大规模新能源装机与小负荷电网特性研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：张进宝（1990），男，汉族，新疆博乐人，国网博尔塔拉供电公司；卢文科（1989），男，汉族，河南淮阳人，国网博尔塔拉供电公司；李娟（1991），女，汉族，甘肃天水人，国网博尔塔拉供电公司。-18-大规模新能源装机与小负荷电网特性研究 张进宝 卢文科 李 娟 国网博尔塔拉供电公司，新疆 博乐 833400 摘要：摘要：本文旨在研究大规模新能源装机对小负荷电网特性的影响。通过实地案例分析和模拟实验，本研究探讨了新能源与小负荷电网的关系，分析了潜在的益处和问题，并提出了解决方案和技术。结果表明，新能源在小负荷电网中的合理集成可以提高能源效率和可持续性，但也需要应对不稳定性和网络升级需求。本研究为小负荷电网管理和可再生能源发展提供了重要见解。关键词：关键词：新能源；小负荷电网；可再生能源；不稳定性；能源效率 中图分类号：中图分类号：TM714 0 引言 随着全球对可持续能源的需求不断增加，新能源装机规模不断扩大，太阳能和风能等可再生能源已经成为能源行业的关键组成部分。而随着新能源的大规模集成，尤其是在小负荷电网中，出现了一系列复杂的技术和运营挑战。小负荷电网通常指的是规模相对较小、供电负荷相对较低的电网，例如偏远地区、岛屿或农村地区的电力系统。新能源的不稳定性、间歇性和季节性特点，以及与小负荷电网的特性之间的相互作用，使得研究新能源在这些电网中的集成变得至关重要。1 大规模新能源装机 1.1 新能源概述 新能源是指相对于传统化石燃料而言更加环保和可再生的能源形式。在面对气候变化和能源安全性等全球挑战的背景下，太阳能和风能等可再生能源备受关注。太阳能能源是通过捕获太阳辐射并将其转化为电能或热能的技术。太阳能电池板是其中最广泛使用的技术之一，其将太阳光转化为电能，可用于供电、加热水源或发电。风能资源则是通过风力涡轮机将风能转化为电力。这些能源形式的共同特点是不产生温室气体排放，具有较低的环境影响。1.2 新能源装机的增长趋势 近年来，全球对可再生能源的需求持续增长，新能源装机容量也在快速扩大。政府和企业纷纷投资于太阳能和风能项目，以减少对传统能源的依赖，提高能源的可持续性。太阳能和风能在能源产业中占据着越来越大的份额，成为全球能源供应的重要组成部分。这种增长趋势预示着新能源将在未来几十年内成为主要的能源来源之一。1.3 大规模新能源装机的挑战 虽然新能源装机的增长带来了许多好处，但也伴随着一些挑战。其中一个主要挑战是新能源的不稳定性。太阳能和风能产生受天气条件影响的电力，因此在不利天气条件下产生电力可能会中断，需要解决储能和备用能源的问题。另外，大规模新能源装机也可能对电力网络的稳定性产生影响，因此需要加强电网升级和智能电网技术的应用。2 小负荷电网特性 2.1 小负荷电网定义 小负荷电网，又被称为低负荷电网，通常是指供电负荷相对较低、电力需求相对较小的电力系统。这类电网通常包括偏远地区、岛屿、农村地区以及某些特殊应用场景，如科研站点或矿山电网。小负荷电网的特点是其规模相对较小，相对于大城市或工业地区的电力系统而言，其负荷需求较低。由于小负荷电网通常远离主要的电力基础设施，因此其供电方式和能源来源可能有限，这使得其面临一系列独特的挑战。2.2 小负荷电网的特点 2.2.1 负荷变化 小负荷电网的负荷通常具有较大的变化性。这是因为这些电网的用户数量相对较少，他们的用电习惯和需求可能在不同时间和季节发生显著变化。例如，在一个偏远的度假胜地，负荷在旅游旺季可能大幅增中国科技期刊数据库 工业 A-19-加，而在淡季则急剧减少。这种负荷波动性需要电网运营商具备灵活性，以适应不断变化的电力需求。2.2.2 稳定性问题 由于小负荷电网的规模相对较小，其电力系统可能更容易受到外部因素的影响，如突发天气事件或设备故障。这可能导致电力供应的不稳定性，包括电压波动、频率波动以及短时停电。为了确保电力供应的可靠性，小负荷电网需要采取特殊措施来应对这些稳定性问题，包括使用备用发电设备、储能系统以及智能电网技术。2.3 新能源与小负荷电网的关系 新能源，如太阳能和风能，对小负荷电网的关系具有重要意义。由于小负荷电网通常位于偏远地区，其能源供应可能受到限制。新能源的引入可以为这些地区提供清洁的电力资源，减少对传统燃料的依赖。然而新能源的不稳定性和可变性也对小负荷电网构成了挑战，因为它们可能会导致电力波动和供电中断。所以，在整合新能源时需要采取特殊措施，例如储能系统的应用，以平衡供需并提高小负荷电网的可靠性。3 大规模新能源装机对小负荷电网的影响 3.1 新能源集成小负荷电网的潜在益处 新能源在小负荷电网中的集成潜在益处是多方面的，对电网和社会都具有积极影响。第一，它提供了清洁、可再生的电力来源，有助于减少碳排放，改善环境质量，以及降低能源的依赖性。这对于偏远地区、岛屿或农村社区而言尤为重要，因为它们通常依赖传统的柴油发电机供电，这种方式不仅昂贵，还对环境有害。第二，新能源集成还可以提高电力供应的可靠性和稳定性。通过将多种能源资源结合使用，如太阳能和风能，可以平衡供电，减少了电力波动的风险。这对于小负荷电网尤其重要，因为其电力系统相对脆弱，容易受到外部因素的影响。另一个潜在益处是能源成本的降低。新能源通常具有较低的运营和维护成本，一旦安装完毕，太阳能和风能系统可以在长期内提供稳定的电力，减少了能源采购成本，有助于降低电力价格，使小负荷电网的用户受益。3.2 挑战和问题 3.2.1 不稳定性问题 尽管新能源的集成带来了很多益处，但不稳定性问题是一个主要挑战。太阳能和风能的发电受到气象条件的影响，天气变化或季节性变化可能导致电力产量的波动。这对于小负荷电网来说可能会带来供电不稳定性。3.2.2 网络升级需求 随着新能源装机容量的增加，小负荷电网的电力系统可能需要进行升级，以适应更高的负荷和更多的分布式能源资源。这可能包括电网扩展、升级输电线路、升级变电站设备等。这些升级通常需要巨额投资，因此电力运营商需要仔细规划和管理电网发展以确保电力系统的可靠性和性能。3.3 解决方案和技术 3.3.1 储能系统的应用 储能系统的应用在解决小负荷电网中新能源不稳定性问题方面具有关键性意义。这项技术的核心思想是将多余的新能源电力储存起来，以便在需要时释放，从而平衡电力供需。这对小负荷电网的稳定性和可靠性都产生了显著的正面影响。（1）储能系统可以有效地应对新能源的间歇性和不稳定性。太阳能和风能的发电受到气象条件的限制，因此电力产量可能会随着天气变化而波动。通过将多余的电力存储在储能系统中，可以在天气恶劣或新能源产量不足时提供备用电源，避免供电中断。（2）储能技术的多样性也是一个优势。不同类型的储能系统，如锂离子电池、抽水蓄能等，可以根据小负荷电网的需求和特点进行选择和定制。这种灵活性使得储能系统能够更好地适应各种电力系统，满足负荷需求的变化。（3）另一个重要方面是储能系统的响应速度。它们能够在毫秒级别内响应电力需求的变化，与传统发电机组相比，具有更快的启动时间。这意味着在电力需求剧烈波动时储能系统可以迅速注入或吸收电力，保持电压和频率的稳定，从而减少电力波动风险。3.3.2 智能电网技术 智能电网技术是另一个对小负荷电网具有重要意义的解决方案。这些技术基于先进的传感器、通信和数据分析技术，能够实时监测和管理电力系统，并且根据需求和供给进行动态调整，以提高电力系统的效中国科技期刊数据库 工业 A-20-率和可靠性。（1）智能电网技术通过实时数据监测，可以精确了解电力需求和供应情况。这使得电力运营商能够更好地预测和管理负荷波动，以确保电力供应的稳定性。例如，在高峰时段，智能电网可以调整发电和分配策略以满足额外的负荷需求，而在低负荷时段则可以降低电力生成，以提高能源利用率。（2）智能电网技术可以实现分布式能源资源的优化利用。小负荷电网中可能存在多种能源来源，包括新能源、传统发电和储能系统。通过智能监控和控制，电力系统可以动态调整能源的使用来确保最佳的能源组合，从而降低成本并提高可持续性。（3）智能电网技术还具有快速响应能力。在发生故障或紧急情况时，它们可以迅速识别问题并采取措施，以最小化供电中断时间。这对于小负荷电网来说尤为重要，因为其电力系统通常相对脆弱，容易受到外部因素的影响。4 研究方法 4.1 数据收集和分析方法 数据收集是通过多种途径进行的。这包括实地测量以获取小负荷电网的实际运行数据。同时本研究也采用了历史数据和实验数据，以建立模拟实验的基础。4.2 模拟实验设计 为了深入了解大规模新能源装机对小负荷电网的影响，研究采用了模拟实验设计。这些实验通过数学建模和仿真技术，模拟了不同新能源装机方案在小负荷电网中的运行情况。通过改变装机容量、新能源类型、储能系统容量等参数，可以评估各种情景下的性能和效益。4.3 数据处理和分析工具 数据处理和分析工具在研究中扮演着至关重要的角色。为了理解收集到的数据，研究使用了统计分析方法、时间序列分析以及模拟实验结果的数学建模。另外，计算机辅助工具如 MATLAB、Python 等被用于数据处理和模拟实验。这些工具使研究人员能够分析不同情景下的电网性能、可靠性、效率等指标，并评估新能源集成的潜在影响。5 案例研究 5.1 研究地区和数据收集 本研究选择了一个典型的小负荷电网地区作为研究对象，以确保案例研究的现实性和适用性。该地区位于偏远地区，电力需求相对较低，主要依赖传统的柴油发电机供电。我们通过多种途径收集了详细的电力负荷数据，包括日常和季节性的变化。这些数据为深入了解小负荷电网的负荷特性提供了坚实的基础。另外，为了全面了解新能源在该地区的应用情况，我们还搜集了太阳能和风能发电的相关数据，包括装机容量、发电效率和季节性变化等信息。这有助于我们更好地理解新能源在小负荷电网中的实际性能和可行性。5.2 大规模新能源装机与小负荷电网关系的实际案例分析 5.2.1 案例 1：太阳能集成 在太阳能集成案例中，我们深入研究了太阳能装置的情况。太阳能发电容量约为 50 MW，平均每日太阳能发电量大约为 30 MW。本研究观察到夏季太阳能发电高峰期与电力负荷高峰期高度匹配，但在冬季存在一定的不匹配。这表明太阳能在该小负荷电网中的集成存在季节性差异，需要进一步考虑季节性能源波动的影响。5.2.2 案例 2：风能集成 在风能集成案例中，本研究同样对风能装置的情况进行了详细研究。风能发电容量约为 80 MW，平均每日风能发电量大约为 60 MW。与太阳能不同，风能发电在夏季和冬季之间存在显著差异。这表明风能集成需要针对不同季节的变化采取不同的管理策略，以确保电力供应的稳定性。5.3 结果和讨论 综合案例分析的结果，本研究得出了一些重要结论。第一，新能源在小负荷电网中的集成需要综合考虑季节性变化和电力负荷的特性，以确保电力供应的可靠性。第二，智能电网技术和高效的数据分析工具在实时监测和管理新能源运行方面发挥关键作用。第三，储能技术可以用于平衡新能源的波动性，提高小负荷电网的可管理性和可靠性。6 结论（1）大规模新能源装机已经成为能源领域的关键趋势，特别是太阳能和风能。它们为清洁、可持续的中国科技期刊数据库 工业 A-21-电力生产提供了巨大潜力，有助于减少对传统化石燃料的依赖，改善环境质量。（2）新能源在小负荷电网中的集成需要谨慎考虑。新能源的不稳定性和季节性变化可能导致电力供应的不稳定性，这对于小负荷电网来说是一个挑战。因此需要采取一系列措施来应对这些挑战。（3）储能系统被证明是解决不稳定性问题的重要工具，它可以存储多余的新能源电力并在需要时释放，以平衡供电。另外，智能电网技术的应用可以实时监测和管理电力系统，优化能源利用率，提高电网的稳定性和效率。（4）小负荷电网管理和可再生能源发展需要综合考虑技术、经济和环境因素。持续的研究和技术创新将是实现更可持续、稳定的电力供应的关键。参考文献 1郭帅,叶鹏,张涛,李家珏.新能源大规模接入条件下负荷建模研究方法综述J.沈阳工程学院学报:自然科学版,2016,12(3):201-207.2金梦,朱鑫要,周前.新能源对电网调峰特性影响定量评估及应用J.高压电器,2023,59(4):70-76.3张顺,葛智平,郭涛,张世才,钱康.大规模新能源接入后系统调峰能力与常规电源开机方式关系研究J.电力系统保护与控制,2016,44(1):106-110.4高澈,牛东晓,马明,汪宁渤,盖晓平.大规模新能源区域互联消纳能力分析及综合评价方法研究J.中国电力,2017,50(7):56-63.5张雪萍,邹欢,阮解琼,苏为健,张南辉.基于新能源消纳背景下火力发电机组深度调峰的分析与研究J.中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2023(3):34-37.6张顺,郭涛,葛智平,张世才,钱康.大规模新能源接入后系统调峰能力与常规电源开机方式关系研究J.电力科技与环保,2016,32(2):48-51.7张桂红,王世斌,田旭,刘飞,张君,李红霞.大规模新能源并网直流工程送端电网暂态过电压抑制策略研究J.电力与能源进展,2021,9(5):237-249.8梁纪峰,曾四鸣,姜山,杜晓东,李晓军.特高压联网及大规模新能源接入的电网动态特性及PSS适应性分析J.河北电力技术,2020,39(1):5-7.