601415116廖仁呈

Report
Intergration of large-scale wind
power
報告人:廖仁呈
CCU
Department of Electrical Engineering
National Chung Cheng University, Taiwan
Introduction
• 風能的可變性和不可預測使得系統難以控管負載的變化,包括負載預測錯
誤。
• 儲能技術在大量風電併入電網時可以增加機組調度的靈活性,考慮到經濟效
益,風力發電需與儲能技術一起討論。
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Wind power & Energy storage
儲能技術應用:
1. Pumped hydro accumulation storage(PAC)
2. Underground pumped hydro accumulation storage(UPAC)
3. Compressed air energy storage (CAES)
汽電共生(combined heat and power,CHP)
燃氣渦輪機外掛廢熱爐式
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• 儲能技術提供了整體電力系統調度更多彈性空間,因為發電系統需供需平衡。
• 負載離峰時 → 儲能(負載)
尖峰時 → 釋放(發電機)
• 邊際成本(marginal generation cost):
機組運轉每生產一個單位,總成本需要增加的量
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• 儲能技術利用離、尖峰時段的電價差
• 降低了尖峰時負載的發電量 C2→C4
圖一、邊際發電成本與儲能技術的關係曲線
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• 風電併入電網(風能為無成本發電)
圖一、邊際發電成本與儲能技術的關係曲線(併入風電)
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• 因為風電的併網,確實降低短期邊際發電成本。
• 風電併網提高調度的靈活性
• 大量風電併網使得短期邊際發電成本進而改變電價,許多國家提高風力占比:
丹麥、德國等。
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• 最佳化的機組排程與經濟調度(UC-ED)是發電成本的基礎
• 考慮到額外所需的備轉容量
• 降低傳統機組的運轉量
這些影響皆列入模擬的案例中。
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• 2012年荷蘭提高了CHP機組的占比
• 使用外掛廢氣爐式的CHP機組因可以快速反應使發電系統更加穩定可靠且靈活調度,
但CHP和大量的風電併網使得極輕載的問題出現。
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Simulation setup
• 進行維持一年的UC-ED模擬
風力占比:0(base-case) 、2、 4、 6、 8 and 10 GW(佔了荷蘭約27%總發電量)
替代能源: CCGT(base-case) PAC 、UPAC、 CAES、 CHP with heat boilers
本文對於不同的風力占比來比較儲能技術、CHP廢熱爐式,與相同容量的CCGT比較優
缺點。
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Simulation setup
• 模擬的假設
1. 風機不會取代傳統機組
2. 電網沒有衝擊
3. 發電機沒有額外的參數限制
•
會使用蒙特卡羅計算出維護行程和設定跳機
• 儲能機組與餘熱鍋爐的調度是以總成本的最小化為基礎
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Simulation setup
• 在基本案例中利用遠期價格與規劃設定
煤炭
5歐元/GJ
天然氣
2歐元/GJ
鈾
1歐元/GJ
二氧化碳 20歐元/ton
• 敏感度分析中,天然氣最高價和二氧化碳最低價,分別為8歐元/GJ和0歐元/ton
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Simulation setup
• 敏感度分析是使模型的變數在某特定範圍內變動,以觀察模型行為或變化
情形的一種分析方式。
• 風能的遞減成本被設置為0
風能的減量被當作最後的手段以滿足必須運轉的最小輸出限制
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• 整體系統對於不同替代方案考慮的成本和效益頻估
• 可以從二氧化碳的排放中獲得額外的資訊
• 風力占比提高時的輕載問題
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• PAC機組有最高的效能
圖2.因輕載時浪費的風能
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• 在第二章認為使用儲能系統可以系統邊際成本最佳化
圖5.模擬一個星期有無儲能系統比較圖(PAC)
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• 在CHP外掛廢熱爐式的案例中,效果並不明顯
主要為避免輕載問題發生(高風速低負載)
創造出風電併網的空間
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• 風力發電將降低整個系統短期邊際成本
(圖中的彎曲部分為第一區2GW的陸域風機併網時)
• 二氧化碳排放節約(高達28% 或 一年減少17M/TON)
系統運轉成本和二氧化排放量(base case)
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• 在現有的風機容量中,荷蘭一整年因儲能系統可省下一千萬歐元到九千萬歐
元之間。每一個研究案例,運轉成本的節約跟風力發電成相關。
• PAC具有最高的成本節約,依序是UPAC和CAES。
相較下PAC儲能容量大,相對成本較低。
• CAES容量小,限制了大量風場併入時的整體影響。
• 廢熱爐式機組直到輕載問題發生(併入4GW風機容量)時才投入系統。
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• 低風量併網時儲能技術額外的排放為PAC最高(每年三噸)
• 不同案例中系統的二氧化碳排放量(BASE CASE)
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• 額外的二氧化碳排放:
1. 儲能裝置的技術在該系統是以最小運轉成本
低價替代高價
2. 儲能技術會夾帶著轉換的損失
從二氧化碳排放角度,在風場占比非常高時,可降低風能的浪費
• 廢熱爐式機組同時節約運轉成本,也可以降低二氧化碳的排放
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Result
• 敏感度分析:
由儲能技術與廢熱爐式所提供的運轉成本的節約依賴多數的假設,決定系統的技
術和不同發電技術的運轉成本
這裡的敏感度分析考慮到國際交易市場炭與二氧化碳的價格
• 國際市場
固定的市場交易,限制了風電併網的可能性,因為交易無法適應於更新的風力預
測。
在荷蘭,國際市場(由其是便宜的進口)不在使用於儲能,從模擬中可以算出,固
定的市場交易減少了荷蘭系統中的價差,從而使得儲能系統節約了運轉成本
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• 天然氣價格:
儲能的效益主要依賴基載的燃煤機組和峰載時天燃汽機組的價格差異
當風機容量增加,在基本案例中由儲能裝置提供的成本節約較少
• 二氧化碳價格:
二氧化碳排放成本為0
則會導致成本節約效果不彰
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• 成本效益分析顯示了PAC和UPA都不可能有正數平衡,即使風力占比非常高。
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Result
• 從基本案例中可以看出只有CAES和廢熱爐式機組在風力占比6MW或者以上為正數
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Conclusion
•
全系統對於風電併網與儲能技術之間的相互作用中經濟與環境的評估
• 儲能系統明顯的增加了荷蘭系統中總體的二氧化碳排放量,特別是在風力占比
低的時候。
• 但所有案例中都確實的降低了輕載時浪費的風能。
但無法完全避免
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