电力系统灵活性及其评价

电力系统灵活性及其评价

孔鹏

（曹县中医医院）

摘要:本文介绍了我国电力系统设备灵活性的能力特点与基本定义,将我国电力系统设备灵活性主要分为交流输电电力系统设备灵活性、配电电力系统设备灵活性和移动输电及交流配电电力系统设备双端应用灵活性3个基本方面,较为全面地对各种可控性较强的可再生利用能源的电力接入、储能、负荷动态管理和电力负荷动态响应、微网等综合可用的各种灵活性电力资源分别进行系统分类与综合阐述,介绍它们之间的各种交叉综合应用,并对它们作为提高我国电力系统应用灵活性的主要能力特点进行了具体概述。最后,对有关电力系统利用灵活性的主要研究成果进行了长期展望,阐述了要将电力系统利用灵活性作为评价下一步学术研究中一些需要充分关注的重点问题和未来重点研究方向。

关键词:电力系统;灵活性;储能;负荷动态

1引言

近年来,随着我国风电,光伏电站发电等可再生利用能源综合发电工程技术的成熟和快速发展,大量兴建风电场,光伏电站已经接入到我国现有大型电力系统中。本文定义了在电力系统中的灵活性必须具有3个基本特点:系统灵活性必须是一个电力系统的一个固有特征;系统灵活性必须具有一定方向性;灵活性也必需在一定量的时间尺度下加以描述。与此同时,风电场、光伏电站并网出力的这种间歇性、随机性和长期波动性，对当前我国以水电、火电电网为主的水力电源电网结构以及相互对应下的我国电力系统总体规划和运营模式产生了深刻的社会影响。现有公用电力系统对现有间歇性可再生公用能源综合发电(以下本文简称:现有间歇性公用电源)的综合接纳利用能力,以及现有间歇性公用电源系统接入后对系统的能源灵活性利用需求等相关问题都已成为各方共同讨论和研究关注的主要焦点。

2输电电力系统灵活性定义

综合世界各国专家学者的不同观点,电力系统运行灵活性可定义理解为:即在经济条件约束和电力运行条件约束下,某一时间阶段尺度内,电力系统快速而有效地进行优化合理调配电网现有电力资源,快速准确响应交变电网设备功率波动变化、控制交变电网关键设备运行管理参数的灵活能力。灵活的分配电力系统既同样可以有效满足系统功率容量不足时的剩余电能利用缺口,也同样可以更加经济性地处置系统功率容量过剩时的剩余电能。

LannoyeE等人中将我国电力系统网络灵活性能力定义为每当网络资源负荷发生变化时,系统自动调配其电力资源的主要能力。CapassoA在文中表述的新型电力系统具备灵活性能力是在一定技术成本下,系统快速实现适应气候变化的主要能力。MarrecoJDM等人提到，根据分析巴西目前水电热能资源利用比重较大的经济特点,将该词灵活性高的定义理解为泛指水电和火电两种发电资源切换后的能力及其所可能带来的宏观经济效益,该词的定义普适性较弱。NERC认为,电力系统运行灵活性能力是有效利用系统资源量来满足电力负荷动态变化的一种能力,主要特征体现于系统运行中的灵活性,电力系统运行灵活性课题研究中的重点主要在于研究提高利用电力系统运行灵活性的多种方法。同时,系统的时间灵活性以及资源对系统负荷频率变化的实时响应处理能力也是会有很大区别,因此,在不同系统时间尺度下,灵活性的资源评估结果是不同的。

目前,国内外关于美国电力系统使用灵活性的相关研究仍然还处于早期起步研究阶段,北美电力可靠性委员会（NERC）和欧洲国际综合能源署（IEA）以及部分国外学者都分别针对美国电力系统使用灵活性的基本定义分别发表了各自的不同观点。针对需求灵活性的这个基本特点,可以被认为是在电力系统中的灵活性需求具有分为向上与向下两个基本方向,分别直接对应了在电力系统中的功率需求供应种类小于功能需求和功率供应种类大于功率需求种类的情况。灵活性也必需在一定量的时间尺度下加以描述。电力系统中一些不确定性因素造成的电力功率参数变化很少或只有单调功率递增或重复递减的正常情况,且功率变化速度持续时间也各不相同。

3灵活性资源

3.1输电系统的灵活性

可再生利用能源主要包括风电、光伏、太阳能、潮汐和风能地热等新型再生能源。与其他传统再生能源项目相比,它们分别具有项目建设周期短、间歇性、不确定性强、能量分散密度低等六大特点。特别的,它们的混合电力系统输出功率只能直接控制在有限的功率范围内,且运动随机性很强,既给这种灵活性差的问题解决带来巨大挑战,又给其带来发展机遇。抽水塔式蓄能电站主要具有交流发电、调峰、调频、调相以及发电事故处理备用等多种功能,能快速准确响应整个网络中的负荷快速变化,且用电成本相对较低,故它所能够提供的各种灵活性电源质量高且使用经济性较好,但是由于整个抽水塔式蓄能电站的总量和装机容量所需要占据的比重相对较低,所以它提供的各种灵活性电源数量有限,无法单独用来满足网络负荷快速变化时的用电需求。

仅从电源容量的选择角度,核电站和其他调节电流能力相对不强的大型火电厂虽然可需要提供大量的电源灵活性,但由于电源响应器的时间和使用经济性等多方面受到限制,其所需要提供的少量灵活性产品质量和使用经济性相对较低,故它们通常稳定于高输出,以便于满足额定基荷,一般正常情况下不需要提供少量灵活性。从发电容量和资源响应持续时间对比看来,具备快速管理调节资源能力的小型火电厂和部分大型传统火力水电厂虽然能同时提供高生产数量和同时高质量的使用灵活性,但其基本运行管理成本和快速调节能力成本不同,衡量其使用经济性困难较大。

3.2输电及电网配电储能系统具备双端灵活性

储能技术不仅不但可以有效削峰储能填谷,平滑系统负荷,降低电网供电系统成本,还不仅可以有效提高系统设备运行性能稳定性、调整供电频率、补偿系统负荷功率波动,更重要的一点是,储能技术与可再生利用能源的有机结合,提高了可再生利用能源的综合利用率。从现代电力系统应用灵活性的发展角度,-这一方面,电动汽车必然会发展成为现代电力系统的-种新型、大容量的充电负荷,其中在充电工作行为的运动随机性和充电间歇性中又往往带有一一定的时间规律性,特别多的是当一台电动汽车有序进行充电时,将大大改善电力配电网络的负荷;另-方面,电动汽车本身相当于-个新型分布式储能器,可与智能微网、可再生清洁能源等技术结合一起应用，也甚至可结合应用于电力需求侧能源管理。

3.3配电系统的灵活性

负荷动态管理和额定负荷动态响应将负载经济性和负荷灵活性完美结合,为现有电力系统用户提供了相比-定更大数量和更高质量的负荷灵活性。但现在关于系统负荷功率管理和系统负荷功率响应的深入研究仅仅只能局限于系统经济性及系统运行管理模式,未能通过整体深入考虑其对系统的直接影响,尤其对它是对我国电力系统运行灵活性的直接影响。而电力负荷动态管理和电力负荷动态响应技术作为不断提高我国电力系统运行灵活性的重要手段之一,值得专家学者们的高度关注。从一种广义的管理角度,负荷容量管理和系统负荷容量响应资源可被广泛认为等同是一种基于虚拟的系统备用电力发电系统容量管理资源和备用输电系统容量管理资源,该管理机制大大增加了系统的虚拟备用发电容量,提高了备用电力系统的使用灵活性。

4结论

本文简要介绍了新型电力系统利用灵活性的主要特点与基本定义,从电力输电输送系统、配电传输系统和电力输电及其他配电传输系统3个不同方面,描述并重点分析了我国现有可用的新型电力系统及其灵活性电力资源的基本利用特点。从直接和间接的两个角度,储存电能均可为我国电力系统的高灵活性发展带来积极的直接影响。储能技术本身可为一个电力系统同时提供或直接吸收大量的特定有功或无功率。不同使用方式的混合储能技术,也同样可用来满足不同使用时间尺度下的能源灵活性应用需求。储能技术与可再生利用能源或电力微网发电技术相互结合,提高了可再生利用能源或发电微网的系统可靠性及能源利用率,间接地也提高了其在电力系统中的灵活性。