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含大规模风电的多目标电网规划方法研究pdf

归档日期:07-05       文本归类:置信测度      文章编辑:爱尚语录

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  卑社 长 考 硕士学位论文 含大规模风电的多 目标电网规划方法研究 ■ “ “ ■ , ■ ‘ ‘ 心 刘辰宇 月 国 内 图书分类号: 学校代码: 国际图书分类号: 密级: 公开 硕士学位论文 含大规模风电的多 目标 电网规划方法研究 硕 士 研 究 生: 刘辰宇 导 师: 周 明教授 串 请 学 位: 工学硕士 学 科: 电气工程 专 业: 电力系统及其 自动化 所 在 学 院: 电气与 电子工程学院 答 辩 曰 期: 年 月 位 华北电力大学 授予学位单 : C l a s s i f i e d I n d e x : T M 7 1 5 U . D . C : 6 2 1 . 3 T h e s i s f o r t h e M a s t e r D e g r e e e s e a r c h o n M u l t i - O b j e c t i v e T r a n s m i s s i o n N e t w o r k E x p a n s i o n P l a n n i n g o f P o w e r S y s t e m w i t h W L a r g e - s c a l e i n d F a r m C a n d i d a t e : : : : : 华北电力 大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声 明: 此处所提交的硕士学位论文 《含大规模风 电的多 目 标 电网规 划方法研究》 , 是本人在导师指导下, 在华北 电力大学攻读硕士学位期 间独立进 行研究工作所取得 的成果。 据本人所知, 论文 中除 已注 明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体, 均 已在文 中 以明确方式注明。 本声 明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签名 : 日期: 年 彡 月 ■ 日 华北电力 大学硕士学位论文使用授权书 《含大规模风 电的多 目标 电网规划方法研究》 系本人在华北电力大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。 本论文的研究成果归华北电力 大学所有, 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全 了解华北 电力大学关于保存 使用学位论文的规定, 同意学校保留并向有关部 门送交论 文 的复 印件和 电子版本, 允许论文被查阅和借阅, 学校可以为存在馆际合作关 系 的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务 。 本人授权华北 电力大学, 可 以采用影 印 缩印或其他复制手段保存论文, 可 以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 ( 请在 以上相应方框 内打“十 保密□ , 在 年解密后适用本授权书 不保 作者签名: 闩 期: 牢 月 日 射賴 闇 》个¥ 千 华北 电力大学硕士学位论文 摘 要 风 电作为新兴的可再生能源, 对于缓解能源危机具有重大意义, 近年来得到飞 速发展。 风电出力本身特有的波动性和间歇性, 给 电网带来更多的潮流 动, 成为 波 电网规划阶段必须考虑的不确定性因素。 抽水蓄能电站作为提高电网 纳风电能力 接 的主要措施之一, 研究抽水蓄能电站规划方案的选择和建设次 是电网规划的一个 序 重要方面。 因此, 研究大规模风电接入下的电网规划方法具有重要的学术和工程实 用价值。 传统电网规划模型将风电场出力划分为几个典型运行场景, 很难将风 电场所有 的运行情况均考虑在内 。 现有的基于机会约束的规划模型较少, 且 目标函数只有投 资成本, 只能根据经验设置合理的置信水平来反应规划方案可靠性, 不能对可靠性 水平进行量化。 为此, 本文采用机会约束规划模型, 以支路不过负荷概率反应风电 出力波动性对电网的影响, 并引入电力期望不足目标函数量化可靠性水平。 首先, 本文给出 了概率直流潮流计算中涉 到的相关概率统计理 , 使用基于 及 论 半不变量法和 级数的概率直流潮流计算方法计算支路有功概率密度 法 函数, 用该方法与蒙特卡洛方法对算例进行计算, 计算结果表明该方 精度符合要 求且计算速度快; 接着给出 了 点估计法计算电力期望不足的方法, 并对 节 点测试系统进行计算, 计算结果表明该方法计算速度快, 适合在规划 型中重复计 模 算。 其次, 本文以支路不过负荷概率为约束条件, 分别 以投资成本最小和 电力不足 期望最小为单一 目标函数, 通过模糊隶属度函数构建满意度指标作为评价函数, 提 出 了考虑 路故障 负荷波动 风电场有功出力不确定性的输电系统多 目 机 约 支 标 会 束规划模型。 釆用差分进化算法对 节点测试系统进行求解, 验证了提出 的 电网规划模型的有效性, 为含有大规模风电场的输电系统规划问题提供了一种较好 的解决思路。 最后, 针对抽水蓄能 电站的特点及其对电网 的影响, 从技术性和经济性两方面, 选取评价抽水蓄能电站对电网影响的 个单一评价指标, 并给出 了基于搜索算法结 合 仿真的指标计算方法, 进而提出 了一种综合指标的构造方法; 最后, 以某省 电网为例, 对备选的 个抽水蓄能电站接入方案进行评价, 给出规划方案的排序, 为抽水蓄能电站的建设提供参考。 关键词: 风电场; 多 目标; 电网规划; 概率直流潮流 肀北 屯力人学硕 丨 : 学位论文 华北 电力人学硕士学位论文 , , 华北电力大学硕士学位论文 目 录 第 章 绪 论 题 课 背景和意义 国 内 外研究现状 电网规划模型及其分类 电网规划求解方法 电力系统概率潮流计算方法 提高风 电接纳 能力 的主要措施 本文的主要工作 ‘ 第 章 基于半不变量法的概率直流潮流计算方法 弓 基本概率理论 机 随 变量及其分布 典型随机变量的分布 随机变量 的数字特征 级数 蒙特卡洛模拟法 基本思想 随机数列 的产生 风电场 出力 的概率分布 基于半不变量法的概率直流潮流 算例分析 本章小结 第 章 基于点估计法 的可靠性指标计算 弓 点估计法 基本思路 支路开断离散型随机变量处理 电力 不足期望 的计算 负荷供电能力模型 华北 电力大学硕士学位论文 点估计法计算流程 算例分析 本章小结 第 章 含 电场的 电网多 目标规划方法 风 引言 机会约束规划方法 含风 电场 的 电网规划 问题单 目 标模型 差分进化算法 法 述 算 描 算法流程 控制参数选择 基 标 规 于模糊多 目 的电网 划 目 标函数 的模糊化 多 目 标电网规划模型 算例分析 本章小结 第 章 抽水蓄能 电站接入系统的综合评价方法 引 言 评价指标选择 评价指标计算方法 等效 曰 负荷率 接入点短路 电流 容量充裕度平均值 网络损耗 算例分析 本章小结 第 章 结论与展望 结论 展望 参考文献 硕 位 表 攻读 士学 期 间发 的论文及其它成果 攻读硕士学位期间 参加 的科研工作 华北 电力大学硕士学位论文 第 章 绪 论 课题背景和意义 能源作为人类社会赖 以生存的物质基础, 推动着人类社会的发展 , 在国民经 济中具有特别重要的战略地位。 全球经济快速增长的同时 , 能源短缺和环境恶化己 适 经成 为全球性的两大难题, 传统的能源发展结构 己经不能 应经济 社会和环境 可持续发展的需要。 随着人类对环境保护的意识不断加强, 利用新能源进行发电引 起了广泛的关注, 即通过开发和利 用新能源作为解决能源短缺和环 保问题的重要 技 战略举措。 其中, 技术成熟的风力发电成为相对增长较快的新能源发电 术 , 展 现了 良好的发展前景⑴。 中 国是全球范围内风能资源较为丰富 的国家之一, 据有关学者估算, 中 国可开 发利用 的海上风能资源和陆地风能资源分别约为 和 。 近几 中国 年 经 济快速增 长, 考虑到经济发展对电力供应的需求, 我 国发改 委中特别重视风 电资 风 走 源的开发利用, 并制定了中长期能源战略 目标: 到 年, 电将逐步 向较重要 的地位 。 表 给出 了全球风能发展协会统计出 的 年世界各国的风电装机容 量, 其中 中 国风电装机总量居全球第一【 , 达到 了 万千瓦。 表 年世界风电累计装机容量 累计装机 ( 份额 ’ 美国 德国 西班牙 , 印度 , 英国 , 意大利 法国 , 加拿大 葡萄牙 其他国家 , 全球前十 世界总计 随着风电场接入 容量的不断增加 , 风电在缓解能源紧张的同时 , 风 电本身所 固有的波动性和间歇性给电力系统带来潮流波动 电压波动 暂态稳定和 电能质 华北 电力大学硕士学位论文 ‘ 等影 响, 给电网的规划和 行带来了挑战 。 量 运 输 展 电力系统承担着电能的生产 运 和消费功能, 是其他各行业正常发 的基础, 电力系统的 良好 展与否和节省能源消 少 资费用息息相关。 电力系统规划 发 耗 减 投 展 程 作为电力系统发 的前期工 , 其规划的合理性可以减少前期的投资以及后期 电力 系统运行维护的费用, 产生巨大的经济效益 。 在 电网规划阶段考虑风电场的影响, 远 可 以更好的保证 电力系统的安全可靠运行 , 节省大量的资 金, 具有非常深 的意 义。 在 规 考 风 对 统对风 除了 电网 划阶段 虑 电场 电力系统的影响外, 提高电力系 电场 接纳能力 的措施 很多, 抽水蓄能电站是其中较为主要的一种。 选取抽水蓄能 电站 有 作为提高风电场接纳能力 的代表, 分析抽水蓄能电站对电网的影响, 为抽水蓄能电 站规划方案的选 和建设次序 供指导。 择 提 国 内外研究现状 电网规划模型及其分类 电网 划是 负荷预测和 电源规划的基础 , 确定在何时 何地投 何种 型 规 在 建 类 其 数 所 的线路及 回路 , 以达到规划周期内 需要的输电能力 , 在满足各项技术指标 下使 统 容有 输 选择 的前提 系 的费用最小, 其主要内 : ( 确定 电方式; ( 电网 电 压; ( 确定变电站布局 规模; ( 确定网络结构。 和 流 方 在输电方式上 , 现阶段我国以交 输电 式为上 , 只有在 及以上 电压 直 输 时才考虑 流 电的必要性。 输 电网规划含 电网规划和配电网规划。 电网规划的重点是对主网 网架进行规 保 关 划。 如何 证主网 网架结构坚强可靠, 是电网规划最重要的任务之一, 系到整 个电力 网络规划的成功与否。 电网 划按 划时间可分为长期 中期和短期规划 ; 按不确定性因 可分为 规 规 素 标 确定性规划和灵活性规划 ; 按规划 目标可分为单 目 规划与多 目标规划等 。 本文采 模 于输 灵 标规 用 的规划 型属 电网 活性多 目 划 。 输 电网规划 问题具有 以下特点: ①离散性: 由于实际工程中线路的建设条数只 能为整数, 决策变量必须是整型变量 ; ②动态性: 考虑到网络建设的时间进度不 同, 且规划期间可能废弃老 设备, 网架规划需要 同时考虑规划水平年 规划期间 化 的各项经济技术指标要求, 以及规划水平年只有电网如何可持续性发展; ③非线性: 考虑到储能元件的存在, 系 潮流方 以及各待求变量 ( 如暂态 定计 ) 都是 统 程 稳 算 非线性的; 多 目标性: 根据电网的实际需要, 规划方案要考虑的 目标函数 很多, ④ 有 比如投资 本 靠性指标 环境指 运 风险等等, 通常情况下 间是相互 成 可 标 行 指标 华北 电力大学硕士学位论文 矛盾的; ⑤不确定性 : 规划过程中存在很多不确定性因素, 比如负荷波动 支路故 障 发电机故障 电价波动等等。 传统的电网规划都是确定性规划, 即不考虑可能存在的不确定 因素所。 其基本 原则是在保证 电力安全可靠地输送到负荷中心的前提下 , 使电网的建设和运行费 用最小。 这里的可靠性要求包括正常运行要求和安全运行要求 , 即在正常 行以及 运 的故障情况下 , 都能保证各项运行指标在 给定的允许范围之 内。 电网规划的决 策变量通常为各条待增加或待扩建线路的扩建条数, 约束条件中可能出现非线性方 程以及微分方程。 为 了避免上述困难, 一般 电网规划问 分为方案形 和方案 将 题 成 评估两个阶段, 同时 约束条件进行部分的线性化处理 。 对 现有考虑不确定因素的电网规划研究方法包含三类 : 基于不确定性理论的规划 会 方法 基于多场景技术的规划方法和基于机 约束的规划方法 。 在含有风电场规 划模型中通常使用后两者。 采用不确定性理论直接建模的方法的优势在于理论严密以及能够精确处理不 确定性因素。 主要有: 基于灰色理论 的灰色规划方法 基于概率理论的随机规划 方法 基于模糊理论的模糊规划方法 基于集对分析理论的柔性规划方 法 基于盲数理论的盲数规划方法 基于联系数理论的联系数规划方法 。 该方法建模部分较繁琐 , 还没有应用 于含风 电场的电网规划中。 多场景技术核心思想是根据某种规则选取不确定性因素的值并组合 一 系列 成 场景, 每个场景都可以根据组成该场景的参数的某个不确定测度 得到它本身的 一个不确定测度, 并且在此之后作为 一个确定性规划模型求解, 从而得出一系列 带有不确定测度的规划方案, 再按照预先设定的选取准则挑选出合适的规划方案 作为最优解。 主要有: 基于等微增率的规划方法 基于线路被选概率的规划方法 基于决策偏好场景技术 的规划方法 基于 最小期望悔值的规划方法 。 场 景法虽然原理简单 , 但导致场景数量会随着不确定性因素数量的增多而增多, 且所 选 很难 行 场景 将所有运 情况均考虑在内 。 机会约束规划方 , 主要用于约束条件中含有随 变量, 且必须在 测 到 随 法 机 观 机变量的实现之前做出 决策的优化问题。 考虑到所做决策在一 些比较极端的情况 足 件 现 概 避免 此 起 优化 下可能不满 约束条 , 而且极端情况出 的 率很低, 为了 由 引 的 度 方案过于保守, 机会约束规划方法允许所做决策在一定程 上不满足约束条件 , 但该决策应使约束条件成立 的概率不小于某一置信水平。 文献 考虑了负荷的波 动性, 以支路不过负荷概率值满足一定的置信水平为约束条件, 以投资成本作为 目 标函数, 建立了输 电网规划模型。 在文献 中输 电网规划模型基础上, 文献 考虑了风 电场出力波动性。 该模型可以全面考虑风电场的运行情 , 提高了计算速 况 华北电力大学硕士学位论文 度, 弥补 了场景法的不足。 但是该模型中可靠性水平只能根据运行经验设定合理的 置信水平来反应, 不能对系统可靠性水平进行量化。 为此, 本文在其研究方法的基 础上, 全面考虑风电场的运行情况, 并引入电力期望不足作为可靠性目标函数, 对 系统可靠性水平进行量化。 方 电网规划求解 法 现有的电网规划的求解方法主要有以下三种: 数学优化方法 一般启发式方法 和现 启 发式方法。 代 一 数学优化方法 数学 方法的核心 思想是将 电网 化规划 问 转 为一般的数学 模 优化 优 题 化 优化 型, 并在数学层面上给予求解, 主要有分支定界法 分解方法 线性规划 但 化 等等。 该方法虽然在理论上可以得到最优解, 是优 模型难以建立且不易求解, 容易出现 “维数灾”。 二 一般启发式方法 一般启发式方法的基本 思想根据 目 标函数对各条输电线路的灵敏度, 在现有 网络的基础上, 逐条加入线路。 该方法主 要包括逐步加线法和逐步减线法。 在考 虑电力市场的电网规划模型中通常使用市场信息的启 发式方法, 如: 基于单位 电力 的边际传输成本的启发式输电 网规划 基于平均阻塞费用指标 ( 的启发 式输电网规划 以节点清算价格差为基础的启发式输电网规划【 等。 该类算法 的优势在于原理简单, 易于计算 , 且无收敛问题 。 但由于孤立的考虑一条线路的 指标, 没有计及线路之间的相互影响, 没有从全局的角度确定架线方案, 所以无法 严格保证解的最优性。 三 现代启发式方法 现代启 发式 算法是一类比较新型的算法, 与其他算法不同之处在于其思想在 于模拟 自然界中一些 “优化” 现象, 适用于求解组合优化问题以及 目标函数或某些 优 优 约束条件不可微的非线性 化问题。 该算法求解组合 化问题在得到最优解的同时 还可以得到一些次优解。 此类算法主要有: 遗传算法 蚁群算法 粒子群算法 差分进化算法等。 遗传算法 遗传算法 是模拟生物进化的一种 自适应随机搜索优化算法, 它通过随机或 启发式算法产生一 组待选规划方案作为祖先, 通过一定的编码技术把规划方案转化 为 一组组染色体, 采用适应函数来评价方案的优劣程度, 并 以此来控制搜索方向, 通过复制 交换 变异等步骤完成进化过程, 得到最终的最优解。 与 传统方法相 比, 遗传算法具有多路径搜索 隐并行性 随机操作等特点 。 针对遗传算法计算速度慢 华北电力大学硕士学位论文 容易收敛到局部最优的不足, 研究学者对此提出 了 一些改进措施。 蚁群算法 蚁群算法是一种新型的仿生启发式优化寻优算法。 该算法模仿蚂蚁群觅食的 过程, 人为构造一定数量的人工蚂蚁, 每个人工蚂蚁参考路径上 的荷尔蒙强度大 小, 按照一定的状态转移准则选择前进路径, 并在前进路径上留下一定数量的荷 尔蒙以更新局部的荷尔蒙强度; 当所有人工蚂蚁完成一 次搜索后 , 再更新全局 的荷 尔 蒙强度。 在反复迭代 的过程中, 大多数蚂蚁将沿着最优路线 完成搜索 。 该算 法的优势在于寻 能力强, 计算速度快, 适宜求解有约束问题。 优 粒子群算法 粒子群算法是在模仿自 鸟群捕食行为 的基础上研究出来的, 在该方法中每个优 题 化问 的解都是粒子在搜索空间中 的位置 , 粒子的速度决定它们飞翔的方 向和距 离 , 然后粒子群就追随当前 的最优粒子在解空间中进行搜索。 该方法通过记忆与 反馈机制实现了 高效的寻优搜索。 文献 将该方法法应用于输电网规划 问题并 取得了满意结果 。 差分进化算法 差分进化算法 ( 是由 等人在 年提出的, 是一种求解连续 问题的随机并行直接搜索算法 。 该算法综合了 算法和 算法 的特点, 具有控制参数少 易于使用 鲁棒性好 收敛速度快等优点, 适合 于求解大规模优化难题 。 除了上述求解方法之外, 还有其他一 些方法也被用于电网规划中, 如: 专家 系统法 人工神经元方法 模拟退火算法 进化规划算法 等。 电力 系统概率潮流计算方法 现有的概率潮流计算方法主要有三种: 蒙特卡洛法, 卷积法和基于半不变量法。 蒙特卡罗模拟法 是一种可以得到待求随机变量分布函数的方法。 该方法根 据输入随机变量 ( 如支路开断 节点注入功率 电源输出功率等) 的概率密度函数 进行多次抽样, 之后对抽样结果进行确定性潮流计算, 得到待求变量的一组数值。 最后, 对得到的多次计算结果进行统计, 进而得到待求随机变量的概率分布情况。 为 了保证计算结果的精度, 一般需要计算上千次。 因此, 蒙特卡洛模拟法计算时间 比较长, 并不适合应用于实际中规模较大的系统。 然而, 由于蒙特卡罗模拟法可以 得到较为精确的计算结果, 通常大多数学者用其计算结果和其他方法比较, 验证其 他方法的计算精度。 计算机技术的发展使得该方法的应用范围也不断增加。 在蒙特 卡洛模拟法中, 为减小采样规模, 减少计算次数, 加快待求随机变量收敛速度, 国 内外学者 已经提 出了一些减小方差的抽样技术, 如控制变量 ( 重 华北 电力大学硕士学位论文 点抽样 ( 分层采样 ( 等等, 并在电力系 统中得到了 用 。 应 卷积法 是一种常用 的解析法。 该方法首先需要对潮流方程进行线性化。 为了 保证计算精度, 在计算过程中需要选取数以百计的离散点表示随机变量的概率分布 曲线, 而且每次卷积及反卷积计算都必须重新计算这些离散点的函数值, 计算量相 当大 。 半不变量法 —种基于潮流模型, 计算待求随机变量分布函数和概率密度函数 的方法。 该 法根据随 变量的分布情况计算各随 变 的各阶半不变量, 通过将 方 机 机 量 性 潮流方程线 化, 得到待求随机变量的半不变量后, 通过对其进行 级数展开, 得到待求随机变量的分布函数和概率密度函数。 该方法根据半不变量的 相关性质, 将复杂的卷积计算转化为简单的代数计算, 而且只需运行一次就可以待 求随机变量的分布函数和概率密度函数,

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