大規(guī)模集成并入不同風(fēng)力發(fā)電的能源系統(tǒng)

1. 簡(jiǎn)介

大規(guī)模整合進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的電力系統(tǒng)需解決設(shè)計(jì)對(duì)整體能量系統(tǒng)綜合調(diào)整策略的挑戰(zhàn)。風(fēng)力渦輪機(jī)需要與其他人交往與其余的生產(chǎn)單位在系統(tǒng)為了使得它有可能系統(tǒng)安全的供求平衡。如果風(fēng)電投資是結(jié)合其他類型的不斷改進(jìn)的系統(tǒng)這一挑戰(zhàn)就更難,如熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)和更好的效率。而且,這些策略包括:潛在的貿(mào)易得益于國(guó)際電力公司的分析。

整合風(fēng)能已經(jīng)徹底分析,重點(diǎn)介紹了單機(jī)系統(tǒng)和集成和氫燃料電池系統(tǒng)[1-8]。類似的分析是由電力生產(chǎn)的平衡與限制CHP生物質(zhì)燃料、電網(wǎng)連接和消費(fèi)者的需求[9-12]。需求側(cè)管理是工藝包括分析需求分布的影響,如峰值負(fù)載減少或靈活需求[13-15]。

與此同時(shí), 在歐洲分布式電力生產(chǎn)和供應(yīng)有一個(gè)增長(zhǎng)的趨勢(shì) [16-22]。兩個(gè)增加生產(chǎn)和使用分權(quán)型風(fēng)力發(fā)電將導(dǎo)致越來越多的中小型生產(chǎn)商,將會(huì)被連接到能源網(wǎng)絡(luò),尤其是電力網(wǎng),最初設(shè)計(jì)用于壟斷市場(chǎng)。因此,會(huì)出現(xiàn)許多新情況、新問題,關(guān)系到管理和運(yùn)行的能量傳遞以及在網(wǎng)格有效分配關(guān)系的風(fēng)力發(fā)電等可再生能源[23-25].

為了使一個(gè)實(shí)質(zhì)性的分布式能源資源長(zhǎng)期滲透在歐洲,這是必要的,以解決相關(guān)的關(guān)鍵問題融入現(xiàn)有的和未來能源系統(tǒng)。其中一個(gè)最重要的未來的挑戰(zhàn)似乎是管理一體化的電力生產(chǎn)波動(dòng)的電力,可以由使用再生能源和來自熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位電力生產(chǎn)。

丹麥的能源政策,能源供應(yīng)成功地穩(wěn)定在一個(gè)時(shí)期的30年。絕緣的房屋和一個(gè)廣泛的推廣使用熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)降低了為國(guó)內(nèi)供暖的燃油消耗量。做到這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了期間30年經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),住房數(shù)量增加。此外,不同類型的可再生能源的引進(jìn)和政府的大力支持 [26-29]。今天,風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)近20 %和CHP 50 %的電力需求[30]。因此,丹麥?zhǔn)穷I(lǐng)導(dǎo),就整合電力分配生產(chǎn)到國(guó)家的生產(chǎn)體系。

基于丹麥實(shí)例介紹了分析大規(guī)模集成風(fēng)力發(fā)電在不同的能量系統(tǒng)使用不同的調(diào)節(jié)策略的結(jié)果。不同的選擇是評(píng)價(jià)以下三個(gè)方面的素質(zhì):

———避免多余的電力生產(chǎn)的能力。

———利用風(fēng)力降低國(guó)內(nèi)二氧化碳的排放的能力。

———開拓在國(guó)際北歐交易電力市場(chǎng)貿(mào)易的 。

2、方法論

大規(guī)模化風(fēng)力發(fā)電的問題,西方丹麥能源系統(tǒng)模型于2020年在能源計(jì)劃的計(jì)算機(jī)模型中分析。在一開始,系統(tǒng)分析了現(xiàn)行規(guī)定的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)廠(參考調(diào)節(jié)系統(tǒng))和在目前熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)組合,DH(區(qū)域供熱)廠等的基礎(chǔ)。(參考能量系統(tǒng))。

不同的可選擇的規(guī)章制度和能源系統(tǒng),包括不同提高靈活性的投資,也受制于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的分析。技術(shù)分析比較不同的系統(tǒng)的整合能力,在數(shù)量上表現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電能力減少多余的電力生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)的二氧化碳的排放。經(jīng)濟(jì)分析的能力進(jìn)行了比較系統(tǒng)的在北歐電力交易市場(chǎng)開拓交易。

2.1能源計(jì)劃模型

能源設(shè)計(jì)模型是一種輸入/輸出模型(見圖1)。一般輸入信號(hào)的要求、容量選擇多個(gè)不同的調(diào)整策略,注重進(jìn)出口情況和電力生產(chǎn)過剩。輸出能量守恒以及產(chǎn)生的年度產(chǎn)品、經(jīng)濟(jì)性和進(jìn)口/出口。

圖1 .能源計(jì)劃的能量系統(tǒng)分析模型。

能量系統(tǒng)在能源計(jì)劃模型包括從太陽能熱、工業(yè)CHP,熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位、熱泵、蓄熱和鍋爐產(chǎn)熱。地區(qū)供熱是被分成三個(gè)組,鍋爐系統(tǒng),分散和集中的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)以外的系統(tǒng)包括來自可再生能源的電力生產(chǎn),如太陽能、風(fēng)能輸入分為陸上和海上,以及傳統(tǒng)發(fā)電廠(冷凝廠)。

這個(gè)模型需要四套輸入技術(shù)分析。第一套是一年一度的區(qū)域供暖消費(fèi)和年度的電力消費(fèi),包括靈活的需求和電力消費(fèi)從運(yùn)輸領(lǐng)域, 如果有的話。第二套是一種光伏和風(fēng)力的能力,包括一個(gè)適度的因素,以調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電和電力生產(chǎn)之間的關(guān)系。這部分也定義了太陽能熱、工業(yè)CHP產(chǎn)熱輸入?yún)^(qū)域供熱。第三套是熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位、電站、鍋爐、熱水泵的容量和運(yùn)行效率。最后一套指定一些技術(shù)的限制,即為了保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性最小熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)和電廠負(fù)荷百分比。此外,它包括為了實(shí)現(xiàn)規(guī)定的熱泵的效率的最大的熱泵產(chǎn)熱百分比。

為經(jīng)濟(jì)的計(jì)算輸出和/或輸入電流, 模型需要定義在國(guó)際電力市場(chǎng)的價(jià)格變化。該模型有一個(gè)基于電力交易中心第一年運(yùn)行基礎(chǔ)上的內(nèi)部小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格變化。這些價(jià)格變化可以在以下輸入內(nèi)調(diào)節(jié):乘法因子,加法因子(DKK/ MWh),不可預(yù)測(cè)的進(jìn)出口調(diào)整價(jià)格。此外,一個(gè)表達(dá)市場(chǎng)對(duì)風(fēng)和熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)反應(yīng)的因子可以改變市場(chǎng)。此外,根據(jù)輸入的邊際生產(chǎn)1 MWh電產(chǎn)生所需的燃料成本和費(fèi)用,以鍋爐或熱泵生產(chǎn)的熱量,被熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)所取代。

該模型強(qiáng)調(diào)的是不同調(diào)整策略的分析?；旧?技術(shù)分析區(qū)分在于以下這兩個(gè)策略:

調(diào)節(jié)策略一:滿足熱力需求。該策略所有單位生產(chǎn)僅根據(jù)熱的要求。在沒有CHP集中供熱鍋爐系統(tǒng)中鍋爐只是供應(yīng)區(qū)域供熱需求和生產(chǎn)太陽能熱和工業(yè)(CHP) 之間的差異。為熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 下的區(qū)域供熱,單位根據(jù)下列順序優(yōu)先選擇:太陽能熱、工業(yè)CHP,熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位、熱泵鍋爐和峰值負(fù)載。

調(diào)節(jié)策略II:滿足熱和電兩方面的要求。當(dāng)選擇策略II,主要出口將通過取代鍋爐或使用熱泵產(chǎn)熱的CHP來減少。這一策略增加電力消耗同時(shí)減少電力生產(chǎn), CHP單位必須減少了熱生產(chǎn)。在CHP廠結(jié)合蓄熱能力的額外的能力的使用,防凝結(jié)廠生產(chǎn)用(CHP)生產(chǎn)來取代它使其減少。

在經(jīng)濟(jì)分析了上述兩種策略被基于每當(dāng)市場(chǎng)價(jià)格均高于邊際生產(chǎn)成本出口和每當(dāng)市場(chǎng)價(jià)格低于邊際生產(chǎn)成本進(jìn)口原則上市場(chǎng)貿(mào)易戰(zhàn)略緩和。

在所有的策略,該模型有一系列的限制因素要考慮,如:

-系統(tǒng)需要一定程度的穩(wěn)定輸電容量

-輸電容量的瓶頸

-避免臨界過量生產(chǎn)的策略

-熱泵產(chǎn)熱的最大比例。

詳細(xì)描述該模型,請(qǐng)參考[31,32]。

2.2參考能量系統(tǒng)

丹麥的西部2020年已被選擇作為一個(gè)參考的情景。該地區(qū)的區(qū)域是相同的傳動(dòng)系統(tǒng)接線員:Eltra。這一參考的場(chǎng)景是基于ELTRA系統(tǒng)2001方案,并應(yīng)用在2001年工作的一個(gè)專家小組,應(yīng)丹麥國(guó)會(huì)要求,研究了大規(guī)模風(fēng)電的整合問題和分析可能的方法和策略管理問題[33]。作為部分的工作,奧爾堡大學(xué)2020年在丹麥做了一些長(zhǎng)期更加靈活的能量系統(tǒng)的投資能源系統(tǒng)分析[34,35]。

參考由以下發(fā)展組成:丹麥電力需求是預(yù)計(jì)將從2001年35.3 TWh到2020年41.1 TWh相當(dāng)于每年上升0.8%。東丹麥風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將從2001年570MW上升到2020年1850MW，西丹麥風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量從1870MW到3860 MW。增加主要是由于每年150 MW海岸風(fēng)力電廠的安裝。當(dāng)老CHP廠生活到期，大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)汽輪機(jī)將被現(xiàn)有的一些新的自然燃?xì)饴?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位取而代之。

2.3調(diào)節(jié)系統(tǒng)參考和選擇

參考調(diào)節(jié)系統(tǒng)曾被定義為本條例由許多可能調(diào)整措施以避免臨界過量生產(chǎn)。因此參考規(guī)定可以被描述成為以下方式:

——所有的風(fēng)力渦輪機(jī)根據(jù)風(fēng)的波動(dòng)產(chǎn)生

——所有的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)廠生產(chǎn)根據(jù)熱量需求(或三關(guān)稅)

----完全參與大型電站的任務(wù)供需平衡,確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性

----最少300 MW及最低30%的生產(chǎn)必須來自于電網(wǎng)穩(wěn)定電站

----使用下列順序以避免臨界過量:(1)用鍋爐取代CHP,(2)用電熱和(3),如果有必要,停止風(fēng)力渦輪機(jī)。

參考系統(tǒng)的能力來整合風(fēng)能已經(jīng)被比作一批替代調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于以下原則:

- CHP單位可以通過減低其電力生產(chǎn)過剩的生產(chǎn)時(shí)間重新整合風(fēng)能。相反地,鍋爐、和/或電加熱和/或熱泵取代產(chǎn)熱。

-小熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位都包括在電網(wǎng)穩(wěn)定的任務(wù)中。

3技術(shù)分析的結(jié)果

所有的分析已經(jīng)進(jìn)行了風(fēng)輸入功率從0到25 TW h等于在參考(24.87TWh)下從0到100%的電力需求的變化。

參考調(diào)控體系下的參考能量系統(tǒng)結(jié)果如圖2。上面的圖表顯示過量生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)在沒有任何限制在輸電容量(開放系統(tǒng))情況下減低CO2排放量。在這兩個(gè)圖表下如果容量限制(1700 MW限制)和在沒有輸電容量(封閉系統(tǒng))的情況下, 顯示相同結(jié)果。

在利用風(fēng)力發(fā)電的投入時(shí)闡述這樣一個(gè)系統(tǒng)具有相當(dāng)多的問題。例如風(fēng)輸入5 TWh過量生產(chǎn)高達(dá)2 TWh,并且如果風(fēng)生產(chǎn)10 TWh就會(huì)過多增加到6 TWh。因此當(dāng)增加投入時(shí)，利用風(fēng)能來除去二氧化碳減排變得虛弱。在10 TWh下國(guó)內(nèi)排放已開始增加了。這是由于對(duì)從大型發(fā)電廠電網(wǎng)穩(wěn)定需求的增加。

超額生產(chǎn)可以避免更換CHP生產(chǎn)電加熱鍋爐或停止風(fēng)力渦輪機(jī)。但如闡釋降低二氧化碳排放量的能力顯示的是一個(gè)非常貧乏的結(jié)果。

當(dāng)然, 對(duì)定義的能量系統(tǒng)產(chǎn)生的過量生產(chǎn)和CO2還原是很敏感的。CO2還原政策,很可能會(huì)導(dǎo)致日后系統(tǒng)變化,影響結(jié)果。因此,上述的分析,進(jìn)行了以下三個(gè)替代能源系統(tǒng),均表現(xiàn)出進(jìn)一步改善在丹麥系統(tǒng)下減少國(guó)內(nèi)二氧化碳的關(guān)系:

圖2排放在參考管理系統(tǒng)下的參考能源系統(tǒng)時(shí)多余的電力生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)減少二氧化碳量

圖3以參考調(diào)控系統(tǒng)下的三種能量系統(tǒng)中的多余的電力生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)減少的二氧化碳量。以上這三個(gè)選擇是獨(dú)立顯示其組合在下。

50%更多的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP):在參考系統(tǒng)21.21 TWh等于熱電聯(lián)產(chǎn)下50%的熱量。另一個(gè)系統(tǒng)已被定義在CHP的比例增加50%到31.82TWh。

燃料電池技術(shù):在CHP單位和電廠(例如燃料電池)下電效率的改善提高了工作效率,從而降低燃料消耗。

另一個(gè)系統(tǒng)的定義了CHP平均效率從38%提高至55%和電廠效率從50%到60%。

電氣化汽車:基于學(xué)習(xí)的電氣化汽車(部分電池和部分氫燃料電池車)另一個(gè)系統(tǒng)已被定義為12.56 TWh汽油可以被4.4 TWh 電 取代[36]。

可供選擇的系統(tǒng)的分析結(jié)果如圖3。圖表說明就更多CHP(“50%(CHP)”)和更好的效率(“燃料電池”)加快過量生產(chǎn)問題而同時(shí)減少電氣化汽車(“交通”)的問題如何改善。與參考能量系統(tǒng)下起點(diǎn)無風(fēng)的力量時(shí)相比減少二氧化碳排放量的改進(jìn), 但隨著增加風(fēng)輸入只有電氣化汽車保持更好的減少二氧化碳能力。

圖4顯示的結(jié)果是一樣的,如果對(duì)選擇調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。它顯示的是包括規(guī)定下的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位。此類措施從根本上降低了在參考和替代能源系統(tǒng)下單獨(dú)過量生產(chǎn)。同時(shí),如果此CHP單位都換成了鍋爐(CHPregB)燃料效率會(huì)降低,而且可能不充分的開拓降低二氧化碳能力。增加電加熱系統(tǒng)(CHPregEH)不能解決問題,但是添加熱泵(CHPregHP)使得減少過量生產(chǎn),同時(shí)保持燃料效率有可能。

圖4在替代調(diào)控系統(tǒng)下過量的電力生產(chǎn)和國(guó)內(nèi)減低CO2排放量。以上三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中顯示的是在參考能量系統(tǒng)下的，下面是在替代能源系統(tǒng)下的(50%chp+transp.+FC)。

并且在工程實(shí)踐中分析了傳輸電網(wǎng)的影響。與此同時(shí),上述結(jié)果不包括在這篇論文中。初步成果已發(fā)表在[23]。

4經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果

靈活的能量系統(tǒng)的可行性在開拓電力交易中心市場(chǎng)上進(jìn)行了能力的評(píng)估。

電力交易中心模式一直是基于以下事項(xiàng):

----小時(shí)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)基于最初幾年的運(yùn)作歷史數(shù)據(jù)分布。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分布的平均值140DKK / MWh,代表在北歐海德魯廠系統(tǒng)用大量的水的豐水年。

----丹麥貿(mào)易中電力交易中心價(jià)格每兆瓦0.02DKK/ MWh影響基于歷史數(shù)據(jù)。

----7年一次干旱年,三個(gè)豐水年和三個(gè)正常年份創(chuàng)造出的標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格分布,是在未來2010年至2020年間所期待的平均值相當(dāng)于丹麥能源機(jī)構(gòu)(240DKK / MWh)。

----德國(guó)貿(mào)易影響被描述為固定進(jìn)口/出口小時(shí)分布基于歷史上典型貿(mào)易在電力交易中心中高或低的價(jià)格。

——如果在傳輸系統(tǒng)下的瓶頸提高，市場(chǎng)分裂為價(jià)格區(qū)域。

——化石燃料的價(jià)格根據(jù)丹麥能源機(jī)構(gòu)的期望而定。

對(duì)于這樣一個(gè)市場(chǎng)模型分析了貿(mào)易是國(guó)際二氧化碳貿(mào)易價(jià)格從0到250DKK/t二氧化碳和風(fēng)生產(chǎn)價(jià)格在170和270DKK /MWh.

分析了在這樣一個(gè)系統(tǒng)中投資新電廠生產(chǎn)能力是否可行。這樣做的結(jié)果是增加交易利潤(rùn)的可能性的是非常有限的,額外收入遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有能力償還投資。

與此同時(shí),靈活的能量系統(tǒng)投資似乎非常有利可圖。兩種可能的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已分析以上,即“包括在規(guī)定下的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單位”,和通過鍋爐(CHPregB)或熱泵(CHPregHP) 更換產(chǎn)熱是特別重要的。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電超過每年的基礎(chǔ)20%的用電需求投資在這些解決方案上將變得非?？尚械?尤其是熱水泵。因此,熱泵機(jī)組的可行性(付完投資成本后)是大約1000萬歐元/年20%風(fēng)能增加到8000萬歐元/年60%風(fēng)能。這樣的可行性被比作固定的年度投資和維護(hù)費(fèi)用只有15歐元/年。因此有興趣投資取決于風(fēng)力的份額在50到500%。所有的分析是基于相同的熱泵能力。與此同時(shí),這樣的能力可能是調(diào)整和優(yōu)化的實(shí)際風(fēng)功率輸入,在此情況下,投資的可行性可以進(jìn)一步改進(jìn)[37]。

5結(jié)論

直到現(xiàn)在,電力供應(yīng)和需求之間的平衡任務(wù)主要是為了給我們留下了大量生產(chǎn)單位。小熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)廠和風(fēng)力渦輪機(jī)沒有被卷入了這條規(guī)定。因此, 在丹麥的系統(tǒng)中,整合大型風(fēng)力發(fā)電的能力是很脆弱的，其特征是高度的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)。多余的電力生產(chǎn)的比例較高,并且利用風(fēng)力發(fā)電降低國(guó)內(nèi)CO2排放的能力較低。

如果按照計(jì)劃進(jìn)行的話丹麥增加風(fēng)力50%,這個(gè)問題會(huì)變得嚴(yán)重。如果,在同樣的時(shí)間,丹麥提高CHP程度和改善經(jīng)營(yíng)效率的問題將會(huì)變得更糟。

本文給出靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)施結(jié)果包括規(guī)定的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 單位和熱泵最終投資。這樣的系統(tǒng)已經(jīng)被評(píng)價(jià)為避免系統(tǒng)中過量生產(chǎn)的能力和對(duì)國(guó)際電力市場(chǎng)交易開拓的能力。

這種對(duì)靈活性改進(jìn)的可行性很高,可適合任何的風(fēng)力發(fā)電,尤其是風(fēng)輸入在20-25%以上。

鳴謝

本文的研究結(jié)果來自兩個(gè)在奧爾堡大學(xué)的研究項(xiàng)目,在經(jīng)濟(jì)上來自丹麥能源機(jī)構(gòu)和丹麥能源研究計(jì)劃的支持。結(jié)果和討論在第四屆國(guó)際研討會(huì),結(jié)果本文大型研究項(xiàng)目的結(jié)果來自兩個(gè)奧爾堡大學(xué),在經(jīng)濟(jì)上支持丹麥能源機(jī)構(gòu)和丹麥能源研究計(jì)劃。結(jié)果在2003年10月Billund 20-21第四屆國(guó)際研討會(huì)的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模集成和用于海上風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)陳述和討論。