第1章緒論

1.1課題研究背景和意義
隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)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(jì)七十年代全球能源危機(jī)爆發(fā)使得能源短缺和環(huán)境污染成為了世界各國(guó)都不容忽視的重要難題。為實(shí)現(xiàn)能源的持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)紛紛開(kāi)始開(kāi)發(fā)可持續(xù)利用的清潔能源，使風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮�、潮沙能、生物質(zhì)能等可再生能源進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。我國(guó)的發(fā)電結(jié)構(gòu)中火電比例過(guò)大，因此燃料資源缺乏和環(huán)境污染問(wèn)題更為顯著，必須加大新能源發(fā)電的開(kāi)發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)幅員遼闊，具有豐富的風(fēng)能資源，陸地上可開(kāi)發(fā)的面積達(dá)20萬(wàn)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(shí)，光伏發(fā)電的潛力巨大，沙漠、戈壁的總面積約130.8萬(wàn)平方公里，集中在西北、東北的7個(gè)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(guó)能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)重要策略[1]。我國(guó)的資源分布特點(diǎn)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(shí)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、反調(diào)峰等特點(diǎn)，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(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、輸配電能力帶來(lái)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(dòng)、閃變以及諧波等問(wèn)題，影響用戶(hù)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(lái)一定的隱患[2_6]。目前，國(guó)內(nèi)l000kV特高壓輸電己進(jìn)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(duì)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的要求將更加嚴(yán)格[7]。如何基于現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源的充分有效利用和系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有非�，F(xiàn)實(shí)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(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響，以保障系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，對(duì)其大規(guī)模集中并網(wǎng)規(guī)劃方法進(jìn)行研究，包括接入容量計(jì)算、接入點(diǎn)選擇、無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題的分析，為新能源的大規(guī)模集中并網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)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(guó)家，技術(shù)上可以利用的資源總量約為53X106億度/年。十九世紀(jì)末，丹麥率先將目光投向風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，開(kāi)啟了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的探索，于1891年研制出了首臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并成功建立了世界首個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)[81。此后，世界各國(guó)紛紛開(kāi)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(jì)七十年代爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為了降低對(duì)化石能源的依賴(lài)，轉(zhuǎn)而投入到風(fēng)電場(chǎng)的研究與建設(shè)中，風(fēng)力發(fā)電開(kāi)始蓬勃發(fā)展。到了上世紀(jì)九十年代，在世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展大好的形勢(shì)下，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)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(lì)新能源發(fā)電的發(fā)展。經(jīng)過(guò)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(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量和年度新增風(fēng)電裝機(jī)容量如圖1-1和1-2所示，平均增長(zhǎng)速度分別為27.2%和26.6%。至2012年底全球風(fēng)電的裝機(jī)容量己達(dá)到了282.587GW,其中累計(jì)裝機(jī)容量排名在前10位的國(guó)家依次是：中國(guó)，美國(guó)，德國(guó)，西班牙，印度，英國(guó)，意大利，法國(guó)，加拿大和葡萄牙；新增裝機(jī)容量排名在前10位的國(guó)家依次是：美國(guó)，中國(guó)，德國(guó)，印度，英國(guó)，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(jī)性出力建模

2.1蒙特卡羅模擬法
針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的隨機(jī)性出力特點(diǎn)，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(jì)，從給定的概率分布中抽取隨機(jī)變量，通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行數(shù)字模擬和統(tǒng)計(jì)分析得出所求問(wèn)題的近似解，將求解的問(wèn)題與概率模型聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)或元件的隨機(jī)或確定抽樣試驗(yàn)[38]。在分析具體問(wèn)題的過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列隨機(jī)數(shù)來(lái)反映系統(tǒng)及元件的概率分布情況，系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)隨機(jī)因素的狀態(tài)通過(guò)相應(yīng)的概率分布函數(shù)來(lái)抽樣確定，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)可以通過(guò)各隨機(jī)因素的狀態(tài)組合來(lái)確定，通過(guò)大量地抽樣試驗(yàn)來(lái)模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，最后累計(jì)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)是通過(guò)隨機(jī)抽樣來(lái)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，思想簡(jiǎn)單，易于模擬隨機(jī)因素；能夠處理系統(tǒng)中多個(gè)變量的隨機(jī)變化；能夠比較真實(shí)地反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況；抽樣次數(shù)和計(jì)算量不會(huì)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(lái)分析大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的一些復(fù)雜因素和評(píng)估計(jì)算。蒙特卡羅模擬法的主要缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較差，且計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的平方成反比，為了獲取較高精度的計(jì)算結(jié)果，通常需要把仿真時(shí)間設(shè)定的很長(zhǎng)。
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2.2風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)出力模型
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的隨機(jī)性是由風(fēng)速引起的，因此，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)出力建模的第一步是準(zhǔn)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(guò)對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，提取出風(fēng)速隨機(jī)波動(dòng)變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上選取風(fēng)速波動(dòng)的典型分布，利用參數(shù)估計(jì)得到各處風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布參數(shù)，對(duì)未來(lái)某一時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)或模擬。目前用于描述平均風(fēng)速隨機(jī)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，一年之中絕大部分時(shí)間風(fēng)速都是比較平緩的，在0-25ni/s之間的概率很高。通過(guò)對(duì)不同概率分布相應(yīng)的風(fēng)能特性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，大量的研究事實(shí)表明，Weibull分布的適應(yīng)性最強(qiáng)，能夠更準(zhǔn)確的擬合實(shí)際的風(fēng)速情況，絕大多數(shù)地區(qū)風(fēng)速的隨機(jī)變化都可以采用Weibull分布函數(shù)來(lái)表示[38]。因此本文采用兩參數(shù)Weibull分布來(lái)進(jìn)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(diǎn)優(yōu)化主要考慮因素........ 20
3.2新能源接入容量與接入點(diǎn)優(yōu)化模型........ 21
3.2.1目標(biāo)函數(shù)........ 22
3.2.2約束條件........ 23
3.3無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化理論基礎(chǔ)........ 23
3.4新能源并網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型........ 25
3.4.1目標(biāo)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(jìn)的差分進(jìn)化算法 ........28
4.2多目標(biāo)屬性的決策方法 ........31
4.3改進(jìn)差分進(jìn)化算法的實(shí)現(xiàn)........ 33
4.3.1計(jì)算流程 ........33
4.3.2 MATLAB 程序編寫(xiě)........ 34
4.4算例分析 ........35
4.4.1接入容量與接入點(diǎn)優(yōu)化算例........ 35
4.4.2無(wú)功補(bǔ)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(jìn)的差分進(jìn)化算法
差分進(jìn)化（Differential Evolution, DE) [45]的基本思想是：利用種群中2個(gè)隨機(jī)選取的向量的差作為第3個(gè)向量的隨機(jī)變化源，新一代種群基于這個(gè)策略由當(dāng)前種群進(jìn)行變異、交叉和選擇后得到，逐步進(jìn)化種群直至達(dá)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(gè)核心步驟，但是采用的策略不同。變異采用差分策略，即在當(dāng)前種群中隨機(jī)選取中兩個(gè)不同的個(gè)體，將其向量差與變異因子相乘，再與待變異個(gè)體向量相加；交叉操作以交叉因子概率在變異個(gè)體和當(dāng)前個(gè)體中進(jìn)行選擇，得到新的個(gè)體；選擇采用“貪娶”模式，當(dāng)前種群中的新個(gè)體只有在評(píng)價(jià)函數(shù)值優(yōu)于上一代時(shí)，才能進(jìn)入到下一代群體中。差分進(jìn)化算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單的差分變異操作和一對(duì)一的選擇競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)態(tài)調(diào)整搜索策略，具有較強(qiáng)的魯棒性和全局的收斂能力。接入容量與接入點(diǎn)優(yōu)化模型為多目標(biāo)混合整數(shù)非線性模型，在求解時(shí)具有一定的復(fù)雜度，根據(jù)差分進(jìn)化算法的特點(diǎn)，只要在計(jì)算過(guò)程中對(duì)變異操作進(jìn)行改進(jìn)即可。對(duì)于0-1整數(shù)變量，采用四舍五入法進(jìn)行取整運(yùn)算；對(duì)于其它整數(shù)變量，在變異后同時(shí)進(jìn)行向上取整和向下取整運(yùn)算，得到兩個(gè)試驗(yàn)向量，這種處理方法保留了整數(shù)變量的所有可能取值，擴(kuò)大了尋優(yōu)空間，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型中含有風(fēng)速和光照強(qiáng)度的隨機(jī)變量，在檢驗(yàn)概率形式的約束條件時(shí)需應(yīng)用蒙特卡羅模擬法對(duì)差分進(jìn)化算法做適當(dāng)?shù)男薷摹ａ槍?duì)于新能源并網(wǎng)規(guī)劃中接入容量和接入點(diǎn)優(yōu)化模型與無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型的特點(diǎn)，選擇多目標(biāo)差分進(jìn)化算法進(jìn)行求解。

總結(jié)

本文開(kāi)展新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)的規(guī)劃方法研究。通過(guò)對(duì)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(jìn)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(duì)二者的并網(wǎng)特性建立了接入容量與接入點(diǎn)優(yōu)化模型、無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化模型，并對(duì)差分進(jìn)化算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)方面：
(1)由于新能源出力具有隨機(jī)性和間歇性，本文運(yùn)用了蒙特卡羅模擬法處理風(fēng)速和光照強(qiáng)度的隨機(jī)變量，通過(guò)對(duì)二者進(jìn)行給定概率分布的大量抽樣試驗(yàn)來(lái)模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以得到風(fēng)速隨機(jī)變化近似服從的Weibull分布和光照強(qiáng)度隨機(jī)變化近似服從的Beta分布，并通過(guò)蒙特卡羅模擬進(jìn)一步得到風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的隨機(jī)出力模型�？紤]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(jì)算中對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊處理，得到含新能源的牛頓-拉夫遜潮流計(jì)算方法。
(2)對(duì)新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響進(jìn)行分析，總結(jié)了影響新能源裝機(jī)容量和并網(wǎng)接入點(diǎn)選擇的主要因素。綜合考慮新能源接入容量和接入點(diǎn)兩個(gè)問(wèn)題的制約因素，本文選取了系統(tǒng)的潮流均衡度和經(jīng)濟(jì)性（包括投資成本和運(yùn)行費(fèi)用）作為目標(biāo)函數(shù)，新能源裝機(jī)容量限制、潮流約束、常規(guī)機(jī)組出力約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路潮流極限約束和網(wǎng)架擴(kuò)建約束作為約束條件，采用多目標(biāo)混合整數(shù)非線性規(guī)劃方法，將接入容量確定、接入點(diǎn)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(diǎn)優(yōu)化模型。
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參考文獻(xiàn)（略）