【摘要】：高比例可再生能源電網(wǎng)是必然發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)力、太陽能等間歇式電源功率具有固有的不確定性,不確定性功率對(duì)電網(wǎng)功率平衡的影響問題是世界性研究熱點(diǎn)。與常規(guī)或低滲透率電網(wǎng)不同,為充分利用可再生能源,高比例可再生能源電網(wǎng)須擁有足夠的功率消納能力,調(diào)度控制體系的結(jié)構(gòu)與功能須適應(yīng)間歇式電源高比例的實(shí)際,在此基礎(chǔ)上須形成關(guān)于功率平衡的針對(duì)性優(yōu)化調(diào)度方法。本文以“高比例可再生能源電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究”為題,采取先刻畫不確定性統(tǒng)計(jì)規(guī)律,再調(diào)整調(diào)度控制體系,最終落實(shí)到優(yōu)化調(diào)度算法及應(yīng)用的學(xué)術(shù)路線,開展了如下研究工作。首先,依據(jù)不確定功率預(yù)測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,提出了不確定度函數(shù)模型。風(fēng)力、太陽能等間歇式電源的功率預(yù)測(cè)誤差雖有樣本分散性,但也有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。定義功率預(yù)測(cè)均方根誤差為不確定度,提出了基于幅值和時(shí)間常數(shù)兩個(gè)數(shù)字特征的、關(guān)于預(yù)測(cè)超前時(shí)間的、描述功率不確定性的不確定度解析函數(shù)(?函數(shù))。建立了由風(fēng)力或太陽能電源、總間歇式電源及電網(wǎng)總電源?函數(shù)及其運(yùn)算關(guān)系的不確定度函數(shù)體系。不確定度函數(shù)模型為總體把握不確定性功率提供了概念清晰、形式簡潔的數(shù)學(xué)手段。提出和證明的4個(gè)命題保證了不確定度函數(shù)模型的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。其次,提出了實(shí)時(shí)調(diào)度臨界時(shí)間尺度公式,形成了高比例可再生能源電網(wǎng)調(diào)度控制體系調(diào)整方案�？茖W(xué)的實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)間尺度、合理的調(diào)控環(huán)節(jié)功率平衡關(guān)系是電網(wǎng)調(diào)度控制體系的兩個(gè)調(diào)整要點(diǎn)。采用電網(wǎng)總電源?函數(shù)表征功率不確定性,考慮自動(dòng)發(fā)電控制環(huán)節(jié)的功率調(diào)節(jié)能力,得到了實(shí)時(shí)調(diào)度臨界時(shí)間尺度公式。短期(日前)調(diào)度面向短期功率預(yù)測(cè)安排發(fā)電計(jì)劃,儲(chǔ)備包括消納功率備用在內(nèi)的備用可控功率;實(shí)時(shí)調(diào)度針對(duì)實(shí)時(shí)與短期功率預(yù)測(cè)差值消納不確定性功率;自動(dòng)發(fā)電控制平衡實(shí)時(shí)功率預(yù)測(cè)產(chǎn)生的失衡功率。三個(gè)調(diào)度控制環(huán)節(jié)在功能上協(xié)同遞進(jìn),在時(shí)間尺度上嵌套銜接,為充分消納不確定性功率提供了調(diào)度控制的機(jī)制保障。第三,提出了穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)線性時(shí)段的概念,形成了時(shí)變潮流線性時(shí)段算法。時(shí)變潮流算法求取關(guān)于時(shí)間周期的電壓及功率時(shí)變函數(shù);定義于節(jié)點(diǎn)功率空間的線性時(shí)段符合電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功率預(yù)測(cè)的現(xiàn)實(shí),是時(shí)變潮流算法的基礎(chǔ)。在直角坐標(biāo)系中,分析了線性時(shí)段節(jié)點(diǎn)電壓導(dǎo)數(shù)的范數(shù)關(guān)系;證明了節(jié)點(diǎn)電壓導(dǎo)數(shù)范數(shù)的“U字形”階數(shù)變化規(guī)律和近似線性時(shí)變性質(zhì)。構(gòu)造了線性時(shí)段節(jié)點(diǎn)電壓組合時(shí)變函數(shù);進(jìn)而銜接成時(shí)變潮流線性時(shí)段算法。算法大幅度簡化了非線性時(shí)變方程組求解問題的復(fù)雜性,具有節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部與虛部解耦、節(jié)點(diǎn)之間解耦和線性時(shí)段分離等特點(diǎn),是可靠、準(zhǔn)確和快速的時(shí)變潮流算法。第四,基于線性時(shí)段概念,提出了過程優(yōu)化潮流的模型和算法。滿足時(shí)間過程約束的優(yōu)化潮流是過程優(yōu)化潮流。常規(guī)優(yōu)化潮流針對(duì)時(shí)間斷面,優(yōu)化結(jié)果不能保證時(shí)間過程的所有斷面都滿足功率及電壓約束。選擇線性時(shí)段為計(jì)算時(shí)段,時(shí)段優(yōu)化潮流采取中值斷面目標(biāo)優(yōu)化、兩個(gè)邊值斷面約束校核的離散化處理方式,在每個(gè)線性時(shí)段將非線性時(shí)變系統(tǒng)優(yōu)化問題大幅度簡化為三斷面優(yōu)化問題。時(shí)段優(yōu)化潮流依次銜接,構(gòu)成了過程優(yōu)化潮流,在滿足過程約束條件下實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。算例驗(yàn)證了過程優(yōu)化潮流算法的有效性和簡潔性。最后,針對(duì)高比例可再生能源電網(wǎng),提出了過程優(yōu)化潮流遞進(jìn)算法。短期調(diào)度以就近消納為原則,根據(jù)短期功率預(yù)測(cè)和不確定度函數(shù)儲(chǔ)備消納功率備用、調(diào)整外送線路功率約束;以此為基礎(chǔ),短期過程優(yōu)化潮流安排短期發(fā)電計(jì)劃。基于短期過程優(yōu)化潮流的結(jié)果,依據(jù)實(shí)時(shí)功率預(yù)測(cè),實(shí)時(shí)過程優(yōu)化潮流在消納備用的支撐下安排實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃,最大限度地利用可再生能源。短期和實(shí)時(shí)過程優(yōu)化潮流在優(yōu)化功能上協(xié)同遞進(jìn),在時(shí)間過程上嵌套銜接,組合成了過程優(yōu)化潮流的遞進(jìn)算法。華北某市級(jí)電網(wǎng)和改進(jìn)的IEEE 118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果表明,在滿足過程約束的條件下,過程優(yōu)化潮流遞進(jìn)算法在滿足就近消納條件下實(shí)現(xiàn)了功率優(yōu)化平衡目標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM73
【圖文】：

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對(duì)本文研究內(nèi)容，以下對(duì)可再生能源電源、IPS 的功率不確定性、不確定性功率消納、高比例可再生能源電網(wǎng)調(diào)度控制體系和優(yōu)化潮流幾方面的發(fā)展或研究現(xiàn)狀進(jìn)行概要性評(píng)述。1.2.1 不確定可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀電源多樣，歸于三類。從一次能源是否可再生角度看，電源可分為不可再生能源電源和可再生能源電源[4,5]；從二次電能是否可控角度看，電源可分為確定性電源和不確定性電源[6,7]。不可再生能源電源包括火電、核電和燃?xì)獍l(fā)電等，都是確定性電源�？稍偕茉措娫纯梢允谴_定性電源，如水力發(fā)電、垃圾發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等[8,9]；也可以是不確定性電源，如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電等[10,11]。綜合以上，可將電源分為不可再生能源電源、確定性可再生能源和不確定性可再生能源三類，如圖 1-1 所示。

1.2.1.1 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)來塵去、用之不竭。風(fēng)能是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，沒有污染，地球擁有量巨大。據(jù)估算，全世界的風(fēng)能總量約為 1300 億千瓦/年，具有十分廣闊的開發(fā)利用前景。風(fēng)能利用歷史悠久。早在公元前，風(fēng)能就被用來提水灌溉、磨面舂米。1887 年，也即電力系統(tǒng)誕生后的第 4 年，一個(gè)叫 Charles F. Brush 的美國人就在世界上率先安裝了一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)[12]。丹麥人 La Cour 不甘落后，于 1897年安裝了兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)[13]。兩位先輩拉開了人類利用風(fēng)電的序幕。本世紀(jì)以來，風(fēng)力發(fā)電受到了世界范圍的普遍重視。全球已有 103 個(gè)國家和地區(qū)加入了開發(fā)利用風(fēng)電的行列。其中一些國家，風(fēng)電的電網(wǎng)占比很大，比如丹麥為 40%，烏拉圭、葡萄牙和愛爾蘭超過 20%，西班牙和塞浦路斯為20%，德國為 16%。全球風(fēng)能理事會(huì)（global wind energy council，GWEC）2017 年 4 月發(fā)布的報(bào)告顯示，2016 年世界風(fēng)電容量已達(dá) 486.8GW，與 2006年相比，累計(jì)裝機(jī)容量增長了 5.6 倍，年均增長 20.73%[14,15]。2006 年到 2016年世界風(fēng)電裝機(jī)容量及增長率如圖 1-2 所示。

圖 1-3 我國九大風(fēng)電基地Fig.1-3 Top nine wind farms in China2.1.2 太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀陽光普照，太陽永恒。太陽能是太陽上的氫原子在超高溫條件下核聚變的巨大能量。據(jù)估算，每年輻射到地球表面的太陽能相當(dāng)于 130 萬億噸標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過風(fēng)能和其它的能源形式，是世界上最為豐富的一次能源。太陽能發(fā)電技術(shù)始于上世紀(jì)中葉。1954 年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家. Chapin 等人研制成功了單晶硅太陽能電池，光伏發(fā)電技術(shù)從此誕生[16,1這之后，人們?cè)谔岣吖怆娹D(zhuǎn)換效率、降低制造成本方面，以及在光熱發(fā)電方面開展了持續(xù)研究工作，取得了普遍實(shí)用化的技術(shù)成果。近年來，太陽能電源在全球范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展。從發(fā)展形勢(shì)看，未陽能電源將會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，規(guī)模將超過風(fēng)力電源。國際能源署光伏電力第一項(xiàng)目組（IEA PVPS）2017 年 4 月發(fā)布的研究報(bào)告顯示，2016 年底全伏累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 303.1GW[18]。2006 年到 2016 年，世界太陽能發(fā)電容量和發(fā)電量均增長了約 43 倍，年均增長 45.7%。截至 2016 年底，全球

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2805853