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【专利摘要】本发明提出一种电力系统，包括：第一和第二能源电源，用于为负载联合供电；高压输电线、变电站和低压配电母线，第一能源电源通过高压输电线和变电站向低压配电母线输送负载所需电能中的一部分电能；第一和第二馈线，与低压配电母线相连，第二馈线与第二能源电源相连；负载分别与第一和第二馈线相连，以通过第一馈线和第二馈线获取由第一能源电源提供的一部分电能，并通过第二馈线从第二能源电源获取其所需电能的另一部分电能。本发明的系统依据实时的第二能源电源最大发电能力和负载需求，调节第二能源电源和第一能源电源的输出电量，保证系统供需平衡，该电力系统具有高效、易于实现、成本低、能源利用率高的优点。
【专利说明】电力系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发电和供电【技术领域】，尤其涉及一种电力系统。
【背景技术】
[0002] 传统的燃煤、燃油等发电形式受自然资源所限，已经难以满足人类日益增长的能 源需求，同时传统化石能源的使用带来了严重的环境污染问题，因此未来的电力供应必须 大量依靠风能、太阳能等可再生的新能源。
[0003] 目前，大规模新能源电力的主要利用方式是：新能源电力经变压器升压并入 220KV及以上高压输电网，通过输电线路输送至负载地区，再由配电网分配至终端用户。受 自然因素的影响，新能源电力具有本质的不确定性。出于对整个主网安全运行的考虑，新能 源电力的接入量非常有限，特别是在电网出现不稳定状态时，新能源电源将被强制要求降 低出力甚至切出电网。因而，新能源电力入网难成为现今新能源利用的最大障碍。针对该 问题，各国均开展了大量的研究工作，并提出了多种多样可供采用的技术手段，例如动态经 济调度、储能技术以及基于未来智能电网的分布式发电、微网、需求响应等。然而，随着新能 源电力的规模逐渐增大，电网接纳大规模新能源电力仍将面临很多问题，主要表现在备用 成本高，电能存储规模有限，需求响应调节负载能力有限等方面。相关研究建议在现有的电 网运行机制下，新能源电力的接入水平最高控制在20 %以内。
[0004] 因而，探讨其他的新能源电力利用方式，对新能源电力的高效利用和未来发展具 有重要意义。已有研究提出新能源和传统能源混合离网发电系统，是将新能源、传统能源电 力存储于蓄电池，再供给负载。受电池储能容量和寿命的限制，该方式仅适用于低量级的负 载。还有学者提出通过高耗能产业（如电解铝、海水淡化）直接消纳新能源电力，该方法适 用于对电源质量不敏感的柔性负载，同时应用地区必须具有较高的化石含量。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的目的在于提出一种高效、易于实现、成本低、利用率高的电力系统。
[0007] 为了实现上述目的，本发明实施例的一种电力系统，包括：第一能源电源和第二能 源电源，所述第一能源电源和第二能源电源用于为负载联合供电；高压输电线、变电站和低 压配电母线，所述第一能源电源通过所述高压输电线和所述变电站向所述低压配电母线输 送所述负载所需电能中的一部分电能；第一馈线和第二馈线，所述第一馈线和所述第二馈 线与所述低压配电母线相连，所述第二馈线与所述第二能源电源相连；负载，所述负载分别 与所述第一馈线和所述第二馈线相连，以通过所述第一馈线和所述第二馈线获取由所述第 一能源电源提供的所述一部分电能，并通过所述第二馈线从所述第二能源电源获取其所需 电能中的另一部分电能。
[0008] 根据本发明实施例的电力系统，依据实时的第二能源电源可输出的最大电能和负 载需求，调节第二能源电源和第一能源电源的输出电量，保证系统供需平衡，该电力系统具 有高效、易于实现、成本低、利用率高的优点。
[0009] 在一些示例中，当所述第二能源电源可输出的最大电能大于或等于所述负载所需 电能*K%时，所述第二能源电源提供给所述负载所需电能中的另一部分电能占所述负载所 需电能的Κ%，其中，K e (〇, 100)，当所述第二能源电源可输出的最大电能小于所述负载所 需电能*κ%时，所述第二能源电源提供给所述负载所需电能中的另一部分电能为所述第二 能源电源可输出的最大电能，其中，Ke (〇, 100)。
[0010] 进一步地，在一些示例中，所述K%可通过基于经验规则或优化建模的方法得到。
[0011] 在一些示例中，所述负载是对电力具有刚性需求的普通负载。
[0012] 在一些示例中，所述第一能源电源为传统能源电源，所述第二能源电源为新能源 电源。
[0013] 进一步地，在一些示例中，所述传统能源包括煤、石油天然气、木材的一种或多种， 所述新能源包括风能、太阳能、地热能、生物能、海洋能以及由可再生能源衍生出的生物燃 料的一种或多种。
[0014] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是根据本发明实施例的电力系统的结构框图；
[0016] 图2是本发明一个实施例的电力系统的结构示意图；
[0017] 图3是图2所示实施例的电力系统的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0018] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0019] 图1是根据本发明实施例的电力系统的结构框图。如图1所示，本发明实施例的 电力系统，包括：第一能源电源100、第二能源电源200、负载300、高压输电线400、变电站 500、低压配电母线600、第一馈线700和第二馈线800。其中，第一能源电源100和第二能 源电源200用于为负载300联合供电。第一能源电源通过高压输电线400和变电站500向 低压配电母线600输送负载300所需电能中的一部分电能。第一馈线700和第二馈线800 与低压配电母线600相连，第二馈线800与第二能源电源200相连。负载300分别与第一 馈线700和第二馈线800相连，以通过第一馈线700和第二馈线800获取由第一能源电源 100提供的一部分电能，并通过第二馈线800从第二能源电源200获取其所需电能中的另一 部分电能。
[0020] 特别地，当第二能源电源200可输出的最大电能大于或等于负载300所需电能 *K%时，第二能源电源200提供给负载300所需电能中的另一部分电能占负载300所需电 能的Κ%;当第二能源电源200可输出的最大电能小于负载300所需电能*Κ%时，第二能源 电源200提供给负载300所需电能中的另一部分电能为第二能源电源200可输出的最大电 能，其中，K e (〇, 1〇〇)，Κ%可以依据系统的基本特性，通过基于经验规则或优化建模的方 法得到。
[0021] 优选地，本发明实施例的负载300是对电力具有刚性需求的普通负载。第一能源 电源100为传统能源电源，第二能源电源200为新能源电源。传统能源包括煤、石油、天然 气、木材等的一种或多种。传统能源电源发电量可控，电力输出连续。新能源包括风能、太 阳能、地热能、生物能、海洋能以及由可再生能源衍生出的生物燃料等的一种或多种。新能 源电源发电量受自然因素影响，具有一定的随机性和不确定性，可控范围有限。
[0022] 例如，本发明实施例的新能源电源和传统能源电源联合供电的电力系统中，如图2 所示，包括新能源电源Pi，传统能源电源P 2，负载P3。传统能源电力经高压输电网传输至负 载地区，再经变电站进入低压配电母线，通过馈线A、B向负载供给电力。新能源电源接入含 有总负载K%的负载馈线B中，向该馈线内的负载供给新能源电力。其中，K%代表分配给 新能源电力供给的负载比例，可依据系统的基本特性，通过基于经验规则的、优化建模等多 种方法给出。该系统的功率分配过程如下：
[0023] 假设新能源电源、传统能源电源、负载分别为Ρρ P2、P3 ;
[0024] 根据实时的新能源电源Pi可输出的最大功率、负载所需的功率P3(t)，对 Pi、P2的输出功率Pi (t)，P2 (t)进行控制，分别为：
[0025] P,{t) = min(^to(i),P3(i) x K%),
[0026] Ρ2 (t) = Ρ3 (t) -Ρ! (t)
[0027] 其中，/τ'ω是指若利用该时刻全部的新能源资源进行发电，新能源电源所能达 到的发电功率。
[0028] 因此，本发明实施例的电力系统的优点在于：
[0029] (1)新能源电源通过直接输出电力给终端负载的方式，突破了并网对其的限制，得 到1?效利用；
[0030] (2)不需要储能设备，节省成本，减少污染；
[0031] (3)对于具有新能源发电厂的地区，若将负载的供电模式由传统的电网供电转换 至本发明提出的新能源发电厂和电网联合供电，电网的常规调度将不会受到实质性影响， 因而该电力系统较易实现。
[0032] (4)对负载类型没有限制，适用于刚性电力需求且具有波动性的一般用户负载；
[0033] 例如：以新能源电源Pi为风力发电场（装机容量300MW)、传统能源电源P2S电网、 负载P 3为普通负载（年平均值400MW)为例，三者连接方式如图2,其中风电接入含有总负 载30% (即K% )(年平均值120MW)的负载馈线B中。
[0034] 其中，分配给风电供给的负载比例K%，此处采用了优化建模的求解方法，具体如 下：
[0035] 1)对风电场历史发电数据和负载数据进行统计分析，建立风电场和负载的随机模 型；
[0036] 2)综合考虑新能源利用率和净负载波动率两方面因素，建立系统的优化模型；
[0037] 3)通过非线性规划的优化算法求解出最佳的风电供给比例为30%。
[0038] 该实施例中系统的实时控制示例如下（下述内容的功率单位均为MW):
[0039] (1)已知某时刻，风电场的最大发电功率是/Γ'ω = 50,负载需求是P3(t)= 350,则此时风电场的输出功率设定为fjt) =min(50, 350X30%) =50,即该时刻风力较 小，所发电力不足负载的30%，风电场输出功率为其最大发电功率50。电网供给剩余电力 需求，输出功率设定为：P 2(t) = PjO-Pia) = 350-50 = 300。两种电源的总出力等于负 载需求，系统保持供需平衡。
[0040] (2)已知某时刻，风电场的最大发电功率为/ΓΛ(?) = 2%负载需求为p3(t)= 450,则此时风电场的输出功率设定为=min(250, 450X30% )= 135,即该时刻风力 较大，可发电力超过了负载的30%，故风电场中部分风机停机，实际输出功率为135。电网 供给剩余电力需求，输出功率设定为：P 2(t) iPjO-Pia) = 450-135 = 315。两种电源的 总出力等于负载需求，系统保持供需实时平衡。
[0041] 图3所示为该实例中的风电场和电网24小时内的出力曲线，其中Pi为风电场输 出电力，P 2为电网输出电力，两者之和等于负载需求。
[0042] 对于风电场而言，总输出风电量比总可发风电量为72. 5%，相较于传统的接入输 电网的方式，该系统对大规模风电场的电力输出限制更为宽松，风电可得到高效利用。
[0043] 对电网而言，风电场和负载集结后的整体，可看作一个净负载。利用风电场和负载 的随机特性建立该系统的优化模型，求解所得K值保证了净负载的波动性不大于一般负载 的波动性，因而电网的常规调度不会受到实质性影响。
[0044] 对负载而言，电力需求得到实时满足，且总用电量中的风电量占比为24%，更加经 济环保。
[0045] 本发明在不借助储能设备的情况下，依据实时的新能源电源最大发电能力和负载 需求，调节传统电源和新能源电源的输出量，保证系统供需平衡，实现新能源电力的高效就 地消纳，该电力系统具有高效、易于实现、成本低、利用率高的优点。
[0046] 本发明仅以上述实例说明这种新能源、传统能源的联合供电系统，分配给新能源 电力供给的负载比例（K% )可通过多种方法给出，不局限于上述优化建模的方法。凡在本 发明提出的电力系统的基础上，对个别细节进行的改进和相似变换，均不应排除在本发明 的保护范围之外。
[0047] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含 于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针 对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任一个或多个实 施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将 本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0048] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1. 一种电力系统，其特征在于，包括： 第一能源电源和第二能源电源，所述第一能源电源和第二能源电源用于为负载联合供 电； 高压输电线、变电站和低压配电母线，所述第一能源电源通过所述高压输电线和所述 变电站向所述低压配电母线输送所述负载所需电能中的一部分电能； 第一馈线和第二馈线，所述第一馈线和所述第二馈线与所述低压配电母线相连，所述 第二馈线与所述第二能源电源相连； 负载，所述负载分别与所述第一馈线和所述第二馈线相连，以通过所述第一馈线和所 述第二馈线获取由所述第一能源电源提供的所述一部分电能，并通过所述第二馈线从所述 第二能源电源获取其所需电能中的另一部分电能。
2. 根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，其中， 当所述第二能源电源可输出的最大电能大于或等于所述负载所需电能*K%时，所述第 二能源电源提供给所述负载所需电能中的另一部分电能占所述负载所需电能的Κ%，其中， K e (〇, 100)， 当所述第二能源电源可输出的最大电能小于所述负载所需电能*κ%时，所述第二能源 电源提供给所述负载所需电能中的另一部分电能为所述第二能源电源可输出的最大电能， 其中，K e (〇, 100)。
3. 根据权利要求2所述的电力系统，其特征在于，所述K%可依据系统的基本特性，通 过基于经验规则或优化建模的方法得到。
4. 根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，所述负载是对电力具有刚性需求的 普通负载。
5. 根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，所述第一能源电源为传统能源电源， 所述第二能源电源为新能源电源。
6. 根据权利要求5所述的电力系统，其特征在于，所述传统能源包括煤、石油、天然气、 木材的一种或多种，所述新能源包括风能、太阳能、地热能、生物能、海洋能以及由可再生能 源衍生出的生物燃料的一种或多种。
【文档编号】H02J3/06GK104065073SQ201410274204
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】赵千川, 申颖, 李明扬 申请人:清华大学