基于负荷弹性的新能源发电柔性高效就地化消纳策略研究

摘要

随着以风电、光伏为代表的新能源技术在成本、效率、可靠性等方面优势的逐渐凸显，其在电网中的渗透率也正在稳步提高。然而，在装机容量成倍增长的同时，受制于风电和光伏出力的反调峰特性和波动性，电网所面临着新能源消纳问题也日趋严重。在新能源高渗透率接入或以新能源为主力电源的场景下，如未来作为城市电网基本单元的新能源配网/微网，“三北”地区电网，以及独立海岛微网，消纳问题更是尤为突出。近年来，已经有很多学者对此问题进行了深入的研究，提出了以储热/冷、制氢、制淡为代表的基于负荷弹性的就地消纳方案及策略。但是，结合并网型新能源微网、区域电网和独立微网场景在地理时空分布和经济生活诉求的差异化特征来看，目前的研究工作尚未充分发挥各种消纳形态/消纳设备的潜力和优势，在储热/冷消纳方案设计、制氢/制淡设备消纳调度策略优化以及多时间尺度消纳目标协同等方面仍有可挖掘和提升的空间。因此，本文针对新能源高渗透率场景下的新能源发电就地消纳技术展开研究，围绕储热/冷消纳、制氢消纳、制淡消纳等多种新能源就地化弹性消纳形态进行探索，提出了相应的设计方案和柔性运行消纳调度策略，并通过理论推导及仿真分析证明所提方案和策略的可行性和优越性。 在储热/冷消纳方案设计方面，针对新能源微网侧缺乏大容量、低自放损耗的储热/冷方案的问题，提出一种基于建筑相变储能系统的新能源微网储热/冷消纳策略。在分析相变材料热力性能的基础上，设计基于建筑相变材料的大容量、低自放储热消纳模型，并建立其典型储能配置条件下的电气-热力学联合调度优化模型，对电-热-环境参数高度耦合的微网综合能源消纳系统的热力学储能特性、温度舒适度特性以及经济性等指标进行求解，通过仿真计算论证所提出储热/冷消纳策略的有效性和优越性。 在制氢/制淡设备消纳调度策略优化方面，提出了更加灵活、能充分挖掘消纳设备功率调节能力的新能源发电就地消纳调度算法。针对在现有调度策略中制氢设备仅被用来消纳弃风导致设备利用率低的问题，提出包含常规火电机组、风电场以及大型制氢设备的能源网日前消纳调度策略。首先建立精确的制氢设备功率-效率特性模型，以评估产氢边际成本；在考虑常规机组燃料成本及产氢收益的基础上，权衡制氢设备和常规机组的功率分配，提出平衡氢气产出收益和煤炭等化石能源消耗的消纳调度策略，以能源网利益最大化为目标对常规机组和制氢设备的日运行调度控制策略进行经济性优化，并采用改进的群体搜索算法对其进行求解。通过典型能源网的算例仿真验证该策略的灵活性和经济性。针对现有独立海岛微网调度策略中不考虑制淡设备功率调节能力，导致新能源消纳成本高的问题，首先建立反渗透制淡设备的物料平衡和能量平衡分析模型，分析该设备的功率-效率特性曲线；随后以燃料及蓄电池使用成本最少为目标建立风/光/柴/蓄独立海岛微网的日前运行消纳调度策略。通过典型微网的算例仿真验证该策略的合理性与经济性。 在多时间尺度消纳目标协同方面，针对具有功率-效率特性的消纳设备难以兼顾削峰填谷和平抑波动目标的问题，提出一种基于多时间尺度协同的独立海岛新能源发电柔性运行消纳策略。首先定义柔性功率负荷的概念，以普适性地描述对投入时间不敏感，但是对工作功率敏感的消纳设备；随后以含制淡设备的独立海岛微网为典型场景，提出适用于柔性功率负荷的目标功率-截止功率指标和基于该指标的微网协同调度策略，并设计基于类Benders分解的调度优化快速求解算法对该优化问题进行求解。算例分析结果表明，该策略通过在日前层面对实时波动平抑带来效率损失的评估，可实现削峰填谷和平抑波动目标之间的协同。

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