面向完全摆脱化石能源依赖的绿色能源技术——青海省清洁能源战略2050

以"零碳排"为目标的"丹麦绿色发展模式"已经成为世界各国解决能源供应和环境保护问题的成功典范。青海省清洁能源丰富,同时又面临着保护生态环境的压力,清洁能源战略成为青海发展的必然趋势。本文提出了青海省完全摆脱化石能源依赖的清洁能源发展路线图,并探讨了其所需的关键支撑技术和宏观支持政策,为青海成为未来我国首个清洁能源基地提供科学依据。

基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化决策

随着分布式光伏大量接入园区用户侧,其随机性与波动性使得工业园区微电网下的能量管理愈发困难,储能为缓解上述问题提供了有效的手段。为实现园区用户侧新能源高效消纳及储能资源合理利用、兼顾多园区用户的利益诉求,提出一种基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化模型。模型中利用工业园区用能运营商对多用户的能量进行统一管理,利用价格信息引导园区用户调整用电策略,利用分布式储能“低储高发”特性协调运营商与用户间的能量交互;并通过仿真算例验证所提方法的可行性和有效性。结果表明:基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化决策,能够兼顾园区运营商和用户的经济性,促进新能源与储能的协同发展。

含干热岩增强地热系统的微能源网容量优化配置

随着我国高品质干热岩资源的发现,干热岩增强地热系统(hot dry rock enhanced geothermal system,HDR-EGS)以其清洁、稳定以及热电联供的优势受到广泛关注。基于青海共和盆地干热岩资源特点,提出了含HDR-EGS的微能源网架构。建立了包括干热岩热提取循环、地热发电系统和供热系统的HDR-EGS热电联供模型,充分发挥其作为灵活性调节资源的优势。构建了风、光发电与HDR-EGS联合供能的微能源网规划模型,提出了综合考虑投资、运行成本以及碳减排价值的微能源网容量优化配置策略,并通过算例验证了模型和策略的有效性。仿真结果表明,含HDR-EGS的微能源网既可以降低风、光发电系统的容量投资成本,还可以有效提升可再生能源消纳和供能的可靠性。

盐梯度太阳池热性能数值模拟及其供热应用研究

首先,在构建太阳池一维瞬态模型的基础上,利用有限差分法对太阳池在不同结构尺寸和提热速率下的热性能进行数值仿真分析;进一步,结合数值仿真结果设计太阳池集成供热系统,探讨其在普通居民建筑供热方面的供热性能。结果表明,太阳池内温度将会因其结构尺寸的不同而产生差异,且当采用最佳结构尺寸时,系统将获得最高温度和能源效率。同时,为实现太阳池存储热量的有效利用,系统提热量应低于其最大提热速率。对于深度为1.5 m的小型太阳池,其下对流层全年温度在66.68~106.77℃间变化,年均能效为2.52%。同时,当以此小型太阳池为建筑面积200 m^(2)的普通住户供应日常生活所需热能时,应配套太阳池面积至少为250 m^(2)。

50kWp并网光伏实验电站的综合设计、搭建与运行

为深入研究新型光伏器件的实际性能及影响光伏电站发电效率的关键性因素,设计并建成一座多种光伏设备组合交叉安装的50 k Wp并网光伏实验电站。根据电站实际运行数据,对比了不同气象条件下光伏阵列选用不同类型组件、智能优化器以及不同容量逆变器的发电状况,分析了辐射量变化对光伏电站发电量的影响。结果表明:各类型光伏组件中双面电池输出特性表现最佳,其发电量高于其他类型组件;对于无阴影遮挡的光伏发电系统,智能优化器的作用得不到有效发挥;采用较小容量逆变器可减少太阳能电池组串模块间的差异性带来的影响,增大光伏阵列总发电量;受太阳辐照度变化影响各类型光伏组件实际输出最为稳定的是多晶硅电池。多晶硅电池和双面电池在并网光伏发电系统应用中具有较大的优势。

园区综合能源系统优化运行研究综述

针对园区综合能源系统的优化运行问题,从模型、算法和机制3个层面综述了其研究现状及存在的主要问题。在模型层面,依次讨论了园区综合能源系统的基本优化模型、不确定性模型和博弈模型的研究现状;在算法层面,归纳分析了数学规划方法、启发式方法和强化学习在园区综合能源系统优化运行的应用情况;在机制层面,概括分析了综合需求侧响应机制、碳交易机制、绿证交易机制及综合能源市场交易机制下园区综合能源系统优化运行的相关研究。最后,基于园区能源低碳化、市场化、共享化、去中心化及数字化的演变趋势,对园区综合能源系统优化运行的发展方向进行展望。

太阳能热气流发电系统仿真与实验研究

太阳能热气流发电系统是一种新型的可再生能源发电系统。文章利用COMSOL Multiphysics软件构建了该系统的CFD模型,并对该系统中集热棚和烟囱内的温度和压强,以及烟囱内浮升气流的风速变化情况进行了模拟研究。同时,利用搭建的太阳能热气流实验装置测量了集热棚内气流温度和烟囱内风速,并将实验结果与仿真结果进行对比分析。分析结果表明,集热棚内气流温度和烟囱内风速实测值的变化趋势与仿真结果基本一致,集热棚内气流温度实测值的平均值与仿真值平均值之间的相对偏差为2.9%,烟囱内风速仿真值与实测值之间绝对偏差的平均值以及标准差分别为1.21 m/s,0.4。

含光热复合压缩空气储能的分布式综合能源系统容量规划方法

分布式综合能源系统(DIES)的大力发展,对促进清洁能源消纳、提升综合能源利用水平起到了关键作用。该文基于青海地区丰富的太阳能资源,考虑DIES的热、电耦合特性,将光热复合先进绝热压缩空气储能(ST-AA-CAES)作为其能源枢纽,提出了基于ST-AA-CAES的DIES。首先,面向农业园区应用场景,提出了DIES设计方案,并刻画了其各子系统的运行约束模型;其次,以系统最小化整体投资运行成本为目标函数,建立了其容量规划模型;进一步,对所建约束模型进行线性等价转换,转换为便于商业求解器求解的混合整数线性规划模型;最后,通过算例验证了所提模型的有效性。

质子交换膜电解槽控制策略研究

目前氢能已成为支撑新型电力系统发展的洁净能源载体,光伏电解水制氢技术是制氢的最佳方式之一。针对光伏电解水制氢系统中的关键设备质子交换膜电解槽(PEMEL),结合其非线性、时变性、强耦合、多输入多输出的设备特性和运行特性,以PEMEL动态模型为研究对象,对其控制策略进行研究,包括比例积分微分(PID)控制、鲁棒控制、模型预测控制(MPC)、容错控制(FTC)策略,分析这四种控制策略的结构和优缺点,并从平稳性、精度、计算复杂度和响应速度四个维度对每类控制策略进行单独评价,为PEMEL控制技术研究及氢能领域的发展提供新的借鉴思路。

计及碳交易机制和需求响应的生物质与光热耦合压缩空气储能系统优化策略

压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)具有多能联储/联供的特性,使其在分布式综合能源系统中具有广阔的应用前景。为加强CAES与综合能源系统(integrated energy systems,IES)的多能互补协同能力,提高用户侧能源综合利用水平,提出了一种生物质与光热耦合压缩空气储能系统的架构和运行方法。首先构建了含CAES的IES架构,通过引入生物质产生沼气,有效提升了IES供热能力。在此基础上,以系统总成本最小化为目标,提出了考虑碳交易机制和用户侧需求响应的IES优化运行方法。最后,以青海某村镇的数据进行算例分析,通过多种优化运行方案验证了所提模型的有效性和优越性。结果表明,设计工况下IES总成本下降12.4%;引入碳交易机制可以控制碳排放量下降11.3%;需求响应可以稳定负荷波动,经需求响应调整后的冷、热、电负荷峰谷差分别下降7.9%、10.9%、2.3%。

基于参数自适应调节的虚拟同步发电机暂态响应优化控制

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)因能模拟同步发电机的运行机制,受到新能源发电领域的广泛关注。针对分布式能源出力变化引起系统频率和功率波动甚至越限的问题,该文在分析暂态过程中各物理量变化情况的基础上,充分利用VSG虚拟惯量和阻尼系数灵活可调的优势,建立了以暂态响应时间最短为目标,以频率及其变化率不超过设定值为约束并考虑系统平衡点边界条件的优化模型。进一步,提出了该模型的求解方法并据此设计了虚拟惯量和阻尼系数的自适应调节策略,并分析其稳定性。该策略可有效抑制暂态过程VSG频率和功率的波动,且能显著缩短暂态响应时间。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

基于分布鲁棒的风-氢混合系统氢储能容量优化配置

氢储能系统受地理、气候条件限制较小,在构建面向高比例新能源电力系统的风-储混合系统中极具发展潜力。然而,由于风电场的出力具有不确定性,氢储能系统需要在储能、释能、热备用等工况下频繁切换,内部热能供需平衡也呈现出不确定性,进而影响其响应速度甚至实际可用容量。为此,设计了考虑热平衡的风-氢混合系统,构建了考虑电解槽、燃料电池间歇工作模式热平衡的氢储能系统模型;在此基础上,综合考虑风电场功率的不确定性和氢储能系统的投资成本,提出了考虑热平衡不确定性的风-氢混合系统氢储能容量优化配置方法。采用分布鲁棒方法对风电场功率的不确定性进行建模,并将其转化为一组线性风险机会约束进行求解。基于实际风电场数据构建算例,对所提模型和方法进行验证和分析。结果表明,氢储能系统中电解槽和燃料电池的散热系数对系统实际可用容量具有重要的影响,在风-氢混合系统的氢储能容量配置中考虑热平衡约束可以有效提升氢储能系统的实际可用容量和混合系统的经济性。

基于自适应滤波的并联逆变器谐振抑制策略

逆变器是新能源发电系统的核心装置。然而,由于逆变器可能呈现负阻抗特性,并联逆变器系统存在较大的谐振风险。谐振现象不但严重影响并网的电能质量,还可能危及电网安全稳定运行。针对上述问题,首先建立了电压控制模式下逆变器的等效阻抗模型,分析了逆变器阻抗特性与控制延时间的解析表达和定量关系,指出其负阻抗特性会随着控制延时的减小而减弱。在此基础上,提出了基于自适应滤波算法的谐振抑制策略。该策略通过减小等效控制延时,重塑逆变器对外阻抗,实现了谐振抑制。最后,通过仿真及实验验证了所提谐振抑制策略的正确性和有效性。

基于动态电压补偿的VSG电流平衡及峰值电流控制

虚拟同步发电机(VSG)能够实现新能源机组友好并网。然而,传统的VSG技术主要适用于电网电压平衡工况,这使得VSG在电压不平衡情况下面临输出电流不平衡及过流等问题,为此提出一种基于动态电压补偿的VSG平衡电流控制架构及方法。通过负序电流抑制和峰值电流抑制策略,分别生成对应的补偿电压,使得VSG在电压不平衡时仍能输出平衡电流,且可抑制电网电压跌落瞬间的暂态冲击,以及确保稳态运行时的电流不超过安全阈值。同时,所提控制方法并未改变VSG等效为电压源的属性,保留了VSG的电压支撑能力。不同工况下的仿真测试结果验证了所提出控制方法的正确性和有效性。

考虑需求响应与储能寿命模型的火储协调优化运行策略

针对大规模新能源并网带来的系统调峰和消纳难题,以及已有优化调度策略对储能寿命成本考虑不足的问题,提出了一种考虑需求响应与储能寿命模型的火储协调优化运行策略。上层通过分时电价引导用电,以净负荷波动性最小为目标得到优化后的负荷曲线,旨在减轻火储的调峰压力、提高新能源消纳量;下层以系统总调度成本最低为目标协调优化风光火储运行,考虑火电深度调峰并在优化调度中嵌入储能寿命模型,求解得到各电源以及储能的最优运行方式。以某区域实际系统为例进行仿真,结果表明所提策略可以有效改善系统的调峰压力,提高新能源消纳能力,同时合理反映了储能的寿命成本,提高了系统运行的经济性。

考虑氢储能热平衡的风-氢混合系统优化调度方法

风-氢混合系统(W-HHS)参与电网调度时,氢储能系统(HESS)间歇工作的热能需求特性成为影响系统调度的关键因素。建立了具备余热利用系统的HESS模型,在HESS热量平衡和热功率平衡约束下,提出了以提高W-HHS运行收益为目标,满足混合系统输出功率跟踪电网调度曲线约束的W-HHS优化调度方法。最后,通过青海风电场数据对所提方法和模型进行了验证和分析。结果表明,HESS热平衡约束对W-HHS运行调度具有重要影响,所提方法能提高W-HHS运行的可靠性。参数分析说明,减小散热系数能够降低热平衡约束对W-HHS调度策略的影响,提高风电场并网功率。

特约主编寄语

储能可以弥补新能源在随机波动性方面的先天缺陷,从根本上破解高比例新能源消纳的难题,被认为是支撑以新能源为主体的新型电力系统建设、实现碳达峰与碳中和最核心的物理手段。目前,世界各国已掀起建设储能的热潮,我国也相继出台了多项政策,推动储能的快速发展,特别是2017年由五部委联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》,明确了储能在我国现代能源产业体系中的战略地位。

基于虚拟阻抗相角补偿的并联逆变器谐振抑制方法

逆变器是新能源发电系统中的重要接口装置。虚拟阻抗控制是并联逆变器谐振抑制主要方法。针对控制延时导致虚拟阻抗策略失效的问题,首先建立了考虑控制延时的并联逆变器等效电路和传递函数模型。在此基础上,定量分析了控制延时对传统虚拟阻抗相角特性的影响,揭示了虚拟阻抗在高频段呈现负阻尼而导致谐振抑制策略失效的机理。提出了基于虚拟阻抗相角补偿的并联逆变器谐振抑制方法,通过恢复虚拟阻抗在谐振频率附近的正阻尼特性,实现了并联逆变器系统的谐振抑制。进一步,采用根轨迹方法得到了保障系统稳定性的虚拟阻抗取值范围。最后,利用Matlab/Simulink软件分别对不同虚拟阻抗、电网电压暂降以及参考电流变化等多种工况进行了仿真,验证了所提控制方法的正确性和有效性。

基于一致性的并联虚拟同步发电机分布式协同控制

虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)可模拟同步发电机运行机制,并为系统提供惯性和阻尼支撑.在孤岛模式下,VSG并联运行多采用分散下垂控制,不具备频率恢复以及有功出力合理分配等功能,为此,本文提出了一种基于一致性的并联VSG分布式控制方法,可改善系统频率与有功功率特性.本文首先介绍了传统VSG控制的数学模型,并在此基础上设计了VSG并联系统频率恢复及有功出力合理分配的整体方案.在分布式控制模式下,相邻VSG只需少量信息交互即可控制频率恢复到额定值,并可实现功率的按需分配,满足了不同用户的定制需求.仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性.

改善独立微网频率动态特性的虚拟同步发电机模型预测控制

随着分布式能源在独立微网内的渗透率不断升高,系统惯量水平逐渐降低。虚拟同步发电机(VSG)由于能够模拟惯量,对系统频率的动态变化具有一定的阻尼作用,已逐步应用于微网中。针对新能源出力波动或负荷投切等导致微网内瞬时功率失衡,进而引起系统频率振荡甚至超过安全约束的问题,提出了基于模型预测控制(MPC)的VSG控制方法。建立了以频率变化率为约束,以频率偏差和VSG出力加权值为优化目标的预测模型。设计了根据系统频率及VSG输出电压—电流等物理量,利用预测模型计算所需功率增量,并据此改变VSG输入功率设定值的整体控制策略。同时,给出了预测模型的求解算法,并对算法收敛性进行分析,为关键参数的选取提供了依据。通过独立微网内负荷投切和分布式电源出力波动等典型工况下的仿真,验证了所提控制策略的正确性和有效性。