第1章緒論

1.1課題研究背景和意義
隨著世界經濟的飛速發(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，使風能、太陽能、地熱能、潮沙能、生物質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)電結構中火電比例過大，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，實現能源的可持續(xù)發(fā)展。我國幅員遼闊，具有豐富的風能資源，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用前景，大力發(fā)展風力發(fā)電技術和光伏發(fā)電技術也是改善我國能源結構和環(huán)境質量的一項重要策略[1]。我國的資源分布特點決定了風力發(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，風力發(fā)電和光伏發(fā)電具有隨機性、波動性、反調峰等特點，與常規(guī)能源發(fā)電有很大的不同，大規(guī)模集中并網后將對現有的電網結構、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，影響用戶的電能質量；影響電網的暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，給電網安全帶來一定的隱患[2_6]。目前，國內l000kV特高壓輸電己進入建設階段，區(qū)域電網互聯指日可待，這也意味著電網對運行安全性和穩(wěn)定性的要求將更加嚴格[7]。如何基于現有電力網絡對風力發(fā)電和光伏發(fā)電進行規(guī)劃和設計，實現資源的充分有效利用和系統的安全經濟運行，具有非�，F實的研究意義。本文基于風力發(fā)電、光伏發(fā)電這兩種典型的新能源發(fā)電技術，分析其出力特性及并網后對電力系統運行的影響，以保障系統安全、可靠、經濟運行為目標，對其大規(guī)模集中并網規(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)化等關鍵問題的分析，為新能源的大規(guī)模集中并網規(guī)劃問題提出了新的理論方法和研究方向。
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1.2課題研究現狀
全球的風能資源極為豐富，，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力發(fā)電領域，開啟了風力發(fā)電技術的探索，于1891年研制出了首臺風力發(fā)電機組，并成功建立了世界首個風力發(fā)電場[81。此后，世界各國紛紛開始關注與重視風力發(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，轉而投入到風電場的研究與建設中，風力發(fā)電開始蓬勃發(fā)展。到了上世紀九十年代，在世界風力發(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)展利用風能，并制定了一系列風力發(fā)電的優(yōu)惠政策，激勵新能源發(fā)電的發(fā)展。經過40年的不斷發(fā)展，世界風力發(fā)電取得了的令人矚目的成就。1996?2012年的全球累計風電裝機容量和年度新增風電裝機容量如圖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。該方法的理論基礎是概率論和數理統計，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字模擬和統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系在一起，實現了對系統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生一系列隨機數來反映系統及元件的概率分布情況，系統內每個隨機因素的狀態(tài)通過相應的概率分布函數來抽樣確定，整個系統的狀態(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的實際運行狀況，最后累計統計結果從而得到系統的分析結果。蒙特卡羅模擬法的優(yōu)點是通過隨機抽樣來統計計算結果，思想簡單，易于模擬隨機因素；能夠處理系統中多個變量的隨機變化；能夠比較真實地反映系統的實際運行情況；抽樣次數和計算量不會隨著系統規(guī)模和復雜程度的改變而改變，因此可用來分析大型復雜電力系統的一些復雜因素和評估計算。蒙特卡羅模擬法的主要缺點是計算結果的準確性較差，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果，通常需要把仿真時間設定的很長。
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2.2風電場的隨機出力模型
由于風力發(fā)電機組出力的隨機性是由風速引起的，因此，大規(guī)模風電場出力建模的第一步是準確掌握風速的變化規(guī)律，選取擬合風速的概率分布模型。通過對各風電場風速的歷史數據進行數理統計，提取出風速隨機波動變化的統計規(guī)律，并在此基礎上選取風速波動的典型分布，利用參數估計得到各處風電場的風速分布參數，對未來某一時間段內的風速波動變化情況進行預測或模擬。目前用于描述平均風速隨機性的分布有很多，如兩參數Weibull分布、三參數Weibull分布、正態(tài)分布、Rayleigh分布等[I6]。大量的實測數據表明，一年之中絕大部分時間風速都是比較平緩的，在0-25ni/s之間的概率很高。通過對不同概率分布相應的風能特性指標進行對比分析，大量的研究事實表明，Weibull分布的適應性最強，能夠更準確的擬合實際的風速情況，絕大多數地區(qū)風速的隨機變化都可以采用Weibull分布函數來表示[38]。因此本文采用兩參數Weibull分布來進行風速的擬合，典型的風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........ 22
3.2.2約束條件........ 23
3.3無功補償優(yōu)化理論基礎........ 23
3.4新能源并網無功補償優(yōu)化模型........ 25
3.4.1目標函數........ 25
3.4.2約束條件........ 25
3.5本章小結........26
第4章新能源并網規(guī)劃算法與應用........ 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........ 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........ 43
第5章結論與展望........ 46
5.1全文總結........ 46
5.2工作展望........ 47

第4章新能源并網規(guī)劃算法與應用

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雜性；具備特有的記憶能力，可以根據跟蹤到的搜索情況動態(tài)調整搜索策略，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非線性模型，在求解時具有一定的復雜度，根據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整數變量，采用四舍五入法進行取整運算；對于其它整數變量，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變量的所有可能取值，擴大了尋優(yōu)空間，提高了計算結果的準確性。無功補償優(yōu)化模型中含有風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用蒙特卡羅模擬法對差分進化算法做適當的修改。針對于新能源并網規(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

本文開展新能源大規(guī)模集中并網的規(guī)劃方法研究。通過對風電和光伏這兩種目前被廣泛應用和發(fā)展迅速的新能源發(fā)電技術進行并網影響分析，在傳統的電力系統規(guī)劃基礎上，針對二者的并網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的實際運行狀況。對大量實測數據的統計分析可以得到風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電場和光伏電站的隨機出力模型�？紤]到風電和光伏不同于常規(guī)電源的出力特性，在電力系統潮流計算中對相應的節(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)對新能源并網給電力系統帶來的影響進行分析，總結了影響新能源裝機容量和并網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，本文選取了系統的潮流均衡度和經濟性（包括投資成本和運行費用）作為目標函數，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架擴建約束作為約束條件，采用多目標混合整數非線性規(guī)劃方法，將接入容量確定、接入點選擇和網架發(fā)展規(guī)劃協同考慮，提出了新能源大規(guī)模并網的接入容量與接入點優(yōu)化模型。
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參考文獻（略）