混合可再生能源系统的多能互补及集成优化

能源是人类社会和经济发展的保障性资源,能源问题也是世界性的问题。目前全球所使用的能源主要是化石能源,自19世纪70年代产业革命以来,化石燃料的消耗急剧增长,90%以上的世界经济活动所需的能源都依靠化石能源提供。化石能源是不可再生资源,同时,化石燃料的大规模利用也带来了严重的环境污染,导致了温室效应和全球气候变暖等一系列环境问题。面对日益加剧的能源危机,世界各国都对能源的发展决策给予了极大重视。现代社会中,除了煤炭、石油、天然气、水力资源外,还有新能源,如风能、太阳能、潮汐能、地热能等等。由于新能源出力具有间歇性和不确定性,因此大容量风电和光电集中接入电力系统会严重影响主电网的电能质量和稳定运行。容易造成弃风、弃光、甚至脱网等问题,制约了新能源的大规模利用和发展。为了提高新能源的利用率,微电网(Micro-Grid)应运而生,并且受到多个国家的广泛关注和推广。在微能源网中,如何利用不同类型的能源特点建立多能源互补系统,提高新能源的接入比例,提高新能源利用率是亟待解决的问题。针对以上问题,本文开展了如下研究:针对多能互补分析缺乏规范数学抽象的问题,研究多能源之间互补性的表达范式,建立全面、通用、规范的互补性描述。从数学角度看,不同能源之间的互补性,是多能源综合优化性能强于各种能源分别应用,优化深度可用于量化互补程度。因此,不同能源之间互补性的表达范式包括多种能源及其规模、性能指标,互补程度等。在互补性表达范式的基础上,一方面,进一步发现不同能源之间在稳定能力、存储能力和可调度能力等多个性能上的互补性;另一方面,揭示多种能源之间的互补特性,建立多种能源、多种互补性的通用表达范式。使不同能源之间的互补性,从两种或三种能源之间的个案分析抽象出多种能源之间的通用的互补性数学描述,为综合能源电力系统优化深度的提升提供新的着力点。针对目前偏远山区的特点,提出了在电力设施建设相对落后的偏远山区或农村地区建设以可再生能源为主,以沼气多联供等能源综合利用为目标的发电形式的独立型微能源网。通过充分利用不同能源之间的互补性,可降低对储能的依赖,甚至取消储能环节,来减少微电网建设成本和运维成本,达到充分利用当地自然资源,节约成本,提高能源综合利用效率,实现能源供需自我平衡的目的。基于山区太阳能-沼气微能源网,介绍和分析农村目前的用能基本消费结构,并建立热负荷和电负荷的需求预测模型;搭建山区太阳能-沼气微能源网,定义微电网输出与输入变量,详细讨论供热系统及供电系统的工作任务及模式,形成完整的光-沼互补微网结构;通过建立热、电和气各部分的负荷模型,并以最小化供需偏差为目标函数,对微电网各基本组成部分进行规模配置,以实现山区微电网独立供能平衡。最后以实际电网的某典型户负荷为算例,验证该微电网的可行性及其规模配置,实现了光沼能源的联网。针对新能源发电接入船舶电网,在普通船舶能源系统的基础上,加入了光伏系统以及储能系统,设计出光柴储混合能源船舶的能源管理系统。通过利用多种能源的互补性,提高能源的利用效率,合理管理储能系统的充放电,实现船舶运营成本的最小化。详细分析了船舶能源系统的结构,根据船舶负荷的特性以及运行工况,建立出不同电源的输出模型,并基于成本以及移动性的多目标函数,对船舶电源进行优化配置。最后以中型游艇为例,通过对比考虑新能源在内的多能源供电应急电源模型、常规储能电源模型和单一能源燃油机组电源,验证光柴储混合能源船舶在移动性以及成本方面的优越性。针对可再生能源给微电网带来的波动性问题,进行进一步研究。在多能源互补应用中,波动性是影响系统安全稳定运行最重要的因素,因此,有必要对波动性影响进行评估,利用波动性约束,优化可控能源与新能源的出力。首先定义了短期负荷最大波动,并提出了一种基于标幺曲线的预测方法,考虑到负荷波动性的影响,引入了概率区间预测方法,进一步提高最大波动的预测精度。通过实际案例对预测方法进行了验证。在负荷最大波动的基础上,进一步分析了电力备用与爬坡能力备用之间的关系,并利用预测误差分布进一步研究负荷最大波动,利用最大波动提出了最小化爬坡能力备用的优化目标,并通过案例验证其有效性。以双向互补表达到多能源互补通用表达范式,拓展到不同类型的能源和多种能源,并建立混合型多能互补指标体系。通过根据不同类型的能源特点对多能源互补表达范式、在山区与海岛上建立光沼互补能源系统、在船舶上基于移动性互补建立光-柴-储能源系统及能源波动性互补系统。揭示了多能源互补在混合多能源系统中的价值与作用。并通过山区及海岛光沼互补系统和船舶综合能源系统两个案例进行了仿真,有效验证了混合多能源系统的可行性及集成优化配置优化方法有效性。为推动混合多能源微电网的广泛应用,提供了有力的支撑。