高比例可再生能源电网优化调度研究

发布时间：2020-08-27 08:16

【摘要】：高比例可再生能源电网是必然发展趋势。风力、太阳能等间歇式电源功率具有固有的不确定性,不确定性功率对电网功率平衡的影响问题是世界性研究热点。与常规或低渗透率电网不同,为充分利用可再生能源,高比例可再生能源电网须拥有足够的功率消纳能力,调度控制体系的结构与功能须适应间歇式电源高比例的实际,在此基础上须形成关于功率平衡的针对性优化调度方法。本文以“高比例可再生能源电网优化调度研究”为题,采取先刻画不确定性统计规律,再调整调度控制体系,最终落实到优化调度算法及应用的学术路线,开展了如下研究工作。首先,依据不确定功率预测误差的统计规律,提出了不确定度函数模型。风力、太阳能等间歇式电源的功率预测误差虽有样本分散性,但也有统计规律性。定义功率预测均方根误差为不确定度,提出了基于幅值和时间常数两个数字特征的、关于预测超前时间的、描述功率不确定性的不确定度解析函数(?函数)。建立了由风力或太阳能电源、总间歇式电源及电网总电源?函数及其运算关系的不确定度函数体系。不确定度函数模型为总体把握不确定性功率提供了概念清晰、形式简洁的数学手段。提出和证明的4个命题保证了不确定度函数模型的数学严谨性。其次,提出了实时调度临界时间尺度公式,形成了高比例可再生能源电网调度控制体系调整方案。科学的实时调度时间尺度、合理的调控环节功率平衡关系是电网调度控制体系的两个调整要点。采用电网总电源?函数表征功率不确定性,考虑自动发电控制环节的功率调节能力,得到了实时调度临界时间尺度公式。短期(日前)调度面向短期功率预测安排发电计划,储备包括消纳功率备用在内的备用可控功率;实时调度针对实时与短期功率预测差值消纳不确定性功率;自动发电控制平衡实时功率预测产生的失衡功率。三个调度控制环节在功能上协同递进,在时间尺度上嵌套衔接,为充分消纳不确定性功率提供了调度控制的机制保障。第三,提出了稳态电网线性时段的概念,形成了时变潮流线性时段算法。时变潮流算法求取关于时间周期的电压及功率时变函数;定义于节点功率空间的线性时段符合电网节点功率预测的现实,是时变潮流算法的基础。在直角坐标系中,分析了线性时段节点电压导数的范数关系;证明了节点电压导数范数的“U字形”阶数变化规律和近似线性时变性质。构造了线性时段节点电压组合时变函数;进而衔接成时变潮流线性时段算法。算法大幅度简化了非线性时变方程组求解问题的复杂性,具有节点电压实部与虚部解耦、节点之间解耦和线性时段分离等特点,是可靠、准确和快速的时变潮流算法。第四,基于线性时段概念,提出了过程优化潮流的模型和算法。满足时间过程约束的优化潮流是过程优化潮流。常规优化潮流针对时间断面,优化结果不能保证时间过程的所有断面都满足功率及电压约束。选择线性时段为计算时段,时段优化潮流采取中值断面目标优化、两个边值断面约束校核的离散化处理方式,在每个线性时段将非线性时变系统优化问题大幅度简化为三断面优化问题。时段优化潮流依次衔接,构成了过程优化潮流,在满足过程约束条件下实现了最优化。算例验证了过程优化潮流算法的有效性和简洁性。最后,针对高比例可再生能源电网,提出了过程优化潮流递进算法。短期调度以就近消纳为原则,根据短期功率预测和不确定度函数储备消纳功率备用、调整外送线路功率约束;以此为基础,短期过程优化潮流安排短期发电计划。基于短期过程优化潮流的结果,依据实时功率预测,实时过程优化潮流在消纳备用的支撑下安排实时发电计划,最大限度地利用可再生能源。短期和实时过程优化潮流在优化功能上协同递进,在时间过程上嵌套衔接,组合成了过程优化潮流的递进算法。华北某市级电网和改进的IEEE 118节点系统的计算结果表明,在满足过程约束的条件下,过程优化潮流递进算法在满足就近消纳条件下实现了功率优化平衡目标。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM73
【图文】：

电源,种类,可再生能源

1.2 国内外研究现状针对本文研究内容，以下对可再生能源电源、IPS 的功率不确定性、不确定性功率消纳、高比例可再生能源电网调度控制体系和优化潮流几方面的发展或研究现状进行概要性评述。1.2.1 不确定可再生能源的发展现状电源多样，归于三类。从一次能源是否可再生角度看，电源可分为不可再生能源电源和可再生能源电源[4,5]；从二次电能是否可控角度看，电源可分为确定性电源和不确定性电源[6,7]。不可再生能源电源包括火电、核电和燃气发电等，都是确定性电源。可再生能源电源可以是确定性电源，如水力发电、垃圾发电、生物质发电、地热发电等[8,9]；也可以是不确定性电源，如风力发电、太阳能发电、潮汐发电、波浪发电等[10,11]。综合以上，可将电源分为不可再生能源电源、确定性可再生能源和不确定性可再生能源三类，如图 1-1 所示。

风力发电,装机容量,全球,增长率

1.2.1.1 风力发电发展现状风来尘去、用之不竭。风能是空气流动产生的动能，没有污染，地球拥有量巨大。据估算，全世界的风能总量约为 1300 亿千瓦/年，具有十分广阔的开发利用前景。风能利用历史悠久。早在公元前，风能就被用来提水灌溉、磨面舂米。1887 年，也即电力系统诞生后的第 4 年，一个叫 Charles F. Brush 的美国人就在世界上率先安装了一台风力发电机[12]。丹麦人 La Cour 不甘落后，于 1897年安装了两台风力发电机[13]。两位先辈拉开了人类利用风电的序幕。本世纪以来，风力发电受到了世界范围的普遍重视。全球已有 103 个国家和地区加入了开发利用风电的行列。其中一些国家，风电的电网占比很大，比如丹麦为 40%，乌拉圭、葡萄牙和爱尔兰超过 20%，西班牙和塞浦路斯为20%，德国为 16%。全球风能理事会（global wind energy council，GWEC）2017 年 4 月发布的报告显示，2016 年世界风电容量已达 486.8GW，与 2006年相比，累计装机容量增长了 5.6 倍，年均增长 20.73%[14,15]。2006 年到 2016年世界风电装机容量及增长率如图 1-2 所示。

风电,基地,太阳能发电

图 1-3 我国九大风电基地Fig.1-3 Top nine wind farms in China2.1.2 太阳能发电发展现状阳光普照，太阳永恒。太阳能是太阳上的氢原子在超高温条件下核聚变的巨大能量。据估算，每年辐射到地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨标，远远超过风能和其它的能源形式，是世界上最为丰富的一次能源。太阳能发电技术始于上世纪中叶。1954 年，美国贝尔实验室的科学家. Chapin 等人研制成功了单晶硅太阳能电池，光伏发电技术从此诞生[16,1这之后，人们在提高光电转换效率、降低制造成本方面，以及在光热发电方面开展了持续研究工作，取得了普遍实用化的技术成果。近年来，太阳能电源在全球范围内得到了迅速发展。从发展形势看，未阳能电源将会持续快速发展，规模将超过风力电源。国际能源署光伏电力第一项目组（IEA PVPS）2017 年 4 月发布的研究报告显示，2016 年底全伏累计装机容量已达 303.1GW[18]。2006 年到 2016 年，世界太阳能发电容量和发电量均增长了约 43 倍，年均增长 45.7%。截至 2016 年底，全球

【参考文献】