路上。LakiPower正在在冰岛、希腊和土耳其等国家试点夹式DLR技术。
总结
作为市场参与者，你应该记住...
应用需要时间。运营商/公用事业公司通常对测试或采购可能危及电网可靠性或性能的新技术反应迟缓。与运营商共同开发和共同展开工程解决方案将有助于最小化这种风险，同样可以通过改装增强现有线路和系统的技术来实现。
寻找特定的切入点。进入电网硬件技术市场的机会在特定领域的范围更大。留意那些需要频繁更换并且可以进行改装的产品领域。
停机时间是一大障碍。长时间停机进一步阻止电网运营商/公用事业公司采用新技术。许多先进的传感和动态线路负载（DLR）技术公司正在研发非接触式和夹式传感器，这些传感器在安装过程中不需要任何停机时间。
地点，地点，地点。电网部门的不同标准、法规和程序给技术提供商带来了不确定性。关注美国联邦能源监管委员会（FERC）、英国石油天然气市场监管局（Ofgem）和法国能源监管委员会（CRE）等监管机构的监管规则。
随着市场的成熟，要密切关注…
成熟技术领域中的强势企业。在HVDC、电力流控制和开关以及无SF6开关设备等更成熟和商业上验证过的硬件领域，像ABB、通用电气和日立能源这样的公司将继续保持他们的市场主导地位，因为他们已经具备了规模经济和客户关系。
创新者-运营商开发合作伙伴关系。对于早期的电网技术，比如先进的变压器和惯性合成控制设备，要留意技术提供商和运营商/公用事业公司共同构建工程硬件技术的合作伙伴关系。拥有这种合作关系的公司应该具有优势，因为与运营商/公用事业公司的共同开发可以从一开始就获得更多的支持，成功的机会也更大。
数字化硬件。通过嵌入和利用软件功能，电网硬件越来越成为一个集成解决方案平台。诸如动态线路负载（DLR）和先进变压器这样的硬件技术现在通过数据和远程控制提供完全数字化的灵活性。
瑞士军刀法。一些电网硬件可以帮助解决不止一个问题。例如，先进导线增加了功率容量并减少了功率损失，为增强电网提供了两种功能。同样的情况也适用于先进变压器和惯性合成控制设备。
电网即网络。电流也遵循网络拓扑结构，电力三剑客（发电厂、电网运营商、公用事业公司）的角色变得更加模糊。为了应对对更大电网灵活性的需求和这些模糊的界限，使用能够实现更好控制和开关的硬件将成为新常态。
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