智慧型电网及再生能源发电对电力系统之影响.ppt

1,在智慧型電網及再生能源發電對電力系統之影響國際研討會台北臺灣大學應用力學研究所被卜若柏RobertBlohm北美电力可靠性委员会NERC成员亞洲金能源有限公司常务董事2010年11月18日,电网可靠性和经济效益的运营与规划,2,主要内容1.电网的规划和运营方式决定着投资导向。规划与运营模式。2.规划模式3.运营模式4.电网结构与管理挑战5.中国面临的挑战,,3,电网的规划和运营方式决定着投资导向规划与运营模式,均依仗电流模式。系统电流对系统元件变化的反应模式预测模式经济/预定利用与或有事件/突发事件均与2条经济效益原则相结合选择最低成本（或市场选择）的替代项目从成本生成者到成本承受者的经济转移,4,规划模式。竞争市场时间范围不超过5年。两种模式通常会混为一体。,经济性。计划内电力。基于经济预测模式和有目标可控制的LOLP（电力不足概率）批评对超额供应有偏见忽略价格配给试图以与LOLP无明确关联的未表述低价作为目标,5,规划模式。竞争市场时间范围不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页）,可靠性。电力输送。非计划内电力。批评通常基于或有事件的稳健性（故障或元件缺失），而不顾及其发生的概率。概率应以历史数据为根据。美国方面的数据库尚不完善。NERC拥有发电中断数据库，其软件与20世纪80年代由中国方面进行编译。DOE拥有输电中断数据库，但缺乏负载损失数据库。2个事件发生的概率比1个事件单独发生的概率要更高。,6,规划模式。竞争市场时间范围不超过5年。两种模式通常会混为一体。（接上页）,可靠性。电力输送。非计划内电力（接上页）用于确定TRM（输电可靠性裕度），从TTC（传输容量总合）中扣除，从而得出ATC（可用传输容量）。TRM的设计目的旨在满足下列事件的NERC性能要求单一的非控制性或有事件，以及为避免非控制性或有事件而发生的第二控制性或有事件，。可靠性被严格定义为避免非控制性中断。,7,运营模式,电力传输经济性。出现过剩时，通过以下方式重新调度获得ATC（可用输电容量）配给从价值出发–发电订单调度（见下一页），亦或是FTR的市场配置（固定输电权）可靠性。美国方面基于IDC（互换配电计算器），某识别发送和接收电流并每小时更新的直流电流模式（亦可以分钟为频率更新）通过TLR（输电负荷切除）调用为或有事件条件下的电力输送重新设计路线/重新调度UnderdevelopmentAllocationofunscheduledcongestionbyACEDistributionFactors.AllocationofallowableACEbyIDCdistributionfactorsdeterminedbyKirchoff’slaw.发电经济性。价值订单;非市场成本最低（“系统lambda”）或市场LMP最低（“节点边际电价”）,,,位于约束体廉价一方的发电厂联合起来，共同提高价格，以获得来自电网公司的阻塞费用。,,,,,,,,,,,,,,,9,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”定义。非计划内供应（发电）与需求（负载）的平衡，根据其与计划内频率的相近性来衡量（美国为60赫兹，中国为50赫兹）。向上偏移高频意味着供应不足极度高频意味着电流在整个系统震荡（见下一页）。向下偏移低频意味着负载不足过度高频意味着发电机震动和发生爆炸。,11,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”（接上页）方法。可靠性备用配置。费计划内变化管理。瞬时管理人员反应（若干秒内）为了保持一定频率，所有在运转的发电机均可对频率变化做出反应，从而实现责任社会化。最昂贵最难衡量并提出要求通过速度更慢的可配置备用（10分钟内）实现规范和AGC（自动发电控制）。旨在放松管理人员反应，从而对下一次频率变化做出反应。,13,,,,,管理人员错误反应,15,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”（接上页）美国衡量/标准瞬间反应基于反应性的自我衡量纳入非瞬间性反应衡量义务效果--价格更低廉，非瞬间反被用来满足非瞬间反应义务北美的频率反应退化（见下文）--2003东北大停电的原因在于瞬间反应义务未能得到严格履行,16,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”（接上页）美国衡量/标准（接上页）瞬间反应（接上页）效果（接上页）--随着更多风力和太阳能发电的引入。AddtovariabilityratherthanaddtosystemresponsivenessTheydisplacefossilgenerationthatcouldhaveprovidedresponsecapability.Addtosloweractingvariabilitythatrequiresalargeamountofslower-acting“regulation”reservethatmustinturnbebackedbyaproportionalamountoffrequency-responsivereserveforwhentheregulationreserverunsout.Newerwindturbinescanbeprogrammedtoprovideinertialresponsethatonlyslowsfrequencydeterioration,butnotgovernorresponsewhichstopsandbeginsreversaloffrequencydeterioration.Wind’scapacityutilizationfactorof5-30wouldrequireaback-downreservemarginof17-140toprovidearapid-responsereservecomparabletothe5-7reservemarginoftraditionalfossilgenerators.--进一步破坏了频率稳定性目前正在开发一种新的衡量办法，但正式推行尚需2年时间,17,20,,SourceRobertW.Cummings“OverviewFrequencyResponseInitiative”,NorthAmericanElectricReliabilityCorp.Princeton,NJ2010,slide13.Slide30ofhttp//ewh.ieee.org/cmte/pes/etcc/B_Cummings_Latest_Developments_on_NERC_Standards.pdf,21,,Governorresponse“Steps”tothe5droopcurveatthedead-band,Governorresponseisproportionalatthedead-bandreaching5at3Hzdeviation,Dead-band,Dead-band,600MWSteamTurbine5DroopSetting,0.01666HzDead-Band,0.036HzDead-Band,Doyoucallthisresponse“continuousbutnon-linearchangeinsidethedeadbandNo.It’s“discontinuous”.,,,,,Stepresponseatthedeadband,absolutelydonotwant.Proportionalimplementationfrominsidethe36mHzdeadband,absolutelywhatwewant.Itislinearfromthea16mHzdeadbandto/-3Hzbutdroopisnon-lineardoesthismatter.Yes,linear/”proportional”by2011.2MW/0.1Hz.,,,ERCOT,600,MWResponse,-1DHz,1DHz,2DHz,-2DHz,-3DHz,3DHz,0DHz,MWResponse,16mHzdeadband,36mHzdeadband,ResponsivenessSlope-20MW/0.1HzDrooplinear5,ResponsivenessSlope-20.112MW/0.1HzDroopgeometricallydecreasingto5at3Hz,-600,ERCOT,0,24,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”（接上页）美国衡量/标准（接上页）非瞬时反应CPS1控制性能标准（见示意图）衡量办法--数据历时平衡--系统频率偏移与个体便宜相结合（相互之间的协方差）----当系统偏差过大时，个体成员的偏差应该很小----当系统发生微小偏差时，允许个体成员有比较大的偏差幅度可对偏差限度从数据上加以限制（见示意图）--主要停电时间每10年一次概率的美国标准（在过去的这个世纪里，各国经济也经历了相应幅度的衰退）。--以扫描频率和连接线路失误的相关数据库为依据。,25,,28,运营模式（接上页）,发电（接上页）频率控制。通过发电调度实现“可靠性备用”（接上页）北美频率反应性能的退化尤其体现为频率上浮至控制限额附近（见下一页）系统参与者持续不平衡累计由于非计划内电力未经定价未对不平衡制造者（他人可靠性备用的使用者）进行成本或罚金评估未对不平衡补救人员（可靠性备用持有者）给予奖励后果成本通过消费者支付的固定输电费用由社会承担由于生产或消费实体可无偿获得此部分电力，不平衡情况进一步恶化,10,2003年8月20日,Hzof,,,,,,,,,,,,,,,31,FrequencyResponseMeasureforBAiDMWi/Df.DMWiisresponseprovidedbyi.,33,Distribution/DecompositionofFrequencyResponsePerance/Responsibility,34,电网结构与管理挑战,放射状Vs网络状。有效功率Vs无功功率放射状电网包含远程大型发电系统，如煤电，水电，核电等。而网络状电网则由下列内容组合而成利用贸易运营的远程发电系统，以及通常采用煤气做燃料的当地发电系统，提供以低廉的资本成本供应非频繁性高峰负载的高峰发电厂，所取得的高额电价足以支付所需资本成本（见下一页）当地的可靠性备用经下列配置后用于满足当地的停电/或有事件而--通过远程备用发电配置而不必中断系统范围内的电流，并因此--不会因为当地停电的迅速蔓延而导致大范围内的电力系统瘫痪--不会进一步造成某单一或有事件（依据该次输电评估得出的发电损失）的二次可能性或有事件（输电损失）（见幻灯片）,35,30,基于边际成本定价的电力系统利用低资本成本燃气轮机最有效地满足高峰负载。高昂的天然气价格只是降低了容量因素，该因素取决于相关电厂在燃煤电厂的造价降低之前能坚持多久。,Load,高昂的燃气价格使得GT线沿其与价格轴的交叉支点向上旋转,,,,,燃气轮机负责供应高峰，短期负载,,37,电网结构与管理挑战（接上页）,放射状Vs网络状。有效功率Vs无功功率（接上页）网络状电网由下列内容组合而成通常是当地的燃气发电系统提供当地的可靠性备用进行配置，从而提供无功功率电源以避免输电量由于有效功率的引入而减少。--无功功率支持电压，由交流电压和交流电流之间的相位移动而决定。无功功率----仅可短途运行（150公里）----影响输电线路的电流容量----必须由当地电容器、同步调相机，发电系统或额外未使输电容量本地提供--有效功率为计划内能源。----大量长途电流通过非长途设计的电网网络从中西部流向东北部。这是造成美国2003年东北部大停电的一个重要因素。----然而，由于长期的电力交易属于经济学的范畴，而非可靠性的范畴，在最终的DOE停电报告中，这个事实被清楚地忽视了。,38,电网结构与管理挑战（接上页）,天然气管线网络与电网网络相整合稳健的开放准入的天然气管线网格通过向地方的燃气电厂输送天然气稳定了电网网络通过在煤矿开采之前进行煤层甲烷气销售大大减少了煤矿事故。地方是否存在燃气电厂影响着远程供电的电网网络的结构构架。燃气管线网络和电力输送网络互为补充，而非竞争对手。,39,电网结构与管理挑战（接上页）,互为联络或孤军奋战美国的输电网络涵盖互为整合的若干实体，因此，相关的控制区原本就是完全的可靠性备用（始于20世界20年代末），并随后投入经济交易使用（二战之后）。当经济学和可靠性的观点被分离开来以后，一部分未使用的容量被作为可靠性/或有事件的安排。互联网的优点与缺点互为连接的电力系统从长途电力交易经济当中获益并从各关联区频率支持可靠性当中获益然而，也易于造成地方停电的蔓延并导致整个互联网络区域内的电力瘫痪。,40,电网结构与管理挑战（接上页）,互为联络或孤军奋战（接上页）互联网的优点和缺点（接上页）非互联系统当临近系统停电时完全不受影响不能从系统间的电力交易当中获益世界金融和经济体系正在经历中国的银行体系之所以能够不受这次金融危机的影响是因为其尚未融入全球金融系统，但是与此同时，中国也并未获得之前因为金融融合而获得的一些收益。中国经济之所以受到经济衰退的影响是因为其已经融入了世界贸易体系，并因进口和工作机会等替代其他国家日益增长的生产/工作机会而受到此类国家贸易保护主义的威胁支流电网提供互联网的经济性优点，但是却不具备互联网在可靠性方面的优点和缺点,41,电网结构与管理挑战（接上页）,阻塞管理对输电阻塞的有效管理只有在经济学基础上通过市场为本的长期输电合同/权利以及所购电力的短期定位边际定价方可实现。通过在约束体的昂贵一端构建更大的输电量或更多的发电量，输电阻塞定价为是否能够消除阻塞瓶颈提供了客观的经济基础。对有效的电网网络而言，基于价格的阻塞管理适用于铁路运输。铁路运输是将煤炭运送至电厂的一个主要方式。,42,电网结构与管理挑战（接上页）,集中式控制Vs分散式控制由于各项行动对于系统范围内的电流和定位价格均有影响，输电阻塞管理通过单一控制室/区域最好集中进行。频率控制最好进行分散式管理。原因在于单一中央控制中心作出的控制失误比彼此之间互为消除的各控制分中心的失误加起来更大。显然，当ERCOT（得克萨斯电力可靠性委员会）将频率控制集中到单一的控制中心之后，频率性能就开始恶化。不幸的是，美国的发展趋势是将频率控制集中到更大的ISO（独立系统操作员）手中，其负责进行集中式现货市场阻塞定价。2003年东北部大停电正是始于由组织仓促、规模最大并且成立时间最短的中西部ISO。,43,电网结构与管理挑战（接上页）,充足的备用发电如相关参与者能够利用自己的市场规划模式，则经济性储备可以通过该健康发展的市场得到解决。而可靠性储备则是由市场需求驱动并可通过惩戒措施来执行的。原因在于可靠性是作为诸如清新空气等的公共利益存在的。这样的要求可以是直接的储备要求，并且不直接关联于运营性能成本生成抑或是某（运营）性能要求相关实体为了在目标性能要求范围内运营而决定储备/待承担风险的水平可能与成本生成直接相关。,44,电网结构与管理挑战（接上页）,针对环境的市场定价能源市场定价当因为需求过大价格偏高时，缩减能源消费。当价格因经济衰退而偏低时，提高能源消费。被称为需求反映，或需求端管理全球变暖和可再生能源已经替代了对诸如水电、核电等其他环境问题的关注。风电和太阳能发电导致的频率不稳定性的可靠性成本未纳入其经济成本当中需针对具体的风电和太阳能发电机进行直接衡量和配置并向频率支持提供者支付相关费用可windandsolar再生能源发电机无法自行economically作出瞬时系统管理人员[]反应。,45,电网结构与管理挑战（接上页）,针对环境的市场定价（接上页）如全球经济持续衰退，则全球变暖和可靠再生能源问题很可能被人们忽视。全球GDP至少在一年里需要持续降低5，才能满足未来5年里全球变暖GDP降低10的目标。,46,电网结构与管理挑战（接上页）,小型电网开发出有用的硬件，但却并未解决电网构造和管理挑战所面临的最困难的问题。小型电网提供了软件支持的下列硬件用于输电路线设计以避免阻塞的F交流T设备频率反应热水器并不能做出瞬时频率反应。电池消耗并排放风电造成的变异余量和不足，但却无法提供瞬时频率反应。智能电网并不为这些设备指出成本构成的原因和相关分配，也不会给出最低成本。智能电网具有补充设备成本，使其社会化并干预市场价格进行成本分摊的倾向。例如不是由造成者来承担相关的阻塞成本，不作F交流T设备成本和其他补救措施之间的比较，如提高输电容量或在增长发电量等。,47,中国面临的挑战,经济在资源方面需要提高效率，其中包括电力效率（见下一页）电网的规划和运营模式的透明度需要更高，从而方便供应商提出硬件和软件的解决方案，而不仅仅只是对中央电网管理的要求作出反应；使市场参与者得以更好地进行风险预测，规划和管理。,48,http//ihome.ust.hk/socholz/China-productivity-measures-web-22July06.pdf,49,中国面临的挑战（接上页）,结束低于成本和低于市场的价格管制低于世界商品市场成本的定价体系，如电力，煤炭和石油产品的定价都助长了中国的过渡能源消费，而其后果是推动世界价格更高，并且因为中国已经成为净煤炭进口国而非石油进口国而只会对中国造成伤害（见下列页）导致不必要的环境问题。结果是，中国强制推行管制需求减少措施来弥补价格过低对环境造成的负面影响。而最简单的措施莫过于消除低于市场低于成本的定价体系通过无关电力使用的直接贴现手段来补偿贫穷人民。他们的用电量更少，所得的现金会做其他用途。由于世界能源价格已经持续低迷一段时间而开始在电力市场需求端的定价/竞价体系,50,中国的煤炭进出口2002-2007,资料来源国家统计局,51,资料来源国际能源署2007世界能源展望,52,据能源观察分析，世界煤炭产量将在2025年达到最高点。如是，世界煤炭产量将大大低于国际能源署世界能源展望作出的官方预测。资料来源1能源观察小组，由德国可再生能源顾问LudwigBlkowSystemtechnikLBST领导下的科学家们组成；2环球能源智库，Dorset，英国,,煤炭生产,Peakproductionin2025,53,中国面临的挑战（接上页）,构建互为联结的国家天然气管线网络中国唯一缺乏的世界级基础设施（良好的经济激励基础设施项目。输电系统的规划和燃气管线体系应互为对方考虑，而不应互为竞争。见下文）提供停电后放射性电网稳定所需的当地发电量，尤其是当电网升级到1000千伏电力来输送水平时，采取下列措施西气东送东部燃气化LNG进入内陆地区提供不受冬季冰冻影响的能源递送系统提供环保的燃气发电提高发电系统的高峰发电量改善系统基本负载发电过多的经济性减少因基本负载过大发电而导致使用切断高峰负载线路电源方法的次数,54,,,,,,,,,,3000MW,,,7200MW,,,9000MW,2000MW,HydroPowerBase,热电基地,,,,,交流,,2005年的地区电网互联,,,,,直流,,,,,,,,,,,,,2500MW,10000MW,,,3000MW,1800MW,55,,,,,,,,,,,,,,,,,,3000MW,,,7200MW,,,,9000MW,2000MW,水电基地,热电基地,,,,交流,,2010年的地区电网互联,,,,,直流,,,,,,,,,,10000MW,,,3000MW,1800MW,,2500MW,,,可能性国际连接,,,56,,,,,,,,,,,,,,,,,,3000MW,,,7200MW,,,,9000MW,2000MW,水电基地,热电基地,,,,交流,,2015-2020年间的地区电网互联,,,,,DC,,,,,,,,,10000MW,,,3000MW,1800MW,,2500MW,,,可能性国际连接,,,,,,,57,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,现有及规划中的，华北，华南电网，不包括CNOOC提出的沿海电网,58,资料来源http//www.iea.org/textbase/work/2005/LNGGasMarkets/session_5/1_Yugao_Xu.pdf,现有及规划中的，华北，华南电网，以及CNOOC提出的沿海电网,59,资料来源http//www.ieej.or.jp/aperc/final/ne.pdf,,,,,,60,资料来源中国的需求投资与电力市场管制撤销，凯捷咨询，2005,预计中国天然气作燃料的发电量至少会超过核电发电量和新能源发电量。利用的天然气供应量到2010年和2020年将分别达到100BCF当量和200BCF当量的30-40。,61,资料来源http//www.ieej.or.jp/aperc/pdf/GRID_COMBINED_DRAFT.pdf,62,资料来源http//www.ieej.or.jp/aperc/pdf/CHINA_COMBINED_DRAFT.pdf,63,资料来源http//www.ieej.or.jp/aperc/pdf/CHINA_COMBINED_DRAFT.pdf,64,中国面临的挑战（接上页）,构建互为联结的国家天然气管线网络--中国唯一缺乏的世界级基础设施（良好的经济激励基础设施项目。输电系统的规划和燃气管线体系应互为对方考虑，而不应互为竞争。）接上页通过从排除煤矿中的煤层气并向消费者销售来淘汰煤矿设备（见下文）对如贵州等地区进行煤层气提取并销售从而保护其免予受到类似2007年冬季停电等灾害并使矿藏丰富的当地煤炭资源得以成为当地丰富的燃煤电厂的燃料，从而结束冬季冰冻条件下远程煤炭递送中断之苦。在输电系统因冰冻而瘫痪或处于冬季供电高峰或低降水/蓄水期时提供充足的必用发电系统燃料（见下文）,65,http//www.worldcoal.org/assets_cm/files/PDF/coalmining.pdf,66,,,67,,,68,,,69,中国面临的挑战（接上页）,构建互为联结的国家天然气管线网络--中国唯一缺乏的世界级基础设施（良好的经济激励基础设施项目。输电系统的规划和燃气管线体系应互为对方考虑，而不应互为竞争。）接上页目前，全国人民代表大会将投票表决通过新能源法。该法将通过下列措施使燃气管线网络沿电力传输网络的模式发展在单一管制税条件下向制造商或消费者开放燃气管线；将管线运营功能与制造和销售功能分离开来开发包括铁路在内的阻塞定价体系，以确保合同和供应在阻塞期，如冬季煤炭递送等条件下保持顺畅。2007年的冬季大停电之所以发生，部分原因是因为通往燃煤电厂的远程煤炭递送因阻塞而中断。,70,附录,71,NorthAmericanSynchroPhasorInitiative,FundedbyDOENERCAtfirststageprovidingbettermeasurementoffrequencytransientsexcessiveangularseparationbetweenPMUsvoltagedroposcillationsoftenprecursorsseenminutesorhoursbeforeamajordisturbanceMWflowssizelocationoflargegenerationtripsothersignsofgridstressbyaPhasorMeasurementUnitPMUhighspeed30samplespersecondversus1sampleper4seconds,72,NorthAmericanSynchroPhasorInitiativecont.d,Inordertoprovidewide-areamonitoring.NowseeslidesachievedintheEasternInterconnectionbyRealTimeDynamicMonitoringSystemfromcentraldatamaintainedbyTennesseleyAuthorityWesternInterconnectionbyWideAreaMonitoringSystemWAMSforensicanalysisofgriddisturbancestotriggercorrectiveactionaheadoftimeseeslides,notjustpostmortemanalysisDataistime-stampedtoacommontimereferencefortheentireinterconnection,butatmustbeconvertedtoconacrosstheinterconnectionProblemPMUsarenot“plugNplay”NotallthesameoutputNocookbooksmuchengineeringITtimetosetup,73,http//www.naspi.org,74,WhyPhasors,Wide-AreaandSub-SCADAVisibilityTimeSynchronizationAllowsustoseeDynamicsnotVisibleinSCADAEnvironmentAnalysisofMajorEventsTypicallyShowAngularorDynamicWarningSignsMinutestoHoursBeforehand,,Source,75,30minplot9/18/2007MROEvent,,SourceVirginiaTechFNetData,76,FilltheGaps,77,CurrentDashboard,CAIndependentSystemOperatorCAISORealTimeDynamicsMonitoringSystemRTDMS,78,ObservableModeClusters,,,,,SpectralMonitoringofSelectSignal,SmallSignalMonitoring,DampingRatio,ModeFrequencyHz,PoorlyDampedMode,,,AlarmThreshold3damping,,79,本报告的下载地址,英文版本下载,