CN103891078A

CN103891078A - 用于在电网上生产和配送电能的系统，以及相关联的优化方法

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Publication number: CN103891078A
Application number: CN201280047236.XA
Authority: CN
Inventors: J·罗伯茨; X·奥格斯汀; J-C·德兰热
Original assignee: TECH POUR L EN ATOMIQUE TECHNI
Current assignee: TECH POUR L EN ATOMIQUE TECHNI; Societe Technique pour lEnergie Atomique Technicatome SA
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-06-25
Also published as: FR2978623B1; EP2737589B1; EP2737589A1; WO2013014220A1; US20140265608A1; JP2014522221A; RU2014105856A; FR2978623A1

Abstract

本发明涉及用于在由地理区域所限定的电网（200）上用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于，所述系统包括：用于生产电能的第一所谓主实体（110），其运行在稳态，并且生产在所述电网（200）上所生产的电能的至少一部分电能；用于从可再生能源生产电能的第二实体（120），其间歇性地生产在所述电网（200）上所生产的电能；用于生产电能的第三实体（130），其能够运行在负荷跟踪状态，设计所述系统的大小，使得对应于由用于生产电能的所述主实体（110）在一年的跨度上所配送的电能的量中的变化的分布图与由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体（120）在一年的跨度上所生产的电能的量中的变化的分布图的和的在所述地理区域的一年的跨度上的总能量潜力中的变化的分布图，小于如由所述给定地理区域所限定的所述电网（200）的在一年的跨度上的所需求的电能中的变化的分布图。

Description

用于在电网上生产和配送电能的系统,以及相关联的优化方法

技术领域

本发明涉及电能发电系统（包括在电网上配送间歇性的可再生能源的重要部分）以及用于整体上优化所述系统和设计所述系统大小的方法，以便消除使用储能装置以弥补可再生能源的间歇性特点的依赖。

背景技术

为了响应于电力需求的日内变化，以及保持电能生产和需求之间的平衡，已经开发和设计了特定的发电实体以调节它们的生产，从而根据需求供应电能，也就是说，所述特定实体被设计成工作在负荷跟踪态。所述特定发电实体例如是水力发电厂、燃煤型或燃气型热电厂等。

所述特定实体充当大规模生产实体的补充，所述大规模生产实体是被设计为以最低价格生产大量电能，并使能电能的最大部分供应分配在电网。它们通常是供应所谓基本负荷电力的核电厂或化石燃料发电厂。

最后，最后一种类别的发电厂使得满足消耗峰值成为可能。所观测到的峰值具有两种类型，并且可组合：每日峰值，其通常位于傍晚，并且其主要与家庭的行为有关系；以及季节性峰值，其与时期的气候条件有关系。

在法国的特定情况下，生产基本负荷电力的核电厂也参与负荷跟踪状态中的操作而其最初没有被设计用于负荷跟踪状态，因此导致该设备的过早损耗（燃料损耗、致动器损耗等）。因此，这种过早损耗使得不可能有这些核电厂的最优利润率。

对减少温室气体排放的期望落后于开发和使用可再生能源作为电网的主要来源，或代替作为完善主要来源的次要来源。在不同的可再生能源之中，来自太阳能、风能和海洋能的电力生产是目前三种最有前景的能源资源，并且针对它们的技术开发是重要的。

然而，这些可再生能源是间歇性的、随机的和不稳定的资源。另外，电力生产不必要与电网的需求同步，不管是暂时地或数量上。因此，特别是由于实时地保持电力生产和消耗之间的平衡的困难，减慢了这些可再生能源的开发和使用。

为了解决这个问题，广泛的研究和无数的开发正在进行中，为了能够存储由这些可再生能源所生产的过剩电能，以便能够在生产不足的周期恢复过剩电能。因此，存储这种电能的可能性使得根据需求和生产，能够在电网上恢复这种电能是可能的。

相反，用于获得可再生能源的发电的存储的技术困难是许多的，并且所开发的技术解决方案还不可行或可大规模利用，除了值得注意的用于通过抽运转移电能的电厂（可逆的水力发电厂）之外。

为克服由可再生能源所生产的电能的间歇性、不稳定和随机性质，文件US6671585描述了用于生产电能的系统的示例、能够提高来自使用可再生能源的设备的电能的商业价值的方法和计算机程序。所描述的用于生产电能的系统由至少三个发电机的组合形成，诸如核电厂、水力发电厂、燃气发电厂以及可再生能量源。更准确地来说，所描述的用于生产电能的系统包括：能够运行在恒稳态的发电机；以可变方式生产电能的可再生能源的源；以及在线管理的第三发电机，以便调节其电能生产，进而根据由可再生能源（风能）所产生的电能量来保持电网的平衡。与其预测相比，由在线管理的发电机所生产的较大或较小的电能量，被计数并登记在存储的虚拟电能账户中。在源自可再生的电力生产不足的情况下，被管理的电厂补偿并计入借方的风力发电机的账户。相反，与需求相比，在源自可再生的发电过剩的情况下，记入该账户。

此类系统使得弥补某些可再生能源（电能链的一端）的特定行为，而使继续运行在负荷跟踪状态的大量发电实体免受加速损耗能为可能，后者具有位于电能链的另一端的电能需求的来源。

发明内容

在该上下文中，本发明旨在提出用于在电网上生产和配送电能的系统，该系统使能解决上述问题。

为此，本发明提出了用于生产和配送由给定地理区域所限定的电网上的电能的系统，其特征在于，所述系统包括：

-用于生产电能的主实体，其运行在稳态，并且生产在所述电网上所生产的电能的至少一部分；

-用于从可再生能源生产电能的第二实体，不与储能装置相关联，间歇性地生产在所述电网上所生产的电能；

-用于生产电能的第三实体，能够运行在负荷跟踪状态，并且能够供应在所述电网上所生产的电能；

设计所述系统的大小，以便对应于在由用于生产电能的所述主实体在一年的跨度上所配送的电能的总量中的变化的分布图与在由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体在一年的跨度上所生产的电能总量中的变化的分布图之和的在所述地理区域的一年的跨度上的总能量潜力中的变化的分布图，小于由所述给定地理区域所限定的所述电网的一年的跨度上的所需求的电能中的变化的分布图。

所采用的术语“可再生能源”意味着可足够快地更新它们自己，在人的尺度上被认为是取之不尽的能源形式。因此，作为示例，太阳能、风能、波浪能、流体动力能都是可再生能源的形式。

所采用的术语“发电实体”意味着不仅是用于发电的单个模块，而且还是用于生产电能的一组模块。

因此，根据本发明的发电和配电系统使得与电网需求相比，在生产过剩周期中，摆脱生产可再生电能的过量电能的存储的限制成为可能（电能，即需求大于生产时，被重注入到电网中的电能）。

另外，通过预期和设定大小的第三互补发电实体，以便全部承担负荷跟踪的责任，使得很好地控制电网的需求中的波动，从而使能在由电网上的可再生能源所生产的电力的电网上，直接且倾向地分布。

由于本发明，专用并以运行在负荷跟踪状态的目的设计的用于生产电能的实体的使用（有利地，低功率），使得设计和运行在稳态中的大规模发电实体成为可能。因此，通过运行在标称功率，改进了这些大规模发电实体的经济和能源效率。这些大规模发电实体不再参与负荷跟踪，延长了它们的寿命，并且降低了运行成本。

从而优化了用于发电的设备的大小和运行。

此外，能够运行在负荷跟踪状态的第三发电实体有利地位于地理上尽可能接近于消耗区域，以便优化用于生产和配送电能的物流系统。

能够运行在负荷跟踪状态的用于生产电能的第三实体有利地由一个或多个大规模发电模块性成。

根据本发明的系统还使得可能不用使用由化石资源供应的备用发电实体，以及不用使用受制于排放标准的污染的发电实体。因此，根据本发明的系统使得通过减少或甚至消除使用这些类型的实体来减少污染排放成为可能。

由于本发明，可以以最优的方式规定可再生能源的价格，因为它们的随机性、间歇性和不稳定性质不再是缺点。因此，根据本发明的系统使得参与这些技术的商业开发成为可能。

根据本发明的用于在电网上生产和配送电能的系统还具有以下中的一个或多个特征，可单独考虑或根据其任何技术的可能组合来考虑：

-用于发电的所述主实体配送所需的至少50%的电能，以满足所述电网的需求；

-用于发电的所述第一实体和能够运行在负荷跟踪状态的用于生产电能的所述第三实体由相同的发电单元组成；

-用于生产电能的所述第三实体由单个模块或多个相同的功率模块组成；

-用于生产电能的所述第三实体的模块中的每个模块的功率被包括在100MWe和500MWe之间；

-用于生产电能的所述第三实体是小型核反应堆；

-用于从可再生能源生产电能的所述第二实体和/或用于生产电能的所述第三实体位于所述给定地理区域中；

-设计所述系统的大小，使得在所述电网一年的跨度上所生产的总能量潜力中的变化的所述分布图和在所述电网的一年的跨度上的所需求的电能中的变化的所述分布图之间的最小偏差Emin和最大偏差Emax所限定的管理窗口，被包括在用于生产电能的所述第三实体的最优发电间隔中；

-所述设计大小，使得所述管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体的最优发电间隔中，是通过重新设计用于生产电能的所述第三实体的功率大小来实现的；

-用于生产电能的所述第三实体由至少一个功率模块构成；所述设计大小使得所述管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体的最优发电间隔中，是通过调节形成所述给定地理区域上的所述第三发电实体的功率模块的数量来实现的。

本发明还涉及用于优化根据本发明的用于生产和配送电能的系统的方法，所述方法包括以下步骤：

-估计，在一年的跨度上，由所述给定地理区域所限定的所述电网的电能需求中的变化分布图；

-计算由所述电网上的用于生产电能的所述第一实体在一年的跨度上所配送的电能的总量中的变化的分布图；

-评估由用于从可再生能源生产电能并且在所述电网上配送的所述第二实体在一年的跨度上所生产的电能的总量中的变化的分布图；

-将在所述地理区域上的一年的跨度上所生成的总能量潜力中的变化的所述分布图，与用于电能的估计的需求中变化的所述分布图进行比较，在一年跨度上所生成的所述总能量潜力中的变化的所述分布图对应于由用于生产电能的所述第一实体在一年的跨度上所配送的所述电能量中的变化的所述分布图与由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体在一年的跨度上所生成的电能量的中变化的所述分布图之和；

-如果在所述地理区域的所述总年度能量潜力的中变化的所述分布图小于所述需求中的变化的所述分布图，则修改所述地理区域的范围或由所述主发电实体在所述电网上所配送的电能的量；

-确定在一年的跨度上所生成的所述总能量潜力中的变化的所述分布图与在一年跨度上的所述电能需求中的变化的所述分布图之间的最小偏差Emin和最大偏差Emax，所述最小偏差和所述最大偏差形成管理窗口；

-将在前述步骤中所确定的所述管理窗口与能够运行在负荷跟踪状态的用于生成电能的所述第三实体的最优电能生成间隔进行比较；

-修改所述地理区域的范围，和/或设计所述第三实体的大小，和/或在假设第三发电实体由一个或多个相同功率的模块形成的情况下，适配形成所述第三发电实体的功率模块的数量，以便使所述管理窗口被包括在用于生成电能的所述第三实体的最优发电间隔中。

本发明在于限定和实施以下方法，所述方法使得可能在发电实体的不同集合之间选择最优组合，以使能特别是可再生能源的最优价格制定而不需要依赖于存储设备。

为此，设计第三发电实体的大小，以在任何时刻响应于不能由所述第一发电实体和所述第二发电实体覆盖的电能需求，特别是当第二实体的发电水平不能满足需求（缺少太阳光、风力等）时。

因此，设计第三发电实体的大小，以便覆盖在一年的跨度上所生成的总能量潜力中的变化分布图（图2的曲线A）与在一年的跨度上的电能的需求中的变化分布图（图2的曲线B）之间所限定的电能需要。

根据一个有利实施例，用于生产电能的所述第三实体的所述最优发电间隔位于所述实体或形成所述第三发电实体的每个功率模块的最大功率的40%和80%之间。

附图说明

从以下给出的作为指示并且没有任何限制的描述，参照附图，本发明的其它特征和优点将变得清楚，其中：

-图1是根据本发明的用于在电网上生成和配送电能的系统的示意图；

-图2是图示针对给定地理区域的电能需求/生成的分布的一年跨度的分布图的图。

在所有附图中，除非以其它方式另外指出相同元素具有相同的附图标记，。

具体实施方式

图1示意性地图示了使能向给定地理区域供应电能的不同电能实体的选址的第一示例。

用于发电和配电的系统100由以下组成：

-用于产生电能的第一所谓主实体110，其运行在稳态，并且配送对应于在给定地理区域的电网200上所产生的电能的至少一部分电能；

-用于从可再生能源产生电能的第二实体120，通过电网200直接配送，并且因此不与储能装置相关联，并且以间歇性的方式配送在电网200上产生的电能；

-用于产生电能的第三实体130，能够根据电网200的需求以及由所述第一发电实体110和用于产生可再生能量的实体120所供应的电能的量，运行在负荷跟踪状态。

有利地，用于产生可再生电能的实体120从太阳能、风能或替代的海洋能（波浪、潮流等）发电。

有利地，第一发电实体110由被设计大小并优化以运行在稳态的至少一个发电厂形成。

有利地，用于产生电能的第三实体130由至少一个小型核反应堆形成，该核反应堆的典型电功率被包括在100兆瓦特（MWe）和500兆瓦特之间。

发电和配电系统100与优化方法相关联，该优化方法使得在给定地理区域上，以最优方式设计发电和配电系统的尺寸并利用该系统。

首先，有必要限定能够接收由该系统所产生的电力的地理区域。

因此，对于这个地理区域，根据本发明的优化方法包括：

-从历史发电数据，计算在这个给定地理区域上的一年跨度上所配送的第一大规模发电实体110的电力产生的部分的分布图；

-从自然资源（风、太阳能、波浪、潮流等）数据，以及从供应所述地理区域的用于产生可再生电能的现有（或设想）实体的特点，估计在一年跨度上可用于该地理区域的可再生能源的量的分布图。

由第一大规模发电实体110在一年的跨度上所配送的电能的量的分布图，以及由用于产生可再生电能的实体120在一年的跨度上所产生的电能的量的分布图，限定了在所述地理区域上在一年的跨度上可获得的能量潜力的分布图。在图2中由曲线A来表示地理区域中的能量潜力中的变化的分布图。

所述优化方法还在于：从历史消耗数据，计算由这个地理区域所限定的一年的跨度上的电网的需求的分布图。由图2中的曲线B来表示电能需求中的变化的分布图。

如果电能需求至少不时地小于由主实体110和由第二可再生能源实体120所产生的能量潜力（即，曲线A与曲线B相交），则存在电能的过度生产。因为根据本发明的方法和系统在于：不用从可再生能源获得的所产生的电能的存储，同时避免损失由可再生能源实体所产生的电能，所述优化方法包括步骤在于：重新限定地理区域，和/或针对另一个地理区域重新分配从可再生能源所产生的电能，和/或由大规模发电实体110修改分配给所述地理区域的电能的量，使得曲线B（电能需求），无论在时间标度上的任何位置，严格地位于曲线A之上（所产生的能量潜力）（图2）。

其次，根据本发明的优化方法在于：确定第三发电实体130的模块数量和功率，以便遵守这个实体的最优运行间隔。

为此，优化方法在于：确定电能需求（曲线B）和可获得的能量潜力（曲线A）之间的最小偏差Emin和最大偏差Emax。该最小偏差Emin和最大偏差Emax限定了用于产生电能的第三实体130将必须以负荷监控状态来供电的管理窗口。

如果这个窗口的界限低于第三发电实体130的最优发电间隔，则不使用能量储能可实现在给定地理区域上的电网平衡。作为示例，最优发电间隔对应于第三发电实体130的最大功率的40%和80%之间。用于产生电能的这个界限确定了第三发电实体130的负荷跟踪状态中的运行界限，使得特别是指定小型核反应堆的运行窗口成为可能。

如果这个窗口的上限高于第三发电实体130的最优发电间隔，则需要降低这个窗口的上限（即，降低最大偏差Emax）。这样做，以下是可能的：

-或者修改地理区域的限定，以便减少该区域的电能需求（曲线B）；

-或者修改第三发电实体的最优运行容量，从而修改针对在最优发电范围中，运行在负荷跟踪状态中所输送的电能的量。

如果这个窗口的下限低于第三发电实体130的最优发电间隔，则需要重新限定将被考虑的地理区域（即扩展它），以便增加该地理区域的电能需求。

因此，根据本发明的优化方法在于：确定用于发电的第三实体130的模块数量和/或功率，以便遵守针对其设计的最优电能产生的间隔。

在第一实施例中，可以通过重新设计第三发电实体130的大小，来实现对第三发电实体130的最优发电容量的修改。

在第二实施例中，其中第三发电实体130由一个或多个相同的功率模块组成，可通过在该地理区域中形成第三发电实体130的功率模块的数量的调节，来实现对发电容量的修改。

在这个第二实施例中，通过增加或消除模块，从而修改第三发电实体130的最优发电容量。这个第二实施例具有简化用于发电的这种类型实体的产品的优点，该产品旨在通过相同电功率模块的大量产品工作在负荷跟踪状态。这个第二实施例还使得可能减少用于生产此类实体的成本。

可通过软件装置、计算机、通过在所考虑的地理区域上逐次迭代，同时验证该地区的电能需求（曲线B）总是高于由第一实体110和由第二可再生能源实体120所产生的能量潜力（曲线A），来实现确定需求/生成的平衡，以及设计发电和配电系统的大小。

已经特别使用能够运行在负荷跟踪状态的第一大规模电能生产实体描述了根据本发明的系统；然而，在本发明的具体实施例中，第一大规模发电实体和第三负荷跟踪实体由物理上相同的发电单元组成，该发电单元能够由单个功率模块或多个功率模块（有利地相同模块）组成。

本发明的其它优点特别为以下内容：

-通过补偿可再生能源的主要缺点（即，它们的间歇性），改进了可再生能源的吸引力或经济利益；

-通过使大规模电能生产发电厂运行在恒定的标称功率，改进了它们的经济和能源效率；

-增加了大规模发电实体的生命周期；

-消除了对能量储能的依赖（资源存储，或所生产的可再生能量的存储）；

-通过与需求相比的供应的持久实时适配，减少了电价波动性，所述需求包括在从可再生能源发电的间歇性变化期间；

-通过减少（或消除）对使用化石资源供应的备用电厂的依赖，减少了污染排放（CO2、NOx、SOx、颗粒物等）；

-由于运行在负荷跟踪状态的低功率的发电实体的精明选址（在陆地/海岸或在海上/离岸），优化了电能生产和配送电网的大小和运行；

-基于可再生能源的最优的定价，优化了用于生产电能的设备的大小。

Claims

1.一种在由给定地理区域所限定的电网（200）上用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于，所述系统包括：

-用于生产电能的第一所谓主实体（110），其运行在稳态，并且生产在所述电网（200）上所生产的所述电能的至少一部分电能；

-用于从可再生能源生产电能的第二实体（120），其不与储能装置相关联，其间歇性地生产在所述电网（200）上所生产的所述电能；

-用于生产电能的第三实体（130），其能够运行在负荷跟踪状态，并且能够供应在所述电网（200）上所生产的所述能量；

设计所述系统的大小，使得由用于生产电能的所述主实体（110）在一年的跨度上所配送的电能的量的变化的分布图与由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体（120）在一年的跨度上所生产的电能的量的变化的分布图之和相对应的在所述地理区域的一年的跨度上的总能量潜力的变化的分布图，小于在由所述给定地理区域所限定的所述电网（200）的一年的跨度上的对于电能的需求的变化的分布图。

2.根据权利要求1所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于生产能量的所述主实体（110）配送所需的所述电能的至少50%，以满足所述电网（200）的需求。

3.根据权利要求1至2其中一项所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于发电的所述第一实体（110）和能够运行在负荷跟踪状态的用于生产电能的所述第三实体（130）由相同的发电单元形成。

4.根据权利要求1至3其中一项所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于生产电能的所述第三实体（130）由单个模块或多个相同功率模块形成。

5.根据权利要求4所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于生产电能的所述第三实体（130）的所述模块中的每个模块的功率被包括在100MWe和500MWe之间。

6.根据权利要求1至5其中一项所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于生产电能的所述第三实体（130）是小型核反应堆。

7.根据权利要求1至6其中一项所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于从可再生能源生产电能的所述第二实体（120），和/或用于生产电能的所述第三实体（130）位于所述给定的地理区域中。

8.根据权利要求7所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：设计所述系统的大小，使得管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体（130）的最优发电间隔中，所述管理窗口由在所述电网（200）的一年的跨度上所生成的所述总能量潜力的所述变化的所述分布图和由在所述电网（200）的一年的跨度上的对于电能的需求的所述变化的所述分布图之间的最小偏差（E_min）和最大偏差（E_max）所限定。

9.根据权利要求8所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：所述设计大小使得所述管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体（130）的所述最优发电间隔中，是通过重新设计用于生产电能的所述第三实体（130）的功率大小来实现的。

10.根据权利要求1至9其中一项所述的用于生产和配送电能的系统（100），其特征在于：用于生产电能的所述第三实体（130）由至少一个功率模块构成；所述设计大小使得所述管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体（130）的所述最优发电间隔中，是通过调节所述给定地理区域上形成所述第三发电实体（130）的功率模块的数量来实现的。

11.一种优化根据权利要求1至10其中一项权利要求所述的用于生产和配送电能的系统（100）的方法，所述优化方法包括以下步骤在于：

-在一年的跨度上，估计由所述给定地理区域所限定所述电网（200）的电能需求的变化的分布图；

-计算由所述电网（200）上的用于生产电能的所述第一实体（110）在一年的跨度上所配送的电能的量的所述变化的分布图；

-评估由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体（120）在一年的跨度上所生产的并且配送在所述电网（200）上的电能的量的所述变化的分布图；

-将在所述地理区域上的一年的跨度上所生产的总能量潜力中的变化的所述分布图与对于电能需求的变化的所述估计的分布图进行比较，在所述一年跨度上所生产的所述总能量潜力中的所述变化的所述分布图对应于由用于生产电能的所述第一实体（110）在一年的跨度上所配送的电能的所述量的变化的所述分布图与由用于从可再生能源生产电能的所述第二实体（120）在一年的跨度上所生产的电能的量的变化的所述分布图之和；

-如果在所述地理区域的所述总年度能量潜力的变化的所述分布图小于所述需求的变化的所述分布图，则修改所述地理区域的范围或由所述主发电实体（110）配送在所述电网上的电能的量；

-确定在一年的跨度上所生产的所述总能量潜力的变化的所述分布图与在一年跨度上的所述电能需求的变化的所述分布图之间的最小偏差（E_min）和最大偏差（E_max），所述最小偏差和所述最大偏差形成管理窗口；

-将在前述步骤期间所确定的所述管理窗口与能够运行在负荷跟踪状态的用于生成电能的所述第三实体（130）的最优电能生产间隔进行比较；

-修改所述地理区域的范围，和/或设计所述第三实体（130）的大小，和/或在假设所述第三发电实体由一个或多个相同功率模块形成的情况下，适配形成所述第三发电实体（130）的功率模块的数量，以便使所述管理窗口被包括在用于生产电能的所述第三实体（130）的最优发电间隔中。

12.根据权利要求11所述的优化用于生产和配送电能的系统（100）的方法，其特征在于：用于生产电能的所述第三实体（130）的所述最优发电间隔位于所述实体（130）或形成所述第三发电实体的每个功率模块的最大功率的40%和80%之间。