国内风光抽水蓄能复合系统的研究成果及动态

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：指出当风电在系统中的比重较小时,不会对系统的稳定性造成影响。对风电场中抽水蓄能系统的配置形式、配置容量大小及其对风电场综合运行效益的影响进行了研究。建立了风电—抽水蓄能联合系统的优化运行模型,计算得出了常规发电厂稳定运行的最小容量以及含一

1.风—抽蓄复合发电的必要性和可行性及系统方案的研究

张乐平论述了抽水蓄能与风电两种电源各自特性以及互补的必要性、可行性。从电力市场需求角度论述二者互补对优化电源结构,适应电力市场用户需求,改善电网运行环境,提高供电质量、安全保证率、经济效益等方面的作用。风能具有不污染环境,无燃料运输、废料处理等问题,而且建设周期短,运行管理方便等优点。随着人们环保意识增强和国家政策扶持,风电场的建设数量和规模快速扩大,在建设、运行、管理等方面都取得了一些成功的经验,初步具备了规模性开发建设风电的能力和条件。但由于风能的间歇性和不均匀性,使风电呈随机性和不稳定性,风电质量不高。抽水蓄能电站是可靠调峰电源,启动迅速、爬坡卸荷速度快、运行灵活可靠,既能削峰又可填谷,其快速转变的灵活性可弥补风力发电的随机性和不均匀性,不仅可以打破电网规模对于风电容量的限制,为大力发展风电创造条件；而且可为电网提供更多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源,提高供电可靠性和经济效益。对于风电资源丰富的地区,无论是外送还是就地消化,抽水蓄能发电和风力发电互补运行,都是一个发展趋势。因此,在风电较集中或准备大规模开发风电的电网,需要建设抽水蓄能电站,把随机的、质量不高的风电电量转换为稳定的、高质量的峰荷电量[83]。唐修波研究了风电与蓄能电站配套运行的可行性及必要性。指出当风电在系统中的比重较小时,不会对系统的稳定性造成影响。但是当系统中风电的比重较大时,由于风能的间歇性和随机性而造成的风电出力的变化将对系统产生一定的影响,蓄能机组无疑就成为最合适的保安电源,配合先进的预测软件和气象预报,就可以较为准确的预测电网中风电整体出力情况,当风电出力波动较大时、风电出力较小时或停机时,可以调用抽水蓄能电站来进行补充调节,由于抽水蓄能电站具有启停灵活,升降负荷速度快,运行安全可靠等特点,可以迅速投入运行,来满足系统的电力电量需求。当风电出力逐渐恢复到一定程度时,就可以停止蓄能机组。这样就可以缓和或解决风电大规模接入对电网造成的影响[84]。刘德有指出,由于自然风存在随机性和不稳定性等特点,因此大比重风电直接输入电网可能对电网安全稳定经济运行带来潜在风险。构建了一个含风电—抽水蓄能联合运行系统的小型模拟电网,并对其拟定了一个风电—抽水蓄能联合运行方案,然后在最大化利用风电的目标下,建立了该方案的经济运行计算分析模型,经对该联合运行系统与普通风电系统的比较计算分析,得出结论,风电—抽水蓄能联合运行系统比普通风电系统的直接电费收入增加。此外,普通风电系统方案由常规发电厂承担调峰、调频、调相和事故备用等任务,势必造成常规发电厂和电网运行成本的明显提高,以及CO2、SO2排放量的增加。因此,风电—抽水蓄能联合运行系统是最大化开发利用风能资源的有效途径,具有可观的经济效益和社会效益[85]。王艳研究了风—蓄联合运行系统的可行性。讨论了风力发电配抽水蓄能的系统,在最大利用风电的条件下,建立了该系统的经济运行计算分析模型。模拟了小型电网,提出了两种运行方案,方案一:由于风电出力不稳定、利用小时数低的原因,通常认为风力发电量占电网总电量的比重不能高过10%～12%,否则会影响电网稳定。假设该小型电网的最大允许风电比重为最大腰荷的10%,其联合运行方案为:部分风电直接输入电网,其容量恒定为最大腰荷的10%,在必要时启用抽水蓄能机组作调相运行；常规发电厂按“全部基荷+90%最大腰荷”的容量恒定供电运行；全部峰荷通过连接与解列抽水蓄能电站的发电机组(即水轮机组)来保证；抽水蓄能电站的抽水机组(即水泵)不仅利用负荷低谷的剩余电能抽水,而且通过适时的连接与解列来存蓄随机变化的多余风电。这样可使全部风电直接、间接地输入了电网,并使得常规发电厂按恒定出力运行。方案二:风电全部用来抽水,抽水蓄能电站承担常规电厂以外的所有负荷,其他与方案一相同。对系统的两种运行方案进行了建模和分析,并在MATLAB环境下进行仿真,得出系统在两种运行方式时,抽水电站上水库的蓄水量的变化曲线,得出第一种运行方式可实现水电站的日调节循环。同时,对风—水电联合运行系统进行了经济分析,在MATLAB环境下仿真运行,得出抽水蓄能电站抽水容量变化和峰谷分时电价差图、抽水蓄能电站发电容量变化和峰谷分时电价差图。将系统与普通风电系统比较,得出一天多出的电费受益,及电网一天的总收益。还分析了系统的造价,得出系统单位电能供应成本大小。分析结果表明,风电—抽水蓄能联合运行不仅在技术经济上是可行合理的,而且是实现风能资源最大化开发利用的有效途径之一,对风电场弃荷问题有着一定的指导意义。但在分析第二种运行方案时,假定了抽水蓄能的上水库无限大,没有考虑水库容积对系统运行的影响[86]。潘文霞提出,为了改善风电场的功率输出特性,在有水资源的地区可采取风—水电联合供电模式。对风电场中抽水蓄能系统的配置形式、配置容量大小及其对风电场综合运行效益的影响进行了研究。将风电场中抽水蓄能系统分为抽水系统和发电系统,并以获得风电场最大经济效益为目标建立了风—水电联合优化运行模型。优化方法的约束条件为风电场中风速条件、抽水蓄能系统中水电机组的容量、电网的风电场功率的限制,目标函数描述在约束条件下,如何优化调度风电场中风力发电机组、水泵和水轮发电机组在各个时段的出力值以便获得风电厂的最大效益。在一定的电网约束条件下,对于风电场中抽水蓄能系统配置不同抽水容量和发电容量的情况,采用改进遗传算法、利用MATLAB编程分别进行了优化仿真分析,仿真的结果表明风电场中配置抽水蓄能系统可以增加风电场的综合效益。论文中优化模型考虑的是运行优化,对于抽水蓄能系统的投资等相对固定成本将另作考虑[87]。谭志忠拟定了风电—抽水蓄能联合系统3种可行的运行方案:全部风电供给抽水蓄能电站抽水；根据电网容量和风电场出力情况,部分风电直接输入电网,其余风电供给抽水蓄能电站抽水；风电全部直接输入电网。建立了风电—抽水蓄能联合系统的优化运行模型,计算得出了常规发电厂稳定运行的最小容量以及含一定容量风电的电网所需的抽水蓄能电站装机容量,建立了经济评价模型,根据综合经济评价结果,优选出了风电—抽水蓄能联合系统的最佳运行方案。方案1的风电全部用来抽水,风电对电网的稳定运行不造成影响,但在考虑峰谷电价差的情况下,抽水费用较高,故综合经济指标相对较低。方案2的风电尽可能直接输入电网,超过负荷用电量的多余电能用来抽水,因直接输入电网的风电较多,电量收益明显增加,节煤收益也增加,抽水蓄能电站的装机容量减小,所以综合经济指标相对较高,但如果在高电价时段的风电场出力较大,则其抽水成本将影响其综合经济指标。方案3的风电全部直接输入电网,电量收益明显优于前2个方案,但增加了调频、调相成本,虽可采用抽水蓄能机组来调节,但需要一定的有功消耗,当风电场装机容量增大时,抽水蓄能电站要增加装机容量,故其最优经济指标受风电场装机容量的影响较大。分析结果表明,风电—抽水蓄能系统可使电网内的常规发电厂以最小容量稳定运行,则电网对常规能源的依赖性可明显减小,且CO2、SO2的排放量也显著降低,因此风电—抽水蓄能联合系统具有可观的经济效益和环境效益。但提出的3种方案的优化运行模型均没有考虑抽水蓄能的地形、水源等条件的制约[88]。E.D.卡斯特罗诺沃等人研究了风力—水力联合电站日运行优化。建议应用水库蓄水提高风力电站的经济效益,减少由风力资源间歇性引起的有功功率输出波动。将抽水蓄能电站和风电联合,在低电价期间,存储风能,待高价时出售；在高风速期间,利用水库抽水蓄能,作为风电的补充,以满足市场或电网的要求。在得到风电预测的条件下,采用了一种以小时离散的优化算法,以确定风力机和抽水蓄能系统抽水设备所采用的日优化运行策略。在蓄水容量最小时,确定风水联合电站的最佳运行策略,确定每小时要发的风电和水电,计算每小时水泵抽水的耗电量和蓄水位。该算法的目的:提高风力发电站的日运行经济效益(风电在较高电价时段即非谷段优先上网)；平稳自然风电的波动,使电站输出保持在上下限范围之内,改善了电网对风电站装机容量的限制[89]。

2.光—抽蓄复合发电系统的研究

陈峦以光伏电站、水电站和调节水库为研究对象,基于能量守恒原理,建立了光伏电站—水电站互补发电系统的数学模型,提出了相应的调度算法。分析了光—水—抽水蓄能互补发电和光—水简单互补发电两种运行方案的差异。并探讨了调节水库库容问题。仿真实验结果表明太阳能与水能互补发电效果显著,与抽水蓄能互补发电方案需配备的水库库容相对较小,且能量利用率较高[90]。同时,又基于抽水蓄能运行模式,提出了独立运行、并网运行和恒功率输出运行三种运行方案。并从提高能量利用率的角度探讨了上水库库容、水源和光伏电站装机容量问题。上水库库容越大,弃用电量和弃用水量越小,但库容的增大会增加建库成本。上水库蓄水量的全年最大值与最小值之差即为联合发电系统需配备的最小库容。仿真结果表明,恒功率输出运行方案需配备的库容最大,并网运行方案需配备的库容最小。在理想情况下,全年太阳能总发电量、全年来水总发电量与上水库蓄水消耗量(即上水库初始蓄水量—上水库年底剩余水最)对应的发电量之和即为联合发电系统全年输入的总能量(折算为电量)；全年供给负荷的总电量即为联合发电系统全年输出的总能量；全年输出与输入总能量之比即为联合发电系统的总能量利用率。据仿真结果可计算出独立运行、并网运行、恒功率输出三种运行方案的总能量利用率分别为77.40%、75.51%、77.37%。三种运行方案的总能量利用率差别不大,原因是弃用电量或弃用水量小的方案的抽水量大；抽水量小的方案的弃用电量或弃用水量大。为获得较高的能量利用率,应在满足负荷需求的前提下尽量减小光伏电站的装机容量和水源来水量。因此,影响联合发电系统总能量利用率的主要因素是弃用太阳能发电量、弃用水量和泵站抽水效率。提高联合发电系统总能量利用率的关键是增大上水库库容和初始蓄水量[91]。

3.风—光—抽蓄复合发电的研究

万久春针对阿里地区自然条件及水能、风能、太阳能三种资源开发的不同特点,提出了风、光互补抽水蓄能(即风、光互补抽水蓄能电站)系统,具体包括光伏发电、风力发电、抽水、蓄水及水力发电等五个子系统。并按能量互补原则建立了风、光互补抽水蓄能开发方案参数选择的数值分析系统,明确了该系统应满足的三个约束条件,即能量平衡条件、水量平衡条件和抽水蓄能电站抽水水泵容量限制条件,并按系统中的成本电价模型和单位千瓦投资模型进行风、光互补抽水蓄能开发方案评价。分析结果表明,风、光互补抽水蓄能电站可克服火电站及光伏电站各自缺点,有较明显的技术、经济优势。与水电站相比,虽成本电价略高,但可解决阿里地区小水电站冬季不能发电的问题[92]。陈新针对西藏阿里地区独特的自然地理条件,建立了风光互补抽水蓄能电站。提出了系统的能量平衡、水量平衡和抽水系统容量的计算模型,按成本电价和单位千瓦投资最低建立了风光互补抽水蓄能电站系统配置的优化模型,可求出风、光、水互补开发系统中各部分最优容量配置,也可以在蓄能电站装机容量一定的条件下,寻求风力发电机与光伏电池最优容量比例。文献[93]建立的系统优化模型只考虑了成本电价和单位千瓦投资,没有考虑运行策略和系统稳定性等因素。

国内风光抽水蓄能复合系统的研究成果及动态

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