含间歇性电源的发电资源互补优化研究.pdf

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含间歇性电源的发电资源互补优化研究1 含间歇性电源的发电资源互补优化研究2 含间歇性电源的发电资源互补优化研究3 含间歇性电源的发电资源互补优化研究4 含间歇性电源的发电资源互补优化研究5 含间歇性电源的发电资源互补优化研究6
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第41卷第9期2013年5月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.41NO.9May1,2013含间歇性电源的发电资源互补优化研究李洪美,罗建裕。,万秋兰(1.东南大学电气工程学院,江苏南京210096;2.江苏师范大学电气工程及自动化学院,江苏徐州2211163.江苏省电力公司,江苏南京210096)摘要:为最大限度实现可再生资源的合理利用和有效平缓可再生能源的波动性,实现发电的连续性和平滑性,定义了不可调资源之间的自然互补特性的定量评价指标一一互补率:定义了可调资源和不可调资源之间的人工互补特性的定量评价指标一一平滑度。应用互补率和平滑度指标分别研究了风、光的自然互补特性和风、光、储的AJ- ̄b特性。综合利用上述两个指标进行了含间歇性电源的发电资源互补优化策略研究。研究结果表明,互补率和平滑性指标提供了不可调资源容量的配比和可调资源的配置容量的定量分析方法,可实现含间歇性电源的发电资源综合互补优化。关键词:间歇性电源;互补率;平滑度;互补优化ManualcomplementarinessoptimizationofelectricalsourceinvolvingintermittentpowerLIHong.mei一,LUOJian-yu。,WANQiu.1an(1.SchoolofElectricalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.SchoolofElec ̄icalEngineeringandAutomation,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116,China;3.JiangsuElectricPowerCompany,Nanjing210096,China)Abstract:Inordertomaximizetheusageofrenewablegeneration,compensateitsfluctuationandacquireacontinuousandsmoothoutput,thispaperdefinestwoindices.Complementarydegreeisdefinedformeasuringthenaturalcomplementarycharacteristicsofthestochasticgenerations,andsmoothnessisdefinedformeasuringtheeffectofmanualcomplementarinessbetweenadjustableandstochasticgenerations.ThesetwoindicesareemployedtostudythenaturalcomplementarycharacteristicinvolvingwindpowerandPVandthemanualcomplementarinessinvolvingwindpower,PVandenergystoragesystem,respectively.Finally,analysesoftwoindicesaresynthesizedtoformacomplementarystrategy.ThisstudyisaguidancetodeterminethermioofstochasticgenerationsandthecapacityconfigurationofadjustablegenerationsaswellasagoodreferenceforoptimizingthesizeofESSinthissite.ThisworkissupposedbyNationalHigh・techResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(No.2011AA05A105).Keywords:intermittentpower;complementarydegree;smoothness;complementaryoptimization中图分类号:TM71文献标识码:A———文章编号:16743415(2013)090034060引言化石能源枯竭、环境恶化是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。作为解决全球能源与环境危机的重要途径,可再生能源,如风能、太阳能、潮汐能、地热能等,可以部分替代化石燃料作为发电的一次能源。然而,几种重要的可再生能源发电形式都具有波动性、间歇性和随机性的特点。这些间歇性电源的大规模并网应用,势必会给电力系统的安全、稳定运行和电能质量带来严峻挑战L1。4J。很基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA05A105)多学者就如何科学、合理的配合、利用多种问歇性电源做了大量的研究工作[5-151。虽然风、光等可再生能源是不可调资源,但是它们之问却存在诸多的自然特性,使它们在时间和空间上有很好的天然互补性。充分利用和定量评价不可调资源的自然互补特性能最大限度实现可再生资源的合理利用。针对可再生能源波动性、间歇性和随机性的特点,将可调资源与不可调资源进行人工互补能有效平缓可再生能源的波动性,实现发电的连续性和平滑性。本文基于不可调资源之间的自然互补特性定义了定量评价指标一互补率;基于可调资源和不可调——资源之间的人工互补特性定义了定量评价指标李洪美,等含间歇性电源的发电资源互补优化研究.35.平滑度。利用互补率指标具体研究了风、光的自然互补特性。同时利用平滑度指标研究了风、光、储的人工互补特性。利用上述两个指标,进行了含间歇性电源的发电资源互补优化策略研究,该研究对不可调资源容量配比和可调资源的最佳配置容量确定提供了定量分析方法。的重要前提。对可调资源与不可调资源之间的人工互补特性,本文定义了平滑度进行定量评价。其定义表达式为:(.+1)一t(3)足1含间歇性电源的发电资源互补特性研究式中:为了提高系统运行的平稳性,希望间歇性电源Ⅳ式中:为数据的采样值;为采样点的总数;为总采样点的均值。本文所考察的是功率的波动性,所以定义的指标均采用标准差对间歇性电源输出的波动性进行度量。——1.1不可调资源之间的自然互补特性定量评价互补率对于不可调资源之间存在的天然互补特性,本文定义互补率指标进行定量评价。该评价指标反映了两种以上不可调资源之间自然特性互补后对功率波动的平抑程度。互补率的具体定义如式(2)。j}:二(2)其中:k为互补率;O"A为系统中容量最大的一种不可调资源输出功率的均方差;oi为其余不可调资源计入后系统总输出功率的均方差。互补率的取值范围为(一oo,1),k还可表示为:一疗k=二A_X100%,在均方差统计时间长度相同的情况下,k值越大,说明不可调资源之问的互补性越好。若k小于零,说明多种不可调资源的共同作用导致系统的波动性加剧。1.2可调资源与不可调资源之间的人工互补特性定——量评价平滑度电力系统中存在多种可调资源,如水电、火电、抽水蓄能、储能、可调负荷等。利用可调资源进行不可调资源的人工互补和优化,实现发电资源功率输出的连续性和平滑性是电力系统消纳不可调资源P可调能'源j表示平滑度;乏=姜(一尸不可调资源,一=;一一尸不可调资漏一尸可调能源f;。为基准功率。其中,N为采样数据总点数,本文分析采用一日内为96个采样点。…平滑度计算表达式(3)中引入基准功率是为了消除由于系统容量不同但平滑度相同时,导致系统平滑度计算结果不同的问题。其取值类似于电力系统潮流计算时基准功率的取值,只有基准功率取值相同的情况下,计算的系统平滑度才具有可比性。图l中的两条曲线分别是负荷、风电、光电、储能容量倍数不同的情况下,在没有引入基准容量转换时的平滑度。其横坐标为储能装置容量。由图1可见,容量不同但波动性相同的两个系统,它们图1功率波动程度相同的不同容量系统平滑度Fig.1Smoothnessoftwodifferentcapacitysystemswiththesamepowerfluctuation图2考虑基准容量之后的平滑度Fig.2Smoothnessconsideringbasepower电力系统保护与控制的平滑度却不同,这样显然不能反映真实的波动性。图2是引入基准功率后,容量不同波动相同的两系统的平滑度指标。可见引入基准功率后,消去了因系统容量差异带来对平滑度指标计算的影响。2不可调资源互补特性分析以风、光互补为例进行分析。主要分析了同一地区在不同季节的风光互补率的差异以及风、光容量不同配比条件下的互补率变化规律。2.1风、光不同季节互补率特性分析对于同一供用电系统,由于不同季节风速、太阳光照强度等都有较大差异,这些差异会导致其间歇性电源之间的互补率的不同。本文以差别比较大的夏季和冬季为例进行分析。图3、图4分别是冬夏两季的风电和光电输出曲线。图3冬、夏两季光电输出曲线Fig.3Solarpowerinwinterandsummer图4冬、夏两季风电曲线Fig.4Windpowerinwinterandsummer图5是上述风电系统冬、夏两季光电容量变化时对应的互补率变化对比图。由图可知,在相同光电容量的情况下,冬季系统的互补率较夏季好。冬季和夏季的最佳互补率分别为0.43和0.093。本例中可选取光电为240MW。此时光电和风电容量比为1:2.9,对应的冬季、夏季的互补率分别为0.4237和一0.8616。图6是采用该互补率进行风光互补后,得到的夏、冬两季风、光总输出曲线。从输出曲线可以看出,冬季风电互补后得到的曲线比单独的风电输出曲线平稳性有所增加;夏季加入光电后波动性稍微增加。图5不同季节互补率与光电容量关系Fig.5Relationsbetweencomplementarydegreeandsolarcapacityindifferemseasonstl11.图6不同季节风、光联合系统输出Fig.6Totalpowerofwindandsolarindifferemseasons2.2风、光容量不同配比的互补率分析以某风电场3月份一天内的典型有功输出为例进行风、光互补率分析。图7是在风电功率一定的情况下,随着光电额定容量的变化,风光互补率的变化曲线。由图可见,随着光电额定功率的增加,风光互补率逐渐变大,对于该风光互补系统,最佳互补率为0.4;当光电容量增大到一定程度时,再继续增加光电的额定容量,其互补率又呈降低趋势,因为光电容量继续增加,系统的波动性会进一步由于光电的间歇性而增大。由此可以看出,对于特定特性的间歇性电源,它们之间有一个最佳配比,只有它们的比例达到最佳配比,其相互之间的互补率才能达到最大值,即互补性最好。图7互补率随光电容量增加而变化的曲线Fig.7Complementarydegreechangecurvealongwithsolarpower事雕舔李洪美,等含间歇性电源的发电资源互补优化研究.37.图8是对风光互补率分别为0(即没有光电接入)、0.1、0.4(最佳互补率)和一0.1(光电过补)四种情况下风光综合功率输出曲线进行了对比,采用最佳互补率时对应的光电装机容量后,风光输出曲线明显比其余情况要平稳。当互补率为负值时,表明由于光电的加入而导致风光系统的平稳性进一步变差。图8风光不同互补率输出功率曲线Fig.8Windandsolarpowerondifferentcomplementarydegree从上述实际系统的风、光互补率变化趋势可以看出,本文所提的间歇性电源互补率计算方法,能够反映间歇性电源联合发电系统中间歇性能源之间的互补程度。同时,该指标能为间歇性电源装机容量的配比进行定量分析。3含可调资源系统平滑度特性分析以风、光、储为例进行平滑度特性分析。图9为含储能装置的风、光系统平滑度随储能装置容量变化而变化的曲线。由图可知储能装置容量越大,其平滑度指标就越高。×10_6P/MW×105图9储能装置容量增加时平滑度指标变化Fig.9Smoothnesschangewhenenergystoragesystemcapacityincreases地图10平滑度与机组输出功率波动关系Fig.10Relationbetweensmoothnessandpowerfluctuation图10是含有间歇性电源系统,加入储能装置后,在不同平滑度的情况下,系统等值负荷曲线变化情况。图中曲线分别是平滑度为3.6033e.006(此时储能装置容量为O)、4.0136e.006和6.441le.006三种情况下,负荷减去风、光、储后剩余容量曲线,其对应的储能装置容量分别是0、140kW和500kW。可见,随着储能装置容量的增加,使含有间歇性电源系统的功率波动得到了明显的改善,从而增加了系统的平稳性。在实际系统中可以根据系统对功率平稳性要求并结合系统的经济性,对储能装置容量配比做出合适的选择。4发电资源互补优化策略本文定义的互补率和平滑度指标,为含有间歇性电源的电力系统能源配置提供了定量分析的方法。根据间歇性电源的互补率指标,可以确定间歇性电源装机容量的最佳配比,即利用不同间歇性电源之间固有的互补特性使功率波动得到初步平缓。依据平滑度指标,利用配置可调资源的容量进行人工互补,使含有间歇性电源发电系统的功率波动得到进一步平抑,以实现发电的连续性和平滑性。含有间歇性电源的发电互补优化就是两种互补特性的有机结合和利用。以含有风、光、储的实际系统为例进行间歇性能源优化配置分析。某地区一年各个季度典型负荷曲线、风、光输出功率特性曲线如图11~图l3所示。×104图11各个季节日典型负荷曲线Fig.11Dayloadcurveindifferentseasons图12各个季节日光电输出曲线Fig.12Daysolarcurveindifferentseasons亭啡.38.电力系统保护与控制≥要.I;lL雷删基图13各个季节日风电输出功率曲线Fig.13Daywindpowercurveindifferentseasons4.1风、光容量配置对上述含风光的系统采用互补率的概念对风、光容量配比进行分析计算。由于不同季节风电、光电各自的输出特性不同,相应的间歇性电源的互补率也就不同。图14是图11、图12所示风、光输出特性下,不同季节对应的风、光互补率变化情况,图中横坐标为光电装机容量。由于夏季风电功率波动不是太大,并且风电总输出较小,所以,只要少量的光电就可达到其最佳互补率;秋季风电输出较大,输出波动较强,并且从其风电输出特性上看,白天风较小,晚上较大,所以达到最佳互补率所需光电容量也较大;其次是春季;综合各个季度平滑度指标的性能,对于该系统,光电容量可以选取160MW,即为风电装机容量的29%。图14不同季节光电容量变化时互补率变化情况Fig.14Complementarydegreechangeswithsolarenergy4.2储能装置容量配置为了进一步提高含间歇性电源系统功率输出平稳性,采用平滑度指标对系统中的储能装置容量进行配置。仍以上述算例进行分析,根据互补率确定的风、光与负荷容量配比结果,利用平滑度指标,计算所需的储能装置容量。图15是对于已知负荷、风、光容量的系统,不同储能装置容量得到的系统的平滑度指标变化情况。横坐标为储能装置容量,纵坐标为平滑度指标。由图知,随着储能装置容量的增加,系统的平滑度在逐渐变大,但当储能装置容量增加到一定程度后,由于受储能装置电量释放吸收速度的限制,再增加其容量,对系统平滑度的贡献相对变小。图15平滑度随储能装置容量变化曲线Fig.15Smoothnesschangeswithcapacityofenergystoragesystem在相同容量储能装置的情况下,夏季平滑度指标最低,春季与冬季平滑度指标相近,其相对平滑度较高。虽然每个季度的平滑度指标在数值上不同,但它们有个共同特点,当储能装置容量达到8MW时,平滑度都达到相对较好的效果,储能装置的装机容量继续增加,虽然平滑度水平有所提高,但提高比较缓慢,所以从经济性考虑,对于该系统,储能装置配置容量可以选取为8Mw。5结论通过对风、光的自然互补特性和风、光、储的人工互补特性的分析与仿真,可以得到以下结论:1)本文定义的不可调资源之间的互补特性指标互补率,能定量评价不可调资源之间的自然互补性能。该指标为不可调资源之间容量配比提供了分析方法。依据互补率变化规律可得到最佳间歇性电源之间的容量配比,能有效利用不可调资源之间的自然互补特性进行功率波动的平抑。2)本文定义的可调资源和不可调资源之间的互补特性指标平滑性,能定量评价可调资源的容量进行人工互补的性能。该指标可根据平滑性要求,确定可调资源的容量配比,使含有间歇性电源发电系统的功率波动得到更好的平抑,以满足发电的连续性和平滑性的需要。3)将互补率和平滑性两个指标结合应用,可实现含间歇性电源的发电资源综合互补优化,能最李洪美,等含间歇性电源的发电资源互补优化研究.39.大限度实现可再生资源的合理利用和有效平缓可再生能源的波动。参考文献[1]李传统.新能源与可再生能源技术【M】.南京:东南大学出版社,2005.LIChuan-tong.Newenergyandrenewableenergytechnology[M].Nanjing:SoutheastUniversityPress,2005.“”[2]国家发展改革委.可再生能源发展十一五规划[R].北京:2008.TheNationalDevelopmentandReformCommission.”RenewableenergydevelopmentplanningofEleven”Five[R].Beijing:2008.[3]王长贵,王淳,董路影,等.小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理【M].北京:中国电力出版社,2004.WANGChang-gui,WANGChun,DONGLu-ying,eta1.Smallnewenergyandrenewableenergypowergenerationsystemconstructionandmanagement[M].Beijing:ChinaElectricPowerPress,2004.[4]黄亚峰.风电机输出功率波动平抑控制的可行性[D】.吉林:东北电力大学,2006.HUANOYa-feng.Thefeasibilityofwindmotoroutputpowerfluctuationstabilizecontrol[D].Jilin:NortheastDianliUniversity,2006.[5]牟聿强,王秀丽,别朝红,等.风电场风速随机性及容量系数分析[J】.电力系统保护与控制,2009,37(1):65.70.MUYu・qiang,WANGXiu-li,BIEZhao-hong,eta1.Analysisofwindspeedprobabilitydistributionandwindturbinegeneratorcapacityfactor[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2009,37(1):6570.[6]尚志娟,周晖,王天华.带有储能装置的风电与水电互补系统的研究[J】.电力系统保护与控制,2012,40(2):99.1O5.—SHANGZhi-juan,ZHOUHui,WANGTianhua.Researchofcomplementarysystemforwindpowerwithenergystoragedevicesandhydropower[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,4O(2):99-105.[7]杨琦,张建华,刘自发,等.风光互补混合供电系统多目标优化设计[J】.电力系统自动化,2009,33(17):86.90.YANGQi,ZHANGJian-hua,LIUZi.fa。eta1.Multi-objectiveoptimizationofhybridPV/windpowersupplysystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,—2009,33(17):8690.【8]WANGL.SINGHC.PSO.basedmulti.criteriaoptimumdesignofagrid・connectedhybridpowersystemwithmultiplerenewablesourcesofenergy[C】//Proceedingsofthe2007IEEESwarmIntelligenceSymposium(SIS2007),April-5,2007,Honnlulu,HI,USA.[9]YANGH.LUL,ZHOUW.Anoveloptimizationsizingmodelforhybridsolar-windpowergenerationsystem[J].SolarEnergy,2007,81(1):76-84.[10]何勇琪,张建成.独立型风光互补系统中储能容量优化研究[J].电力科学与工程,2012,28(4):9-13.HEYong-qi,ZHANGJian-cheng.Improvedcontrol—strategyforlowvoltageridethroughofpermanent—magnetdirectdrivenwindpowergenerationsystem[J].ElectricPowerScienceandEngineering,2012,28(4):9.13.[11]徐大明,康龙云,曹秉刚.风光互补独立供电系统的优化设计[J].太阳能学报,2006,27(9):919.922.—XUDaming,KANGLong・yun,CAOBing-gang.OptimallydesignofPV/windhybridsystem[J].Acta—EnergiaeSolarisSinica,2006,27(9):919922.[12]谈蓓月,卫少克.风光互补发电系统的优化设计『J].上海电力学院学报,2009,25(3):244.248.TANBeiyue,WEIShao-ke.OptimizationdesignofWind/PVhybridsystem[J].JournalofShanghaiUniversityofElectricPower,2009,25(3):244-248.[13]ZHAOYS,ZHANJ,ZHANGeta1.Theoptimalcapacityconfigurationofanindependentwind/PVhybridpowersupplysystembasedonimprovedPSOalgorithm[C】//InternationalConferenceonAdvancesinPowerSystemControlOperationandManagement,2009:1.7.[14]张伯泉,杨宜民.风。光互补发电系统的电压控制[J].电力系统保护与控制,2008,36(16):5-10.ZHANGBo-quan,YANGYi・min.Voltagecontrolof—windphotovoltaichybridpowersystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(16):5-10.[151HansBludszuweit,Jos6AntonioDominguez-Navarro.Aprobabilisticmethodforenergystoragesizingbasedonwindpowerforecastuncertainty[J].IEEETransonPowerSystems,2011,26(3):1651-1658.收稿日期:2012-07-04;—修回日期:2012-0830作者简介:李洪美(1969一),女,博士研究生,讲师,主要研究方向为风电场等值及风电接入电网的调度运行:E.mail:lhmjcn@163.com罗建裕(1961一),男,高级工程师,主要研究方向为电力系统安全、稳定分析和运行与管理;万秋兰(1950一),女,教授,主要研究方向为电力系统运行与控制、电力系统经济调度。
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