第1章緒論

1.1課題研究背景和意義
隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的不斷增長，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的石油、天然氣和煤炭等化石能源則日趨匱乏。二十世紀七十年代全球能源危機爆發(fā)使得能源短缺和環(huán)境污染成為了世界各國都不容忽視的重要難題。為實現(xiàn)能源的持續(xù)發(fā)展，世界各國紛紛開始開發(fā)可持續(xù)利用的清潔能源，使風(fēng)能、太陽能、地熱能、潮沙能、生物質(zhì)能等可再生能源進入了一個全新的發(fā)展階段。我國的發(fā)電結(jié)構(gòu)中火電比例過大，因此燃料資源缺乏和環(huán)境污染問題更為顯著，必須加大新能源發(fā)電的開發(fā)力度，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。我國幅員遼闊，具有豐富的風(fēng)能資源，陸地上可開發(fā)的面積達20萬平方公里，集中分布在“三北”地區(qū)，即東北、華北和西北，以及東南沿海地帶；同時，光伏發(fā)電的潛力巨大，沙漠、戈壁的總面積約130.8萬平方公里，集中在西北、東北的7個省區(qū)。因此，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電相較于其它的新能源發(fā)電形式具有更為廣闊的應(yīng)用前景，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)也是改善我國能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境質(zhì)量的一項重要策略[1]。我國的資源分布特點決定了風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電將逐步向大規(guī)模、集中化的方向發(fā)展，同時，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有隨機性、波動性、反調(diào)峰等特點，與常規(guī)能源發(fā)電有很大的不同，大規(guī)模集中并網(wǎng)后將對現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、輸配電能力帶來一定的沖擊與影響。主要包括：要求配置更多的備用或調(diào)峰容量；引起電壓波動、閃變以及諧波等問題，影響用戶的電能質(zhì)量；影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，給電網(wǎng)安全帶來一定的隱患[2_6]。目前，國內(nèi)l000kV特高壓輸電己進入建設(shè)階段，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)指日可待，這也意味著電網(wǎng)對運行安全性和穩(wěn)定性的要求將更加嚴格[7]。如何基于現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進行規(guī)劃和設(shè)計，實現(xiàn)資源的充分有效利用和系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，具有非常現(xiàn)實的研究意義。本文基于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電這兩種典型的新能源發(fā)電技術(shù)，分析其出力特性及并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)運行的影響，以保障系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行為目標，對其大規(guī)模集中并網(wǎng)規(guī)劃方法進行研究，包括接入容量計算、接入點選擇、無功補償優(yōu)化等關(guān)鍵問題的分析，為新能源的大規(guī)模集中并網(wǎng)規(guī)劃問題提出了新的理論方法和研究方向。
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1.2課題研究現(xiàn)狀
全球的風(fēng)能資源極為豐富，，分布區(qū)域幾乎覆蓋了所有的地區(qū)和國家，技術(shù)上可以利用的資源總量約為53X106億度/年。十九世紀末，丹麥率先將目光投向風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，開啟了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的探索，于1891年研制出了首臺風(fēng)力發(fā)電機組，并成功建立了世界首個風(fēng)力發(fā)電場[81。此后，世界各國紛紛開始關(guān)注與重視風(fēng)力發(fā)電研究，使其得到了極大的普及與發(fā)展。上世紀七十年代爆發(fā)石油危機以后，美國、西歐等發(fā)達國家為了降低對化石能源的依賴，轉(zhuǎn)而投入到風(fēng)電場的研究與建設(shè)中，風(fēng)力發(fā)電開始蓬勃發(fā)展。到了上世紀九十年代，在世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展大好的形勢下，越來越多的國家開始大規(guī)模發(fā)展利用風(fēng)能，并制定了一系列風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)惠政策，激勵新能源發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過40年的不斷發(fā)展，世界風(fēng)力發(fā)電取得了的令人矚目的成就。1996?2012年的全球累計風(fēng)電裝機容量和年度新增風(fēng)電裝機容量如圖1-1和1-2所示，平均增長速度分別為27.2%和26.6%。至2012年底全球風(fēng)電的裝機容量己達到了282.587GW,其中累計裝機容量排名在前10位的國家依次是：中國，美國，德國，西班牙，印度，英國，意大利，法國，加拿大和葡萄牙；新增裝機容量排名在前10位的國家依次是：美國，中國，德國，印度，英國，意大利，西班牙，巴西，加拿大和羅馬尼亞。
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第2章大規(guī)模新能源隨機性出力建模

2.1蒙特卡羅模擬法
針對風(fēng)電場和光伏電站的隨機性出力特點，本文采用蒙特卡羅模擬法建立其出力模型。該方法的理論基礎(chǔ)是概率論和數(shù)理統(tǒng)計，從給定的概率分布中抽取隨機變量，通過對隨機變量進行數(shù)字模擬和統(tǒng)計分析得出所求問題的近似解，將求解的問題與概率模型聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了對系統(tǒng)或元件的隨機或確定抽樣試驗[38]。在分析具體問題的過程中利用計算機產(chǎn)生一系列隨機數(shù)來反映系統(tǒng)及元件的概率分布情況，系統(tǒng)內(nèi)每個隨機因素的狀態(tài)通過相應(yīng)的概率分布函數(shù)來抽樣確定，整個系統(tǒng)的狀態(tài)可以通過各隨機因素的狀態(tài)組合來確定，通過大量地抽樣試驗來模擬系統(tǒng)的實際運行狀況，最后累計統(tǒng)計結(jié)果從而得到系統(tǒng)的分析結(jié)果。蒙特卡羅模擬法的優(yōu)點是通過隨機抽樣來統(tǒng)計計算結(jié)果，思想簡單，易于模擬隨機因素；能夠處理系統(tǒng)中多個變量的隨機變化；能夠比較真實地反映系統(tǒng)的實際運行情況；抽樣次數(shù)和計算量不會隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的改變而改變，因此可用來分析大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的一些復(fù)雜因素和評估計算。蒙特卡羅模擬法的主要缺點是計算結(jié)果的準確性較差，且計算時間與計算精度的平方成反比，為了獲取較高精度的計算結(jié)果，通常需要把仿真時間設(shè)定的很長。
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2.2風(fēng)電場的隨機出力模型
由于風(fēng)力發(fā)電機組出力的隨機性是由風(fēng)速引起的，因此，大規(guī)模風(fēng)電場出力建模的第一步是準確掌握風(fēng)速的變化規(guī)律，選取擬合風(fēng)速的概率分布模型。通過對各風(fēng)電場風(fēng)速的歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計，提取出風(fēng)速隨機波動變化的統(tǒng)計規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上選取風(fēng)速波動的典型分布，利用參數(shù)估計得到各處風(fēng)電場的風(fēng)速分布參數(shù)，對未來某一時間段內(nèi)的風(fēng)速波動變化情況進行預(yù)測或模擬。目前用于描述平均風(fēng)速隨機性的分布有很多，如兩參數(shù)Weibull分布、三參數(shù)Weibull分布、正態(tài)分布、Rayleigh分布等[I6]。大量的實測數(shù)據(jù)表明，一年之中絕大部分時間風(fēng)速都是比較平緩的，在0-25ni/s之間的概率很高。通過對不同概率分布相應(yīng)的風(fēng)能特性指標進行對比分析，大量的研究事實表明，Weibull分布的適應(yīng)性最強，能夠更準確的擬合實際的風(fēng)速情況，絕大多數(shù)地區(qū)風(fēng)速的隨機變化都可以采用Weibull分布函數(shù)來表示[38]。因此本文采用兩參數(shù)Weibull分布來進行風(fēng)速的擬合，典型的風(fēng)速概率分布曲線如圖2-1所示。
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第3章大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)的規(guī)劃模型........   20
3.1接入容量與接入點優(yōu)化主要考慮因素........ 20
3.2新能源接入容量與接入點優(yōu)化模型........ 21
3.2.1目標函數(shù)........ 22
3.2.2約束條件........ 23
3.3無功補償優(yōu)化理論基礎(chǔ)........ 23
3.4新能源并網(wǎng)無功補償優(yōu)化模型........ 25
3.4.1目標函數(shù)........ 25
3.4.2約束條件........ 25
3.5本章小結(jié)........26
第4章新能源并網(wǎng)規(guī)劃算法與應(yīng)用........ 28
4.1改進的差分進化算法 ........28
4.2多目標屬性的決策方法 ........31
4.3改進差分進化算法的實現(xiàn)........ 33
4.3.1計算流程 ........33
4.3.2 MATLAB 程序編寫........ 34
4.4算例分析 ........35
4.4.1接入容量與接入點優(yōu)化算例........ 35
4.4.2無功補償優(yōu)化算例........   39
4.5本章小結(jié)........ 43
第5章結(jié)論與展望........ 46
5.1全文總結(jié)........ 46
5.2工作展望........ 47

第4章新能源并網(wǎng)規(guī)劃算法與應(yīng)用

4.1改進的差分進化算法
差分進化（Differential Evolution, DE) [45]的基本思想是：利用種群中2個隨機選取的向量的差作為第3個向量的隨機變化源，新一代種群基于這個策略由當前種群進行變異、交叉和選擇后得到，逐步進化種群直至達到包含或接近最優(yōu)解的狀態(tài)。其原理與遺傳算法相似，也是包括變異、交叉和選擇三個核心步驟，但是采用的策略不同。變異采用差分策略，即在當前種群中隨機選取中兩個不同的個體，將其向量差與變異因子相乘，再與待變異個體向量相加；交叉操作以交叉因子概率在變異個體和當前個體中進行選擇，得到新的個體；選擇采用“貪娶”模式，當前種群中的新個體只有在評價函數(shù)值優(yōu)于上一代時，才能進入到下一代群體中。差分進化算法的優(yōu)點是簡單的差分變異操作和一對一的選擇競爭策略，既保留了基于種群的全局搜索規(guī)模，又降低了遺傳操作的復(fù)雜性；具備特有的記憶能力，可以根據(jù)跟蹤到的搜索情況動態(tài)調(diào)整搜索策略，具有較強的魯棒性和全局的收斂能力。接入容量與接入點優(yōu)化模型為多目標混合整數(shù)非線性模型，在求解時具有一定的復(fù)雜度，根據(jù)差分進化算法的特點，只要在計算過程中對變異操作進行改進即可。對于0-1整數(shù)變量，采用四舍五入法進行取整運算；對于其它整數(shù)變量，在變異后同時進行向上取整和向下取整運算，得到兩個試驗向量，這種處理方法保留了整數(shù)變量的所有可能取值，擴大了尋優(yōu)空間，提高了計算結(jié)果的準確性。無功補償優(yōu)化模型中含有風(fēng)速和光照強度的隨機變量，在檢驗概率形式的約束條件時需應(yīng)用蒙特卡羅模擬法對差分進化算法做適當?shù)男薷�。針對于新能源并網(wǎng)規(guī)劃中接入容量和接入點優(yōu)化模型與無功補償優(yōu)化模型的特點，選擇多目標差分進化算法進行求解。

總結(jié)

本文開展新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)的規(guī)劃方法研究。通過對風(fēng)電和光伏這兩種目前被廣泛應(yīng)用和發(fā)展迅速的新能源發(fā)電技術(shù)進行并網(wǎng)影響分析，在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃基礎(chǔ)上，針對二者的并網(wǎng)特性建立了接入容量與接入點優(yōu)化模型、無功補償優(yōu)化模型，并對差分進化算法進行改進，實現(xiàn)了對優(yōu)化模型的求解，形成了完整的規(guī)劃方法體系。具體工作有以下幾個方面：
(1)由于新能源出力具有隨機性和間歇性，本文運用了蒙特卡羅模擬法處理風(fēng)速和光照強度的隨機變量，通過對二者進行給定概率分布的大量抽樣試驗來模擬系統(tǒng)的實際運行狀況。對大量實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以得到風(fēng)速隨機變化近似服從的Weibull分布和光照強度隨機變化近似服從的Beta分布，并通過蒙特卡羅模擬進一步得到風(fēng)電場和光伏電站的隨機出力模型。考慮到風(fēng)電和光伏不同于常規(guī)電源的出力特性，在電力系統(tǒng)潮流計算中對相應(yīng)的節(jié)點進行特殊處理，得到含新能源的牛頓-拉夫遜潮流計算方法。
(2)對新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的影響進行分析，總結(jié)了影響新能源裝機容量和并網(wǎng)接入點選擇的主要因素。綜合考慮新能源接入容量和接入點兩個問題的制約因素，本文選取了系統(tǒng)的潮流均衡度和經(jīng)濟性（包括投資成本和運行費用）作為目標函數(shù)，新能源裝機容量限制、潮流約束、常規(guī)機組出力約束、節(jié)點電壓約束、線路潮流極限約束和網(wǎng)架擴建約束作為約束條件，采用多目標混合整數(shù)非線性規(guī)劃方法，將接入容量確定、接入點選擇和網(wǎng)架發(fā)展規(guī)劃協(xié)同考慮，提出了新能源大規(guī)模并網(wǎng)的接入容量與接入點優(yōu)化模型。
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參考文獻（略）