小型电站参与系统调峰策略和经济性研究

论文总字数：30260字

摘 要

本文针对深圳市的用电以及能源结构特点，对小型电站——垃圾电站的调峰策略进行了研究。

首先对深圳市的负荷特性进行分析。采用k-means聚类的方法，研究需求侧用电环境对用电模式的具体影响。比较近两年来全市负荷峰谷差的变化，并挖掘了用电与温度的关联性，对深圳市的用户用电特征做出总结。以找到深圳市系统调峰瓶颈，剖析电力网络对调峰的需求。随后利用搜集到的电厂数据分析了深圳市垃圾电站的发电特征，主要计算了发电成本以及可调峰范围，针对垃圾电站发电量小、发电成本较低等特点，进行了调峰可行性分析。依据分析结果，分别从直接面向用户侧和面向电网企业提供调峰服务两个方向制定了两个调峰策略。根据策略规划，本文对两种策略分别建立了相应的收益模型，利用优化算法确定了各策略下发电厂的发电情况。最后根据得到的模拟结果，基于发电的可靠性、调峰容量、经济性等方面评价并比较了各策略的优劣。由于每种方案的收益情况与电站自身特点息息相关，因此应该依实际调研情况进行策略的选择。

关键词：负荷特性，发电特征，面向用户侧，面向电网企业，收益模型

Abstract

This paper introduces some load regulating strategies of small power stations-the refuse power stations, aimed at the power and energy structure of Shenzhen City.

Firstly, the load characteristics of Shenzhen city are analyzed. The interaction between the user's electricity environment and the electricity pattern is studied by k-means clustering method. The change of the city’s peak-valley difference in the last two years is discussed, and the correlation between electricity and temperature is excavated, to sum up the electro-characteristics of the users in Shenzhen City, meanwhile to find out the choke point of system load regulating and analyze the demand in power grid.

Then the power generation characteristics of refuse power stations in Shenzhen were analyzed by the data collected. The cost of power generation and load range are calculated. The feasibility of load regulating is analyzed based on the characteristics of low power generation cost and small generating capacity in the refuse power stations. According to the results of analysis, two load regulating strategies including facing the energy consumer directly and providing to power grid are proposed, respectively.

Next, the corresponding income models of the two strategies are established, and using the optimization algorithm to determine the power generation under each strategy.

Finally, according to the simulation results, based on the reliability of the generating, peaking capacity and economy evaluation, the advantages and disadvantages of each strategy are compared. As the benefit of each scheme is closely related to the characteristics of the power station itself, it should be chosen according to the actual investigation.

KEY WORDS: load characteristic, power generation characteristic, facing the energy consumer, providing to power grid, income model

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2电网发电侧调峰现状 1

1.2.1电源结构 1

1.2.2 常见调峰形式 2

1.3小型电站概述 3

1.3.1小型电站 3

1.3.2垃圾电站发展现状及其意义 4

1.4 需求响应参与系统调峰 6

1.5本文的研究目的和主要研究内容 8

第二章 深圳市负荷特性分析 9

2.1负荷特性分析的必要性及方法 9

2.2 k-means聚类法 10

2.3基于时间维度的负荷分类 11

2.3.1数据预处理 11

2.3.2结果与分析 12

2.4 最大峰谷差及峰谷差率 15

2.5 负荷与温度相关性分析 16

2.5 本章小结 19

第三章 垃圾电站特性分析 20

3.1深圳市垃圾电站现状 20

3.2垃圾电站成本与收益分析 20

3.2.1沼气电厂成本 21

3.2.2固体焚烧电厂成本 22

3.3调峰可行性分析 23

3.4本章小结 24

第四章 垃圾电站调峰策略 25

4.1直接面向用户侧调峰策略 25

4.1.1策略的提出 25

4.1.2策略基础 25

4.1.3策略可行性分析 26

4.1.4收益计算实例 27

4.2面向电网侧调峰策略 29

4.2.1辅助服务与调峰辅助服务 29

4.2.2调峰辅助服务补偿机制现状 29

4.2.3调峰策略与补偿标准 30

4.2.4仿真与模拟结果 31

4.3 策略比较 35

4.4 本章小结 36

第五章 结论 37

致 谢 38

参考文献 39

第一章 绪 论

1.1 引言

随着经济的迅猛发展，居民生活水平提高、生产力不断进步，电力系统的用电负荷特性也发生了巨大变化。一方面，电力作为当前不可替代的能源产品，一直伴随着人们的生活，不可或缺；另一方面，随着产业的不断优化升级，新兴技术不断出现与发展，人们对电力的依赖度以及品质都提出了更高的要求。最大负荷持续增长，峰期电力供应频频告急，峰谷差不断走高，系统供需矛盾愈演愈烈。而电力工业要求发、供、用的同时完成，且需连续生产保证电力的实时优质供应。负荷高峰时期电力紧缺严重，谷期却电量富余，这对系统的安全与稳定运行带来了很大威胁，也给电力营销带来麻烦。然而，伴随着人类发展对自我生存的认知，逐渐开始强调环境友好与可持续发展。尤其在电力行业中，发电与一次能源的紧密联系以及对环境污染可能带来的伤害，要求电力工业必须符合可持续发展的前提，向新型能源方向延伸，并且优化产业结构。因此，系统调峰的经济性、结构多样性一直是电力产业研究的重点之一，以促进电力工业在技术和管理上适应电力市场化体制。

深圳市作为我国经济面向世界发展的窗口，对电力的需求更为突出。电厂为求更高收益，在用电低谷仍争发电量，而在高峰时段却供应紧张。并且深圳由于地理位置原因，能源较为缺乏，电力负荷问题尤为严重。因此，大力贯彻国家电力发展政策，开发新能源参与系统调峰，结合需求侧管理带来的虚拟能源，以帮助深圳电力产业的协调发展，有效缓和深圳电力供需矛盾的形势，缩小峰谷差。

为了保证电能的优质供应，首先需要配备调峰容量。除挖掘发电侧可提供的电力外，研究地区电力系统负荷特性的变化规律，可以在此基础上有针对性的开展需求侧管理。进而配合有效的电力调峰策略，对有限的资源做出更合理的规划。利于提高发电用电效率，促进推动低碳经济。

1.2电网发电侧调峰现状

1.2.1电源结构

电源结构是指电网系统中各个发电机组的特征、数量及之间的相互配合关系。一直以来，火电在我国电源结构中占比最大，其中又以煤电为主。究其原因，是我国资源分布以及科学技术发展的程度所决定的。煤电出力大，但可调节能力较弱，因此一般用来满足电网基本载荷，不参与系统调峰服务。作为基荷机组，依据额定功率运行。此外，较为常见的发电形式有水电、核电等。常规水电和核电同火

电类似，输出大而调节困难，因此也作为基荷机组。调峰和调频机组需要频繁启停，或大范围调节功率输出，因此多使用条件灵活、成本低廉的水电和抽水蓄能机组。水电在丰期出力大，不宜弃水调峰，应该充分利用水量，将机组全部投入运行，实现满发、多供，用作基荷机组；枯期水量较少，且最大出力不稳定，宜充分利用水电站的调节灵活性，用作电网系统的调频、调峰和事故备用机组。腰荷是日负荷中大于最小负荷而小于平均负荷的部分，在一天内会出现间断。因此腰荷机组需要间歇运行，既要可以灵活调节能够承受一定的负荷变动，又要求能够经济运行较长时间。汛期的水电站与调节能力稍好的火电一般用作腰荷的发电。

决定电源结构的因素中首先是资源分布^[1][1]。电力产业属于二次能源行业，其电源分布大多由一次能源资源决定。此外，地理环境、运输及基本建设条件也是必需考虑的因素。通常，抽水蓄能电站^[2][2]需要配备有适合的储水容量及水位差等地理条件，而火力发电则应考虑到煤炭、石油等燃料的获取和焚烧建厂等方面的条件。水电与火电相比，初投大，工期长，但是成本较低，负荷变动时的适应能力较强，是清洁可再生的发电方式。与水电一样被大力提倡的核电具有高能量、低成本的特点，近年来受发电能源政策的影响，发展势头迅猛，开启了我国核电建设的新历程。受能源资源条件和资源使用经济程度的改变，发电能源政策在不断变化，所提出的各政策均会影响能源的利用与开发，并改变着区域电源结构。

随着系统用电峰谷差的不断增大，调峰问题渐渐凸显。在电网发展初期，由于系统负荷水平较低，峰谷差仅靠适当调节水电站即可解决。因此火电站多按照承担基荷设计，可调节能力低下，其他资源的发电形式又未得到及时发展。近年来由于大力发展三峡水利建设^[3][3]，三峡水电由高压输电线路与各区域电网相连，被输送到华中、华东以及南方电网的各个省市。水电形势较好时，送到各区的电力水涨船高，致使当地机组负荷占比减小。然而外来电几乎没有调峰能力，当地机组只能被迫承担调峰工作，这使本地的调峰问题矛盾更加巨烈。不仅不利于电力系统的供电质量和综合效益，也影响了社会经济的发展。这就要求电网结构中合理构成和配比各种类型的机组，提高调峰形式的多样性，激励各种电源种类的调峰积极性，合理化电源结构。

1.2.2 常见调峰形式

国内外电力系统中的主要调峰形式有火力、水力、抽水蓄能发电以及联网调峰，还有一些较为新式的调峰方法，如燃料电池调峰、蓄热器储能调峰等。

随着各电网负荷量的日益扩大和高参数大功率机组的不断加入，承担尖峰负荷的中小机组在电网的组成上比例相对减少。然而全国大电网中多以火电为主，所以调峰运行时大功率的火电机组参与十分常见。火电调峰机组^[4][4]常用的调峰方式有低负荷运行方式、两班制启停运行方式、少汽无功和低速旋转热备用运行方式等。

水电调峰是一种相对理想的调峰方式。水力发电以水轮发电机组作为核心动力装备，效率高并且启停、调节出力操作灵活。它可以在极短时间内从静止状态快速启动投入运行；在几秒钟内增减负荷，实时调整随负荷而改变，并且不造成能源的损耗。因此，将水电机组运用于调峰、备用等方面，可以提升大电网的经济效益。由于有较好的调节性能，它可采用启停调峰方式，也有部分使用空载运行调峰。对于所处空间位置不同和调节性能有差异的水电站，定义了三种负荷分配类型^[5][5]：上游无调节能力的水电站，上游有调节能力的水电站，下游平衡水电站。另一种水力发电的形式是抽水蓄能电站。这种电站是运用水势做功的原理，电网电力富余时消耗电能将水位抬高，在电力供不应求时再放水至下水库利用落差发电。它在电网低负荷时将多余电能以势能形式储存，在峰期再转换为价值更高的电能，并且在调频、调压中也能发挥很好的作用 ^[6][6]。抽水蓄能电站打破了资源限制，为河流稀少的区域提供了高效经济的调峰手段，成为解决火力电网调峰问题的首要策略。虽然我国抽水蓄能电站建设起步比较晚，但是由于其适于我国的具体国情，现已被大规模发展。

当前为了应对全球变暖以及能源危机，大力推展清洁能源势在必行。在调峰中主要涉及的发电形式包括水电、氢能电站、光伏发电以及生物质能发电。其中抽水蓄能电站和风能或太阳能相配合是比较有效的调峰发电组合^[7][7]。首先，风能的随机性大，被称为最差劲的“垃圾电”。而结合抽水蓄能电站后，可以随时将风电储存下来，达到零存整取的效果，而且可随用随调，“变废为宝”。太阳能成本很高，但太阳能较风能更容易上网。且太阳能是白天发电，正好符合用电高峰的需求。像这样的联合调峰都可以得到较好的综合效益。

1.3小型电站概述

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