大规模光伏发电对电力系统的影响分析

第一章:绪论在全球能源形势紧张、全球气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。环境状况已经警示我国所能拥有的排放空间已经十分有限了，再不加大清洁能源和可再生能源的份额，我国的经济和社会发展就将被迫减速。提高可再生能源利用率，尤其发展太阳能发电是改善生态、保护环境的有效途径。太阳能光伏发电以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点，在太阳能产业的发展中占有重要地位。1.1本课题的研究背景及意义近年来对于化石能源枯竭、能源安全和环境恶化等一系列问题的产生导致了全球对清洁、可再生能源的重视大大提高了，越来越多的国家已经做出大规模开发利用光能发电、风力发电的规划和对策，清洁、可再生能源发电在电力系统中所占的比重正在加大，一个全新的挑战已经来了。我国的可再生能源的蕴藏含量是十分丰富，但我国地区资源分布不均的情况也是十分明显以及棘手的。近年以来我国的可再生能源的发电量已经深处世界前列，不仅是风能发电还是光伏发电都取得显著的进步。对于光伏发电来说，随着光伏发电在电力系统中装机容量的不断增加，它所随之而来的对电力系统规划、仿真、调度、控制影响也引起人们的重视、光伏发电“规模化分散开发、中压接入、高压远距离外送消纳”两种方式为主，不管从哪个方面来看，对电力系统的影响都是巨大的。所以不论是我国还是国外的工程界和学术界的研究热度不减，进展也十分迅速。图1.1光伏发电站与风能发电站本文的核心内容在于从多个方面，对国内外有关的大规模光伏发电与电力系统之间的相互影响的研究现状和效果进行整理和综述，为以后开展更为深入的研究提供参考。1.2国内外研究现状中国的光伏发电具备良好的资源发展基础。根据初步分析，光伏发电在中国发展潜力大、发展前景良好。中国光伏发电技术较为成熟，依靠利用国外的前卫技术进行发展，但是仍然存在造价成本过高的问题。为了应对近几年国际市场对光伏发电的大量的需求以及在国内产业政策的推动下，大大加快了我国光伏发电的发展速度。太阳能电池产量在近十年来曾加了几千兆瓦，取代了日本和欧洲，成为世界太阳能电池第一生产大国，在世界太阳能电池产量上占据重要地位，在世界前35家主要太阳能厂商中，中国已经有了20家以上。这几年为了由于太阳能电池的重要材料之一的高纯多晶硅材料供应严重不足，中国已经有大约20家企业动工新建生产线，总生产能力超过15万吨，总投资额超过1000亿元人民币。其他相关配套材料和生产设备也正渐渐通过自主开发，形成新兴产业群体，从而促进成本下降和产业规模的不断发展。事实上，相较于发达国家而言我国对光伏发电的研究和开发发展比较落后，1980年以后，政府才对其加大支持力度，2002年政府启动了“光明工程”，将太阳能发电作为发展的重点。在2009年，又推出了太阳能光电建筑应用示范项目和金太阳师范工程。根据中国有色金属工业协会硅业分会的统计，从2002年到2010年，中国的光伏装机容量从20.3MW增加到500MW，增长了23.6倍，年均增长49.3%；光伏发电累计容量从45MW增加到797.5MW，增加了16.7倍。根据统计，2011年中国国内新增加的光伏装机容量2.7GW，占到2011年全球新增光伏装机容量的10%左右。我国的光伏发电容量已经达到了7982.68MW，已经吵过了美国位居世界第三位，然而最关键的还是集中在我国的西部。中国19个省共核准了484个大型并网光伏发电项目，核准容量是11543.9MW；中国15个主要省已经累计建成233个大型并网光伏发电项目，总的建设容量为4193.6MW，2012年兴建98个。由粗略统计得知，中国陆地表面每年接受的太阳辐射1.50×108亿kW/h，大概等于标准煤的5×1012t，大概可以抵得上几万个三峡工程年发电量的总和。我国的光能资源分布的最重要特点是：光能的高值中心和低值中心都处于同一片区域，也就是北纬22度~35度一带，高值中心是青藏高原，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，东部地区低于西部地区，如果除去西藏和新疆的话，大致上是北部地区高于南部地区。如果所示。图1.1我国光能分布情况2012年11月以来，国家电网公司大力促进国家光伏产业及分布式能源的发展，一方面要求优化并网流程，简化并网手续，提升服务效率，另一方面，也对公用配电网提出了更高的要求。长期以来，我国中压配电网多为“无源网”，承担了为社会企事业单位和广大居民提供电能的使命，其管理和运行模式均已具备较为成熟、完备的技术水平。而随着大量分布式电源的接入，中压配电网已然形成为“有源网”，现有的管理和运行模式已不能满足中压配电网的运行要求，各项运行技术参数亦发生了根本的改变，其接纳分布式电源能力对中压配电网管理者提出了更大的挑战。2014年5月份，国家电网共受理分布式电源并网申请534件，环比上升71.15%，装机容量9.76万千瓦，环比下降14.39%。2014年1~5月份，共受理并网申请1328户、52.96万千伏安，申请户数同比上升277.27%，容量同比下降40.32%，其中光伏1315户、43.79万千伏安。今年以来，分布式电源新增量需求呈现户均容量小、居民光伏多、申请数量持续增长的趋势。如图所示\图1.2各月分布式电源并网申请受理情况由此可见，我国的光伏发电事业发展已渐渐步入正轨，也为我国能源转型与未来可持续发展方面奠定了良好的基础。目前美国正在进行太阳能企业二次“双反”。目前，美国商务部宣布将针对中国大陆太阳能企业展开第二次“双反”调查，打击从大陆经台湾绕道进入美国的太阳能产品。今年，美国对光伏组件的需求量在5~6机瓦，其中来自我国的组件产品数量占到50%以上，一旦“双反”出现不利裁决，或将影响20~30亿美元的出口总额。1.2光伏发电的研究前景及其方向根据德国研究表明，要使得全球能源可持续发展得以实现的话，那么可再生能源的替代比例必须要从2020年的20%提高到2050的50%。根据资料显示，到达地球的太阳光能大约是1千瓦每平方米，如果完全转化成为可以消费的能源，1h的太阳光能就能提供全球使用1年。中国土地辽阔，很多地方的光能贮备充足，事实上中国陆地上每年接受的太阳光能这和成标准煤的话，1.7×104亿t，中国有四分之一的土地属于沙漠，沙漠化以及即将沙漠化的土地，即使只利用其中1%的土地装配太阳能光伏发电装置，发电量就会满足全国的用电需求。在如今能源越来越紧张的情况下，光能资源开发利用的潜力还是巨大的。2012年以来，由于贸易保护主义和国际金融危机的冲击，中国太阳能光伏发电产业的发展遇到了阻碍，但从其他国家的节能减排政策和联合国的报告中可以看出，各国都将在2050年实现高比例的可再生能源替代作为发展目标，这将会帮助中国太阳能光伏发电产业的发展。2012年国务院发布了《》太阳能发电发展“十二五”规划》，提出到2015年中国太阳能发电装机容量达到21GW以上；同年10月，国家电网公司发布《关于做好分布式光伏发电并网报务工作的意见》，很大程度地降低了光伏发电入网的要求；2013年国务院出台《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出2013年到2015年，年均新增光伏发电装机容量1000万kW左右，到2015年总装机容量达到3500万kW以上，并且要将推进产业框架调整和技术进步作为重点任务。国家能源局明确指出，到2020年装机目标是1亿kW，未来几年都是超过10个GW的国内装机容量。到2030年整个能源需求达到30亿t标准煤，2050年达到52亿t，可再生能源在2050年的整个能源需求里占到40%，在电力需求里可再生能源达到60%的比例，光伏发电可能装机要达到10亿kW。由此可以看出，得到了国家政策的扶持，我国的太阳能光伏发电产业也将得到快速的发展。因为中国生产的几乎所有光伏产品都用来出口，并且我国又没有掌握其中的关键技术，使得光伏产品的成本很高，只要美国等发达国家采取“双反”政策，中国的光伏产业就会受到严重的影响，这就迫使我们进行技术创新、设备升级、提高转化效率，从而才能扩大中国的消费市场。由于资源条件和建设场地的约束，我国的光能开发应该以大型光复电站和太阳能热发电集中式开发作为最重要的目标。从开发格局来看，西北地区因为大型光复电站发展比较迅速，而且西北地区的太阳能发电装机的在全国的太阳能发电装机中占据着主要地位，所以说，我国最主要的太阳能发电开发区域将会以西北地区为重，并且保持长期发展。1.3研究目标与关键因素、技术分析1.3.1研究目标本文主要针大规模光伏发电并网后对电力系统的影响进行分析和研究。通过建立光伏并网模型，来观察光伏并网和孤岛以及功率输出变化时对并网点电能质量的影响。并从而总结以及分析，加以归纳。1.3.2关键因素和技术分析大规模光伏发电对电力系统的影响分析关键技术涉及以下几个方面：1）光伏发电的建模与仿真，其中光伏电池阵列模型使用恒压源替代，主要模型包括光伏发电逆变器及其控制模块，三相全桥逆变器，PQ控制算法。2）。系统以一个光伏并网发电模型，通过改变并网输出的功率大小，也就是模拟实际晴天阴天，程序中设置在0.5s时刻从额定功率减小为一半功率，在0.8s时刻并入电网点的短路器断开，模拟故障后的孤岛运行情况，观察对电网电能质量的影响。主要是这个并网点的参数观察和分析3）针对光伏逆变器的控制才是光伏并网系统的核心技术。可能光伏并网逆变器的结构分类比较多，加上又有不一样的控制策略，但是·DC/AC单元是必不可少的。本文主要针对PQ控制进行分析。4）由于光能具有间歇性、随机性、出力随机、功率不可调节的性质，大规模光伏发电接入时，就会产生当地电力系统的一系列电能质量问题。因此，在光伏发电装机量大的地方，“弃光”的情况就会产生，产生光伏发电项目实际运行实际时间少，资产闲置、无法充分利用等问题。所以太阳能消纳的问题也是本文研究的重点问题。5）由于太阳能本身所具有的随机性、间歇性的特点，同时为了提高长通道外送光伏电源的可控性，本文也将针对大规模光伏外送技术进行研究。1.4本文的研究内容前面主要介绍了本课题的研究背景及意义、国内外研究现状、智能视频应用的发展与前景以及关键技术，下面主要介绍本文的研究内容：第一章，绪论。首先，基于目前的输电线路外力破坏事故的多发以及智能电网推进工作的需要提出了本文的研究背景和意义，简述了计算机视觉技术在输电用智能视频监控具有较大的应用价值。接着，分别介绍了国内国外对智能视频监测的研究状况，详细阐述了视频监测技术在国外的三个发展历程，以及在国内的市场潜力。绪论中还列举了国内外比较优秀的智能监控设备公司，如海康威视，安讯士等，展示了他们的科研成果以及在实际日常生活中的运用。由此可见，计算机视觉在智能视频监控方面的应用研究都是热点。最后，阐述了本文的研究目标以及涉及的关键技术，进一步开展本文的研究内容。第二章，计算机视觉技术相关的基本原理。主要介绍了计算机视觉相关的基本原理，包括：颜色模型、尺度空间、图像滤波算法、运动目标检测算法以及运动目标跟踪算法等。其中，颜色模型主要介绍了RGB颜色模型和HSV颜色模型；介绍了尺度空间的基本原理和构建尺度空间的方法；多种滤波算法的原理和实验效果等。主要是为本文相关算法的研究提供理论基础。第三章，基于目标跟踪的区域入侵检测。针对智能视频监控中的典型应用区域入侵检测，开展了算法的研究，基于OpenCV计算机视觉库，在Qt（C++）软件开发平台上进行了算法的开发与验证。采用了基于自适应混合高斯模型的运动物体检测算法，以及采用了基于Mean-Shift的运动物体跟踪算法，针对单行人、多行人、汽车等不同场景进行了大量的实验，取得了较好的实验效果，证明了该算法的有效性，该系统具有较大的工程应用价值。第四章，总结与展望。进行了本文研究工作的总结，并对本文研究内容存在的问题以及后期研究方向进行进一步探讨。第二章大规模光伏发电的建模与仿真本文主要开展大规模光伏发电接入对电力系统的影响的分析。基于本文的研究方法，针对以上应用深入分析其需求，寻找合适的数学模型和控制策略进行深入研究。本章主