面向能源互联网的电力系统时空多维规划及运营模式研究

发布时间：2020-08-23 14:34

【摘要】：“十三五”时期是我国小康社会建设的决胜期、全面深化改革的攻坚期。而电力是关系国计民生的基础产业,电力供应和安全事关国家安全战略,事关社会经济发展全局。电力发展,规划先行。在此背景下,2016年11月7日,国家发改委、国家能源局正式发布了《电力发展“十三五”规划》,内容涵盖了核电、水电、煤电、气电、风电、太阳能发电、输配电网建设等方方面面,为电力工业的发展提供了基本遵循。然而,能源互联网等新技术、新理念的发展将使电力系统物理架构、信息交互方式、电力市场运营模式发生改变,给传统电力系统规划和运营工作带来了新挑战。对此,本文建立了一套面向能源互联网的电力系统时空多维规划方法及市场运营模式,旨在回答:什么是能源互联网?能源互联网将给电力系统规划和运营带来哪些影响及挑战?如何从不同维度来应对?应该设计怎样的配套机制?希望通过回答这些问题,为未来电力系统相关工作提供新思路、新方法、新工具。本文的主要工作总结如下:首先,提出了能源互联网的演化过程及其对电力系统的影响。从能源互联网提出的背景和意义出发,明确了能源互联网的定义、特征和基本架构,重点剖析了能源互联网物理层、信息层、市场层三个层级的架构元素,刻画了能源互联网市场从微观层级到市场层级再到多市场层级的演化过程和市场体系,重点提出了能源互联网交易的五个特点、三类产品和三种基本交易模式。结合传统电力系统规划和运营面临的瓶颈及不足,明确了能源互联网的发展给电力系统规划和市场运营带来的时间维度、空间维度、多能源系统维度、市场运营角度等多方面的影响,并提出了改进思路,为提出面向能源互联网的电力系统规划方法和运营模式奠定理论基础。其次,基于能源互联网给电力系统带来的影响分析,分别从时间维度、空间维度、多能源系统维度提出了面向能源互联网的电力系统规划方法。在时间维度上,结合能源互联网的多阶段特性、博弈形态和系统清洁低碳化要求,基于Stackelberg博弈理论提出了以社会福利最大化为主目标,运行阶段个体收益最大化和规划阶段发电商总体收益最大化为辅目标,重点关注主体博弈、系统低碳特性和可再生能源发电的电力系统源-网多阶段协调规划模型及求解算法。在空间维度上,鉴于能源自平衡单元内规划与系统多自平衡单元之间规划存在着主从递阶关系,根据双层规划模型设计原理,首次提出了面向能源互联网的电力系统多区域综合规划模型:上层模型以系统可靠性最大为目标,以RMI为评判指标,下层模型以自平衡单元成本最小化为目标,上层和下层优化规划存在耦合迭代特征。在多能源系统维度上,通过扩展自平衡单元的能源组件将多能源自平衡单元从电力系统扩展到多能源综合系统,基于不同能源子系统特征,以综合成本最小化为目标构建了天然气网络设施规划模型、电动汽车充电设施规划模型、电力系统网源规划模型。寻求天然气网络、交通网络、电力系统的耦合点,首次将三个系统模型整合形成面向能源互联网的综合能源系统规划模型,使其能在统一框架下实现优化规划;同时,三个系统模型与总模型之间有反馈机制,当总模型方案无法满足子系统模型时将进行重置,并利用改进的Garver测试系统验证了模型的有效性。第三,针对传统电力系统规划评价体系与新电力系统规划方法不匹配的、不适用的问题,提出了面向能源互联网的电力系统规划综合效益评价方法。结合能源互联网框架下电力系统规划需要体现的特点和要求,借助系统动力学揭示了面向能源互联网的电力系统规划所带来的综合效益增益内在逻辑。在此基础上,从规划的清洁低碳效益、经济效益、智能高效效益和安全稳定效益四个指标维度,设计并建立了面向能源互联网电力系统规划综合效益评价指标体系及指标的数学表达,并采用改进ELECTRE算法求解面向能源互联网的电力系统规划综合效益评价问题,以提升评价体系在实际工作中的适用性。第四,为了保证在能源互联网环境下,规划结果能够与市场运营更好的衔接,本文对面向能源互联网的电力市场运营模式展开了研究。通过总结电力市场化改革措施、刻画改革后的电力市场架构,结合能源互联网的基本特征和交易特点,从市场主体、交易模式、市场结构、市场监管四个方面设计了面向能源互联网的电力市场运营模式。此外,为保障电力市场健康有序高效发展和运营,提出了面向能源互联网的电力市场监管模式及保障措施,明确了在能源互联网背景下电力市场监管的基本原则、监管重点和保障措施。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：F426.61
【图文】：

能源,基本架构,互联网,信息层

图２－１能源互联网基本架构逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｂａｓｉｃ邋Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｏｆ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｉｎｔｅｒｎｅｔ逡逑由图２－１所示，能源互联网基本架构包含物理层－信息层－市场层的多个要素，逡逑形成一定内在逻辑。逡逑物理层：能源互联网的物理层主要是指能源整个生产、传输、存储和消费过程逡逑中物理设备和网络，应该包含了多个能源子系统。物理层是要保证能源互联网中物逡逑理能源的正常交易、传输和利用，是能源互联网运行的基础。从上图中可以看到，逡逑能源互联网物理层犹如一个生物组织体，这个组织体中存在若干个相对独立又广泛逡逑互联的物理单元。这些物理单元在执行任务时相对独立，同时正常情况下每个单元逡逑能够实现自我平衡，称之为能源自平衡单元，即ＳＵＭＥ。在ＳＵＭＥ中，供能端由石逡逑油、煤炭、天然气、核能等传统能源系统和风能、太阳能、水能等清洁能源系统构逡逑成多能源供能系统，供能方式由集中式供能和分布式供能两种；网络输送端以微型逡逑网络为主，每个微型网络承担局部区域的能量传输，这些微网包含了分布式能源系逡逑统、储能装置以及多元化负荷设备；用能端有微网中的分散用户

测试系统,节点

３．５．１基础数据及模型参数逡逑利用改进的ＩＥＥＥ－２４节点系统分析面向能源互联网的电力系统源－网多阶段协逡逑调规划问题，系统结构如图３－３所示。系统中有２４个独立的节点，其中有１７个节逡逑点具备可再生能源电源安装条件。模型优化的目的在于综合考虑未来负荷需求、发逡逑电和输电成本变化以及可再生能源发电大规模并网，保证电源与电网规划的协调性逡逑和一致性，最终实现社会福利最大化目标。逡逑假设第一阶段和第二阶段的规划期都为５年，第三阶段运行期为１５年。折现逡逑率ｒ为５％，线损率为６％，系统备用容量率＜５不低于３０％，初始发电容量、各节逡逑点之间的输电线路参数、负荷数据参见文献［１２１－１２２］。各种发电方式的机组运行特逡逑征参数如表１所示，设定各发电商同一类型机组参数无差异。各节点允许接入的逡逑ＲＥ最大容量为６０ＭＷ，节点电压允许波动范围为±５％；邋ＲＥＧ功率因数可调范围为逡逑［０．９５，０．９５］。参考国内外实际情况，输电价格取为０．３８元／ｋＷ．ｈ，碳交易价格为逡逑４５邋元／ｔ。逡逑＠＿＿０逦—０—．逦＠逡

曲线,风电,光伏发电,和风

如前文所述，假设光伏发电和风电出力基本服从Ｂｅｔａ分布和Ｗｅｉｂｕｌｌ分布。为逡逑了更直观表达，此处结合实际数据，描绘了风机出力曲线和光伏发电出力曲线，如逡逑图３－４和图３－５所示。假设典型日代表了该区域内光伏发电和风电的出力分布，不逡逑同日期无差异，则其全年出力可通过典型日推导。逡逑９０％邋｜逦—逡逑？？最大出力曰逡逑８0Ｐ0逦一费出力曰逡逑４０Ｈ逦７０％逦出力日逡逑６０％邋、逡逑＾逦５０％逦■逦＼逡逑：逦：：！逡逑＾逦６逦８逦１０逦１２逦１４逦１６逦１８逦２０逦２２逦２４逦ｆ逡逑＼７0ｎ／ｓ）逦０：００邋２：００邋４：００邋６：００邋８：００邋１０：００邋１２：００邋１４：００邋１６：００邋１８：００邋２０：００邋２２：００逡逑图３－４典型日风电出力曲线逡逑Ｆｉｇ．３－４邋Ｏｕｔｐｕｔ邋Ｃａｒｖｅｓ邋ｆｒｏｍ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋Ｄａｙｓ逡逑ｉ（ｉ＂丨逡逑—晴天逡逑—阴天逡逑８０％邋ｌ逡逑６０％邋卜邋／邋＼逡逑０逦７：００逦９：００逦１１：００逦１３：００逦１５：００逦１７：００逦１９：００逡逑图３－５典型日光伏发电出力曲线逡逑Ｆｉｇ．３－５邋Ｏｕｔｐｕｔ邋Ｃａｒｖｅｓ邋ｆｒｏｍ邋Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋Ｄａｙｓ逡逑３．５．２优化结果及对比分析逡逑为验证本文所提模型方法的有效性，设定以下３种情景进行对比分析：逡逑４９逡逑

【参考文献】