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图4我国2015~2050年发电装机容量构成规划
随着以风电、太阳能发电等新能源电力的开发利用,接入电网的新能源电力比重日益提高。众所周知,电力的基本特征是难以大规模储存,电力的生产与消费必须同步进行。电力系统通过统一的调度指挥,使电力的生产跟随负荷需求的变化,保证电能的实时供需平衡。对于传统的电力系统来说,电力调度中心根据用户负荷需求变化对发电单元发出调度指令,发电单元执行自动发电控制(AutomaticGenerationControl,AGC)调度指令改变发电负荷,满足用户负荷需求,维持电网安全稳定,保证电能质量。当发电侧的可调度容量难以达到负荷侧需求以及发生可能影响电网安全稳定的情况时,电力调度中心将采取切除用户负荷等措施,保证电网安全稳定运行。
对于传统的火电、水电、核电、油/气发电而言,发电单元一般具有良好的可调度性能。发电机组在一定的容量范围内可以按照电网调度AGC指令变更发电功率。因此,在发电装机容量可满足用户最大负荷的前提下,整个电力系统是可调可控的。
风电、太阳能发电区别于传统发电的一个重要特征在于它的随机波动性。由于产生电力的一次能源来自于自然界空气的流动与太阳光的辐射,不仅不可储存,而且受到季节、气候和时空等的影响,具有很强的随机波动性和间歇性,因此,对于具有一定装机容量的新能源发电单元来说,其实际出力首先取决于现时刻的风力、太阳光强度的约束。当风电、太阳能发电规模化接入电网后,电力系统就必须在随机波动的发电侧与随机波动的负荷侧之间实现电力的供需平衡,保持电网的安全稳定。如图5所示。
图5电力系统电能实时供需平衡示意图
新能源电力的另外一个重要特征在于它的能量密度低。例如:当风速为3m/s时,其能量密度为20W/m2左右,而太阳能即使是在天气晴朗的正午,太阳垂直投射到地球表面的能量密度仅为1000W/m2左右,这样使得新能源发电设备的单机容量不可能过大。大量的小容量发电机组接入电网,使电力系统受控发电单元呈爆炸性增长趋势。截至2012年底,我国火电机组累计装机819.17GW,单机6MW及以上的火电机组总数约为6600台;同期,风电机组的装机总量仅为75.324GW,装机数量却达到了53764台,超过了火电机组数量的8倍。按照我国风电装机2020年将达到200~300GW的预期,以目前风电的平均单机装机容量来计算,到时需要并入电网的风电机组数量将达到14万至21万台!
随着新能源电力的规模化开发和电网中新能源电力比重的增加,使传统电力系统的基本特征发生了显著的变化,主要体现在以下几个方面:随机性、可控性、安全性、整体性、智能化。进而将推动电力系统的结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革,从而将逐步形成新一代电力系统,即新能源电力系统。
新能源电力系统发展模式
电力及电力系统已经过了100多年发展的历史,成为当今以化石能源为主体、以大容量发电、远距离输送、集中统一管理的现代电力系统。随着新能源电力的规模化开发以及电网中新能源电力比重的增加,新能源电力系统的特征将日益凸显。实际表明,传统的理论方法与技术不能解决新能源电力系统所面临的问题,需要深入认知新能源电力系统的特性,创新理论方法与技术,在发展智能电网技术的基础上,从系统的整体性特征出发,构成基于电源响应、电网响应和需求侧响应为一体的新能源电力系统发展模式,如图6所示。
图6新能源电力系统发展模式
新能源电力系统建模与控制
2011年以来,依托华北电力大学“新能源电力系统国家重点实验室”建设,围绕本领域共性基础问题及关键技术研究以及公共平台建设,作者团队开展了系统的研究工作。主要研究内容包括新能源电力系统特性及多尺度模拟;规模化新能源电力变换与传输;新能源电力系统控制与优化。2012年,承担了国家重点基础研究发展计划(973)项目“智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究”(编号:2012CB215200),主要研究内容有新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法;新能源电力设备及系统故障演化机制与防御策略。2013年,承担了国家自然科学基金委与英国工程与自然研究理事会合作项目“含大规模分布式储能的新能源电力系统稳定分析与控制”(编号:513111122),推进本领域的国际合作研究。研究团队还主持或参与完成了多项电力企业的研究课题,部分研究成果得到了实际应用,解决了相关
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