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间歇性可再生能源融入电网的方法—技术指南

作者:中国储能网新闻中心 来源:ERR能研微讯 发布时间:2019-09-11 浏览:
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在过去十年中,风能和太阳能等间歇性可再生能源(VRE)的技术成本大幅度下降,为满足发展中国家和中等收入国家的电力需求提供了一种具有成本效益的可持续手段。充分利用间歇性能源需要电网的大规模扩建和现代化,并实施针对间歇性可再生能源的技术、流程和要求,以逐步将电力系统转变为"对间歇性可再生能源友好"的电网,从长远来看这将显著降低集成的成本。在应对技术和监管挑战能力有限的国家,对VRE消纳提供技术支持的需求最大。为了满足这一日益增长的需求,世界银行能源部门管理援助项目(ESMAP)编制了一套技术指南,可以帮助世界银行成员和客户了解一些基本要求和现有的技术、监管措施,在不损害电力平衡、可靠性或经济性的情况下,将大量VRE接入电网。技术指南由ESMAP间歇性可再生能源(VRE)融入电网支持计划和全球可持续电力伙伴关系(GSEP)的联合发布。全球可持续电力伙伴关系是一个非营利性国际组织,由全球电力行业的领先公司组成,这些公司通过在全世界发展中国家开展电力项目和人类建设活动推动能源事业的可持续发展。

光伏系统主要构成


欧洲不同输电运营商的P-Q样本曲线

预计未来五年,全球每年太阳能和风能装机增速将继续加快,并有可能比目前在电力系统中所占份额至少增加一倍。目前可再生能源发电技术为可再生能源资源丰富的地区实现能源网络电气化提供了强有力的可选方案,而且由于初始投资成本的迅速降低,可再生能源发电在许多国家已经成为最便宜的发电方式。为此,许多新兴经济体已开始采取政策鼓励该行业的发展,以实现可再生能源发电对其能源供应和当地环境可能带来的好处。太阳能和风能装置的建造速度相对较快,这为快速增长的新兴市场提供了主要动力,新兴市场迫切需要电力,同时也有助于实现气候变化承诺。

风机主体结构


陆上、海上风机接入示意图

3型风机示意图

然而,关键的挑战问题是太阳能和风能固有的间歇性,这增加了整个电网运行的复杂性。电网运营商必须协调能源资源的间歇性、电网运行的可靠性以及成本最低的最佳性能之间的关系。可再生能源的快速渗透,特别是高比例渗透,导致需要调整电力系统规划方案,需要更好的预测方法,同时在电网管理中带来了诸多挑战,对VRE融入到电网中需要标准化和结构化流程来进行研究,以确保符合电网接入要求。基本电网接入服务现在变得与所有类型的发电机组相关,包括连接到中低电压等级的间歇性可再生能源。现代电力行业正在发生重构,有两大趋势:一是大幅增加的可再生能源;二是随着管制放松,可供消费者选择的高度可靠的能源供应商越来越多。然而,放松管制、开放能源供应侧和多种能源供应等正在造成传输阻塞和强制停机的情况。电力行业的重构升级认为,无论能源供应商和消费者扮演什么角色,传输电网都是灵活、可靠的,并且对所有交易方开放。电网的现代化进程要求进一步提高电能质量、提高系统稳定性和传输能力。电力系统运行与控制的新方法,正在试图缓解负荷过载和实现高效可靠运行。高压直流输电(HVDC)和柔性交流输电系统(FACTS)技术对于改进电网运营和管理尤其有效。

VRE并网阶段


越来越多的智能基础设施使得数量不断增加的需求侧用户参与到能量交易活动中来,从而有助于缓解可再生能源发电的波动性带来的负面影响,这其中也伴随着可再生能源技术和多能互补技术的发展,如储能可以用于平滑可再生能源发电出力。各种各样的终端能源技术不断涌现,如电动汽车、热泵和智能高效建筑,使电力系统具有更大的灵活性,并提高了对风能和太阳能的需求。这些技术有助于更好地利用间歇性可再生能源,但与此同时,它们也对整个电网的运行带来了挑战。这需要新的系统运行和规划方法,以确保未来发展有助于实现清洁、可靠和经济的电力系统。缩短调度周期,同时对可再生能源发电进行更准确的短期预测,可以减少可再生发电的功率预测误差,从而减少辅助服务需求。加上预测单元和随机过程分析单元,可以有效处理不确定性。风电场可以负责提供频率响应、惯性响应和调节(如果它们符合资格要求)。储存技术开始逐步部署或纳入提供辅助服务。频率调节市场已经吸引了越来越多的电池存储和新的储能应用方式,主要包括奖励快速启动和快速响应的资源,包括蓄电池。此外,还有一些创新,将间歇性可再生能源生产与旨在提高需求侧响应速度的措施结合起来。新趋势的好处和作用已得到认可,但尚未完全成熟和实现标准化。技术指南重点介绍经过行业验证的技术和方法,这些技术和方法已经被广泛采用,并在电力公用事业中继续推广应用。而在技术指南材料的适当位置还包含了一些已经开始影响公用事业格局的VRE相关新技术的讨论(例如,动态储能、在故障电流限制装置中实现超导材料、先进预测方法、风电场综合惯性和调节响应)。

VRE融入电网的关键能力


风电和光伏的主要区别

风电和光伏的主要区别

技术指南中提供的信息是汇集了多方来源,以期作为世界银行全体人员在实施VRE相关电力系统项目中的高阶指导和快速参考。技术指南由以下4套子文档组成,这些子文档被确定为VRE实施的首要技术文件:

•间歇性可再生能源融入电网的要求;

•支持间歇性可再生能源融入电网的辅助设备;

•间歇性可再生能源发电厂的接入系统研究;

•利用预测系统降低成本,提高间歇性可再生能源的调度水平。

"间歇性可再生能源融入电网的要求"文档概述了VRE技术,并介绍了VRE的技术规范、适用标准和基本测试的一些建议。本文主要介绍了VRE电厂并网发电的基本要求。电网中不同水平的VRE渗透率决定了VRE融入电网的不同技术要求。但是,有些要求是通用的,并在任何情形下的电力系统VRE接入过程中需要重视的,例如对电网事件的调节和自动响应、电能质量、保护系统、预测和分析。本文将详细讨论基本和高级VRE并网对应的要求,以便为在不同成熟度的电网实施导则情形下的VRE项目都可以提供指导和参考。电网中的关键要求都汇总在了清单表中,可用于VRE的项目规划、实施与联网。通过一系列广泛的互连研究(如稳态分析、短路和断路器负荷审查、动态稳定性和设施)验证了对技术要求和电网导则的遵守情况。

"支持间歇性可再生能源融入电网的辅助设备"文档概述了柔性交流输电系统(FACTS)和其他辅助设备,并描述行业需求的基本特征,给出了适用标准、功能、应用程序和最低技术规格的建议。本文档的主要目标是讨论所有可用的FACTS技术,其基本概念包括独立控制主动和无功功率流、FACTS设备的基本区别和优点以及行业应用。详细分析和总结了性能因素的分类和比较,以让相关人员明确FACTS器件的发展方向和对电力系统的影响。FACTS设备的应用对这些方面有积极影响:系统容量、系统可靠性、电能质量、系统可控制性。FACTS的环境效益是通过推迟建造更昂贵的输电线路和更好地利用现有系统资产而获得的。

“间歇性可再生能源发电厂的接入系统研究”论述了可再生能源电厂稳定接入系统对电力系统的要求。这些要求因电厂规模大小、接入位置以及是输电系统还是配电系统而异。对互连过程中开展研究的主要目的是成功地将VRE融入到电网中。以互联互通新型间歇性可再生能源为目标的电力系统规划,需要确保有足够的能源资源和消纳能力来互联新的电源,并确保可靠和高效。此外,这些研究还证实,有足够的储能和必要的系统资源有助于保障意外事故情形下的能源安全,如在发电机组、变压器或输电设施出现故障时。

"利用预测系统降低成本,提高间歇性可再生能源的调度水平"文档讨论了预测能力的需求和好处,以及预测能力如何与系统运营商和大规模VRE电厂变得更加相关。在电力系统实时运行之前的几天、几小时和几分钟的时间内预测太阳能发电或风力发电,可降低平衡成本,最大限度地减少VRE丢弃水平,提高系统可靠性,并最终提高VRE在能源结构中的渗透率。本文档的主要目标侧重于预测方法的类型以及如何利用物理和统计模型来制定短期和长期预测。良好的预测方法有助于缩小合同供电与实际供电之间的差距,降低发电机组的不平衡成本。从本质上讲,有效的预测系统有助于使整个电力系统更接近于完全择优的调度系统,从而降低了间歇性发电供应的不确定性和成本。天气预报方面的技术进步,加上越来越多的可再生能源历史性能数据,大大提高了可再生能源发电的预测准确性,从而更有效地利用了间歇性可再生能源。

VRE接入电力系统要求

VRE并网关键要求清单

执行摘要

如今,可再生能源发电技术正变得极具成本效益,因此,作为可利用可再生资源的地方进行电网电气化的替代技术,其吸引力日益提高。许多新兴经济体拥有优良的可再生能源资源,并采取了鼓励该行业发展的政策,以实现可再生能源发电对其能源供应和当地环境可能带来的好处。用于发电的可再生能源包括水力发电、地热能和生物质能以及"间歇性"或"可变"可再生能源(VRE),如波浪和潮汐能、风能、太阳能光伏发电和集中太阳能发电。

本技术指南主要关注VRE,这是一种不可调度的能源,因为其波动取决于一天的季节和时间。与其他可再生能源不同,间歇性可再生能源完全依赖于大自然实时产生,无法储存或调节大小。太阳能和风能是市场上最普遍、最成熟的VRE,由于其电力成本低、环境影响低,它们的建设和运营已经产生了巨大效益。此外,太阳能和风能装置的建造速度相对较快,通常在6~12个月内,这取决于发电厂的规模——这对快速增长的新兴经济体来说非常重要,因为它们迫切需要电力。然而,VRE发电量的增加使得电网运营商在保持电网可靠性、优化电网性能、电网稳定性和供电质量的同时,更难管理能源资源的波动。

可再生能源发电技术目前约占全球新增发电能力的一半。可再生能源技术的快速发展对降低成本产生了重大影响,特别是太阳能和风能。如果光伏和风电技术价格相对于竞争电力源持续下跌,公用事业规模的可再生能源项目的市场渗透率可能继续在全球呈上升趋势。储能技术的出现进一步提升了可再生能源市场的潜力及其在能源市场未来中的作用。

可再生能源大量渗透到电网中,给电网运营和管理带来了挑战,对VRE融入到电网提出了严格的要求,并需要更好地了解VRE技术,这需要调整电源系统规划方法,认真考虑VRE的可变性。它还可能导致电气行业的变化,例如对可再生能源发电厂的功能和性能的新要求、对具体和详细技术规范的需求、更高水平的标准化以及改进电网连接方式以提高消纳可再生能源的水平。

形成电网导则对于优化实施、接入系统和VRE发电非常重要。但是,在电网导则仍在制定或尚未完全建立的国家/地区,分析将VRE发电融入到电网的要求也是合理的。针对VRE发电的系统要求取决于整个电源系统的电源现有和计划的VRE比例。由于VRE在电源中的份额持续上升,VRE电厂不得不从它们替换的传统发电机中接管越来越多的责任。基本的电网支持服务现在变得与所有类型的发电机组有关,包括VRE,它们通常以较低的电压水平接入系统。

电网中不同等级的VRE渗透也决定了VRE融入电网的不同技术要求。但是,有些要求是通用的,并在任何情形下的电力系统VRE接入过程中需要重视的,例如对电网事件的调节和自动响应、电能质量、保护系统、预测和分析。本文将详细讨论基本和高级VRE并网对应的要求,以便为在不同成熟度的电网实施导则情形下的VRE项目都可以提供指导和参考。电网中的关键要求都汇总在了清单表(参见TABLE4.1:VRE融入电网基本要求清单)中,可用于VRE的项目规划、实施与联网。通过一系列广泛的互连研究(如稳态分析、短路和断路器负荷审查、动态稳定性和设施)验证了对技术要求和电网导则的遵守情况。

本文档还讨论了通用的VRE技术,并就VRE技术规范、适用标准和关键测试提出了建议。所提供的资料是从各种信息汇集了多方来源,以期作为世界银行全体人员在实施VRE相关电力系统项目中的高阶指导和快速参考。

本技术指南经常提到特定供应商的产品,以帮助读者理解VRE融入电网的要求。但是,这些引用绝不是绝对的。相反,它们只是作为读者了解一般主题的起点。列入对特定产品的提及并不是要反映其重要性。世界银行不认定任何供应商、产品或服务。因此,此处以商品名称、商标或制造商或其他方式提及的任何供应商、产品或服务,并不构成或暗示世界银行的认可、建议或批准。

关键字:间歇性可再生能源

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