1. 簡介

大規模整合進風力發電的電力系統需解決設計對整體能量系統綜合調整策略的挑戰。風力渦輪機需要與其他人交往與其余的生產單位在系統為了使得它有可能系統安全的供求平衡。如果風電投資是結合其他類型的不斷改進的系統這一挑戰就更難,如熱電聯產(CHP)和更好的效率。而且,這些策略包括:潛在的貿易得益于國際電力公司的分析。

整合風能已經徹底分析,重點介紹了單機系統和集成和氫燃料電池系統[1-8]。類似的分析是由電力生產的平衡與限制CHP生物質燃料、電網連接和消費者的需求[9-12]。需求側管理是工藝包括分析需求分布的影響,如峰值負載減少或靈活需求[13-15]。

與此同時, 在歐洲分布式電力生產和供應有一個增長的趨勢 [16-22]。兩個增加生產和使用分權型風力發電將導致越來越多的中小型生產商,將會被連接到能源網絡,尤其是電力網,最初設計用于壟斷市場。因此,會出現許多新情況、新問題,關系到管理和運行的能量傳遞以及在網格有效分配關系的風力發電等可再生能源[23-25].

為了使一個實質性的分布式能源資源長期滲透在歐洲,這是必要的,以解決相關的關鍵問題融入現有的和未來能源系統。其中一個最重要的未來的挑戰似乎是管理一體化的電力生產波動的電力,可以由使用再生能源和來自熱電聯產(CHP)單位電力生產。

丹麥的能源政策,能源供應成功地穩定在一個時期的30年。絕緣的房屋和一個廣泛的推廣使用熱電聯產(CHP)降低了為國內供暖的燃油消耗量。做到這一點實現了期間30年經濟的增長,住房數量增加。此外,不同類型的可再生能源的引進和政府的大力支持 [26-29]。今天,風力發電生產近20 %和CHP 50 %的電力需求[30]。因此,丹麥是領導,就整合電力分配生產到國家的生產體系。

基于丹麥實例介紹了分析大規模集成風力發電在不同的能量系統使用不同的調節策略的結果。不同的選擇是評價以下三個方面的素質:

———避免多余的電力生產的能力。

———利用風力降低國內二氧化碳的排放的能力。

———開拓在國際北歐交易電力市場貿易的 。

2、方法論

大規模化風力發電的問題,西方丹麥能源系統模型于2020年在能源計劃的計算機模型中分析。在一開始,系統分析了現行規定的熱電聯產(CHP)廠(參考調節系統)和在目前熱電聯產(CHP)組合,DH(區域供熱)廠等的基礎。(參考能量系統)。

不同的可選擇的規章制度和能源系統,包括不同提高靈活性的投資,也受制于技術和經濟兩方面的分析。技術分析比較不同的系統的整合能力,在數量上表現風力發電能力減少多余的電力生產和國內的二氧化碳的排放。經濟分析的能力進行了比較系統的在北歐電力交易市場開拓交易。

2.1能源計劃模型

能源設計模型是一種輸入/輸出模型(見圖1)。一般輸入信號的要求、容量選擇多個不同的調整策略,注重進出口情況和電力生產過剩。輸出能量守恒以及產生的年度產品、經濟性和進口/出口。

圖1 .能源計劃的能量系統分析模型。

能量系統在能源計劃模型包括從太陽能熱、工業CHP,熱電聯產(CHP)單位、熱泵、蓄熱和鍋爐產熱。地區供熱是被分成三個組,鍋爐系統,分散和集中的熱電聯產(CHP)系統。對熱電聯產(CHP)以外的系統包括來自可再生能源的電力生產,如太陽能、風能輸入分為陸上和海上,以及傳統發電廠(冷凝廠)。

這個模型需要四套輸入技術分析。第一套是一年一度的區域供暖消費和年度的電力消費,包括靈活的需求和電力消費從運輸領域, 如果有的話。第二套是一種光伏和風力的能力,包括一個適度的因素,以調節風力發電和電力生產之間的關系。這部分也定義了太陽能熱、工業CHP產熱輸入區域供熱。第三套是熱電聯產(CHP)單位、電站、鍋爐、熱水泵的容量和運行效率。最后一套指定一些技術的限制,即為了保持電網的穩定性最小熱電聯產(CHP)和電廠負荷百分比。此外,它包括為了實現規定的熱泵的效率的最大的熱泵產熱百分比。

為經濟的計算輸出和/或輸入電流, 模型需要定義在國際電力市場的價格變化。該模型有一個基于電力交易中心第一年運行基礎上的內部小時標準價格變化。這些價格變化可以在以下輸入內調節:乘法因子,加法因子(DKK/ MWh),不可預測的進出口調整價格。此外,一個表達市場對風和熱電聯產(CHP)反應的因子可以改變市場。此外,根據輸入的邊際生產1 MWh電產生所需的燃料成本和費用,以鍋爐或熱泵生產的熱量,被熱電聯產(CHP)所取代。

該模型強調的是不同調整策略的分析。基本上,技術分析區分在于以下這兩個策略:

調節策略一:滿足熱力需求。該策略所有單位生產僅根據熱的要求。在沒有CHP集中供熱鍋爐系統中鍋爐只是供應區域供熱需求和生產太陽能熱和工業(CHP) 之間的差異。為熱電聯產(CHP) 下的區域供熱,單位根據下列順序優先選擇:太陽能熱、工業CHP,熱電聯產(CHP)單位、熱泵鍋爐和峰值負載。

調節策略II:滿足熱和電兩方面的要求。當選擇策略II,主要出口將通過取代鍋爐或使用熱泵產熱的CHP來減少。這一策略增加電力消耗同時減少電力生產, CHP單位必須減少了熱生產。在CHP廠結合蓄熱能力的額外的能力的使用,防凝結廠生產用(CHP)生產來取代它使其減少。

在經濟分析了上述兩種策略被基于每當市場價格均高于邊際生產成本出口和每當市場價格低于邊際生產成本進口原則上市場貿易戰略緩和。

在所有的策略,該模型有一系列的限制因素要考慮,如:

-系統需要一定程度的穩定輸電容量

-輸電容量的瓶頸

-避免臨界過量生產的策略

-熱泵產熱的最大比例。

詳細描述該模型,請參考[31,32]。

2.2參考能量系統

丹麥的西部2020年已被選擇作為一個參考的情景。該地區的區域是相同的傳動系統接線員:Eltra。這一參考的場景是基于ELTRA系統2001方案,并應用在2001年工作的一個專家小組,應丹麥國會要求,研究了大規模風電的整合問題和分析可能的方法和策略管理問題[33]。作為部分的工作,奧爾堡大學2020年在丹麥做了一些長期更加靈活的能量系統的投資能源系統分析[34,35]。

參考由以下發展組成:丹麥電力需求是預計將從2001年35.3 TWh到2020年41.1 TWh相當于每年上升0.8%。東丹麥風力發電裝機容量預計將從2001年570MW上升到2020年1850MW，西丹麥風力發電裝機容量從1870MW到3860 MW。增加主要是由于每年150 MW海岸風力電廠的安裝。當老CHP廠生活到期，大型燃煤熱電聯產(CHP)汽輪機將被現有的一些新的自然燃氣聯合循環熱電聯產(CHP)單位取而代之。

2.3調節系統參考和選擇

參考調節系統曾被定義為本條例由許多可能調整措施以避免臨界過量生產。因此參考規定可以被描述成為以下方式:

——所有的風力渦輪機根據風的波動產生

——所有的熱電聯產(CHP)廠生產根據熱量需求(或三關稅)

----完全參與大型電站的任務供需平衡,確保電網的穩定性

----最少300 MW及最低30%的生產必須來自于電網穩定電站

----使用下列順序以避免臨界過量:(1)用鍋爐取代CHP,(2)用電熱和(3),如果有必要,停止風力渦輪機。

參考系統的能力來整合風能已經被比作一批替代調節系統基于以下原則:

- CHP單位可以通過減低其電力生產過剩的生產時間重新整合風能。相反地,鍋爐、和/或電加熱和/或熱泵取代產熱。

-小熱電聯產(CHP)單位都包括在電網穩定的任務中。

3技術分析的結果

所有的分析已經進行了風輸入功率從0到25 TW h等于在參考(24.87TWh)下從0到100%的電力需求的變化。

參考調控體系下的參考能量系統結果如圖2。上面的圖表顯示過量生產和國內在沒有任何限制在輸電容量(開放系統)情況下減低CO2排放量。在這兩個圖表下如果容量限制(1700 MW限制)和在沒有輸電容量(封閉系統)的情況下, 顯示相同結果。

在利用風力發電的投入時闡述這樣一個系統具有相當多的問題。例如風輸入5 TWh過量生產高達2 TWh,并且如果風生產10 TWh就會過多增加到6 TWh。因此當增加投入時，利用風能來除去二氧化碳減排變得虛弱。在10 TWh下國內排放已開始增加了。這是由于對從大型發電廠電網穩定需求的增加。

超額生產可以避免更換CHP生產電加熱鍋爐或停止風力渦輪機。但如闡釋降低二氧化碳排放量的能力顯示的是一個非常貧乏的結果。

當然, 對定義的能量系統產生的過量生產和CO2還原是很敏感的。CO2還原政策,很可能會導致日后系統變化,影響結果。因此,上述的分析,進行了以下三個替代能源系統,均表現出進一步改善在丹麥系統下減少國內二氧化碳的關系:

圖2排放在參考管理系統下的參考能源系統時多余的電力生產和國內減少二氧化碳量

圖3以參考調控系統下的三種能量系統中的多余的電力生產和國內減少的二氧化碳量。以上這三個選擇是獨立顯示其組合在下。

50%更多的熱電聯產(CHP):在參考系統21.21 TWh等于熱電聯產下50%的熱量。另一個系統已被定義在CHP的比例增加50%到31.82TWh。

燃料電池技術:在CHP單位和電廠(例如燃料電池)下電效率的改善提高了工作效率,從而降低燃料消耗。

另一個系統的定義了CHP平均效率從38%提高至55%和電廠效率從50%到60%。

電氣化汽車:基于學習的電氣化汽車(部分電池和部分氫燃料電池車)另一個系統已被定義為12.56 TWh汽油可以被4.4 TWh 電 取代[36]。

可供選擇的系統的分析結果如圖3。圖表說明就更多CHP(“50%(CHP)”)和更好的效率(“燃料電池”)加快過量生產問題而同時減少電氣化汽車(“交通”)的問題如何改善。與參考能量系統下起點無風的力量時相比減少二氧化碳排放量的改進, 但隨著增加風輸入只有電氣化汽車保持更好的減少二氧化碳能力。

圖4顯示的結果是一樣的,如果對選擇調節系統進行介紹。它顯示的是包括規定下的熱電聯產(CHP)單位。此類措施從根本上降低了在參考和替代能源系統下單獨過量生產。同時,如果此CHP單位都換成了鍋爐(CHPregB)燃料效率會降低,而且可能不充分的開拓降低二氧化碳能力。增加電加熱系統(CHPregEH)不能解決問題,但是添加熱泵(CHPregHP)使得減少過量生產,同時保持燃料效率有可能。

圖4在替代調控系統下過量的電力生產和國內減低CO2排放量。以上三種調節系統中顯示的是在參考能量系統下的，下面是在替代能源系統下的(50%chp+transp.+FC)。

并且在工程實踐中分析了傳輸電網的影響。與此同時,上述結果不包括在這篇論文中。初步成果已發表在[23]。

4經濟分析結果

靈活的能量系統的可行性在開拓電力交易中心市場上進行了能力的評估。

電力交易中心模式一直是基于以下事項:

----小時價格標準基于最初幾年的運作歷史數據分布。一個標準的分布的平均值140DKK / MWh,代表在北歐海德魯廠系統用大量的水的豐水年。

----丹麥貿易中電力交易中心價格每兆瓦0.02DKK/ MWh影響基于歷史數據。

----7年一次干旱年,三個豐水年和三個正常年份創造出的標準價格分布,是在未來2010年至2020年間所期待的平均值相當于丹麥能源機構(240DKK / MWh)。

----德國貿易影響被描述為固定進口/出口小時分布基于歷史上典型貿易在電力交易中心中高或低的價格。

——如果在傳輸系統下的瓶頸提高，市場分裂為價格區域。

——化石燃料的價格根據丹麥能源機構的期望而定。

對于這樣一個市場模型分析了貿易是國際二氧化碳貿易價格從0到250DKK/t二氧化碳和風生產價格在170和270DKK /MWh.

分析了在這樣一個系統中投資新電廠生產能力是否可行。這樣做的結果是增加交易利潤的可能性的是非常有限的,額外收入遠遠沒有能力償還投資。

與此同時,靈活的能量系統投資似乎非常有利可圖。兩種可能的調節系統已分析以上,即“包括在規定下的熱電聯產(CHP)單位”,和通過鍋爐(CHPregB)或熱泵(CHPregHP) 更換產熱是特別重要的。當風力發電超過每年的基礎20%的用電需求投資在這些解決方案上將變得非常可行的,尤其是熱水泵。因此,熱泵機組的可行性(付完投資成本后)是大約1000萬歐元/年20%風能增加到8000萬歐元/年60%風能。這樣的可行性被比作固定的年度投資和維護費用只有15歐元/年。因此有興趣投資取決于風力的份額在50到500%。所有的分析是基于相同的熱泵能力。與此同時,這樣的能力可能是調整和優化的實際風功率輸入,在此情況下,投資的可行性可以進一步改進[37]。

5結論

直到現在,電力供應和需求之間的平衡任務主要是為了給我們留下了大量生產單位。小熱電聯產(CHP)廠和風力渦輪機沒有被卷入了這條規定。因此, 在丹麥的系統中,整合大型風力發電的能力是很脆弱的，其特征是高度的熱電聯產(CHP)。多余的電力生產的比例較高,并且利用風力發電降低國內CO2排放的能力較低。

如果按照計劃進行的話丹麥增加風力50%,這個問題會變得嚴重。如果,在同樣的時間,丹麥提高CHP程度和改善經營效率的問題將會變得更糟。

本文給出靈活調節系統的實施結果包括規定的熱電聯產(CHP) 單位和熱泵最終投資。這樣的系統已經被評價為避免系統中過量生產的能力和對國際電力市場交易開拓的能力。

這種對靈活性改進的可行性很高,可適合任何的風力發電,尤其是風輸入在20-25%以上。

鳴謝

本文的研究結果來自兩個在奧爾堡大學的研究項目,在經濟上來自丹麥能源機構和丹麥能源研究計劃的支持。結果和討論在第四屆國際研討會,結果本文大型研究項目的結果來自兩個奧爾堡大學,在經濟上支持丹麥能源機構和丹麥能源研究計劃。結果在2003年10月Billund 20-21第四屆國際研討會的風力發電規模集成和用于海上風力農場傳輸網絡陳述和討論。