可再生能源綜合利用的研究現(xiàn)狀與展望

可再生能源綜合利用的研究現(xiàn)狀與展望

吳利樂(lè)1,2， 鄭源2， 王愛(ài)華3， 任巖1

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045； 2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；

3.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013)

摘要：為提高可再生能源的利用率和獨(dú)立系統(tǒng)的供電可靠性，綜述了可再生能源綜合利用技術(shù)的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀.從容量?jī)?yōu)化配置、系統(tǒng)建模與優(yōu)化、能量管理、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了全面總結(jié)，指出了可再生能源綜合利用中存在的主要問(wèn)題，主要涉及標(biāo)準(zhǔn)缺失、容量配置的隨意性、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏、對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴等幾個(gè)方面，歸納了現(xiàn)有研究中的局限性，并對(duì)可再生能源綜合利用技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞：可再生能源；綜合利用；100%可再生能源系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TK01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-5634(2015)03-0082-04

收稿日期:2015-03-19

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(142102210459)；華北水利水電大學(xué)2014年大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(HSCX2014119).

作者簡(jiǎn)介：王為術(shù)(1972—),男，重慶開(kāi)縣人，教授，博士，主要從事多相流動(dòng)與傳熱和工業(yè)節(jié)水方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.020

環(huán)境污染和能源緊缺是人類生存亟待解決的兩大難題.風(fēng)能、太陽(yáng)能環(huán)境友好、取之不盡、用之不竭，是替代化石能源的理想選擇.以風(fēng)能、太陽(yáng)能等為代表的清潔能源能夠有效地解決環(huán)境污染與能源短缺的問(wèn)題[1-2].風(fēng)、光這兩種能源具有一定的互補(bǔ)性，將風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合在一起綜合利用，可以在一定程度上降低其單獨(dú)開(kāi)發(fā)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊.可再生能源綜合利用方案主要涉及小水電、風(fēng)電、光伏、生物發(fā)電等.混合可再生能源系統(tǒng)由多種可再生能源組成，包括微源、能量管理器、儲(chǔ)能裝置等.筆者圍繞可再生能源的綜合利用，對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面總結(jié)，分析了研究和利用中存在的主要問(wèn)題，并對(duì)可再生能源綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

1可再生能源綜合利用的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀

目前針對(duì)可再生能源系統(tǒng)的研究很多，建立的主要能源系統(tǒng)有風(fēng)-光-生物質(zhì)能復(fù)合系統(tǒng)，風(fēng)-柴-儲(chǔ)-海水淡化系統(tǒng)，風(fēng)-光-柴-波浪能混合系統(tǒng)，光-儲(chǔ)-水-柴微網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)-光-抽蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)等.研究?jī)?nèi)容主要包括：出力預(yù)測(cè)、發(fā)電單元的容量?jī)?yōu)化配置、系統(tǒng)建模、復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)化策略、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、負(fù)荷參與能量?jī)?yōu)化管理等.筆者將圍繞可再生能源系統(tǒng)的容量配置、系統(tǒng)建模與優(yōu)化、能量?jī)?yōu)化管理、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié).

1.1　容量?jī)?yōu)化配置研究

微源的優(yōu)化配置是多能互補(bǔ)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的重要課題，對(duì)降低系統(tǒng)投資成本、保證系統(tǒng)供電可靠性、提高資源利用率方面具有重要意義.多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化配置的關(guān)鍵是確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件、優(yōu)化變量及相關(guān)算法.采用的算法主要有粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimisition,PSO)[3]、細(xì)菌覓食算法(Bacterial Foraging Algorithm，BFA)[4]、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)[5]、微分進(jìn)化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)[6]等.江全元等[3]以系統(tǒng)投資最低(設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備重置費(fèi)用)為目標(biāo)，以光伏電池?cái)?shù)量、風(fēng)機(jī)安裝臺(tái)數(shù)、風(fēng)機(jī)塔架高度等為優(yōu)化變量，以供電可靠性(失電率)、風(fēng)機(jī)塔架高度的上限和下限、能量過(guò)剩倍率為約束條件，針對(duì)風(fēng)-光-儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源進(jìn)行了優(yōu)化配置.Yang Hongxing等[7]基于遺傳算法，考慮供電可靠性及單位發(fā)電成本最低2個(gè)因素，對(duì)光伏組件的數(shù)量、傾斜角，風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量、安裝高度等方面進(jìn)行了優(yōu)化配置.Rachid Belfkira等[8]以系統(tǒng)成本最低，針對(duì)風(fēng)-光-柴復(fù)合系統(tǒng)的容量配置進(jìn)行了優(yōu)化研究.石慶均[9]針對(duì)風(fēng)-光-儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置模型，提出了基于多時(shí)間尺度的能量協(xié)調(diào)控制策略，并將優(yōu)化問(wèn)題分為兩個(gè)階段：日前計(jì)劃、實(shí)時(shí)調(diào)度.

1.2　系統(tǒng)建模與優(yōu)化

建立復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)化模型是研究多能互補(bǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵.采用的仿真軟件主要有HOMER,SIMULINK,HYBRID 2等.優(yōu)化模型的基本要素包括決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件3個(gè)方面.Manolakos等[10]提出了風(fēng)-光-抽蓄復(fù)合發(fā)電系統(tǒng).該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、抽水蓄能等，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)能量生產(chǎn)及存儲(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析.分析表明，該系統(tǒng)能夠滿足區(qū)域的用能、用水需求.John S Anagnostopoulos等[11]對(duì)抽水蓄能在提高可再生能源滲透率方面的作用進(jìn)行了研究，對(duì)基于抽水蓄能的可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，對(duì)抽水蓄能的裝機(jī)容量進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了抽水蓄能的運(yùn)行策略.研究表明，抽水蓄能能夠進(jìn)一步提高可再生能源的滲透率.任巖[12]針對(duì)涉及風(fēng)-光-抽蓄的復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了建模，提出了系統(tǒng)的優(yōu)化策略，選取系統(tǒng)初次投資最少為目標(biāo)函數(shù)，以系統(tǒng)可靠性為約束條件，采用混沌粒子群算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置，降低了多能互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電成本.

上述分析表明，對(duì)可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行建模與優(yōu)化分析有助于降低發(fā)電成本，減少系統(tǒng)投資，提高可再生能源的滲透率.

1.3　能量管理優(yōu)化方法的研究

能量管理系統(tǒng)是可再生能源綜合利用系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”和“大腦”，其實(shí)質(zhì)是利用信息流控制能量流，保持系統(tǒng)的能量供需平衡及電壓、頻率的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.

茆美琴等[13]開(kāi)展了針對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能組成的可再生能源系統(tǒng)的研究，提出了復(fù)合能量管理系統(tǒng)的信息集成及能量管理控制策略.該系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)有一定限制性的要求.郭思琪等[14]以短期功率預(yù)測(cè)和超短期功率預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，綜合考慮各微源的出力特性及負(fù)荷運(yùn)行特性，建立了適用于獨(dú)立電網(wǎng)的能量?jī)?yōu)化模型.模型以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，從日前和日內(nèi)2個(gè)時(shí)間尺度研究了復(fù)合系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化協(xié)調(diào)控制策略.郭力等[15]針對(duì)包括風(fēng)力發(fā)電-柴油機(jī)發(fā)電-儲(chǔ)能-海水淡化的獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)，開(kāi)展了基于超短期的功率預(yù)測(cè)的能量管理方法研究，提出了基于超短期風(fēng)速預(yù)測(cè)的能量管理策略.王坤林等[16]介紹了風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能、柴油機(jī)組成的混合發(fā)電站，采用海水淡化作為可控負(fù)載，在可再生能源出力過(guò)?；虻Y源不足時(shí)投入使用，但對(duì)海水淡化裝置對(duì)可再生能源系統(tǒng)的適應(yīng)性問(wèn)題沒(méi)有做深入性的探討.陳昌松[17]綜合考慮了電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)、微源出力、儲(chǔ)能單元預(yù)測(cè)剩余容量等因素，提出了基于模糊控制的能量控制管理策略，采用模糊規(guī)則進(jìn)行模式切換和能量流的切換.薛美東等[18]針對(duì)光-儲(chǔ)-水-柴的微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了包括預(yù)測(cè)層、調(diào)度層、控制層的能量管理框架.預(yù)測(cè)層提供決策數(shù)據(jù)支持；調(diào)度層分配光、水資源，減少柴油機(jī)的出力比例；控制層控制本地設(shè)備，對(duì)可用發(fā)電容量進(jìn)行合理分配，保持系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行.靜鐵巖等[19]利用水電的儲(chǔ)水能力平抑用電高峰期風(fēng)電的波動(dòng)性，提出了在枯水期利用風(fēng)電和水電聯(lián)合調(diào)峰的策略.張建華等[20]采用中央控制器和局部控制器相結(jié)合的策略：局部控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，執(zhí)行控制指令，保持系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定性；中央控制器具有上傳下達(dá)的作用，向能量管理中心傳遞收集到的微源信息及負(fù)荷信息，向局部控制器傳遞控制指令.劉小平等[21]對(duì)可再生能源的出力波動(dòng)性、負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差、機(jī)組故障等不確定因素進(jìn)行模擬，討論了不確定因素對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響.Anurag Chauhan等[22]對(duì)集成可再生能源系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、儲(chǔ)能配置、容量配置、能量管理控制策略進(jìn)行了討論.

以上研究表明，在獨(dú)立的可再生能源系統(tǒng)中，可再生能源方案的組合及控制策略的確定取決于當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、負(fù)荷分布等，選取合適的組合方案及運(yùn)行策略有利于降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本.

1.4　經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

系統(tǒng)初次投資、單位發(fā)電成本、環(huán)境效益等是評(píng)價(jià)獨(dú)立可再生能源系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，如何降低系統(tǒng)的初次投資和單位電價(jià)、合理評(píng)估可再生能源的環(huán)境效益顯得尤為重要.Ioannis D Spyrou等[23]建立了風(fēng)-光-抽蓄-海水淡化復(fù)合系統(tǒng)，考慮到可再生能源的波動(dòng)性及出力預(yù)測(cè)的困難性，在建立多能互補(bǔ)復(fù)合系統(tǒng)中加入抽水蓄能子單元來(lái)代替蓄電池.該系統(tǒng)以淡水生產(chǎn)成本最低及水需求最大滿意度為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)考慮了人口、水價(jià)、水需求滿意度、光伏發(fā)電成本等因素，采用多臺(tái)泵并列運(yùn)行的方式，以應(yīng)對(duì)可再生能源系統(tǒng)單元的波動(dòng).這會(huì)增加系統(tǒng)的投資，可考慮采用可逆式水泵水輪機(jī)的形式，以降低成本.Khatibi 等[24]對(duì)可再生能源高滲透率下的抽水蓄能作用進(jìn)行了分析，風(fēng)光具有隨機(jī)性和不確定性，高滲透率會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，利用抽水蓄能能夠有效地彌補(bǔ)這方面的不足.該文獻(xiàn)從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性2個(gè)角度探討了抽水蓄能裝機(jī)容量與可再生能源系統(tǒng)的比例問(wèn)題.

2可再生能源綜合利用中存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)可再生能源的綜合利用已開(kāi)展了大量的研究，并取得一定的成果，但存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)目前建立的可再生能源綜合利用系統(tǒng)不多，尚處于探索階段，缺乏成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且針對(duì)100%可再生能源系統(tǒng)研究較少，很多獨(dú)立系統(tǒng)依然不能擺脫對(duì)柴油等傳統(tǒng)能源的依賴，有悖于建立可再生能源系統(tǒng)的初衷.

2)關(guān)于可再生能源綜合利用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范相對(duì)缺失，容量配置方面具有較大的隨意性和主觀性，缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性的規(guī)劃設(shè)計(jì).

3)關(guān)于可再生能源系統(tǒng)算法的研究相對(duì)孤立，缺乏比較性.一般是針對(duì)某一種算法開(kāi)展了相關(guān)研究，指出了所采用的算法的特點(diǎn)，大多數(shù)情況下缺乏比較，所以不能夠突出該算法的優(yōu)越性.

4)關(guān)于可再生能源系統(tǒng)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)相對(duì)缺失.目前，針對(duì)可再生能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較多，研究的對(duì)象主要有單位發(fā)電成本、系統(tǒng)初次投資等.而針對(duì)可再生能源系統(tǒng)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少，尚不能充分體現(xiàn)出可再生能源在保護(hù)環(huán)境方面的貢獻(xiàn).如何體現(xiàn)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境效益需要進(jìn)一步的探討.

3進(jìn)一步研究的方向

大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源是解決環(huán)境污染與能源短缺問(wèn)題的有效途徑，采用多能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠在一定程度上彌補(bǔ)單獨(dú)開(kāi)發(fā)存在的不足.但由于該系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性及不完善性，尚需進(jìn)一步開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究：

1)應(yīng)對(duì)多樣性的100%可再生能源系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目進(jìn)行研究，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的容量配置，以便積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).

2)加大關(guān)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究，以便早日推出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范.

3)對(duì)已有的關(guān)于可再生能源研究算法進(jìn)行橫向比較研究，以發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).

4)對(duì)可再生能源系統(tǒng)的環(huán)境效益進(jìn)行研究和定量分析及評(píng)價(jià)，以體現(xiàn)可再生能源在此方面的優(yōu)勢(shì).

4結(jié)語(yǔ)

100%可再生能源系統(tǒng)是一個(gè)具有前瞻性的命題.丹麥的Henrik[25]圍繞如何向100%可再生能源模式轉(zhuǎn)型這個(gè)主題進(jìn)行了深入探討，具有一定的啟迪性.

我國(guó)也提出了以下目標(biāo)：2030年碳排放達(dá)到峰值，非化石能源占能源消費(fèi)的20%以上，建立100%的獨(dú)立可再生能源系統(tǒng)示范工程.這對(duì)提高可再生能源利用率具有積極的意義.開(kāi)展可再生能源綜合利用的研究將進(jìn)一步促進(jìn)提高可再生能源的利用率.

參考文獻(xiàn)

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Research Status and Prospect About Comprehensive

Utilization of Renewable Energy

WU Lile1,2, ZHENG Yuan2, WANG Aihua3, REN Yan1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2. Hohai University, Nanjing 210098, China;

3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250013, China)

Abstract:In order to increase the utilization efficiency of renewable energy and the reliability of power supply of independent system, the research status and prospect about comprehensive utilization technologies of renewable energy were reviewed, we overall done the summarization from these aspects, such as optimal configuration of capacity, system modeling and optimization, energy management, economic evaluation, etc. Then we pointed out the main problems in the comprehensive utilization of renewable energy, which mainly related to standard deficiency, randomness of capacity allocation, lack of operating experience, dependence on traditional energy, etc. At last, we summarized the limitations in the investigations, and pointed out the developmental prospect of comprehensive utilization technologies of renewable energy.

Keywords:renewable energy; comprehensive utilization； 100% renewable energy system

(責(zé)任編輯: 杜明俠)