到2030年,间歇性可再生能源的整合对摩洛哥电力系统可靠性的影响

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》:Impact of integrating intermittent renewable energy on the reliability of Morocco's power system through 2030

【字体: 时间:2026年03月25日 来源:RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY 11

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  摩洛哥2030年电力系统可靠性受可再生能源整合影响研究,基于蒙特卡洛模拟分析风电、光伏及聚光太阳能等间歇性电源对可靠性指标(LOLP、LOLE、LOEE)的影响,发现70%风电可恢复传统发电可靠性,而光伏及CSP需结合抽水蓄能及电网互联实现系统稳定。

  
M. El Fahssi|T. Ouchbel|S. Zouggar|M. Larbi Elhafyani|H. Zekraoui
穆罕默德一世大学,乌季达技术学院,电气工程与维护实验室(LEEM),BP,473,60000,摩洛哥

摘要

摩洛哥电力系统正在大规模扩展间歇性可再生能源,以符合该国2030年的国家战略。由于可再生能源的间歇性,这一扩展可能会影响系统的可靠性。本研究的目的是评估到2030年间歇性可再生能源对摩洛哥电力系统可靠性的影响。为此,研究使用了每小时的传统能源和可再生能源发电量以及每小时负荷作为蒙特卡洛模拟的输入数据,以确定不同配置下的可靠性指标,这些配置包括风能、光伏能和聚光太阳能(CSP)、抽水蓄能(PSH)以及电力互联。结果表明,随着可再生能源发电量的增加,可靠性指标有所下降;当风能占比达到70%时,系统的可靠性可达到传统能源发电量的100%,但即使增加了100%的CSP和PV发电量,也无法实现这一目标。此外,额外增加的风能占比为13%、CSP占比为11.6%、PV占比为11.5%时,系统可靠性仍能保持在目标范围内。最后,研究表明,在规划2030年的电网加强措施时,必须考虑PSH和电力互联的作用。

引言

摩洛哥的国家能源战略(NES)于2009年制定,初步目标为2020年实现。在2015年底巴黎COP21气候大会之前,该战略进行了修订,设定了2030年的新目标。这些更新旨在通过减少温室气体(GHG)排放来最小化对化石燃料的依赖,并加速向安全、低碳能源未来的过渡。这通过解决当代能源政策的核心问题来实现:供应安全、可负担性和可持续性[[1], [2], [3], [4]]。NES的一个关键目标是通过大规模发展国内可再生能源(RE)来减少对进口燃料的依赖,从而保障国家能源供应[[5,6]]。
根据摩洛哥综合风能计划(2010年制定)和国家太阳能计划(2009年启动),到2020年,风能和太阳能(包括聚光太阳能CSP和光伏PV)的装机容量目标均为2000兆瓦。在此基础上,摩洛哥计划在2018年至2030年间将可再生能源装机容量增加约10吉瓦,其中风能4200兆瓦、太阳能4560兆瓦、水力发电1330兆瓦[[5,7]]。
到2020年,摩洛哥可再生能源装机容量占比约为36.8%,略低于其42%的目标。尽管太阳能和风能项目存在延误,但显著的装机容量扩张已使可再生能源成为国家能源结构的支柱。为了实现2030年的目标,摩洛哥承诺大规模部署风能、CSP和PV发电厂。然而,可再生能源的大幅增加可能会显著影响电力系统维持电网可靠性和平衡负荷的能力。
文献中有许多研究使用各种技术和方法评估电力系统的可靠性。以下部分回顾了其中一些相关的工作。
Eryilmaz等人[8]研究了由风力涡轮机和光伏系统组成的混合系统的可靠性,通过计算预期未供应的能量(EENS)和可靠性能量指数(EIR)值来进行评估,同时考虑了风速和太阳辐射分布。Akhtar等人[9]研究了将风能和太阳能整合到电网中的可靠性提升问题,并重点讨论了先进的智能策略。Oh等人[10]提出了一种新的概率电力系统可靠性评估方法,该方法基于蒙特卡洛模拟,适用于安装在风电场的多能源储存系统(ESS)。Ali Kadhem等人[11]利用组合顺序蒙特卡洛模拟(MCS)技术和Weibull分布模型,研究了风能对电力系统可靠性的影响,并为马来西亚特定地点的风电场选址提供了依据。Yu等人[12]通过基于MCS的框架,研究了负荷损失预期(LOLE)这一风险指标,以了解全国范围内的可用发电能力如何无法满足客户需求。
此外,还有一些研究探讨了可再生能源整合对摩洛哥电网可靠性的影响。Oukili等人[13],[14],[15],[16]使用非顺序蒙特卡洛算法和幸福感指标方法,评估了2009年摩洛哥电网在整合CSP、PV和风能后的可靠性。El Fahssi等人[17],[18]使用非顺序MCS评估了2019年CSP和风能整合对摩洛哥电网可靠性的影响。Karmich等人[19]采用概率方法评估了2030年将可再生能源生产单元整合到电力系统中的效果。
本研究旨在评估到2030年,间歇性可再生能源(风能、PV和CSP)整合对摩洛哥电力系统可靠性的影响。研究采用了非顺序蒙特卡洛方法,并通过关键指标(如负荷损失概率(LOLP)、LOLE和能量损失预期(LOEE)来评估可靠性。
Oukili等人[13],[14],[15],[16]的研究也使用了非顺序蒙特卡洛模拟;然而,他们的分析仅限于2009年,即2030年修订后的NES尚未实施之前。此外,这些研究中的每小时负荷是使用年度峰值和基础消费之间的简单均匀分布进行建模的。
本研究开发了一种新的方法,基于特定地点的气象参数来模拟每小时的风能、PV和CSP发电量。同时,2030年的每小时负荷是通过预测的月度需求与每小时消费量之间的相关性进行预测的。
此外,电力系统配置(包括风能、PV、CSP和传统能源,同时考虑了抽水蓄能PSH和电力互联)基于2030年修订后的NES。该设置用于确定电力系统可以整合的每种可再生能源的容量余量。
本文的其余部分结构如下:第2节概述了研究方法,第3节讨论了2030年的电力生成前景,第4节详细介绍了可再生能源的生成情况,第5节分析了摩洛哥电力负荷的变化。第6节展示了结果和讨论,第7节给出了结论。

研究方法

本研究使用蒙特卡洛模拟(MCS)来评估摩洛哥电力系统的可靠性[[20],[21],[22],[23],[24]]。该模拟将“网络生命周期”视为一系列改变系统状态的事件,每小时都会考虑一个新状态。此外,这种模拟还取决于系统的层级结构。例如,在层级I(HL I)中,考虑了发电、负荷波动、计划中的生产单元停机或因维护而强制停机等因素。

摩洛哥能源战略

2009年,摩洛哥制定了NES,其中包含了2020年的目标。在2015年的第21届气候大会之前,该战略又进行了修订,增加了2030年的目标。
根据NES和2009-2015年国家优先行动计划(NPAP)的目标,到2020年,电力部门中可再生能源的占比约为42%;到2030年,这一比例将达到52%(风能20%、水力20%、太阳能12%)(图2)[40,41]。
这一战略已被转化为明确具体的行动计划:

摩洛哥的可再生能源潜力

摩洛哥拥有丰富的风能资源,其3500公里的海岸线沿线风速强劲(海拔80米处风速可达11米/秒),主要集中在该国南部和北部地区,风能资源估计超过25吉瓦[29,45]。摩洛哥的地理位置也提供了优越的太阳能潜力,平均每日辐射量超过5千瓦时/平方米[29]。根据摩洛哥可持续能源机构(MASEN)的数据,这一潜力超过2600千瓦时/平方米/年[29]。

摩洛哥电力负荷的演变

本节的目的是估算2030年摩洛哥的每小时电力负荷。研究使用了摩洛哥高级规划委员会(HCP)的数据来预测当年的月度能源消耗[58,59]。这些研究涵盖了不同的情景,本研究选择的情景是2030年摩洛哥的基准负荷(图20)。
根据2013-2020年期间每年高峰日的每小时负荷数据(图21),我们...

用传统能源替代可再生能源的影响

第一节的目标是研究在没有PSH和电力互联的情况下,到2030年可再生能源对摩洛哥电力系统可靠性的影响。为此,建立了蒙特卡洛模拟(MCS)来评估这种影响,模拟中考虑了将间歇性可再生能源纳入传统能源发电系统,并用传统能源(具有相同的装机容量和负荷)进行替代。图23展示了模拟结果。
图23(a)

结论

本文通过非顺序蒙特卡洛模拟(MCS)评估了到2030年,可再生能源整合对摩洛哥电力系统可靠性的影响,重点关注了层级I(HL I)的发电水平。
研究采用了新的方法来建模MCS的输入数据;每小时的传统发电量是根据EFOR_d估算的。每小时的风能、PV和CSP发电量是根据每个地点的气象参数(太阳辐射、风速、环境温度)和技术条件计算得出的。

CRediT作者贡献声明

M. El Fahssi:撰写——审稿与编辑,撰写——初稿,方法论,调查,形式分析,概念化。T. Ouchbel:可视化,验证,监督,概念化。S. Zouggar:验证,监督,项目管理,调查。M. Larbi Elhafyani:验证,监督,项目管理,调查,概念化。H. Zekraoui:撰写——审稿与编辑,可视化,方法论,形式分析。
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