鐘迎歡（國網(wǎng)福建省電力有限公司）

新能源多目標優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度模式探討

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隨著環(huán)境保護的重要性和傳統(tǒng)不可再生能源資源的日益減少，新能源以其可再生性、無環(huán)境污染性的優(yōu)勢得到大力的發(fā)展和應(yīng)用。新型能源的引入，應(yīng)用于發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，在將其納入電網(wǎng)后，給電網(wǎng)調(diào)度帶來了全新的挑戰(zhàn)。本文對新能源并入電網(wǎng)后的多目標優(yōu)化調(diào)度模式做一個簡單探討。

新能源；電網(wǎng)；調(diào)度模式

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活用電和工業(yè)用電的逐漸增加，用電需求與電力供應(yīng)之間的矛盾已經(jīng)凸顯出來。我國傳統(tǒng)的以火力發(fā)電為主體的供電模式，由于煤炭資源的日益減少，和大量煤炭燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物的造成嚴重的環(huán)境污染等問題，已在逐漸發(fā)展為復(fù)合模式。電力來源多樣化，尋求降低火力發(fā)電的比例，大力發(fā)展水電、風(fēng)電以及太陽能發(fā)電等新型能源，進行新能源替代，以期改變目前的電力供給現(xiàn)狀。

1新能源發(fā)電技術(shù)及其特性概述

與廣泛使用的常規(guī)能源（如石油、煤、水能、天然氣等）相比，新能源指在新技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)利用的非常規(guī)能源，主要包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等?/p>

1.1風(fēng)力發(fā)電

地球表面由于氣壓差異形成大氣活動產(chǎn)生的動能稱之為風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電是否具備可行性是由風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累計小時數(shù)決定。風(fēng)能具有高度隨機性和間歇性的特點。原因在于：①風(fēng)能由自然環(huán)境條件決定。大氣溫度、大氣壓力、地貌環(huán)境對風(fēng)況都會產(chǎn)生較為明顯的影響。②風(fēng)況的時有時無，風(fēng)速在大多數(shù)情況下無時無刻都在發(fā)生變化，這個變化特點是：一般陸地上白天風(fēng)速大，至于正午2：00達至最大，夜晚風(fēng)速小，黎明前6：00左右風(fēng)速最小；而受夜間海洋水體溫度高于大氣溫度影響，大氣層熱穩(wěn)定性變化大，導(dǎo)致海洋風(fēng)速午后2：00最小，而清晨6：00風(fēng)速達至最大。

由于隨機性和間歇性的特點，使得風(fēng)能成為一種不確定性高、難以控制和調(diào)控的電能來源。目前對于風(fēng)電的電網(wǎng)調(diào)度控制主要是通過控制設(shè)定風(fēng)機切入速度和切出速度來進行。當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)機切入速度時，自動裝置將風(fēng)機并入電網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)速達到切出風(fēng)速時，為避免對風(fēng)電機組和電網(wǎng)造成損傷，風(fēng)機停止發(fā)電。

1.2太陽能發(fā)電

太陽內(nèi)部不斷發(fā)生核聚變，發(fā)光發(fā)熱，對外釋放巨大的能量，到達地球后的太陽輻射能量就是太陽能?？茖W(xué)數(shù)據(jù)表明，太陽的壽命還有51億年，對于人類來說，太陽能是取之不盡用之不竭的環(huán)保能源。太陽能的強度由日照強度、日照量、和日照時間決定。太陽能發(fā)電目前有兩種方式：①利用太陽能產(chǎn)生的熱能發(fā)電，效率較低。②光伏發(fā)電。通過光電反應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前以光伏發(fā)電為主，太陽能發(fā)電是一種發(fā)展前景極為光明的發(fā)電技術(shù)，由于轉(zhuǎn)換效率、投資成本、自然條件影響等因素，太陽能發(fā)電目前使用多以小規(guī)模存在。

1.3生物質(zhì)能發(fā)電

生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存于生物質(zhì)中的能量形式。由于生物質(zhì)能直接或者間接來自于綠色植物的光合作用，其中硫等元素含量遠低于煤炭等能源，而氧和氫等元素則高于煤，化學(xué)成分比煤炭更利于燃燒，而其用作能源之后產(chǎn)生的氣體主要為可以被綠色植物利用的二氧化碳，污染物排放較少。生物質(zhì)能發(fā)電主要分為三種類型：①固體發(fā)電，將生物質(zhì)塑形為能源材料，對負荷控制技術(shù)有較高的要求。②液體發(fā)電，主要是對生物質(zhì)進行后處理使用提取物用作發(fā)電能源。③氣體發(fā)電，利用生物質(zhì)代謝或者分解產(chǎn)生的可燃性氣體進行發(fā)電，通常有沼氣發(fā)電和爐煤氣等生物質(zhì)能發(fā)電目前已有一定規(guī)模上的應(yīng)用。

1.4其它新能源發(fā)電

1.4.1地?zé)岚l(fā)電

地?zé)崮苁怯傻厍騼?nèi)部放射性同位素?zé)岷朔磻?yīng)產(chǎn)生的熱能，通過熔巖以熱能方式釋放出來，抽取后用于發(fā)電。由于對地?zé)崽锏臏囟纫?、開采難度要求以及熱效率等問題，目前主要探究干蒸汽發(fā)電與擴容蒸汽發(fā)電以及雙循環(huán)發(fā)電的聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，以求獲得較高的熱效率。此外，地下熱巖發(fā)電也在發(fā)展中，目前地?zé)崮馨l(fā)電應(yīng)用較少。

1.4.2海洋能發(fā)電

潮汐能、波浪能、溫差能、海流能、潮流能、鹽差能等，能量來自于星體的星球引力和太陽輻射能量。受條件所限，除了潮汐能已經(jīng)有一定程度上的應(yīng)用之外，目前對海洋能發(fā)電的利用尚處于發(fā)展階段。

2新能源用作電力來源給電網(wǎng)調(diào)度帶來的問題

2.1新能源發(fā)電的組成形式

近年來，我國新能源裝機和發(fā)電量逐年大幅增長，在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮了顯著作用。風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電作為技術(shù)成熟、具有規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用的新能源發(fā)電方式，發(fā)展速度居于各種新能源前列。目前，我國已成為全球風(fēng)電規(guī)模最大、光伏發(fā)電增長最快的國家，并網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機容量已突破1億kW?！笆濉逼陂g，我國風(fēng)電裝機容量年均增長29%，發(fā)電量年均增長29%；太陽能發(fā)電裝機容量年均增長170%，發(fā)電量年均增長219%。但經(jīng)濟效益不足、發(fā)電技術(shù)水平不夠成熟、能源資源的地理分布受限等原因，海洋能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等多以分散式發(fā)電的形式存在，開發(fā)利用占比較少。

2.2新能源發(fā)電的不利于調(diào)度性

新能源發(fā)電具有間歇性、波動性等特點，要將其并入電網(wǎng)，就會對原有電網(wǎng)造成穩(wěn)定性和安全性等方面的影響后，需要進行協(xié)調(diào)配合。例如風(fēng)能發(fā)電，由于風(fēng)力的不穩(wěn)定性，難以準確控制，風(fēng)電機組并入電網(wǎng)后，由于時段性的功率變化或缺失，必將影響電力實時的平衡，進而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

此外，新能源發(fā)電還受限自然條件的影響，也是其可測、可控、可調(diào)難度大的原因之一，但不同類型的發(fā)電方式受影響程度不同。地?zé)崮苁茏匀粭l件影響，但通常在相對較長一段時間內(nèi)，地?zé)崽锒寄軌虮ＷC一定程度上的穩(wěn)定能量來源；與之類似，生物質(zhì)能雖然由于熱值的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致其發(fā)電出現(xiàn)經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、連續(xù)控制性方面的問題，但是較少受到自然條件的影響，控制和調(diào)度相對容易。以風(fēng)能和太陽能為主的兩種發(fā)電方式，受自然環(huán)境影響最大，其可控性是目前影響新能源發(fā)電并入電網(wǎng)之后產(chǎn)生的不穩(wěn)定性的主要因素。

由此可見，新能源大規(guī)模并網(wǎng)，對電網(wǎng)的生產(chǎn)和運行帶來極大的挑戰(zhàn)，因此迫切需要開展針對大規(guī)模新能源并網(wǎng)的電網(wǎng)調(diào)度模式研究，統(tǒng)籌全網(wǎng)各類發(fā)電資源，使全網(wǎng)的功率供給與需求達到實時動態(tài)平衡，滿足安全運行標準，以實現(xiàn)大規(guī)模新能源的科學(xué)合理利用。

3新能源多目標優(yōu)化調(diào)度

依據(jù)調(diào)度周期內(nèi)各時段負荷的變化狀況，安排投入運行的機組，將負荷在運行機組之間進行合理經(jīng)濟的分配，已取得最好的穩(wěn)定性、安全性以及兼顧經(jīng)濟效益，是電網(wǎng)調(diào)度的主要內(nèi)容。調(diào)度策略的合理有效直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定安全。

3.1建立新能源多目標優(yōu)化調(diào)度模型

考慮多種影響因素，通過不同約束條件下數(shù)學(xué)建模，建立電網(wǎng)多目標優(yōu)化模型，通過算例驗證其可行性，為系統(tǒng)化制定調(diào)度方案提供有效方法指導(dǎo)。

3.2目前采用的短期電網(wǎng)調(diào)度方式

傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度由于電力來源的可控穩(wěn)定性，主要是基于負荷的可預(yù)測性，以及常規(guī)電源的確定性進行電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方案的制定。大規(guī)模波動性、不可控性、間歇性新能源并入電網(wǎng)增加了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，給電網(wǎng)帶來了持續(xù)性的隨機變化，使發(fā)電功率的預(yù)測變得更加困難。為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，應(yīng)對電網(wǎng)調(diào)度出現(xiàn)的不確定因素，通常采用的做法是預(yù)留一定的旋轉(zhuǎn)備用，將之新能源發(fā)電實際出力和預(yù)測值之間的出現(xiàn)的較大偏差的應(yīng)對方式，降低系統(tǒng)的失負荷以及備用不足風(fēng)險。這種調(diào)度方式會導(dǎo)致常規(guī)機組長期低效運行，造成資源浪費，降低了應(yīng)用新能源的效益，不利于節(jié)省運行成本。

3.3建設(shè)備用電源，應(yīng)用儲能設(shè)備，調(diào)節(jié)電源結(jié)構(gòu)布局

為了保障新能源入網(wǎng)后的電力平衡，可增加系統(tǒng)調(diào)峰容量。建設(shè)穩(wěn)定的調(diào)峰能力強的電備用電源，在新能源不穩(wěn)定期間進行快速調(diào)峰；同時開發(fā)應(yīng)用具有實用性的能源儲存設(shè)備，在新能源如風(fēng)能發(fā)電電力過剩時儲存電能，而在風(fēng)電功率缺失而用電負荷高峰時段作為備用電源。這種調(diào)度方式對新能源并入電網(wǎng)后的帶來的不確定性有較好的規(guī)避風(fēng)險作用，但是同樣存在短時間難以應(yīng)用，投資成本過高的問題。

3.4建立智能管理系統(tǒng)，啟用市場機制，考慮引入高效的需求側(cè)響應(yīng)

智能電網(wǎng)的發(fā)展，大規(guī)模集中或分散的新能源電源群體將會出現(xiàn)；與此同時，一系列可調(diào)度的負荷群體也將出現(xiàn)。將之納入電網(wǎng)調(diào)度方案將可以有效協(xié)調(diào)個體單元與區(qū)域電網(wǎng)之間的矛盾。以有余而補不足，國外對間歇性新能源并入電網(wǎng)后保證電力平衡的有效方法之一就是引入側(cè)響應(yīng)機制。將多種間歇性能源發(fā)電進行高效綜合利用，整合資源，互為補益，對提高供電的整體應(yīng)變能力，提升供電的可靠性有著重要的作用。

大規(guī)模新能源電源并入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量、頻率控制、電壓調(diào)整、安全性和穩(wěn)定性等造成多方面的影響。多目標優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度模式，對能源結(jié)構(gòu)進行資源整合再利用，最大限度利用火電等常規(guī)能源調(diào)峰能力，充分發(fā)揮抽水蓄能電站作用，采用先進手段控制風(fēng)電場有功出力，加大不同電網(wǎng)調(diào)峰互濟與跨區(qū)電力交易規(guī)模，從而發(fā)揮新能源綠色環(huán)保、可持續(xù)利用的優(yōu)勢，降低新能源并網(wǎng)帶來的負面效果，減少電網(wǎng)的運行成本和系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量。但是，其在我國實行的具體管理辦法還有待進一步探討。

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2015-12-27