安防之家讯：1. 简介
大规模整合进风力发电的电力系统需解决设计对整体能量系统综合调整策略的挑战。风力涡轮机需要与其他人交往与其余的生产单位在系统为了使得它有可能系统安全的供求平衡。如果风电投资是结合其他类型的不断改进的系统这一挑战就更难,如热电联产(CHP)和更好的效率。而且,这些策略包括:潜在的贸易得益于国际电力公司的分析。
整合风能已经彻底分析,重点介绍了单机系统和集成和氢燃料电池系统[1-8]。类似的分析是由电力生产的平衡与限制CHP生物质燃料、电网连接和消费者的需求[9-12]。需求侧管理是工艺包括分析需求分布的影响,如峰值负载减少或灵活需求[13-15]。
与此同时, 在欧洲分布式电力生产和供应有一个增长的趋势 [16-22]。两个增加生产和使用分权型风力发电将导致越来越多的中小型生产商,将会被连接到能源网络,尤其是电力网,最初设计用于垄断市场。因此,会出现许多新情况、新问题,关系到管理和运行的能量传递以及在网格有效分配关系的风力发电等可再生能源[23-25].
为了使一个实质性的分布式能源资源长期渗透在欧洲,这是必要的,以解决相关的关键问题融入现有的和未来能源系统。其中一个最重要的未来的挑战似乎是管理一体化的电力生产波动的电力,可以由使用再生能源和来自热电联产(CHP)单位电力生产。
丹麦的能源政策,能源供应成功地稳定在一个时期的30年。绝缘的房屋和一个广泛的推广使用热电联产(CHP)降低了为国内供暖的燃油消耗量。做到这一点实现了期间30年经济的增长,住房数量增加。此外,不同类型的可再生能源的引进和政府的大力支持 [26-29]。今天,风力发电生产近20 %和CHP 50 %的电力需求[30]。因此,丹麦是领导,就整合电力分配生产到国家的生产体系。
基于丹麦实例介绍了分析大规模集成风力发电在不同的能量系统使用不同的调节策略的结果。不同的选择是评价以下三个方面的素质:
———避免多余的电力生产的能力。
———利用风力降低国内二氧化碳的排放的能力。
———开拓在国际北欧交易电力市场贸易的 。
2、方法论
大规模化风力发电的问题,西方丹麦能源系统模型于2020年在能源计划的计算机模型中分析。在一开始,系统分析了现行规定的热电联产(CHP)厂(参考调节系统)和在目前热电联产(CHP)组合,DH(区域供热)厂等的基础。(参考能量系统)。
不同的可选择的规章制度和能源系统,包括不同提高灵活性的投资,也受制于技术和经济两方面的分析。技术分析比较不同的系统的整合能力,在数量上表现风力发电能力减少多余的电力生产和国内的二氧化碳的排放。经济分析的能力进行了比较系统的在北欧电力交易市场开拓交易。
2.1能源计划模型
能源设计模型是一种输入/输出模型(见图1)。一般输入信号的要求、容量选择多个不同的调整策略,注重进出口情况和电力生产过剩。输出能量守恒以及产生的年度产品、经济性和进口/出口。
图1 .能源计划的能量系统分析模型。
能量系统在能源计划模型包括从太阳能热、工业CHP,热电联产(CHP)单位、热泵、蓄热和锅炉产热。地区供热是被分成三个组,锅炉系统,分散和集中的热电联产(CHP)系统。对热电联产(CHP)以外的系统包括来自可再生能源的电力生产,如太阳能、风能输入分为陆上和海上,以及传统发电厂(冷凝厂)。
这个模型需要四套输入技术分析。第一套是一年一度的区域供暖消费和年度的电力消费,包括灵活的需求和电力消费从运输领域, 如果有的话。第二套是一种光伏和风力的能力,包括一个适度的因素,以调节风力发电和电力生产之间的关系。这部分也定义了太阳能热、工业CHP产热输入区域供热。第三套是热电联产(CHP)单位、电站、锅炉、热水泵的容量和运行效率。最后一套指定一些技术的限制,即为了保持电网的稳定性最小热电联产(CHP)和电厂负荷百分比。此外,它包括为了实现规定的热泵的效率的最大的热泵产热百分比。
为经济的计算输出和/或输入电流, 模型需要定义在国际电力市场的价格变化。该模型有一个基于电力交易中心第一年运行基础上的内部小时标准价格变化。这些价格变化可以在以下输入内调节:乘法因子,加法因子(DKK/ MWh),不可预测的进出口调整价格。此外,一个表达市场对风和热电联产(CHP)反应的因子可以改变市场。此外,根据输入的边际生产1 MWh电产生所需的燃料成本和费用,以锅炉或热泵生产的热量,被热电联产(CHP)所取代。
该模型强调的是不同调整策略的分析。基本上,技术分析区分在于以下这两个策略:
调节策略一:满足热力需求。该策略所有单位生产仅根据热的要求。在没有CHP集中供热锅炉系统中锅炉只是供应区域供热需求和生产太阳能热和工业(CHP) 之间的差异。为热电联产(CHP) 下的区域供热,单位根据下列顺序优先选择:太阳能热、工业CHP,热电联产(CHP)单位、热泵锅炉和峰值负载。
调节策略II:满足热和电两方面的要求。当选择策略II,主要出口将通过取代锅炉或使用热泵产热的CHP来减少。这一策略增加电力消耗同时减少电力生产, CHP单位必须减少了热生产。在CHP厂结合蓄热能力的额外的能力的使用,防凝结厂生产用(CHP)生产来取代它使其减少。
在经济分析了上述两种策略被基于每当市场价格均高于边际生产成本出口和每当市场价格低于边际生产成本进口原则上市场贸易战略缓和。
在所有的策略,该模型有一系列的限制因素要考虑,如:
-系统需要一定程度的稳定输电容量
-输电容量的瓶颈
-避免临界过量生产的策略
-热泵产热的最大比例。
详细描述该模型,请参考[31,32]。
2.2参考能量系统
丹麦的西部2020年已被选择作为一个参考的情景。该地区的区域是相同的传动系统接线员:Eltra。这一参考的场景是基于ELTRA系统2001方案,并应用在2001年工作的一个专家小组,应丹麦国会要求,研究了大规模风电的整合问题和分析可能的方法和策略管理问题[33]。作为部分的工作,奥尔堡大学2020年在丹麦做了一些长期更加灵活的能量系统的投资能源系统分析[34,35]。
参考由以下发展组成:丹麦电力需求是预计将从2001年35.3 TWh到2020年41.1 TWh相当于每年上升0.8%。东丹麦风力发电装机容量预计将从2001年570MW上升到2020年1850MW，西丹麦风力发电装机容量从1870MW到3860 MW。增加主要是由于每年150 MW海岸风力电厂的安装。当老CHP厂生活到期，大型燃煤热电联产(CHP)汽轮机将被现有的一些新的自然燃气联合循环热电联产(CHP)单位取而代之。
2.3调节系统参考和选择
参考调节系统曾被定义为本条例由许多可能调整措施以避免临界过量生产。因此参考规定可以被描述成为以下方式:
——所有的风力涡轮机根据风的波动产生
——所有的热电联产(CHP)厂生产根据热量需求(或三关税)
----完全参与大型电站的任务供需平衡,确保电网的稳定性
----最少300 MW及最低30%的生产必须来自于电网稳定电站
----使用下列顺序以避免临界过量:(1)用锅炉取代CHP,(2)用电热和(3),如果有必要,停止风力涡轮机。
参考系统的能力来整合风能已经被比作一批替代调节系统基于以下原则:
- CHP单位可以通过减低其电力生产过剩的生产时间重新整合风能。相反地,锅炉、和/或电加热和/或热泵取代产热。
-小热电联产(CHP)单位都包括在电网稳定的任务中。
3技术分析的结果
所有的分析已经进行了风输入功率从0到25 TW h等于在参考(24.87TWh)下从0到100%的电力需求的变化。
参考调控体系下的参考能量系统结果如图2。上面的图表显示过量生产和国内在没有任何限制在输电容量(开放系统)情况下减低CO2排放量。在这两个图表下如果容量限制(1700 MW限制)和在没有输电容量(封闭系统)的情况下, 显示相同结果。
在利用风力发电的投入时阐述这样一个系统具有相当多的问题。例如风输入5 TWh过量生产高达2 TWh,并且如果风生产10 TWh就会过多增加到6 TWh。因此当增加投入时，利用风能来除去二氧化碳减排变得虚弱。在10 TWh下国内排放已开始增加了。这是由于对从大型发电厂电网稳定需求的增加。
超额生产可以避免更换CHP生产电加热锅炉或停止风力涡轮机。但如阐释降低二氧化碳排放量的能力显示的是一个非常贫乏的结果。
当然, 对定义的能量系统产生的过量生产和CO2还原是很敏感的。CO2还原政策,很可能会导致日后系统变化,影响结果。因此,上述的分析,进行了以下三个替代能源系统,均表现出进一步改善在丹麦系统下减少国内二氧化碳的关系:
图2排放在参考管理系统下的参考能源系统时多余的电力生产和国内减少二氧化碳量
图3以参考调控系统下的三种能量系统中的多余的电力生产和国内减少的二氧化碳量。以上这三个选择是独立显示其组合在下。
50%更多的热电联产(CHP):在参考系统21.21 TWh等于热电联产下50%的热量。另一个系统已被定义在CHP的比例增加50%到31.82TWh。
燃料电池技术:在CHP单位和电厂(例如燃料电池)下电效率的改善提高了工作效率,从而降低燃料消耗。
另一个系统的定义了CHP平均效率从38%提高至55%和电厂效率从50%到60%。
电气化汽车:基于学习的电气化汽车(部分电池和部分氢燃料电池车)另一个系统已被定义为12.56 TWh汽油可以被4.4 TWh 电 取代[36]。
可供选择的系统的分析结果如图3。图表说明就更多CHP(“50%(CHP)”)和更好的效率(“燃料电池”)加快过量生产问题而同时减少电气化汽车(“交通”)的问题如何改善。与参考能量系统下起点无风的力量时相比减少二氧化碳排放量的改进, 但随着增加风输入只有电气化汽车保持更好的减少二氧化碳能力。
图4显示的结果是一样的,如果对选择调节系统进行介绍。它显示的是包括规定下的热电联产(CHP)单位。此类措施从根本上降低了在参考和替代能源系统下单独过量生产。同时,如果此CHP单位都换成了锅炉(CHPregB)燃料效率会降低,而且可能不充分的开拓降低二氧化碳能力。增加电加热系统(CHPregEH)不能解决问题,但是添加热泵(CHPregHP)使得减少过量生产,同时保持燃料效率有可能。
图4在替代调控系统下过量的电力生产和国内减低CO2排放量。以上三种调节系统中显示的是在参考能量系统下的，下面是在替代能源系统下的(50%chp+transp.+FC)。
并且在工程实践中分析了传输电网的影响。与此同时,上述结果不包括在这篇论文中。初步成果已发表在[23]。
4经济分析结果
灵活的能量系统的可行性在开拓电力交易中心市场上进行了能力的评估。
电力交易中心模式一直是基于以下事项:
----小时价格标准基于最初几年的运作历史数据分布。一个标准的分布的平均值140DKK / MWh,代表在北欧海德鲁厂系统用大量的水的丰水年。
----丹麦贸易中电力交易中心价格每兆瓦0.02DKK/ MWh影响基于历史数据。
----7年一次干旱年,三个丰水年和三个正常年份创造出的标准价格分布,是在未来2010年至2020年间所期待的平均值相当于丹麦能源机构(240DKK / MWh)。
----德国贸易影响被描述为固定进口/出口小时分布基于历史上典型贸易在电力交易中心中高或低的价格。
——如果在传输系统下的瓶颈提高，市场分裂为价格区域。
——化石燃料的价格根据丹麦能源机构的期望而定。
对于这样一个市场模型分析了贸易是国际二氧化碳贸易价格从0到250DKK/t二氧化碳和风生产价格在170和270DKK /MWh.
分析了在这样一个系统中投资新电厂生产能力是否可行。这样做的结果是增加交易利润的可能性的是非常有限的,额外收入远远没有能力偿还投资。
与此同时,灵活的能量系统投资似乎非常有利可图。两种可能的调节系统已分析以上,即“包括在规定下的热电联产(CHP)单位”,和通过锅炉(CHPregB)或热泵(CHPregHP) 更换产热是特别重要的。当风力发电超过每年的基础20%的用电需求投资在这些解决方案上将变得非常可行的,尤其是热水泵。因此,热泵机组的可行性(付完投资成本后)是大约1000万欧元/年20%风能增加到8000万欧元/年60%风能。这样的可行性被比作固定的年度投资和维护费用只有15欧元/年。因此有兴趣投资取决于风力的份额在50到500%。所有的分析是基于相同的热泵能力。与此同时,这样的能力可能是调整和优化的实际风功率输入,在此情况下,投资的可行性可以进一步改进[37]。
5结论
直到现在,电力供应和需求之间的平衡任务主要是为了给我们留下了大量生产单位。小热电联产(CHP)厂和风力涡轮机没有被卷入了这条规定。因此, 在丹麦的系统中,整合大型风力发电的能力是很脆弱的，其特征是高度的热电联产(CHP)。多余的电力生产的比例较高,并且利用风力发电降低国内CO2排放的能力较低。
如果按照计划进行的话丹麦增加风力50%,这个问题会变得严重。如果,在同样的时间,丹麦提高CHP程度和改善经营效率的问题将会变得更糟。
本文给出灵活调节系统的实施结果包括规定的热电联产(CHP) 单位和热泵最终投资。这样的系统已经被评价为避免系统中过量生产的能力和对国际电力市场交易开拓的能力。
这种对灵活性改进的可行性很高,可适合任何的风力发电,尤其是风输入在20-25%以上。
鸣谢
本文的研究结果来自两个在奥尔堡大学的研究项目,在经济上来自丹麦能源机构和丹麦能源研究计划的支持。结果和讨论在第四届国际研讨会,结果本文大型研究项目的结果来自两个奥尔堡大学,在经济上支持丹麦能源机构和丹麦能源研究计划。结果在2003年10月Billund 20-21第四届国际研讨会的风力发电规模集成和用于海上风力农场传输网络陈述和讨论。
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