高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战

高比例可再生能源并网将改变电力系统的形态,为电力系统稳定控制、调度运行和规划决策等领域带来重大变革.文中基于不同可再生能源渗透率水平下系统的发展特点,将未来电力系统迈向高比例可再生能源的过程分为三大阶段并总结了各个阶段的特征.结合这一领域的研究成果,全面解析了高比例可再生能源电力系统发展过程中将出现的挑战,分析了电力系统消纳高比例可再生能源的一系列技术解决方案,对各项技术的基本原理、经济成本与发展前景进行了分析和比较.研究表明,高比例可再生能源并网将面临一系列技术挑战,而每项关键技术仅能解决其中一部分问题.这些技术在未来高比例可再生能源电力系统中的应用不仅取决于其技术有效性,还取决于其经济性以及与其他技术的互补性.中国未来实现高比例可再生能源电力系统的形态与发展路径取决于各项关键技术的相对发展步伐及其耦合影响.     

储能技术在高比例可再生能源电力系统中的应用

可再生能源渗透率的不断提高为电力系统的安全、稳定和经济运行带来极大挑战。储能技术能够改变系统固有的能量流动,降低可再生能源波动性对电网的影响,进而提升可再生能源的消纳水平,是电力系统中的关键支撑技术。文中对储能技术在高比例可再生能源电力系统中的应用进行了综述:首先,总结了当前储能技术的基本原理及优缺点;其次,系统综述了用于促进风能、光伏等可再生能源消纳的储能系统控制与配置方法;最后,针对电网在高比例可再生能源接入下面临的调频、调压问题,阐述了储能参与电网调频调压的技术现状及储能控制策略。对制订储能运行技术要求、储能发展政策具有一定参考意义。     

虚拟电厂下计及分布式风电与储能系统的电力系统优化调度

清洁的可再生能源在电力系统中的渗透率不断提升。随着智能电网技术的发展,越来越多的分布式可再生能源接入电力系统运行。风电是最具商业潜力及发展前景的可再生能源之一。该文提出将分布式风电机组与储能设备构成虚拟电厂(virtual power plant,VPP)参与电力系统运行,并建立了计及虚拟电厂的电力系统优化调度模型。模型中同时考虑了功率及备用容量的优化调度,并利用条件风险价值(conditional value at risk,CVaR)对系统运行成本进行风险管理。无须对电网的结构进行改变,虚拟电厂更适用于地理聚集程度较低的可再生分布式能源的调度和管理。同时,相较于常规的风电-储能联合运行模式,基于虚拟电厂的分布式可再生能源调度在降低系统风险的同时也提高了系统运行的经济性。     

多能互补能源综合利用关键技术研究现状及发展趋势

多能互补技术可以更充分地利用分布式能源和可再生能源,是能源互联网的物理基础,对于提高可再生能源比例和能源综合利用效率具有重要意义。本文从可再生能源的利用出发,引出多能源系统和能源互联网的发展背景,并阐述了多能互补发展中的关键技术,特别分析了多能源分析规划技术、能量管理技术、协调优化控制体系与储能技术的发展研究现状,指出多能互补将向着容纳高比例波动性可再生能源电力的发、输、配、储、用一体化的局域电力系统发展。     

特约主编寄语

正全球能源系统正在加速迈向绿色低碳的未来,可再生能源(尤其是风能和太阳能光伏发电)的发展速度和规模不断增加,高比例可再生能源电力系统正在成为现实。然而可再生能源固有的波动性给电网稳定性带来了潜在的威胁,高比例可再生能源电力系统的规划、运营和监管面临严峻挑战。在此背景下,对现有     

能源互联网背景下储能应用的研究现状与展望

大规模新能源发电和众多分布式可再生能源接入电网给电力系统运行与规划带来了新的问题和挑战。储能是电力系统实现高比例新能源发电消纳不可或缺的资源。首先简要分析主要储能类型的转换原理、技术优缺点、适用范围,重点探讨了热能储能以及电制氢气、电制天然气等储能技术。在此基础上,对能源互联网背景下储能系统在发电、输电、配用电以及多能源系统互联中的研究现状进行了梳理和分析。最后对储能应用面临的挑战和主要研究方向进行了总结与展望     

高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架

大力发展可再生能源是应对能源危机和环境问题的重要手段,高比例可再生能源并网将成为未来电力系统的基本特征。文中从高比例可再生能源接入带来的强不确定性和高度电力电子化带来的稳定机理变化两个方面,分析了高比例可再生能源电力系统面临的关键科学问题。在此基础上,从中国未来电力系统结构形态分析与电力预测、含高比例可再生能源的输电系统规划、含高渗透率可再生能源的配电系统规划、电力电子化电力系统稳定性分析、含高比例可再生能源交直流混联系统的优化运行等5个方面,提出了高比例可再生能源电力系统的研究框架,重点阐述了这5个方面的相互关系。最后,对未来高比例可再生能源电力系统的研究进行了总结和展望。     

储能技术融合分布式可再生能源的现状及发展趋势

分布式发电能够充分利用可再生能源实现节能减排,是集中式发电的有效补充,利用储能系统的双向功率能力和灵活调节特性可以提高系统对分布式电源的接纳能力,具有广阔的应用前景。首先汇总了多种主流储能技术目前在电力系统中的应用规模及其本体关键参数,并从储能设备自身特点和电力系统对储能的需求出发,分析各储能技术的优势和不足,提出了可能突破的方向及发展预期,然后从应对分布式可再生能源大量接入给电网带来的问题出发,归纳了储能技术在融合分布式可再生能源方面的应用模式,分析了国内外的应用现状及不足,最后从本体发展和应用技术层面探讨了储能技术的未来发展方向。     

储能对大比例可再生能源接入电网的调频价值分析

储能可以缓解高比例可再生能源接入电网对电力系统规划、运行等带来的一系列影响。针对高比例可再生能源接入条件下大电网的频率控制问题,分别对储能在改善系统暂态频率稳定性以及改善系统一次和二次调频方面的价值,提出储能需求判据和容量配比分析方法。储能配置的大小与可再生能源接入比例、在线常规电源提供的转动惯量大小、系统暂态频率最低值等因素有关,针对高比例可再生能源引起的系统波动性问题,可以通过配置一定的储能跟踪系统净负荷1 min、10 min波动幅度,改善系统频率控制性能。     

高比例可再生能源背景下考虑储能系统价值的储-输多阶段联合规划

高比例可再生能源是未来电力系统的一种新常态。储能因具有将电能的生产和消费从时间和空间上分隔开来的能力,而成为未来高比例可再生能源电力系统的关键支撑技术。为了实现储能与电网联合规划中资源效用的最大化,首先考虑储能的运行特性,运用系统价值评估理论分析了储能在电网规划和运行层面的系统价值。其次,考虑电网规划周期内投资成本、系统运行成本、储能系统价值以及固定资产折旧,建立了以经济性最优为目标的储能与输电网联合规划模型。最后,以改进的Garver-6节点系统对所提模型和方法进行了验证,并与传统线路规划方案进行对比。研究发现,在一定场景下储-输联合规划可实现规划和运行层面多种服务价值,其综合经济效益优于单纯的线路规划。研究结果可为未来储-输联合规划的发展提供参考。     

高比例可再生能源电力系统的协同优化运行技术展望

近年来,随着风力发电和太阳能发电的大规模快速发展,以及交流、直流输电线路的不断建设,中国电力系统呈现高比例可再生能源和交直流混联电网两大重要特征和趋势。在分析国内外研究现状及存在问题的基础上,文中从源—荷双重不确定性的交直流混联系统态势感知、考虑宽频带稳定约束的大规模可再生能源集群并网协调控制、高渗透率可再生能源配电系统源—网—荷交互的灵活重构与协同运行、高比例可再生能源并网的交直流混联系统多尺度运行优化与决策等四个方面,提出了含高比例可再生能源电力系统协同优化运行方面亟待研究的关键技术内容,构思了研究方案,并对其难点问题与挑战进行了展望。     

特约主编寄语

正大力发展风电、太阳能等可再生能源,实现可再生能源逐步替代传统化石能源,是中国乃至全球实现能源与经济可持续发展的重大需求,也是未来电力系统的重要特征。高比例可再生能源的接入,将导致电力系统运行方式发生巨大改变,电力系统规划和运行机制亟待重新构建。因此,我们需要高瞻远瞩,未雨绸缪,通过理论和实践的创新,解决当前甚至未来相当长时间内电力系统所面临的问题。2016年,国家首批重点研发计划"智能电网技术与装备"中,就高比例可再生能源电力系统的规划与运     

碳中和目标下电网节能减排与运营效率综合评价方法

结合新一代电力系统"高比例可再生能源"的特征,围绕目前电网规划建设过程中对电网节能减排与运营效率考虑不足的问题,研究并提出了碳中和目标下电网节能减排与运营效率综合评价方法.基于高比例可再生能源电力系统时序生产模拟模型,以可再生能源消纳电量最大为目标,考虑系统调度运行中的各种约束条件,模拟电网全年运行状态.利用电网节能减...     

基于“空间报价”的电–热现货市场联合出清模式设计EI北大核心CSCD

随着“双碳”目标的提出,能源生产清洁替代和能源消费电能替代成为推动能源转型的重要途径,研究高比例可再生能源接入的电力市场和大量电热转换设备参与的区域热力市场间的协调交易机制,对推动电力系统和区域热力系统的协调运行具有重要意义。基于此,以园区级的电力系统和区域热力系统为研究对象,考虑高比例可再生能源和大量电热转换设备参与的电–热现货市场框架和出清模型,提出了基于“空间报价”的联合出清模式。与其他市场出清模式对比,验证了所提出模式的优越性,并进一步分析了可再生能源高渗透率和高电能替代率对市场出清结果的影响。     

电力系统演进的内在驱动因素及发展路径探索

电力系统从小容量、短距离、单一电能发输配用的电力网络逐渐转变成为大规模、远距离、多能源互通互济的能源网络,并不断朝着多元化、柔性化、智能化的更高级形态演进。移动通信技术的发展演化在很多维度上与电网技术革新和电力系统演进有着高度的相似,以“G”为表征的第2代（2G）到第5代（5G）移动通信技术已家喻户晓,但对于电网技术尤其是电力系统的代际区分和代间差异分析却尚未形成共识。本章以电力系统尤其是电网的形态特征为核心,提出以“H（High）”作为电力系统的代际标志,电力系统在经历了由1H到3H时代电压等级不断提高的发展阶段后,当前正步入高比例可再生能源与高比例电力电子设备的4H电力系统时代,并逐步向高比例碎片化能源的综合能源系统,即5H电力系统演进。同时,重点针对5H电力系统的形态特征与电网企业角色定位进行了分析。     

高比例可再生能源电力系统结构形态演化及电力预测展望

在清洁化、低碳化和智能化的能源革命背景下,高比例可再生能源成为电力系统未来发展的一个突出特征,也导致了电力系统结构形态的巨变。文中对高比例可再生能源电力系统结构形态演化及电力预测方法进行了阐述。首先分析了电力系统结构形态的内涵及其要素,建立了其形态演化的驱动力综合模型,然后结合高比例可再生能源发展趋势,分析其对电力系统形态结构的影响,建立高比例可再生能源驱动的电力系统形态演化模型。围绕高比例可再生能源电力系统结构形态演化机理和复杂多重不确定性运行场景下的电力预测理论两个科学问题,分四个方面对其研究体系进行了详细阐述。     

电网信息物理融合系统关键问题综述

能源传输技术、存储技术、信息通信以及高性能计算技术的发展为有效利用分布式可再生能源提供基础,实现能源互联的关键在于将前沿的计算、通信、控制技术与电力系统有机结合。分析能源互联网和信息物理融合系统(cyber-physical systems,CPS)的发展趋势;介绍电网信息物理融合系统(grid cyber-physical systems,GCPS)的概念;着重探讨当前可用于GCPS设计的理论和技术最新进展,并结合已有研究成果说明该领域亟需突破的信息通信关键技术。     

高比例可再生能源电力系统的马尔科夫短期负荷预测方法张涛,顾洁

高比例可再生能源并网将成为未来电力系统的基本特征,可再生能源发电技术的持续发展和可再生能源价格补贴机制与市场化消纳方法结合,为主动负荷的时段转移特性提供技术支持与利益驱动。双重推动下使得负荷需求与可再生能源出力间的相关性增强,提出了考虑可再生能源出力因素的短期负荷组合预测方法,引入负荷需求与可再生能源出力的相关性以改善高比例可再生能源电力系统短期负荷的预测效果。应用交叉谱方法以凝聚谱值刻画负荷需求与可再生能源出力的相关性,将负荷与可再生能源出力数据序列离散化后形成2条马尔科夫链,结合马尔科夫误差修正建立了高比例可再生能源电力系统下考虑可再生能源出力因素的短期负荷组合预测模型。将预测模型应用于某实际电网,预测结果表明,所述方法提高了预测精度,能较好地解决高比例可再生能源电力系统的短期负荷预测问题。     

储能联合可再生能源分布式并网发电关键技术

分布式可再生能源发电是当前储能在电力系统应用的热点领域。对国内外相关示范工程进行介绍,总结了储能在当前分布式发电领域的主要应用功能,包括提高电网对分布式发电的接纳能力,提高配电网供电能力以及融合用户侧多种能源利用需求。提出了储能与分布式可再生能源发电设备一体化、功能多元化和发挥汇聚效应等发展应用趋势,指出以储能作为核心承载的多能互补技术和互动技术将是未来储能在能源互联网中应用的重要体现。     

参与新型电力系统需求响应的分布式储能资源管理与策略研究

随着越来越多的光伏、风电、地源热泵等新能源的接入,电网对高比例新能源的安全可靠并网及高效消纳提出了更高要求。储能作为分布式能源重要的能量调节单元,参与新型电力系统的管理、调度、优化作用愈加明显。将参与新型电力系统需求响应的储能作为统一资源进行研究,来解决新型电力系统的需求响应、新能源消纳等问题,以保障电网安全可靠运行。在分析客户侧储能调控策略基础上,提出了一种以能源互联为基础的用户侧分布式储能规模化应用系统,利用网间较为分散的储能资源,希望可以为电力负荷调度的优化以及分布式储能系统运行效率的提升提供相应的参考与借鉴,以实现区域自治的需求响应。通过该研究,可为可再生能源高效消纳提供参考。