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可再生能源发电并网协调策略的研究

于大洋  
【摘要】: 气候变化和化石能源日益缺乏的压力使可再生能源的开发逐渐受到各国重视。风力发电、光伏发电和电动汽车是三种重要的可再生能源利用方式,正处于迅速发展的过程中。风能、太阳能等可再生能源本身具有间歇性和波动性的特征,因而接入电网后将产生相应的功率波动。传统电网结构和运行方式是为电能集中生产、调度和分配而设计的。当可再生能源发电占比较小时,传统电源能够实时补偿这些功率波动。但是,随着可再生能源接入规模的增加,所产生的功率波动有可能超出传统电源的调节能力极限,给调度自动化造成困难,并且限制了可再生能源的进一步接入。 因此,对电网来说,可再生能源接入的问题首先是保持电源与负荷需求之间的实时平衡。而风电、太阳能发电和电网负荷等各种具有波动性的对象,彼此之间有的具有互补性,有的具有同时性,其影响叠加在一起,增加了电网规划与调度问题的复杂性,也增加了电网为维持功率平衡所付出的成本。可再生能源接入问题的目标实际上是以更低的成本维持电网功率平衡,并尽可能多的利用可再生能源。其基础工作是评估可再生能源的功率波动特性,而这一工作在实际中常常被忽视。因此,可再生能源接入首先要建立电网可再生能源发电功率的评估模型,研究可再生能源发电功率波动的时域规律及其地域相关性,为规划和调度决策提供基础数据和科学依据。其次,电网规划与运行调度要适应电源结构和终端用能方式的转变,从系统层面对电网资源进行协调规划和调度,充分利用不同电源之间以及电源与电网负荷之间的相关性和互补性,限制电网功率波动,减少传统调峰电源和输电容量的投资。 针对上述可再生能源功率波动评估和协调利用这两个问题,本文做了以下工作: 1)针对大范围和长期风速观测网络不完善,风资源数据缺乏的问题,提出了利用美国航天局(NASA) GEOS-5 DAS地球观测数据库的全球风速数据,对大范围风电功率波动进行评估的方法。对中国规划建设中的6个千万千瓦级风电基地的季节性风电功率波动和日内功率波动特性进行了定量分析,并且计算了不同区域风电小时功率波动之间的相关性。所提出的分析方法为区域风电规划提供了科学的依据。 2)分别建立了插电式电动汽车(Plug-in Electric Vehicle, PEV)在自由充电和夜间低谷充电两种模式下的负荷模型,评估了PEV充电对电网负荷需求的影响。提出了通过PEV与风电协同调度提高风电接入能力的方法。通过对中国4个风资源丰富的区域电网2020年的情景分析,证明了PEV负荷低谷充电具有显著的消纳夜间过剩风电的潜力。研究结果为电动汽车充电网络的规划设计和智能调度提供了依据。 3)从太阳辐射变化与电网负荷需求波动的相关性出发,提出了以光伏发电提供调峰容量,实现分布式光伏发电无储能并网的方法,以节省储能环节的投资。证明了光伏发电功率变化与电网负荷波动具有较强的相关性。在不采用储能技术的情况下,光伏发电仍然具有显著的并网潜力。提出了光伏发电利用率的概念,证明了适当降低光伏发电利用率,能够使光伏电量在电网中的占比显著提高,而单位发电成本升高并不显著。 4)对于电源和网络资源的协调问题,从复杂网络模型出发,提出区分源点与网络的不同属性,是降低源网协调问题复杂度的一个重要方法。在此思路下,构建了发电机组与输电线路协调检修计划的主从两层规划模型,分析了电源和支路两个解空间的区别,解释了解空间内大范围“平坦现象“的成因,并针对性地提出了分区搜索算法,显著提高了寻优效率,证实了所提出方法的合理性和有效性。


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