多能互補綜合能源電力系統(tǒng)的建設(shè)模式

黃 瑾 吳嘉瑤

廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局供電服務(wù)中心 廣東 東莞 523000

引言

科技的快速發(fā)展帶動我國電力行業(yè)發(fā)展迅速。相比于以往的分供系統(tǒng),多通互補能源系統(tǒng)的能源利用效率要高的多,同時其能源供應(yīng)成本也相對較低,并且在多能互補能源系統(tǒng)運行中所產(chǎn)生的環(huán)境效益要更加明顯。

1 多能互補綜合能源系統(tǒng)的特點

環(huán)保、可再生是新能源發(fā)電技術(shù)最重要的特征。就目前來講,新能源發(fā)電技術(shù)指利用太陽能、潮汐能、海洋能、地熱能、風(fēng)能以及生物質(zhì)能等資源進行發(fā)電。新能源發(fā)電具有環(huán)?？稍偕?、分布范圍廣泛、儲備量巨大等優(yōu)勢,但也有一些不足,比如地區(qū)差異較為明顯、能源產(chǎn)量不穩(wěn)定以及密度較低等。目前,新能源發(fā)電中最常見的是風(fēng)力發(fā)電和新能源分布式發(fā)電。新能源分布式發(fā)電和傳統(tǒng)的發(fā)電形式有很大區(qū)別,其發(fā)電功率通常較小,一般都在幾十千瓦至幾十兆瓦,模塊式分布在配電網(wǎng)或負荷附近的發(fā)電設(shè)施。常見的分布式發(fā)電可利用多種能源,包括天然氣、氫氣、太陽能和風(fēng)能等環(huán)境友好型能源。新能源分布式發(fā)電應(yīng)用范圍很廣,包括采礦企業(yè)、醫(yī)療單位、體育場館等,可作為緊急備用電源,具有重要意義。從經(jīng)濟效益和環(huán)保效益兩方面討論分布式發(fā)電的必要性,給出具體的環(huán)境影響指標,使分布式發(fā)電環(huán)境價值定量化。發(fā)展分布式發(fā)電可以提高能源的利用效率(達70%～90%),具有良好的經(jīng)濟性,有利于環(huán)境保護,能夠增加用電的安全性和可靠性,可以解決偏遠地區(qū)的供電問題,減少遠距離輸電的網(wǎng)損問題,還可作為系統(tǒng)啟動電源。多能互補綜合能源系統(tǒng)的供電系統(tǒng)主要涉及到以下幾方面。(1)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù),其主要有兩種利用方式,一種是作為獨立電源向偏遠地區(qū)供電,另一種是將多臺風(fēng)力發(fā)電機組并列運行,形成風(fēng)力發(fā)電。(2)新能源電池發(fā)電技術(shù)。太陽能新能源發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能新能源發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是新能源電池。太陽能新能源發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立型和并網(wǎng)型兩種基本類型。(3)小水力發(fā)電技術(shù)。小水電是指小的水電站及與其相配套的小電網(wǎng)。從形式上分為引水式、堤壩式、混合式和抽水蓄能式四種基本形式。

2 城市綜合能源電力系統(tǒng)的建設(shè)模式

1.城市能源結(jié)構(gòu)分析,從供能組成來講,城市層面的綜合能源電力系統(tǒng)除需從輸電系統(tǒng)饋入電能外,還需消納居民樓宇、城市周邊的中小型可再生能源機組并網(wǎng)功率,調(diào)度“以熱定電”熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱時產(chǎn)生的電功率,以及接納電動汽車反向饋入配電系統(tǒng)的功率。在能源需求方面,城市綜合能源系統(tǒng)中的電力負荷除了居民用電、商業(yè)用電、工業(yè)用電等常規(guī)形式外,還會出現(xiàn)以電動汽車充電負荷為代表的新型靈活電力負荷。此外,電力系統(tǒng)與其它能源系統(tǒng)間的耦合設(shè)備的電能消耗,也是綜合能源電力系統(tǒng)負荷的一個重要特性。在熱力負荷方面,杭州市地處長江以南,冬季無居民生活供暖負荷,全年熱負荷以工業(yè)供熱為主,具有分散式、小容量等特點,且主要以供冷需求為主。2.城市綜合能源電力系統(tǒng)建設(shè)模式,就城市范圍內(nèi)的綜合能源電力系統(tǒng)建設(shè)而言,依托現(xiàn)有變電站建設(shè)綜合能源站,是一種可行、高效、低成本的方式,便于增強電力系統(tǒng)與其他能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合。在大型綜合能源站中,既有電力系統(tǒng)內(nèi)部的變壓器安裝區(qū)、可再生能源發(fā)電區(qū)、電動汽車充電區(qū),還有與天然氣網(wǎng)絡(luò)和熱網(wǎng)絡(luò)能量轉(zhuǎn)化的耦合設(shè)備安裝區(qū),更有電儲能、熱儲能和天然氣儲氣等設(shè)備的安裝區(qū),實現(xiàn)了多種能源形式的集中式建站和管理。這樣的大型綜合能源站可配套建設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、軟件運行控制平臺等,實現(xiàn)能源站內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度。大型能源站中的可再生能源機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、充電設(shè)施等,可由電網(wǎng)公司統(tǒng)一投資建設(shè),且可以考慮選用較大容量的機組/設(shè)備,便于實現(xiàn)以電網(wǎng)公司為主導(dǎo)的110KV大型綜合能源站統(tǒng)一協(xié)調(diào)運行。

3 系統(tǒng)容量優(yōu)化

由于多能互補能源系統(tǒng)在利用MRM法確定設(shè)備容量時,僅對用戶的實際負荷需求進行了考慮,但卻并沒有對系統(tǒng)的運行費用及設(shè)備成本等進行考慮,因此需要對MRM法進行相應(yīng)的優(yōu)化。我國學(xué)者便將遺傳算法與MRM法進行了結(jié)合應(yīng)用,以此實現(xiàn)了對多能互補能源系統(tǒng)的設(shè)備容量優(yōu)化,使原動機容量、太陽能發(fā)電面積占比、電制冷比系數(shù)等成為優(yōu)化變量。通過分析其優(yōu)化結(jié)果,可以了解到利用遺傳算法與MRM法來進行優(yōu)化,相比于以往的分供系統(tǒng),多能互補能源系統(tǒng)在全年綜合指標上得到了大幅提高。我國學(xué)者則通過解析法對多能互補能源系統(tǒng)在不同負荷區(qū)間中的頻數(shù)進行了統(tǒng)計,從而確定了不同容量匹配方案所獲得的經(jīng)濟收益以及滿負荷運行時數(shù),并對凈現(xiàn)值進行了對比,從而篩先出最佳的容量匹配方案來對多能互補能源系統(tǒng)中的熱泵與燃氣三聯(lián)供設(shè)備的容量進行了優(yōu)化設(shè)計。在對多能互補能源系統(tǒng)的設(shè)備容量進行優(yōu)化時,則將優(yōu)化目標設(shè)定為最小運行成本,通過條件風(fēng)險價值的引入來對多能互補能源系統(tǒng)的風(fēng)險量度進行了衡量,并以投資理論為分析理論,對虛擬電廠的容量優(yōu)化配置模型中的風(fēng)險量度進行了充分考慮,從而分析了虛擬電廠容量配置中各個因素所帶來的影響,如環(huán)境成本影響、風(fēng)險偏好影響、運行負荷影響等。

4 改進保護并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線裝置的方式

配電網(wǎng)中接入的分布式電源通常接到變電站的10k V或是35k V母線中,以往運用保護線路配置的方法已無法達保護的基本要求。配電網(wǎng)正常運行時,為提升保護零序電流的靈敏度,其中性點不運行。將分布式的電源接到母線后,當工作模式為最大時,零序網(wǎng)絡(luò)就會發(fā)生一定變化,降低保護系統(tǒng)的靈敏度。在這種情況下,通常采用電網(wǎng)允許式代替保護式,其線路的主保護為縱聯(lián)保護,后續(xù)保護應(yīng)用四段、三段式的零序保護。采用這種辦法可提升并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路中自動裝置的容錯率,保障配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。

5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對綜合能源電力系統(tǒng)發(fā)展的影響

2019年初,國家電網(wǎng)有限公司制定了“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略發(fā)展目標。在“兩網(wǎng)”之中,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與堅強智能電網(wǎng)一同被視為建設(shè)世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)指圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié),充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進通信技術(shù),實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互,具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),是5G、量子通信等先進信息通訊技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物,同時對綜合能源電力系統(tǒng)的發(fā)展帶了新的機遇和挑戰(zhàn)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將推動綜合能源電力系統(tǒng)中海量設(shè)備的廣泛接入、大數(shù)據(jù)的處理與共享,進而延伸出更多的業(yè)務(wù)與增值服務(wù),最終實現(xiàn)能源生態(tài)體系的構(gòu)建和逐步進化。綜合能源服務(wù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系的建立也面臨著諸如市場壁壘、信息壁壘、轉(zhuǎn)換技術(shù)等方面的挑戰(zhàn),這是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境下未來綜合能源電力系統(tǒng)建設(shè)需要研究的重要問題。

結(jié)語

多能互補的綜合能源電力系統(tǒng)在經(jīng)濟、能源利用效率和環(huán)保等方面有著可觀的效益,是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。