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水—火—风互补发电系统的容量优化配置问题研究

作　者: 张丛林
导　师: 曹楚生
学　校: 天津大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 水电火电风电互补发电系统容量优化配置可靠性分析经济性分析
分类号: TM61
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

面对人类社会优化能源结构和促进可持续发展的需求，近年来风电等可再生能源得到大力发展，与此同时，风电的接入也给发电系统带来了巨大挑战。这是由于风电具有“大风大电、小风小电，风速高于切出风速或低于切入风速时又迅即停电”的特性，这种极为明显的不确定性和间歇性应予特别关注。目前我国已建和在建的大型风电基地大多位于“三北”地区，这些地区风电脱网事故频发，给电力系统的安全可靠运行带来了十分严重的影响。因此，当前急需对风电接入发电系统的相关问题进行研究。虽然国内外对此类问题的研究已经取得了一定的成果，但仍具有片面性，还有待进一步完善。今提出“水—火—风互补发电系统的容量优化配置问题研究”一文，具体内容包括：（1）本文指出了含风电互补发电系统有功平衡的若干关键问题并结合我国实际情况提出相关建议。我国电源结构以煤电为主，电力系统中缺乏调峰电源，主要依赖煤电机组深度压负荷调峰，其压负荷运行幅度最高可达约60%，虽能起到调峰作用，但代价很大。从长远来看，为改善电力系统的调峰能力，应逐渐减小煤电机组压负荷运行的幅度，与此同时，增加各种类型的调峰性能较好的电源和各种蓄能蓄电设施。应该在保持我国现有6个大型区域电网基本格局的同时，进行区域电网之间的互联，还可考虑与国外电网进行互联，提高风电跨网消纳能力。可以在发电侧通过风电场出力预测和限出力运行等手段优化调度安排，提高发电系统可靠性。考虑到“三北”地区水电基地、煤炭基地、煤电基地和风电基地在地理位置上接近或重合，应促进水电—火（煤）电—风电区域互补开发格局的形成，这不仅有助于实现风电远距离消纳，而且可以提高输电通道的利用率并降低输电成本。（2）本文针对火电机组—风电场互补发电系统的容量优化配置问题进行了研究。根据已有的风资源资料进行统计分析，结合风力发电机的功率特性曲线，得出风电场的出力—概率特性，而后将风电场模型与多状态火电机组模型进行耦合，建立火—风互补发电系统数学模型。在确定优化目标的基础上，首先对该数学模型进行可靠性计算，而后将技术经济学相关理论应用于对该模型进行经济评价，最终得到优选方案。此外，本文还说明了若干风电场风资源条件与互补发电系统发电保证率之间的关系。（3）本文针对水电机组—火电机组—风电场互补发电系统的容量优化配置问题进行了研究。应用水电机组对负荷持续曲线进行修正相当于起到调峰的效果。文中应用能量受限的水电机组对原始的负荷持续曲线进行容量和能量修正，而后引入火电机组和风电场，得到水—火—风互补发电系统模型。在确定优化目标的基础上，分别对该模型进行了可靠性计算和经济性分析，指出了模型的容量配置优选方案，分析了三种电源在发电系统中发挥的作用和它们之间的关系，同时提出了降低系统发电成本的可行性措施以及努力的方向。（4）在考虑发电机组强迫停运率的不同取值和负荷预测的不确定性后，对含风电的互补发电系统进行了可靠性验证。本文在考虑负荷预测不确定性和强迫停运率的不同取值后，对已得到的互补发电系统模型的优选方案进行校验，得到缺电时间的波动范围，为含风电互补发电系统的可靠性评估提供支持。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-29
  1.1 中国风电的发展形势  10-11
  1.2 问题的提出  11-13
  1.3 国内外研究现状  13-27
    1.3.1 火电机组—风电场互补发电系统的研究现状  13-20
    1.3.2 水电机组—风电场互补发电系统的研究现状  20-25
    1.3.3 水电机组—火电机组—风电场互补发电系统的研究现状  25-26
    1.3.4 离网风电场应用的研究现状  26-27
  1.4 本文的主要研究内容  27-29
第二章含风电互补发电系统有功平衡若干关键问题及分析  29-64
  2.1 蓄能蓄电和电网调峰  29-38
    2.1.1 各种蓄能设施  29-35
    2.1.2 蓄能蓄电  35-37
    2.1.3 多种蓄能设施共同发展  37-38
  2.2 区域电网互联  38-45
    2.2.1 中国的风电并网规划  38-41
    2.2.2 欧洲的风电并网规划  41-43
    2.2.3 中欧风电并网规划对比  43-45
  2.3 发电侧有功调度安排  45-55
    2.3.1 风速预测、风机出力预测  45-53
    2.3.2 风机限出力运行、风电场限出力运行  53-55
  2.4 水电—火（煤）电—风电的区域互补  55-62
    2.4.1 中国用电量的分布情况  55-56
    2.4.2 中国水电的发展形势  56-57
    2.4.3 中国火（煤）电的发展形势  57-59
    2.4.4 风电的不确定性和中国风能资源的分布情况  59
    2.4.5 水电—火（煤）电—风电区域统筹发展  59-62
  2.5 本章小结  62-64
第三章火（煤）电机组—风电场互补发电系统的容量优化配置  64-102
  3.1 只含煤电机组的发电系统模型  64-68
    3.1.1 负荷持续曲线  64-65
    3.1.2 煤电机组的容量停运概率特性  65-68
  3.2 互补发电系统的可靠性指标  68-70
    3.2.1 缺电时间期望  68-69
    3.2.2 电量不足的期望值  69-70
    3.2.3 发电保证率  70
  3.3 煤电机组的可靠性分析  70-74
    3.3.1 2 状态煤电机组模型的组合  71-72
    3.3.2 多状态煤电机组模型的组合  72-74
  3.4 煤电机组模型压负荷调峰的实现方式  74
  3.5 煤电机组—风电场互补发电系统的可靠性分析  74-92
    3.5.1 气象站观测资料分析  75-79
    3.5.2 测风站观测资料分析  79-84
    3.5.3 风电场容量停运概率特性分析  84-87
    3.5.4 风电场—煤电机组互补发电系统的可靠性计算  87-90
    3.5.5 风能资源和发电保证率的相互关系  90-92
  3.6 煤电机组—风电场互补发电系统的经济性分析  92-100
    3.6.1 煤电机组—风电场互补发电系统可行性方案的筛选过程  92-93
    3.6.2 互补发电系统经济性计算  93-100
  3.7 本章小结  100-102
第四章水电机组—火（煤）电机组—风电场互补发电系统的容量优化配置  102-118
  4.1 水电机组模型  102-103
  4.2 水电对原始负荷持续曲线的修正  103-110
    4.2.1 容量修正  103-105
    4.2.2 能量修正  105-108
    4.2.3 水电机组承担基荷和调峰的相互关系  108-110
  4.3 水电机组—煤电机组互补发电系统的可靠性分析  110
  4.4 水电机组—煤电机组—风电场互补发电系统的可靠性分析  110-112
  4.5 水电机组—煤电机组—风电场互补发电系统的经济性分析  112-116
  4.6 本章小结  116-118
第五章考虑强迫停运率不同取值和负荷预测不确定性的互补发电系统可靠性分析  118-135
  5.1 强迫停运率的不同取值  118-122
  5.2 考虑强迫停运率不同取值的缺电时间方差的计算  122-130
    5.2.1 发电机组强迫停运率方差的取值  122-123
    5.2.2 容量停运概率表的推求  123-130
  5.3 负荷预测的不确定性  130-131
  5.4 考虑负荷预测不确定性的缺电时间期望的计算  131-133
  5.5 本章小结  133-135
第六章结论与展望  135-138
  6.1 结论  135-137
  6.2 展望  137-138
参考文献  138-151
发表论文和参加科研情况  151-152
附录  152-163
致谢  163

水—火—风互补发电系统的容量优化配置问题研究

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