电动汽车与大规模风电并网的技术经济影响分析

# 电动汽车与大规模风电并网的技术经济影响分析 ## 1 电动汽车的车网互动（V2G）技术 电动汽车的车网互动（V2G）技术为受天气影响的发电提供了一种理论上的平衡来源。它可以通过向电网回馈电力或调节充电速率来实现这一目的。不过，目前V2G技术面临一些问题。一方面，既没有商业解决方案，也缺乏相关的实施试验；另一方面，消费者使用该技术的成本过高。而且，使用电动汽车电池为电网提供支持所获得的潜在收益，无法弥补电池寿命缩短以及更换电池组的高昂成本，这使得普通电动汽车用户对V2G技术缺乏兴趣。 然而，随着电池容量的增加和价格的降低，市场对V2G技术的兴趣可能会提高，未来它有望成为大规模风电并网的额外支持机制。 ## 2 消费者的影响 ### 2.1 需求侧响应（DSR） - **DSR的作用**：DSR为输电系统运营商（TSO）提供了维持供电安全、优化基础设施利用、投资和系统充足性的灵活性。在很多情况下，它比发电更具竞争力，但目前电网中大量的潜在DSR资源未被充分利用。随着受天气影响的发电增加，对维持安全系统的储备需求也在增长，而DSR可以以合理的成本提供额外的平衡资源，还能促进可再生能源更安全地融入电网。 - **DSR服务提供商的条件**：要成为DSR服务提供商，需要满足以下三个主要条件： 1. **最小调节功率**：$P_{ACL} \geq P_{TS}$，其中$P_{ACL}$是消费者聚合的可变负载（MW），$P_{TS}$是TSO要求的最小调节步长（MW）。 2. **响应时间**：$\Delta t_{r} \leq \Delta t_{TR}$，$\Delta t_{r}$是消费者实现负载变化的时间（分钟），$\Delta t_{TR}$是TSO要求的最大上调时间范围（分钟）。 3. **调节持续时间**：$\Delta t_{SAL} \geq \Delta t_{TS}$，$\Delta t_{SAL}$是消费者愿意改变负载的时长（小时），$\Delta t_{TS}$是TSO要求的最小调节持续时间（小时）。 - **DSR定价原则**：消费者的DSR定价原则基于损失的利润或生产损失的风险。损失的利润用于确定负载削减的价格，生产损失的风险用于确定负载转移的价格。当调节价格超过行业服务提供的价格上限时，就可以提供DSR服务。大型工业消费者通常会在认为成本效益合适时提供DSR服务。 - **负载转移的原则**：消费者某些过程或子过程的负载转移主要基于可控负载后中间存储的存在和容量。其目的是消除DSR对最终生产或企业正常运营的影响。例如，工业中的中间存储可以作为现场能源存储，转移生产过程某些部分的电力消耗。其“电气”存储容量由中间存储的物理尺寸及其与后续子过程的连贯性决定。需要注意的是，负载转移可以通过增加几小时的需求来弥补生产配额，而负载削减后增加的消耗只能填满生产线的缓冲区，无法弥补生产配额。 ### 2.2 聚合的产消者 - **产消者的角色**：在智能电网中，消费者成为产消者，电力系统中的能量和信息流动将是双向的。产消者将比单纯的能源消费者扮演更积极的角色，由于其数量众多且具有灵活性，可能成为能源生产新商业模式中的主要参与者。 - **聚合器和虚拟电厂（VPP）**：为了让产消者高效参与电力市场，业务功能可以由独立组织或现有市场参与者（如电力供应商/零售商），即聚合器来处理。产消者除了提供负载聚合的辅助系统服务外，还可以将可再生能源（如微型热电联产）和储能（包括电动汽车储能）聚合到VPP中。VPP将需求响应和分布式发电元素结合起来，使其可以像单个发电厂一样调度。智能控制系统在其中起着关键作用，它作为控制、数据处理和数据通信中心。VPP通常也被称为分布式能源管理系统（DEMS）。 - **VPP的优势**：VPP的协调运行模式具有诸多优势，如能够在短时间内提供峰值负载电力或根据负载情况发电，可替代传统发电厂，提供更高的效率和灵活性。它可以在高峰时段提供所需能源，存储多余电力，还能提高电网效率和安全性，节省输电系统的成本和风险，增加现有基础设施资产的价值，减少高峰发电厂的排放。此外，VPP还可以通过平衡可再生能源的波动性，实现更高效的可再生能源并网。 ## 3 大规模风电并网的技术挑战 ### 3.1 风电对电力系统的影响 - **风电的发展趋势**：全球发电结构正从以同步发电为主向以变流器发电为主转变，未来10 - 20年，可再生能源预计将在新增发电容量中占据主导地位，预计风电和太阳能装机容量将分别增长80%和60%。 - **风电对电力系统的作用**：在当前电力系统中，风电的影响主要取决于可观测的系统规模和风电渗透率。通常关注的是利用可用的补偿储备进行电压和频率控制，这就需要保证在同一区域或更广泛范围内有足够的无功功率和有功功率储备，这取决于互联和储备功率的可用性。 - **大规模风电并网的关注方面**：大规模风电并网会改变当前系统的运行原则，直接影响系统强度。当大规模变流器发电接入系统时，需要关注以下几个方面： - 系统惯性水平及其对频率管理的影响； - 传统技术和变流器技术的稳定性挑战； - 变流器的稳定运行； - 故障电流水平及其对系统保护的影响； - 系统强度及其对供电电压质量的影响。 ### 3.2 具体技术挑战及应对措施 - **频率管理**：同步区域的频率管理取决于系统规模和同步发电提供的系统惯性水平。未来系统惯性的变化会影响频率变化率（df/dt），例如欧洲的英国和爱尔兰已经因系统惯性过低而采取了限制措施。为实现协调的频率管理，有多种可能性，如提供合成惯性、HVDC贡献惯性、使用同步补偿器和快速DSR等，但需要仔细评估它们对系统的影响。 - **稳定性研究**：随着变流器技术的增加，需要进行动态研究，以评估所选控制策略和参数是否有助于提高整体系统稳定性。例如，为提高暂态稳定性，变流器的无功功率控制响应速度应与同步单元自动电压调节器控制相当。此外，研究表明，系统中非同步单元比例较高（如70%）时，在高频范围内可能出现不稳定情况。 - **变流器运行**：大多数风电通过变流器接入电网，随着变流器数量的增加，确保新老变流器协同运行至关重要。目前许多国家要求发电单元（包括风电场）在连接点电压下降时保持与电网连接。此外，还需要协调控制多个风电场与附近HVDC或其他设备，避免不利相互作用。未来，变流器不仅要