国际先进研究期刊》的研究在电子、电子、仪表工程
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美国美国Karki1s . b . Halbhavi2s . g . Kulkarni3
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进化的过程可再生发电技术有许多挑战,如实现降低资本成本和提高能源效率的不同类型的可再生能源系统,如风能、太阳能光伏、太阳能热,潮汐。大规模储能技术的重要进化是可取的。一致的集成可再生资源网格中,高渗透水平的挑战将会解决在电力系统规划和运行,并在电网连接。电力和能源工程事业的有志需要接受教育,以便他们能预见和发展新的方法和技术维护的可靠性和电网经济完好无损。的挑战将高渗透的可再生能源技术集成到网格的很少了,因为他们需要跨学科创新领域作为电力系统分析、通信、电力电子、经济学、运筹学、和工业组织。本文讨论了集成可再生技术的一些挑战。
关键字 |
| 可再生能源技术,挑战,电网运营商、不可预测性、不确定性。 |
介绍 |
| 1973年欧佩克(石油输出国组织,成立于1960年)实行了限制石油产量并开始一个石油定价控制策略。石油价格大幅飙升导致严重的全球能源危机。这导致升级各种商业能源价格上涨导致全球通货膨胀。承认这场危机很严重,发展替代能源的想法感到重要。替代能源得到惊人的考虑和巨大的资金分配给效用替代能源资源。在1973年石油危机后两次石油危机冲击世界1979年和1990年,进一步吸引全球关注的形式替代能源资源非常规能源资源[9]。 |
| 不断增加化石燃料的使用和快速消耗这些资源将股份,迫使全球生态发展的替代能源,可再生和环境友好。因此它已成为必不可少的勘探和开发非常规能源资源减少独特依赖传统资源由于以下原因[1], |
| 1。能源的需求增加导致多重的快速工业化和人口的增长,传统的能源资源将不足以满足日益增长的需求。 |
| 2。传统能源(水电除外)是不可再生,一定会在不久的将来得太累 |
| 3所示。传统能源(化石燃料、核能)造成污染,从而影响环境和全球生态系统。 |
| 4所示。大型hydro-resource建立项目导致森林砍伐和构成重要的干部问题,由于大坝的建设。 |
| 然而,目前的非常规资源的发展趋势表明,可再生能源将成为补充而不是代替常规来源。但如果非常规资源整合成功就可以替代传统能源。这份报告讨论了合成的挑战其他电网的可再生资源,包括现有的发电资源、客户需求和传输系统。一代的电力来自可再生能源包括风能、太阳能、潮汐和波浪发电,地热发电,电力来自可再生生物质[9]。风能和太阳能是突出本文所讨论的,有两个原因。首先,他们有很有前景的能源潜力受到自然可变性和不可预测性在能源发电[1]。这一事实构成了独特的挑战可再生能源集成到更大的电力系统,称为非调度能力。其次,风能和太阳能相对更可能成熟实用的大容量和宽领域。因此,提出集成对传统电网产生重大影响,可能会增加时间。集成可再生能源是一个poly-nodal问题涉及多个决策者在不同的空间和时间尺度和广泛不同程度的配合与不均匀可预测性。 The decision-makers include operators of Renewable energy sources, energy storage resources, grid operators, energy market operators and transmission planning and management authorities [3]. The integration of the energy systems is not performed by any one entity in the power system, but instead involves the actions of many of entities, where some are adequately coordinated and others in discrete status. The rapidly growing development of smart grids adds many more tools and protocols, options and operators to the hybrid system governed by various technology standards, practices, procedures and policies for the operation of individual conventional generators, Renewable energy clusters, substations, and the broader electrical energy system as a whole[6]. |
(可再生能源)网格集成挑战 |
| 风能和太阳能发电经历)间歇性,b)的组合不受控制的可变性和部分不可预知性,和c)依赖资源位置相关的[8]。这些重要的方面以及一些其他方面带来挑战代当局和电网运营商整合过程中风能和太阳能发电与传统的网格。 |
答:不可控变化: |
| 风能和太阳能输出变化与不确定性使一代无法控制风速和可用阳光unpatriotically可能有所不同,影响实时输出功率[8]。这输出功率波动导致需要额外的能量供需平衡的电网实时基础上,以及频率调节和电压等辅助服务管理。可变性的风能和太阳能资源指的是事实,他们的输出不是常数。它是有别于不可预测性,我们在下一节中讨论。即使运营商可以预测风能和太阳能植物完美的输出,输出仍然是变量,对电网运营商构成特殊的挑战。秒到几分钟的时间尺度,电网运营商必须处理在传输系统频率和电压波动,如果任其发展,会损害相关的操作系统。为此,运营商可能需要注入功率(主动或被动)网格不会出售给消费者,但是为了平衡权力的实际和预测一代,这是必要维持电网频率和电压概要文件。这些辅助服务大量的名称和具体描述。典型的服务全面概述包括: |
| 频率的规定:在数秒到数分钟内的基础上执行,是通过自动发电控制(AGC)信号发生器。 |
| 旋转储备:这些发电机提供电力一般在10分钟。当另一个发电机使用这些储备系统上的意外下降或失效。 |
| 旋转储备:这些发电机提供相同的函数作为旋转储备,但有一个较慢的响应时间。 |
| 电压支持:使用这些发电机无功功率管理必要时调整电压。 |
| 黑启动能力:这些发电机可以重启层叠的电力系统,以防停电。 |
| 另外,电网运营商必须跟踪负载电力需求在消费方面的网格,并确保生成匹配负载。这个负载跟踪函数变得至关重要,当电力需求大幅增加在典型时间段等在一天早上,一个炎热的下午,或者晚上。负荷跟踪可能会安排通过类的辅助服务或通过“快速能源市场”,根据系统运营商。电网运营商一直在调节频率和电压,维持储备和后负荷的变化因为电网的发展。这是因为负载本身是变量,甚至是传统的,可控的一代经历的问题,不能按规定执行计划一致。 |
| 因此风能和太阳能发电不会引入全新的问题,运营商从来没有挣扎。事实上,在低能量的侵入,集成挑战主要是设备和本地电网具体,次同步谐振和谐波等,这可能是由于涡轮本身。然而,高渗透的风能和太阳能发电能源系统添加更多的变化比传统电网运营商管理。因此再保险的集成结果为辅助服务和整体平衡能源需求增加。更加困难,有时不可能,来管理这样的挑战在设备层面,因此在网格级操作,技术和策略是至关重要的。丰富的风能和太阳能资源数量也可能会干扰负荷跟踪过程发生大规模的需求变化时由于剧烈weathervariations改变输出功率从风力或太阳能资源。电网运营商位于偏远地区,服务小负载可能更少的灵活性比规模更大的同行提供辅助服务。加剧问题,丰富的资源往往位于这些偏远地区。国际能源机构和其他机构推荐整合电网运营商,为了整合资源在更大的区域和减少功率产生的方差,以及宽松的市场限制销售的辅助服务来解决这一问题。 |
b部分不可预测性: |
| 风和阳光的可用性部分是不可预测的。风力发电机风时可能只产生电能。太阳能光伏系统需要阳光的可用性良好的收益。天气不可预测性可以通过改进管理和代预测技术,维护外汇储备,随时准备提供额外的权力当再保险代产生更少的能量比预测,确保可用性的可分派负载“吸收”多余的力量当再保险代产生更多的能量比预测的能量。部分不可预知性,也称为不确定性是截然不同的变化。风能和太阳能发电的可变性是始终存在的,由于不断变化的风和太阳的依赖,并实时影响网格系统即时的时间尺度。而部分不可预测性,指的是不能准确预测即使风和阳光一般用于能源生产。这hour-to-day不确定性是意义重大,因为电网运营商管理网格上的绝大多数的能量通过“单位承诺”。单位承诺提前调度生成的过程,一般提前一天时间,以满足预期的负载。当实际生产不匹配预测,电网运营商必须平衡的区别。 RE generation increases the cost of this function by increasing the spread between predicted and supplied energy, a cost that is ultimately borne by consumers. Unit commitment at present is largely deterministic, meaning that once a conventional generator is scheduled to run at its full capacity is expected to be available for use. This practice reflects the relative predictability and controllability of traditional coal, gas and hydropower generation resources. Operators ensure the availability of reserves – generators that withhold the supply of energy and available in ready status to balance the system in an emergency – so as to protect against a loaded transmission line outage or generator outage. But the process of unit commitment and the calculation of reserves needed to ensure reliability becomes more complex when dealing with uncertain generation through RE. Forecasting technologies aim to predict weather and thus generation output from wind and solar resources at various timescales more accurately, and communicates those predictions to the grid operators in integrated system so as to allow the operator to schedule the energy generation more effectively and dispatch energy from resources. Properly anticipating wind and solar output levels allows the operator to modify the scheduling of other generators so as to more optimally utilize all generating resources under the grid operator’s purview. The operator must ensure that reserves are available not only to cover transmission line or generator outages, but also to respond to still unanticipated changes in wind and solar output. Advanced unit commitment methods enable the operator in this process of integrated grid operation , with an objective to prepare the system for multiple potential and uncertain outcomes that cannot be predicted by the forecasting technologies. Unlike deterministic unit commitment processes, advanced unit commitment methods must take into account the stochastic nature of wind and solar generation and their relative concentration on the system in recommending the scheduling of other resources. Ultimately, the objective of advanced unit commitment is to maintain sufficient flexibility in the system with cost effectiveness, such that the integration of RE resources neither exposes the system to unacceptable reliability risks nor over schedule the reserve generation. |
c .位置依赖性: |
| 风能和太阳能资源的数量是建立在特定的位置,与煤炭、天然气、石油和铀,不能运送到一代grid-optimal网站。一代必须配置资源本身,这些地方往往远离负荷中心,权力是最终被使用。新的传输容量通常需要连接风能和太阳能资源的网格。传输成本对海上风力资源尤为重要,等线通常需要特殊技术的使用中没有陆基输电线路。因为风和阳光都是暂时的可用性和空间超出人类控制,将风能和太阳能发电资源集成到传统的电网需要管理其他可控操作可能影响许多其他地区的电网,包括传统的一代。这些操作和活动发生在各种时间尺度,从秒到年,和包括一个新的调度策略rampable代资源、负载管理,c)提供辅助服务频率和电压控制,d)的传输容量扩张,e)利用率更高容量的储能技术,和e)连接的电网运营商与天气和资源调度规划预测[8]。变量重新整合的基本观点是,其变化对其余需要更大的灵活性的网格。讨论变量代操作本身是不足以描述高渗透的全面影响电力系统操作。因此本文探讨了重新整合一代核电站运营商和网格系统运营商的角度看,以确定所涉及的全部操作。远离电网的日常管理是其长期规划,特别是新输电线路的选址和利用。 Here RE generation plays a significant role and introduces new challenges. Because wind and solar resources are often located in remote locations, far from load centres, developing sufficient transmission facility to move RE to markets is vital in the process of integrated grid operation. Transmission planning processes are subjected to high variations, and tend to be influenced by regional politics. For example, a transmission line may provide capacity for energy produced in one country or state, passed through another territory, and consumed in yet another. These disparities in generation capacity, transmission location and load size between locations can make the development of transmission for RE contentious and complex, particularly with respect to cost allocation. Because new transmission lines built for RE generation resources will carry primarily renewably generated, variable and partially unpredictable electricity where technical needs arise regarding the transmission technology to be used. On the other hand, distributed energy resources provide for an alternative vision of the future grid, where energy is generated and used locally on a micro-grid, avoiding the cost of line losses and the high capital cost of transmission lines. In such a scheme, the electricity grid could be conceptualized as a collection of independent micro-grids with significantly reduced long-distance energy transmission needs. |
d .电力系统规划和风险管理: |
| 维护代供应之间的平衡和实时客户需求将变得更加困难与变量代没有大规模的资源,节约能源存储容量和demand-responsive负载。现有传统的规划方法、工具、资源充足率指标和标准需要开发一个操作环境变量生成、能量存储、需求响应负载,可再生能源标准和温室气体排放的政策。研究需要理解和应对新兴智能电网的影响和客户拥有技术对电网的可靠性。必须开发新的规划和风险管理工具来支持决策在一个电力系统不确定性多,经历过这里。 |
e .分布和传播规划: |
| 电网越来越自动化网络,预计将进化功能,更高的效率,更好的可编程性,更大的灵活性。需要规范的通信网络互联电网的传感、监视和控制。普及率的增加可再生能源的使用可能导致低的输电线路,除非大规模存储可用[1]。分布式能源资源、存储和demand-responsive负载分布层面使线加载更不确定。规划者必须能够确定网络拓扑结构最适合这种新的综合操作环境,和影响系统性能和可靠性的大量空间分布式发电来源。新的网络拓扑需要较低的设计比传统的网络传输损失,并降低对性能和可靠性问题下的突发事件。新拓扑必须启用大大增加水平的可再生能源发电,同时考虑到遗留系统和把新兴技术在直流,事实,分布式电子功率流控制器和电源转换设备接口的可再生资源。保护系统设计必须适应新的操作条件。计算方法的进步将允许网络拓扑co-optimized作为资源调度的一部分因此和网络设计不应设计成静态资产和允许动态重新配置由技术和经济目标。最后,新客户使用和存储技术构成分布规划的挑战由于不确定性的增加线路和变压器负荷。 |
f .操作: |
| 操作(日前)计划必须考虑到变化的可再生资源和demandresponsive加载[1]。市场的设计必须保证足够的业务激励新一代而补偿或嵌入式代业主提供充足的机会。增加市场价格变化可能成为一个重要的增加了对市场参与者的风险,尤其是在新环境政策。保持可靠性和会议NERC标准(例如,平衡和辅助服务)在高渗透水平变得困难。综述了标准本身可能需要新技术和客户选择的焦点。动态负载控制平衡生成负载需求需要更高水平的demandresponsive负载。插电式混合动力汽车和电动汽车的大规模使用要求更大的管理在负载端。应用程序需要使用的相量测量单元(PMU)的数据(WAM)广域监视系统。PMU的有效监控网格的动态,包括电压和角稳定性和热限制,并可以为网络运营商提供早期预警probablet失败,压力,或潜在不稳定,从而使运营商采取预防措施。运营商未来的控制系统必须有一个新的决策工具来保证电力系统可靠性和稳定性的不确定性。 |
g .网格和稀土资源之间的接口: |
| 基本电能质量要求必须满足谐波,电压,频率等连接任何设备网格[1]。可再生能源发电与它们相关的电力电子产生谐波和电压下电特性和频率偏差,可能使其难以满足电能质量要求。大规模风力发电场和大型光伏系统产生一系列的技术挑战主要来自的扩大应用在大功率电力电子器件的评级。连接的可再生能源分布水平还需要重大修改系统设计以适应双向功率流。促进分布式能源资源需要创新的集成微型智能电网"和能源管理系统透明地提供控制和监管。 |
| 新工具的操作,并高效地规划需要允许分析下更大的不确定性和新一代产生的不同技术方案和智能电网技术。需要新的操作工具将可再生资源与他们特定的特征。这些工具包括: |
| 最优功率流研究低到高渗透的可再生资源 |
| 电力市场分析在环境政策约束下包括低到高渗透的可再生资源 |
| 应急分析、随机功率流研究、动态安全评估和安全分析与捕获可再生资源的不确定性的随机模型。 |
| 资源调度算法,co-optimize网络拓扑和资源的承诺。规划还需要新的工具: |
| 长期基础设施评估包括代规划下的不确定性,又包括短期不确定性的可再生资源 |
| 分布和传播规划,包括可能的位置可再生资源开发 |
| 系统资源规划以适应所有资源包括生成和资源需求,同时考虑结构和传输拓扑结构的灵活性和更高的资源的不确定性。 |
| 最后,电力能源系统技术的变化,操作和规划方法和分析工具需要一个授权教育体系。新生需要准备当他们进入工作做出贡献和现有工程师必须有他们的技能升级。不仅仅是劳动力的技术将使高渗透的可再生能源技术。 |
结论 |
| 实现高渗透变量代特色可再生能源技术将需要许多基本的变化方式,电力系统规划和运作,以确保可靠的服务和经济。通过实现更好的网格技术可以克服这些挑战。电力系统操作的系统研究和规划与高渗透的可再生发电技术应该满足这些挑战。行业应该呼吁和支持更多的研究和教育网格集成挑战。 |
引用 |
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