学术咨询

让论文发表更省时、省事、省心

水风光混合能源短期互补协调调度策略研究

时间:2021年07月14日 分类:电子论文 次数:

摘要:高比例可再生能源发电并网构成了多种能源共同参与的电力系统新体系。梯级水电是具有良好调蓄性能的灵活性高的电源,能够作为一种补偿电源来平抑新能源发电波动,促进其电网消纳比例。提出了一种含梯级水电的水风光混合能源短期互补协调调度策略。该策

  摘要:高比例可再生能源发电并网构成了多种能源共同参与的电力系统新体系。梯级水电是具有良好调蓄性能的灵活性高的电源,能够作为一种补偿电源来平抑新能源发电波动,促进其电网消纳比例。提出了一种含梯级水电的水风光混合能源短期互补协调调度策略。该策略定义平稳性指标和源荷匹配指标为互补性评估指标,以协调控制出力波动和对负荷的追踪度与平滑效果;同时,从“源源互补”和“源荷匹配”两个不同角度构建调度模型,分别采用花粉算法与逐步优化算法优化求解目标问题;最后通过分析互补效果,总结水风光短期调度策略。通过案例验证了本文所提调度策略有效性,为高比例水电电网大规模消纳新能源提供了新思路。

  关键词:水风光互补特性;短期协调调度;梯级水电

电力系统能源

  0引言

  随着不可再生能源的日益衰竭,水能、风能、太阳能等可再生能源成为各国关注的重点[1-2]。高比例可再生能源发电并网构成了多种能源发电的电力系统新体系[3]。但是风电、光伏等主要新能源发电受到风速、太阳辐射等气象环境因素的影响,二者发电出力的不稳定性较强,大量接入电网会造成安全隐患。为提高风光电源电网消纳的比例,降低新能源直接并网对电网带来的风险,需要寻求能够有效调节的补偿措施。国内外大量研究表明利用清洁能源之间互补特性形成的混合运行系统,能够有效平抑风电与光伏发电产生的波动,研究主要集中在多种能源混合互补机理[4-5]、互补效果评价[6-7]、互补调度模型[8-11]以及多能混合发电系统运行策略。

  在多能混合系统运行策略方面,文献[12]提出含水风光气储的日前联合调度策略,以不同频率下的风光出力为基础,决定各类补偿电站的调度计划;文献[13]出含水风光火日前联合调度策略,通过三层调度模型制定出力计划,文献[14]构建多时间尺度互补调度模型制定各类电站出力计划。上述文献对异质能源互补发电后水电运行调度计划做了一定的探讨,但分析不够详细深入。

  综上,本文提出了有关梯级水电的水风光短期互补协调调度策略,该策略充分利用水风光3种电源之间的互补特性,定义平稳性指标和源荷匹配指标为互补性评估指标,以协调控制出力波动和对负荷的追踪度与平滑效果;同时,从源源互补和源荷匹配角度出发构建调度模型,采用改进花粉算法与逐步优化算法优化求解模型。源源互补调度时,梯级水电日内调度计划重点关注总出力波动,以达到环保效益和经济效益的最优;源荷匹配调度时,则更侧重总出力对电网负荷变化的良好追踪,进而控制剩余负荷波动,使得电网其他电源能够承担基荷任务。

  1互补特性分析

  1.1水风光混合能源互补特性分析

  由于研究短期调度策略,故以水、风、光3种异质能源自身发电运行特点为基础,对水风光之间的短期互补特性进行分析,互补特性包括自然互补特性和技术互补特性。作为自然资源,风力发电和光伏发电受限于昼夜、天气条件等自然因素,二者的日内出力变化明显。风电出力总体呈现随机和波动性的特点,一般夜晚出力较大而白天较小;而光伏受到太阳辐照的影响,主要集中在白天发电,到夜间光伏出力为0,所以间歇性特点突出,随机性和波动性也相比风电更大。

  可见,风、光日内出力变化趋势具有一定的自然互补特性,但风、光出力基本呈现随机、波动与间歇性的特点,发电质量较差。技术互补特性方面,主要是短期运行过程中,水电利用自身调蓄性能与风电、光伏发电之间形成良好的互补,具体分为容量互补和电量互补。容量互补是指梯级水电通过有日、周以上调节性能的水库,对接入水电站的风光发电出力进行实时补偿,平抑风光出力的随机、波动和间歇性,从而提高风光发电的电能质量。

  电量互补是指光伏接入水电站后,水电站可以在光伏电站承担电网负荷的时段,减少出力或降低低负荷运行时间,让更多的水能留在水库,这部分额外储蓄的水量则可以分配到电网负荷高峰时段进行调峰发电,使得水电的调峰电量和调峰效益均得到提升。可见,容量互补指的是电源之间出力互补,而电量互补与电网需求负荷有关,相应的梯级水电出力过程也不同。综上所述,在短期运行时,水、风、光3种能源之间存在良好的出力互补特性,合理安排梯级水电与风电、光伏的运行调度方式,将会有较大的综合效益。

  2水风光短期互补协调调度模型

  2.1调度模型构建

  水风光互补协调系统集水力发电、风力发电、光伏发电为一体,既是一个整体,各部分又是独立的发电系统,在保证水风光互补发电系统并网安全性的同时,需要兼顾水、风、光各发电系统自身的利益,所以梯级水电短期调度应该遵循的调度原则为:①不发生弃水;②保证系统和电站安全运行;③对风光出力进行补偿调节。依据调度原则,本研究从源源互补和源荷匹配两个角度构造调度模型。

  3案例分析

  本文以日尺度为调度周期,小时为计算时段,以西南电网流域X内典型水风光站为研究对象,开展水风光日内互补调度策略研究。流域X内已投产水电站包含2个梯级共4个水电站:F电站(45MW)、G电站(54MW)、H电站(60MW)和I电站(36MW)。其中G、H、I电站同属于一个梯级,有较强的水力电力联系,G、H电站均具有日调节能力,电站I是一个径流式电站;F电站则隶属于另外一条支流,与G、H、I电站只有电力联系,没有水力联系。选取1个光伏电站S(40MW)和1个风电场W(60MW)。

  从目标Ⅰ来看,水风光互补优化后,该典型日的总发电量为273.78万kW·h,水力发电量为210.64万kW·h,占总发电量的76.94%(F、I、G、H电站分别占26.28%、14.01%、16.24%、20.41%),F、G、H水电站均未有弃水;光伏和风电发电量分别为26.89万kW·h和36.25万kW·h,分别占总电量的9.82%和13.24%。从目标Ⅱ来看,优化后的出力过程曲线趋于直线,说明充分发挥了梯级水电的调节能力,对风光出力过程实现“削峰填谷”,让风光发电出力的波动得到明显改善。

  水风光三个电站单独运行结果与风电、光伏发电的sN值比较一致,均大于10MW,其中,风电波动>光伏波动>风光波动>水风光单独运行波动,说明仅是出力的简单叠加也有利于平抑波动,并从侧面验证了水风光各电源出力的互补性。水风光互补运行后的sN值仅为0.15MW,是三者单独运行的1.2%,表明水电站群通过水库的联合调度运营,对风光出力波动的平抑具有显著的作用。梯级水电平抑接入的风光日内出力波动必然会影响自身运行过程。

  互补后,梯级水电的发电出力与风光总出力曲线呈现出“峰对谷”此消彼长的特点,在1~8、10~12、22~24时段,风光总出力随时间逐步增大,梯级水电出力则相应降低;8~10、12~22时段,风光总出力随时间逐步降低,梯级水电则增大出力运行。说明在以发电量和出力波动为目标的水风光短期互补运行过程中,水电的调度策略是与风光总出力的变化趋势相逆,即在风光总出力随时间逐步增大时,梯级水电逐步降低出力;在风光总出力随时间逐步降低时,梯级水库则加大发电流量,以达到增加发电出力的目的。

  水风光总出力曲线与原日内负荷曲线变化趋势较为一致,二者的相关系数高达0.99,剩余负荷曲线也比较平稳。对比白天和夜间,在夜间无光伏发电时段的源荷一致性较高,原因是白天风光同时发电出力,水电机组会更频繁的调节变化自身发电出力,以实时补偿风光出力,若风光出力出现“突增陡降”,水电机组受限于自身的调节能力导致无法及时追踪负荷的变化,影响电源出力与负荷的匹配程度。比负荷曲线最高峰提前4个时段;最小出力则与负荷最低谷同样出现在凌晨(夜间无光伏阶段)5:00(第6个时段)。

  综上所述,在源荷匹配的水风光短期互补协调调度过程中,梯级水电的调度策略需要考虑两方面,一方面梯级水电要追踪负荷的变化,与负荷变化趋势保持高度一致,另一方面梯级水电需要通过水库的联合调节消除风光总出力的锯齿状波动,以最终实现剩余负荷波动最小化。因此,梯级水电的调度策略是:首先依据负荷的峰谷变化趋势进行自我调节,在需求负荷高峰时,加大出力,低谷时降低出力运行;其次结合风光总出力的波动情况,进行适当的调整,在风光出力增大过程中,适当降低水电发电流量,在风光出力降低过程中,适当增大发电流量运行,以消除风光锯齿状的波动。

  电力系统论文:电力系统中电气自动化技术的应用与发展

  4结论

  针对水电主导的电网,本文提出了一种有关梯级水电的水风光混合能源短期互补协调调度策略,该策略主要具有以下特点:(1)定义平稳性指标和源荷匹配指标为互补性评估指标。(2)研究了两种情况下梯级水电的调度策略。从源源互补角度,梯级电站日内调度是以风光总出力为基准;从源荷匹配角度,梯级水电调度策略首先根据负荷的峰谷分段进行自我调节,其次再结合风光总出力的波动情况进行调整。由于资料收集的限制,简化处理了负荷不确定性、风光出力预测等问题,后续可进行相关研究。

  参考文献:

  [1]贾宏杰,王丹,徐宪东,等.区域综合能源系统若干问题研究[J].电力系统自动化,2015,39(7):198-207.

  [2]PAPAEFTHYMIOUG,DRAGOONK.Towards100%renewableenergysystems:Uncappingpowersystemflexibility[J].EnergyPolicy,2016,92:69-82.

  [3]鲁宗相,李海波,乔颖.高比例可再生能源并网的电力系统灵活性评价与平衡机理[J].中国电机工程学报,2017,37(1):9-20.

  [4]ZHUYanmei,CHENShijun,HUANGWeibin,etal.Complementaryoperationalresearchforahydro-wind-solarhybridpowersystemontheupperJinshaRiver[J].JournalofRenewableandSustainableEnergy,2018,10(4),043309.

  [5]安源.水光互补协调运行的理论与方法研究[D].西安:西安理工大学,2016.

  [6]叶林,屈晓旭,么艳香,等.风光水多能互补发电系统日内时间尺度运行特性分析[J].电力系统自动化,2018,42(4):158-164.

  作者:谢航1,朱燕梅1,马光文1,陈仕军1,2,黄炜斌1

NOW!

Take the first step of our cooperation迈出我们合作第一步

符合规范的学术服务 助力您的学术成果走向世界


点击咨询学术顾问