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大规模风电送出与消纳

作者:威廉亚洲 发布时间:2020-06-26 08:46 点击数:

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  大规模风电送出与消纳是指将风电场所发出的电能一部分用于本地负荷供电,另一部分通过电力网络远距离送到其他用电地区。要实现对风电的充分消纳,必须在调度模型中充分考虑风电的不确定性,合理安排常规电源的旋转备用,并协调调度的经济性和可靠性,在满足电网安全稳定运行的前提下实现综合效益的最优。

  Large-scale wind power sent andconsumption

  随着经济的快速发展,传统化石能源的不可再生和碳排放问题,使得世界各国开始寻求低碳发展道路,竞相发展可再生能源。其中,风电资源丰富、装机灵活,在世界范围内发展迅猛,产生了良好的经济效益和环境效益。

  2015年全球风电产业新增装机63.5GW,同比增长22%。其中,中国新增装机30.8 GW,美国8.6 GW、德国6 GW。连续2年,风电增长贡献了世界电力增长的一半左右,使得世界经济增长的同时COZ排放保持稳定。截至2015年底,全球风电总装机容量432.9GW,中国145.4GW,成为最大市场。

  在风电利用上,美国凭借成熟的市场机制,成为世界上最大的风电生产国,2015年以74.5GW的装机生产了1x10 MWh的风电;欧洲国家借助灵活的电源结构和电力互联模式,实现了高效的风电消纳。其中,丹麦42%的发电量来自风电,创下全球最高风电占比记录,其他欧洲国家风电占比也普遍大于10%。

  但是,在中国,风电利用率不高的问题突出。2015年全国弃风电量达到3.39x10 kWh,直接经济损失超过180亿元;2016年一季度全国弃风情况愈发严峻,平均弃风率26%,“三北”地区平均弃风率更是逼近40%。弃风问题日趋常态化,如何增加风电消纳已经成为了国家、社会、企业关注的一个重要课题。

  其他国家的风电发展给我国风电消纳提供了借鉴,主要的消纳途径可以分为灵活的电源结构、储能系统和跨国的电力联网3类。美国利用大量燃气机组进行调峰,增加了电网消纳风电的能力,西班牙拥有灵活的电源结构和抽水蓄能系统,适应大规模风电的开发。德国和丹麦则利用了强大的跨国电力联网,将风电和周边国家电源结合,实现了高比例的风电消纳

  中国弃风率高的原因有很多,最大的问题是燃煤机组占比大,灵活性较差,不利于电网接纳风电。研究风电消纳途径,对中国风电发展至关重要,不仅可节约能源,对环境减排也能发挥作用,保障社会经济的可持续发展。

  目前,有很多学者从经济可行、技术可行和政策建议等角度研究风电消纳途径,并取得了诸多成果。其中,主要的风电消纳途径有储能技术、跨区域消纳、多能互补模式和需求侧响应4种。

  具体的途径技术离不开政策的引导,其中最为常见的是价格机制。合理的价格机制是保证风电健康可持续发展的前提,涉及到风电输送成本、电网备用服务成本、国家补贴机制等。美国以州为单位,独立运行电网,价格机制灵活,制定了许多政策和激励措施以促进风电的发展。西班牙通过建立清晰的备用有偿服务价格机制,引导风电和其他电源有序发展,合理分配消纳风电的利益。

  现阶段我国风电在供电结构中占比较少,适用增量成本核算。通过比较风电消纳前后的总费用,核算风电的输送成本和备用服务成本,操作简单易行。风电本身的随机性,需要灵活的价格机制,实现需求侧的响应,最大化地消纳风电,支撑风电的长期稳定增长。如风电供热价格机制。

  储能技术不仅能从需求侧改变负荷特征,在弃风时合理利用风电;还能从供给侧提升电源结构的灵活性,增加电网消纳风电的能力。常见的风电消纳储能技术有储能电池、抽水蓄能和储热系统。

  储能电池有体积小、反应速度快、安装方便的特征,在新能源发电应用前景广;但是寿命短、成本高、化学污染等问题有待进一步优化解决。抽水蓄能被认为是水电缺乏地区调整电源结构、解决风电消纳能力问题的有效途径,也是欧洲国家高效率消纳风电的推手。储热系统的运用可以增加热电联产电厂的热电关系灵活性,降低热电厂的供电出力,也可以在供热系统中直接消耗风电、参与储热。另外,生物质发电厂,运用高温储能方式,实现风电的规模化存储。以氢储能技术为媒介将风电和煤化工进行整合,在减少煤化工对环境污染的同时,可以提高风电消纳能力。

  运用储能技术消纳风电的研究主要集中在2个方面。从规划角度研究储热、储能的最佳容量、接入节点的最优选择,从调度角度研究风电、火电、储能等不同电源的协同例、储能系统的最优运行。结果表明,上述因素对风电消纳能力有明显的影响。

  在欧洲,由于跨国电力联网的存在,各国电网安全性得到提升,增加了风电消纳的能力。同时,欧洲国家为风电并网要求设立了严格的标准,规范了风电上网的质量,保证了系统的安全稳定运行。

  在中国,风电资源丰富的“三北”地区远离负荷中心,普遍存在就地消纳能力不足的问题。为实现风电的又快又好发展,跨区域消纳是必不可少的途径,为此电网输电线路需要协调、科学规划。以特高压跨区输电和“三华”特高压同步电网建设为重点的坚强智能电网,可有力支撑我国大规模风电消纳。

  基于全国各区域用电情况、电源情况、电网建设情况,“三北”地区风电需要输送到华北电网京津冀鲁、华东电网和华中电网东部;从经济性和安全性考虑,输送方式适合风火联合外送。另外,针对不同地区,考虑自身具体情况和相邻区域情况,比较不同风电外送方案,可以研究制定适合地区特点的消纳模式。

  多能互补是指采取多种能源互相补充,以缓解能源供需矛盾,合理保护自然资源。常见的风电消纳多能互补模式有风水互补、风光互补、热泵、电锅炉以及电动汽车等。

  风水互补是利用水电的调峰能力,消纳风电的一种模式。风电和水电在季节上的互补特性,使得风水互补成为可能;但是在地域上的差别,使得风水互补模式需要远距离、大容量调度。

  风光互补模式利用太阳能和风能在资源条件和技术应用上很好的互补特性,既可以保障系统的供电可靠性,又能合理利用新能源,在独立的供电系统中应用广泛,例如海岛供电系统、边防哨所供电系统等。

  热泵、电锅炉不仅能有效利用风电,替代传统供热机组供热,从而减少化石能源的使用问,还能减少热电联产机组出力,增加电网的调峰灵活性,从而消纳更多的风电。

  电动汽车的发展为风电消纳增加了一种新的途径,在夜间弃风期有效利用风电进行充电,消纳风电的同时减少了汽车尾气排放,是未来生活的一种环境友好消费方式。

  风电多集中在夜间,而夜间用电负荷小,使得风电具有反调峰特性。运用需求侧响应资源可主观地改变负荷特征,实现风电的消纳间。常见的方式有:通过电力需求侧管理,激励负荷侧的高载能企业参与调峰;通过供暖需求侧管理,在热电联产机组和风力发电机组之间实现新的最优化负荷分配。

  高耗能企业承载着大规模用电负荷,主动参与调峰不仅能提高风电消纳能力,而且能够缓解电网调峰压力。另外,在相关政策补偿的支持下,可为企业节约生产成本,吸引高耗能企业参与。

  冬季采暖期也是大规模弃风期,通过供暖需求侧管理,引导用户利用风电采暖,分担部分传统热电联产机组热负荷,调节热网总采暖热负荷和电网总电力负荷。

  同时,在运用需求侧响应增加风电消纳时,要避免风电获得国家补贴,给用电企业让利,形成重新补贴污染企业、高耗能企业的怪圈。风电市场的规范化、成熟化是风电消纳迫切所需的。

  对风电消纳途径的研究集中在方法的介绍、价值的分析和实例的验证方面,侧重方案的可行性分析。但是电力系统最重要的是安全性问题,风电消纳的核心也是在保障系统安全的前提下消纳风电,所以在研究风电消纳途径时,风险的研究至关重要;同时,技术的运用离开市场就缺乏生命力,消纳途径的推广离不开政策的引导,政策效果的研究对风电消纳意义重大

  风电并网给电网带来了安全隐患,风电消纳必然会改变系统的运行,简单地考虑系统平衡的约束无法满足系统的安全要求。对风电消纳途径风险的研究可以从风险控制和预警机制方面着手,评价风险大小,研究安全保障机制。

  风电行业受政策影响迅速,风电政策效果的研究对于新政策的制定有重要意义。经济学上,政策效果的研究已经很成熟,有大量研究成果,对风电政策研究有一定的参考价值。

  火电在中国现有电力结构中占有绝对比例,而火电的灵活性不足是弃风问题的本质原因。与欧洲国家相比,中国火电机组的调峰能力明显较差,有很大的提升空间。但是,通过改造火电机组灵活性消纳风电,不仅给火电带来了改造费用,还减少了火电的上网电量,导致火电利润的损失,需要合理的补偿机制。

  要实现对风电的充分消纳,必须在调度模型中充分考虑风电的不确定性,合理安排常规电源的旋转备用,并协调调度的经济性和可靠性,在满足电网安全稳定运行的前提下实现综合效益的最优。其关键技术体现在如下几个方面

  风电出力具有不确定性。当风电的渗透率较大时,其出力的不确定性将给电网调度带来很大的影响。第一,风电出力的不确定性将影响电网的有功平衡。在负荷低谷时段,如果风电出力往上波动较大,常规电源下调容量不足将会造成弃风损失;在负荷高峰时段,如果风电出力往下波动较大,常规电源上调容量不足将会造成缺电损失。第二,风电出力的不确定性可能会造成线路潮流越限。传统经济调度为了追求经济性,个别线路往往运行在安全边界上,当风电出力波动时很容易造成线路潮流越限。

  为降低风电出力的不确定性对电网调度的不利影响,学者们提出了场景分析、随机规划、鲁棒规划等一系列方法。

  由于风电的不可调度性和波动性,在电网经济调度中通常要求常规电源为风电预留旋转备用容量。那关键问题在于,需要预留多少的备用容量才是最合理的。一方面,预留的备用越多,电网越安全可靠,但预留的备用越多意味着调度模型的约束越严格,牺牲了经济性;反之,预留的备用越小,调度的经济性越好,但可靠性差。因此,调度的经济性和可靠性存在矛盾冲突的关系,如何协调两者的关系将是含风电的经济调度的技术难题。

  传统的含安全约束的机组组合问题(SCUC)和经济调度问题(SCED)分别是大规模非线性混合整数规划问题和大规模非线性连续规划问题。经过学者多年的研究,针对这两类问题己经提出了许多有效的求解算法。但随着电网规模的逐渐增大以及大规模风电的接入,极大地增加了问题求解的难度。目前,含大规模风电的经济调度求解问题仍没得到很好地解决。

  无论国内、国外,风电消纳途径的研究整体上比较系统,涉及电力系统供给端、消费端和中间节点各个方面,时效性强,对我国风电消纳有很好的帮助。随着电力体制改革的不断深人,国家对新能源的扶持,以及新的互联网技术的创新,“弃风”问题必然可得到解决,我国风电发展前景广阔。

  专家预测,到2030年风电可以满足11.9%的中国对一次能源的需求。而要达到这一比例,关键是要建立风电输送通道,解决风电产地与负荷终端的距离问题;降低风电生产成本,实现风电产业的市场化;开拓就地消纳市场,解决好风电和其他电源的矛盾。

  在中国,各地方在风电消纳问题上已经有所成效。辽宁省通过在供暖期合理调整供热火电机组的开机,控制供热机组下限负荷,增加电网风电消纳能力;同时,利用东北电网富余风电送华北电量交易模式,实现风电的异地消纳。内蒙古进一步增加新能源装机,优化电力结构;同时,利用政策引导,优先保障清洁能源就近消纳。乌鲁木齐建设“风电供暖”项目,将弃风电量引人供热系统,实现了热源的清洁化。

  随着电动汽车的进一步发展,未来逐步替代传统汽车的市场前景大,为大规模消纳风电提供了可能;另外,石墨烯等新型材料的出现,改变了储能电池的特性,一旦技术成熟、成本降低,会对风电消纳产生重大影响;新能源微电网是“互联网+”在能源领域的创新,对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义,符合电力体制改革的方向,可为新能源创造巨大发展空间;能源互联网的理念,打破了能源独立发展的限制,能源、信息和微网的协同,可打造坚强智能电网,给风电提供发展平台。

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