国外风光抽水蓄能复合系统的研究及发展动态

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：研究结果表明,孤网中采用抽水蓄能电站降低了系统成本,缩短了成本回收年限,使抵消了风电的不合格性。Stefanos V.Papaefthymiou分析了希腊Ikaria岛的风电—抽水蓄能复合系统。

1.建模仿真方面

M.Khatibi对风能—太阳能—抽水蓄能复合发电系统的抽水蓄能容量进行了优化,研究方法是利用单目标优化或多目标优化,参量学习和考虑不同对象的灵敏度测量。优化过程同时考虑了技术和经济特性,评估了运行的关键影响因素和环境因素。该方法有助于设计者在经济可行的范围内对抽水蓄能的容量作出最好的选择。分析结果表明,系统中水力系统的性能相当低,主要原因是时间变化的强无规律性和风电、太阳能等次能量的强变化性,这也是此类系统技术经济优化设计的主要因素[66]。Ruisheng Li设计了风光互补—抽水蓄能复合供电系统,克服了由于风能和太阳能的不稳定性引起的电能生产和负荷用电之间的不平衡,根据用户负荷的大小和能源的情况合理地确定了系统容量,并能确保系统的可靠性和降低发电系统的成本。但研究中只给出了整流器和逆变器的设计等,并没有对系统中风力机、太阳能和抽水蓄能的容量分配进行优化[67]。G.Z.Chen在风光互补的孤网中配备一定容量的抽水蓄能电站(PSS),建立了风—光—抽水蓄能(WSP)复合系统,克服了风电和太阳能发电的强随意性和劣质电能等缺点,解决了负荷平衡、频率调整和能量储存等问题。论文对不同容量的PSS运行状态进行了仿真和分析,开发了PSS最优装机容量的确定方法。研究表明,PSS的装机容量取决于负荷平衡特性、频率调节、电网总容量中风电和太阳能发电所占的比例等因素；PSS的上水库的库容大小取决于电网中周期性负荷的平衡容量,并随着电网中太阳能发电比例的增大而增大。但研究中并没有研究WSP复合系统中风电和太阳能发电的最优化容量配置[68]。Jeongje Park在考虑了风机发电机组(WTG)、太阳能光伏电池发电(SCG)和CO2排放量的限制条件下,提出了模糊线性规划(LP)——基于多准则可再生能源发电的长期最优发电组合(BGM)。该方法能适应风电和太阳能发电的功率(CF)和成本增长率(CER)的敏感性分析,并解决了Korean发电系统的多年最优发电系统组合问题,该系统包括核电、煤、天然气、石油、抽水蓄能、风力发电和太阳能发电。该方法对同时考虑可再生能源发电和污染气体排放的BGM的可变经济评估是有用的[69]。G.Caralis a分析了希腊三个特定岛屿的风—抽水蓄能系统(WPS),三个系统中水轮机提供的峰值供电分别为30%、50%、70%,而WPS对电网的供电分别占21%、43%和64%。通过分析,得出了一套WPS的初步设计和成本评估的参数图表和方法。将该方法应用于整个希腊自治岛屿的市场评估,结果表明,WPS电站与当地火电厂在发展所需成本上有竞争力。但仅通过对有代表性的实例进行研究分析得出的方法,应用于对其他不同运行条件和不同限制条件的WPS上的评估,难免有不准确[70]。Dimitris Al研究了孤网中采用抽水蓄能电站(PSS)对系统的影响。孤网中采用抽水蓄能的目的有两点:使系统中风电容量最大；使系统发电成本最低。以Crete和Rhodes两个海岛为例,用迭代方法计算了两个系统中水泵和水轮机的额定功率,最优化准则是电能生产成本最低。研究结果表明,孤网中采用抽水蓄能电站降低了系统成本,缩短了成本回收年限,使抵消了风电的不合格性。但采用本研究中的方法在Crete岛孤网系统中接入抽水蓄能,使电网中风电容量比重降低[71]。J.S.Anagnostopoulos针对孤网中风电由于不稳定而经常不能接入电网的现象进行研究,采用抽水蓄能电站进行调整,建立了风—抽水蓄能复合系统,并对该系统进行了仿真和优化。以希腊的Crete岛为例,利用岛上电网中风电被拒的时间变化数据进行研究,对系统参数进行设计,包括水轮机容量大小、水泵容量大小和数量、管道的直径和厚度、水库库容等。数值程序包括两部分:一部分详细模拟电站12个月运行的评估算法；一部分基于评估算法的自动优化软件。采用动态评估方法,利用单目标或多目标对不同对象进行考核,并对参数进行研究和敏感性测试。研究结果表明,为了调整接入电网的风电而采用的抽水蓄能的水力性能相当低,主要是因为风电的强无规律的时间变化和高峰值。研究结果同时表明了水轮机的容量越大,投资的经济前景越好,但容量不能低于3～4MW[72]。文献[73]建立了可再生能源系统优化经济选择的运算法则及相关模拟计算公式,求出了使可再生能源最大化开发时的抽水蓄能电站合理装机容量以及单位电能供应的最小成本。文献[74]对小型风电—抽水蓄能系统的运行进行了优化计算,通过考虑峰谷电价差,论证了该系统的经济可行性。

2.工程应用方面

希腊在Aegenan岛上建立了抽水蓄能风电复合系统(PHS),将不稳定的风电与抽水蓄能电站结合起来,充分利用当地丰富的风能资源。M.Kapsali研究了在保证峰荷用电的情况下,对PHS系统进行经济校核,使孤网效益最大化。针对限制风能对岛屿能量利用平衡的问题提出了一个解决方案。研究结果表明,根据提出的最优经济方案,可再生能源(RES)对系统的贡献将比当前提高9%,达到岛屿电能的19%。但提出的方案中没有考虑地理参数、机电设备、买方买的电价和供电方卖的电价等因素[75]。Stefanos V.Papaefthymiou分析了希腊Ikaria岛的风电—抽水蓄能复合系统(HPS)。Ikaria岛的HPS的设计是为了在高海拔地区开发现有的潜在水电资源。针对Ikaria岛的HPS,提出了合适的运行策略。为了提高HPS的运行期望效益,在假定不同的水文条件和风能条件下,开发了一种合适的仿真模型。HPS使可再生能源RES在孤岛的能量平衡中提高了50%,有效地利用了风能和潜在的水力资源,为岛屿的孤网提供了可靠容量,代替了昂贵的常规调峰电站。但仿真系统中未考虑抽水蓄能电站的有关因素[76]。J.K.Kaldellis针对可再生能源尤其是风电和太阳能发电给孤网带来的不稳定问题,提出了在孤网中配置储能装置的结构,并对其成本提出了分析方法,此方法考虑了储能设备的初次投资(基于存储容量和相应的额定功率)、输入电能的燃料费和总装机容量的成本等因素。研究结果表明,储能系统利用额外的电能(因为低需求和电网稳定性限制而不被接受的电能),在可再生能源自治电网系统中配置一定容量的储能装置是解决电能需求问题的有效方法,同时提供了清洁能源,减少了电网中热电带来的污染问题。但在计算成本时没有考虑运行成本带来的影响[77]。文献[78,79]针对岛屿的特点对风电—抽水蓄能系统进行了专门的详细设计,提出了岛屿风电等可再生能源开发的一种良好对策。

3.其他方面

S.Papaefthimiou E.针对MW级的孤岛电网由于技术上的限制而限制风电接入的问题,提出了孤岛电网中风—抽水蓄能(HPSs)复合系统的运行策略,将此运行策略用于三个不同容量大小和特性的孤岛系统中,针对HPSs装置对系统提供的效益及其对系统的运行和经济的影响进行了分析。结果表明,HPSs能大大地提高风电在孤网中的比重,并能给系统提供可靠容量。在当前的电能和容量的计价结构下,HPSs对整个孤岛系统的运行成本没有不利影响。但只是从成本上提出了新的运行策略,没有考虑抽水蓄能对系统稳定性的影响[80]。Jon Are Suul研究了用于孤网中整合风电的变速抽水蓄能电站的控制和运行,提出了一种利用背靠背电压型转换器的系统结构。该结构可使抽水蓄能能在水泵工况和水轮机工况下变速运行,参与系统的频率调节、电网电压或无功功率的调节,对电网电压或无功功率的控制可由水泵水轮机独立完成。通过模拟Faroe岛的发电系统的电网模型,阐述了结构的运行和控制。研究结果给出了如何控制变速抽水蓄能以减小风电波动的影响,同时有利于提高系统的频率响应。而且,模拟结果表明变速抽水蓄能在没有频率控制和系统瞬时电能平衡的条件下允许更多的风电接入孤网,也表明了利用提出的结构能控制电网的电压或系统的无功功率。控制电网电压或补偿风电波动无功功率的消耗能允许系统中无功功率的更好地分配,减少功率损失。电网侧变换器的电压控制也能减缓因为电压闪变引起的可能的功率质量问题和提高系统的电压稳定。提出的结构能够补偿风电引起的电压波动,提高孤网的运行。允许更多的风电接入电网,减少孤网对燃油发电的依赖[81]。文献[82]给出了风电—抽水蓄能系统的6种不同运行方案以及各子系统的运行模型和经济评价模型,这些模型考虑了风电直接输入电网可能带来的潜在风险,采取了将超过最大允许比重的风电由抽水蓄能储存起来,而在负荷高峰时优先使用抽水蓄能发电的技术路线。

国外风光抽水蓄能复合系统的研究及发展动态

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