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课题组廖诗武博士论文获《电机工程学报》官微推荐

作者:来源:《中国电机工程学报》微信公众号“优博聚焦”系列栏目;审核: ;发布:发表时间:2017-06-22本文访问量:


风电接入区域电力系统的潜力及环境效益评估方法

廖诗武

导师:程时杰、文劲宇

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论文背景

以风电为主的可再生能源是应对化石能源枯竭、减缓全球变暖的主要手段,同时也是列入《大气污染防治计划》用于解决我国严重空气污染问题的重要手段之一。为了实现我国2020、2030 年非化石能源占一次能源消费比重分别达到15%、20%的目标,并通过清洁能源替代缓解我国严重的大气污染问题,以风电为主的可再生能源仍将继续保持高速增长。因为缺乏对风电接入区域电力系统的潜力以及环境效益的准确认识,导致风电发展过程中出现了严重的区域间不平衡现象,在带来了严重弃风问题的同时,风电的大气污染治理作用也难以充分发挥。为了避免风电继续发展过程中弃风问题的加剧,引导风电的合理布局并充分利用风电进行雾霾治理,必须对风电接入区域电力系统的潜力及环境效益进行准确地评估。

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论文所解决的问题及意义

目前风电接入区域电力系统的潜力评估相关研究中,大多分别从风电资源潜力角度或是电力系统风电接纳能力角度进行分析,缺少同时考虑资源特性以及电力系统运行特性的风电接入潜力评估方法,加之评估指标的缺乏,目前仍难以实现对不同地区风电接入潜力的准确评估。而风电接入的环境效益评估方面,由于目前仍缺少将电力系统运行模拟与大气物理-化学过程仿真进行连接的手段,现有的环境效益评估大多只分析了可再生能源接入后所带来的大气污染物排放减少,而无法分析风电接入对PM2.5等大气污染物浓度的影响。


本文以为我国风电发展布局提供科学的分析手段为目标,系统地研究了风电接入区域电力系统的潜力及环境效益评估方法,解决了现有研究中的不足,为可再生能源接入区域电力系统的潜力以及环境效益评估提供了可靠的方法。本文研究将有助于分析和引导我国可再生能源的合理布局,并为结合雾霾治理的可再生能源规划提供依据,对于我国可再生能源的科学发展具有重要的意义。

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论文重点内容
  

图 1 论文内容框架


本文分别对基于气象及地理数据的区域电力系统时序运行模拟框架、风电接入区域电力系统的潜力评估方法、风电接入潜力提高措施的作用效果分析以及风电接入的环境效益评估方法进行了研究,本文研究框架如图 1所示,主要研究内容归纳如下:


基于气象及地理数据的区域电力系统时序运行模拟框架


为了给风电接入区域电力系统的潜力及环境效益评估提供可靠的电力系统运行模拟手段,解决规划中的风电场、光伏电站出力以及热电联产机组热负荷难以获取,以及大规模电力系统时序运行模拟求解慢、易无解等问题,本文提出了一种基于气象及地理数据的区域电力系统时序运行模拟框架。该框架利用气象数据、人口分布以及行政区划等数据,计算得到风电场、光伏电站出力以及热电联产机组的热负荷;在获得了风、光出力以及热电联产机组热负荷的基础上,提出了由含时间重叠的时序分解算法和无解自动回滚算法组成的加速求解方法,确保所建立的时序运行模拟框架即使在灵活性十分缺乏的电力系统中仍能快速、可靠地求解。本文提出的时序运行模拟框架具体内容如图 2所示。最后分别利用实际风电场、光伏电站实测数据以及西北电网2015年实际运行统计结果对比验证了所提时序运行模拟框架的准确性。

图 2 基于气象及地理数据的区域电力系统时序运行模拟框架


风电接入区域电力系统的潜力评估方法


为了能够在考虑电力系统时序运行特性的基础上准确评估风电在区域电力系统中的接入潜力,本文提出了一种结合风电资源评估和电力系统运行模拟的风电接入区域电力系统的潜力评估方法。该方法首先系统地评估了我国的风电资源潜力;随后基于资源潜力评估结果,在所提区域电力系统时序运行模拟框架的基础上提出了电力系统风电接纳场景扫描方法;然后从风电投资收益的角度出发,建立了风电项目的净现值模型,计算得到了我国各地区的风电经济接入潜力指标,并基于电力系统风电接纳场景扫描结果以及风电经济接入潜力指标,提出了风电经济接入潜力计算方法;最后利用该方法评估了2025 年风电在我国东北电网中的经济接入潜力,并基于接入潜力评估结果给出了对我国风电发展支持政策的建议。本文提出的风电接入潜力评估流程及方法分别如图 3和图 4所示。

图 3 风电接入潜力评估流程

图 4 风电接入区域电力系统的潜力评估方法


提高风电接入潜力的措施及其效果分析


为了量化分析当前几种主要的风电接入潜力提升措施的作用效果,并分析各措施在不同特性电力系统中的适用性,本文在所提区域电力系统时序运行模拟框架的基础上,分别建立了省间可再生能源电量及备用容量交易、火电机组灵活性改造、提高风电出力预测精度、风电供暖以及负荷侧响应五种措施的数学模型;并提出了结合本文所提风电接入区域电力系统的潜力评估方法从提高风电经济接入潜力的角度分析各措施作用效果的分析方法;最后利用所提方法对比分析了各措施对风电在2025 年东北电网接入潜力的提升效果,并总结了各提升措施在不同特性电力系统中的适应性。本文提出的提高风电接入潜力的措施作用效果分析对比方法如图 4所示。

图 5 提高风电接入潜力的措施作用效果分析对比方法


风电接入电力系统的环境效益评估方法及应用


为了研究风电接入电力系统所带来的环境效益,准确计及大气物理-化学过程导致的污染物形成、转移等过程,本文提出了一种风电接入区域电力系统的环境效益评估方法。该评估方法结合了本文提出的电力系统时序运行模拟框架与WRF-Chem大气物理-化学过程模拟方法,通过将风电接入电力系统后导致的燃煤火电机组排放变化转换为人为源排放清单的变化,然后将转换得到的排放清单、已用于电力系统运行模拟的气象数据以及其他排放源数据一同输入WRF-Chem,选择适用于分析PM2.5 形成及演变过程的物理-化学过程方案进行详细的仿真模拟,最后得到包括PM2.5、SO₂、NOₓ 在内的大气污染物分布的变化情况。本文利用该方法对东北电网2025 年风电接入所能带来的环境效益进行了评估。本文提出的风电接入电力系统的环境效益评估方法如图 5所示。

图 6 风电接入电力系统的环境效益评估方法

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论文主要创新点

(1)提出了一种基于气象和地理数据,并适应于大规模电力系统长时间尺度时序运行模拟的仿真框架。该框架结合气象及地理数据,解决了风电场、光伏电站出力数据以及热电联产机组热负荷数据难以获取的问题;还利用含重叠期的时序分解技术和无解自动回滚技术,解决了常规滚动运行模拟方法应用于灵活性缺乏的区域电力系统时求解慢、易无解的问题,确保了时序运行模拟的快速、可靠求解。该框架为风电接入电力系统的潜力评估、风电接入潜力提高措施作用效果分析以及风电接入的环境效益评估提供了基础分析方法;


(2)提出了一种风电接入区域电力系统的潜力评估方法。综合考虑了风电的资源特性以及电力系统的运行特性,避免了单独从资源角度或电力系统接纳角度进行评估带来的误差,同时提出了风电的经济接入潜力评估指标,解决了以往研究中评估指标缺乏的问题。所提评估方法能够准确评估风电在区域电力系统中的接入潜力,为风电的布局规划、支持政策制定提供依据;


(3)建立了省间可再生能源电量及备用容量交易、火电机组灵活性改造、提高风电出力预测精度、风电供暖以及负荷侧响应五种风电接入潜力提高措施的数学模型,提出了从提高风电接入潜力的角度对各措施作用效果进行量化评估的方法。该方法实现了在统一基础上对各项接入潜力提高措施进行分析对比,并从经济接入潜力提高这一更为长远的角度对各项措施的作用效果进行了评估,能够为各项措施的远景规划提供有力的参考;


(4)提出了一种风电接入区域电力系统的环境效益评估方法。该方法实现了电力系统运行模拟与WRF-Chem大气物理-化学过程仿真的结合,克服了以往研究只能分析风电接入对一次污染物排放的影响的不足,能够准确模拟风电接入后大气中所有一次、二次污染物的演变和迁移过程,从而实现了对风电接入所带来的SO₂、NOₓ以及PM2.5浓度变化的分析,为高时空分辨率下分析风电接入带来的环境效益提供了可靠的方法,并能为结合雾霾治理的可再生能源发展规划提供准确的参考。



作者简介

廖诗武,分别于2012年、2017年获得华中科技大学学士和博士学位, 2015年9月到2016年7月在美国哈佛大学访问学习。研究方向为含可再生能源电力系统的规划、运行与控制,可再生能源的环境效益分析。联系方式:liaoshiwu@gmail.com。