|
隨著風能、太陽能等新能源電力在電力系統(tǒng)中比重的增加,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、運行控制方式將產(chǎn)生根本性的變革,從而形成新能源電力系統(tǒng)。 解決人類未來的能源問題將依賴于新能源電力，新能源電力安全、高效的生產(chǎn)與利用將是新能源時代永恒的主題。 電力是能源利用的基本形式 迄今為止，電力是能源利用的基本形式： 首先，各類一次能源，包括化學能、熱能、動能、核能等能量轉(zhuǎn)化為電能之后才能被方便利用。 其次，電力可以規(guī)?；a(chǎn)、遠距離傳輸和大范圍優(yōu)化配置。 第三，電力呈現(xiàn)給受端用戶時，是一種清潔、便捷、安全的理想能源形式。 第四，人們生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域所使用的各類設(shè)備和產(chǎn)品需要持續(xù)優(yōu)質(zhì)的電能提供保障。
新能源電力的發(fā)展現(xiàn)狀及前景
近年來，隨著科學技術(shù)的日新月異，新能源電力發(fā)展越來越迅速，目前已初具規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計：2011年，世界可再生能源發(fā)電新增裝機容量約占所有新增裝機容量的一半以上。其中，作為新能源典型代表的風力發(fā)電和光伏發(fā)電新增裝機容量分別占總裝機的40%和30%。增幅明顯；截至2011年底，世界新能源(即非水可再生能源)發(fā)電裝機容量約為390GW，同比增長24%。在發(fā)電量的統(tǒng)計中，世界可再生能源發(fā)電增長也超過了平均電量增長水平，達到17.7%，其中風電增長了25.8%，在可再生能源發(fā)電中所占比例首次過半。
圖1 世界風電總裝機容量及增長情況 (數(shù)據(jù)來源：全球風能理事會GWEC) 根據(jù)美國能源信息署(U.S. Energy Information Administration, EIA)的預測，到2035年全球新能源發(fā)電和水力發(fā)電等可再生能源的總發(fā)電量每年將會有2.7%的增幅，高于煤炭、天然氣和石油等其他能源發(fā)電增長比例。其中，太陽能發(fā)電的裝機容量增幅最為明顯，平均每年8.3%，風電機組的年增長率為5.7%，地熱能為3.7%，水電為2.0%，其它可再生能源比如廢木材料、廢氣(沼氣)和農(nóng)業(yè)秸稈等的每年的增幅比例為1.4%。因此，未來很長一段時期內(nèi)，各類新能源發(fā)電將迎來大規(guī)模發(fā)展時期。但從目前各類新能源發(fā)展的技術(shù)成熟度和成本來看，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電無疑最具發(fā)展?jié)摿Α?/section>
圖2 我國近十年風力發(fā)電裝機容量陡增曲線圖 (數(shù)據(jù)來源：中國風能協(xié)會, Chinese Wind Energy Association, CWEA) 
圖3 世界太陽能發(fā)電總裝機容量及增長情況 (數(shù)據(jù)來源：英國石油公司，British Petroleum，BP) 以風力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電將成為人類解決化石能源枯竭以及環(huán)境污染、氣候變化等問題的關(guān)鍵，新能源電力的規(guī)模化開發(fā)利用將是大勢所趨。綜合新能源電力的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來新能源電力的發(fā)展規(guī)劃來看，新能源電力在電源結(jié)構(gòu)布局中的比例將逐步增加，以化石能源為一次能源的傳統(tǒng)發(fā)電比例將逐漸降低。盡管如此，在未來相當長的時間內(nèi)，傳統(tǒng)化石能源在整個能源結(jié)構(gòu)中的主導地位仍然不會改變。圖4給出了我國2015~2050年發(fā)電裝機構(gòu)成的規(guī)劃及預測，由此可見，未來幾十年我國仍將處于一種傳統(tǒng)能源與新能源此消彼長的“混合能源時期”，新能源將由現(xiàn)在的輔助能源、補充能源逐步過渡成為主導能源、替代能源。
圖4 我國2015~2050年發(fā)電裝機容量構(gòu)成規(guī)劃 新能源電力系統(tǒng)及其特征
隨著以風電、太陽能發(fā)電等新能源電力的開發(fā)利用，接入電網(wǎng)的新能源電力比重日益提高。眾所周知，電力的基本特征是難以大規(guī)模儲存，電力的生產(chǎn)與消費必須同步進行。電力系統(tǒng)通過統(tǒng)一的調(diào)度指揮，使電力的生產(chǎn)跟隨負荷需求的變化，保證電能的實時供需平衡。對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)來說，電力調(diào)度中心根據(jù)用戶負荷需求變化對發(fā)電單元發(fā)出調(diào)度指令，發(fā)電單元執(zhí)行自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)調(diào)度指令改變發(fā)電負荷，滿足用戶負荷需求，維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定，保證電能質(zhì)量。當發(fā)電側(cè)的可調(diào)度容量難以達到負荷側(cè)需求以及發(fā)生可能影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的情況時，電力調(diào)度中心將采取切除用戶負荷等措施，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。對于傳統(tǒng)的火電、水電、核電、油/氣發(fā)電而言，發(fā)電單元一般具有良好的可調(diào)度性能。發(fā)電機組在一定的容量范圍內(nèi)可以按照電網(wǎng)調(diào)度AGC指令變更發(fā)電功率。因此，在發(fā)電裝機容量可滿足用戶最大負荷的前提下，整個電力系統(tǒng)是可調(diào)可控的。風電、太陽能發(fā)電區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電的一個重要特征在于它的隨機波動性。由于產(chǎn)生電力的一次能源來自于自然界空氣的流動與太陽光的輻射，不僅不可儲存，而且受到季節(jié)、氣候和時空等的影響，具有很強的隨機波動性和間歇性，因此，對于具有一定裝機容量的新能源發(fā)電單元來說，其實際出力首先取決于現(xiàn)時刻的風力、太陽光強度的約束。當風電、太陽能發(fā)電規(guī)模化接入電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)就必須在隨機波動的發(fā)電側(cè)與隨機波動的負荷側(cè)之間實現(xiàn)電力的供需平衡，保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。如圖5所示。
圖5 電力系統(tǒng)電能實時供需平衡示意圖 新能源電力的另外一個重要特征在于它的能量密度低。例如：當風速為3m/s時，其能量密度為20W/m2左右，而太陽能即使是在天氣晴朗的正午，太陽垂直投射到地球表面的能量密度僅為1000W/m2左右，這樣使得新能源發(fā)電設(shè)備的單機容量不可能過大。大量的小容量發(fā)電機組接入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)受控發(fā)電單元呈爆炸性增長趨勢。截至2012年底，我國火電機組累計裝機819.17GW，單機6MW及以上的火電機組總數(shù)約為6600臺；同期，風電機組的裝機總量僅為75.324GW，裝機數(shù)量卻達到了53764臺，超過了火電機組數(shù)量的8倍。 按照我國風電裝機2020年將達到200~300GW的預期，以目前風電的平均單機裝機容量來計算，到時需要并入電網(wǎng)的風電機組數(shù)量將達到14萬至21萬臺！隨著新能源電力的規(guī)?；_發(fā)和電網(wǎng)中新能源電力比重的增加，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基本特征發(fā)生了顯著的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：隨機性、可控性、安全性、整體性、智能化。進而將推動電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理發(fā)生根本性變革，從而將逐步形成新一代電力系統(tǒng)，即新能源電力系統(tǒng)。新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式
電力及電力系統(tǒng)已經(jīng)過了100多年發(fā)展的歷史，成為當今以化石能源為主體、以大容量發(fā)電、遠距離輸送、集中統(tǒng)一管理的現(xiàn)代電力系統(tǒng)。隨著新能源電力的規(guī)模化開發(fā)以及電網(wǎng)中新能源電力比重的增加，新能源電力系統(tǒng)的特征將日益凸顯。實際表明，傳統(tǒng)的理論方法與技術(shù)不能解決新能源電力系統(tǒng)所面臨的問題，需要深入認知新能源電力系統(tǒng)的特性，創(chuàng)新理論方法與技術(shù)，在發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的整體性特征出發(fā)，構(gòu)成基于電源響應(yīng)、電網(wǎng)響應(yīng)和需求側(cè)響應(yīng)為一體的新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式，如圖6所示。
圖6 新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式 新能源電力系統(tǒng)建模與控制
2011年以來，依托華北電力大學“新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室”建設(shè)，圍繞本領(lǐng)域共性基礎(chǔ)問題及關(guān)鍵技術(shù)研究以及公共平臺建設(shè)，作者團隊開展了系統(tǒng)的研究工作。主要研究內(nèi)容包括新能源電力系統(tǒng)特性及多尺度模擬；規(guī)?；履茉措娏ψ儞Q與傳輸；新能源電力系統(tǒng)控制與優(yōu)化。2012年，承擔了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目“智能電網(wǎng)中大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)研究”（編號：2012CB215200），主要研究內(nèi)容有新能源電力系統(tǒng)多元互補機制及協(xié)同調(diào)控理論方法；新能源電力設(shè)備及系統(tǒng)故障演化機制與防御策略。2013年，承擔了國家自然科學基金委與英國工程與自然研究理事會合作項目“含大規(guī)模分布式儲能的新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制”(編號：513111122)，推進本領(lǐng)域的國際合作研究。研究團隊還主持或參與完成了多項電力企業(yè)的研究課題，部分研究成果得到了實際應(yīng)用，解決了相關(guān)理論與技術(shù)問題。《新能源電力系統(tǒng)建模與控制》就是作者及團隊在新能源電力系統(tǒng)領(lǐng)域多年來研究成果的總結(jié)。在提出新能源電力系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上，分析了新能源電力系統(tǒng)的基本特征，提出了基于電源響應(yīng)、電網(wǎng)響應(yīng)與負荷響應(yīng)的新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式。圍繞新能源電力系統(tǒng)建模與控制問題，在分別討論電源、電網(wǎng)與負荷三個環(huán)節(jié)建模與控制問題的基礎(chǔ)上，重點討論整個系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性與整體性，試圖打破把電源、電網(wǎng)、負荷相割裂的傳統(tǒng)模式，構(gòu)建針對整個新能源電力系統(tǒng)建模與控制的理論框架與體系。
|
