含分布式电源的配电网优化调度控制

摘 要 随着社会的不断进步和发展,人们对电力的需求越来越大,面对巨大的电力需求,特征为大机组、大电网和大电厂的传统配电网弊端日益凸显。加之全球不可再生能源日益枯竭,环境压力巨大,以及互联网的快速发展,推动了智能电网的发展。智能电网能够解决传

摘  要

       随着社会的不断进步和发展,人们对电力的需求越来越大,面对巨大的电力需求,特征为“大机组、大电网和大电厂”的传统配电网弊端日益凸显。加之全球不可再生能源日益枯竭,环境压力巨大,以及互联网的快速发展,推动了智能电网的发展。智能电网能够解决传统配电网面临的高成本、高需求以及环境污染等问题,已经得到大家的认可。分布式电源作为智能电网的关键组成部分,发挥着巨大的作用。分布式电源的应用,不但减少了传统配电网对不可再生资源的依赖,增加了配电网对风能、太阳能等可再生资源的利用率,利用降低了电力发展对环境的污染,还对从一定程度提高了电力系统运行稳定性、降低了电力系统运行成本。
       本文主要研究了含分布式电源的配电网优化调度,通过了解各种分布式电源发电的原理及特性,建立各种分布式电源的模型。研究了几种含分布式电源的配电网新技术。在一定的约束条件下,综合考虑系统运行成本及环境效益,建立了含分布式电源的配电网优化调度数学模型,并采用粒子群算法,针对微网不同运行方式,对所建立的数学模型进行求解。最后通过算例验证,得出文章所提出的含分布式电源的配电网优化调度方法,能够确定微网中各分布式发电的最优出力,实现系统效益最优。
 
关键词:智能电网;分布式发电;粒子群算法;优化调度

第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
       智能电网技术被公认为解决了老式电网系统的各种问题,包括日益增长的需求,高成本,以及环境污染等问题。分布式电源作为智能电网建设中重要的一部分,在电网系统中的运用越来越广泛。确定分布式能源的最优运行能力及其配置是智能电网网络中的关键问题。随着社会的不断进步,各行各业对电能的需求日益增加,不可再生资源的日益减少,人类面临的压力越来越大。提高风能、太阳能、水能等可再生资源的利用显得尤为重要。分布式电源提高了可再生资源的利用率,缓解了当前电力行业的发展对于化石燃料的迫切需求,减少了电力行业对气候的污染。
       小型天然气发电、风电、光伏发电技术在20世纪80年代逐步成熟,促进了分布式电源概念的产生。由于世界上每个国家的资源条件,以及产业基础都存在差异,对于分布式电源的定义,各国也存在差异。国际能源机构分对布式电源的定义为一种包括内燃机、燃料电池、微型燃气轮机、光伏发电系统以及能够进行能量控制及需求侧管理的能源综合利用系统,服务于周边居民的发电站。德国将分布式电源看作一种接入中低压配电网的电源,位于用户附近,发电形式主要为光伏发电和风电。美国电气和电子工程师协会(I E E E ),将分布式电源看作接入当地配电网的储能装置或发电设备。文献[2]总结归纳18个国家和组织对于分布式电源的定义,并总结出其基本特征,包括
分布式发电装机规模一般较小;与用户直接联系,直接向用户提供电量;一般情况下,分布式发电系统接入中低压配电网络;主要为可再生能源发电,能源利用率高,环境效益好。
       根据世界上典型国家和组织对分布式发电的界定标准,并结合我国电网特点,我国对分布式电源的定义为:装机规模小,位于用户周边,利用分散式资源,通过 10(35)k V 及以下电压等级接入的多联供发电设施。其特点主要为可再生能源发电、资源综合利用和能量梯级利用。包括海洋能、潮汐能、水能、生物质能、风能、太阳能等可再生能源发电。以及小型天然气冷热电多联供和垃圾利用发电等。
       分布式电源供电方式灵活方便,既可以直接向周边用户提供电能,又可以接入配电网,与配电网共同向用户提供电能。这种供电方式,既可以充分开发和利用各种可用分散式能源,还能提高能源的利用效率,实现经济、高效、可靠的供电。在当前电力市场环境下,通过对接入配电网的分布式电源进行优化调度,供电公司能够有效地降低其运行成本,提高公司效率,降低激烈的市场竞争环境下的风险。通过对接入电网的分布式电源进行优化调度,能够减小电网运行时的运行成本以及输电过程中的能量损耗。
       在分布式电源带来种种好处的同时,分布式电源在电网中的高渗透,也给电网造成了冲击。文献[3-5]阐明了分布式电源对电网的影响。文献[3]阐述了分布式电源对电压质量的影响,其从电压偏差,电压波动,电压闪变,电压暂降四个指标,阐明了分布式电源对电压质量的影响机理。文献[4]讨论了分布式电源接入电网后,对继电保护,电压质量以及配电网的影响。文献[5]则专门对分布式电源接入电网对继电保护的影响进行研究,对分布式电源不同方式接入电网分别进行分析,得出分布式电源接入电网后,会引起电流大小和方向的改变,对继电保护产生不利。因此,对配电网中的分布式电源进行优化调度具有重要的意义。
含分布式电源的配电网优化调度控制
1.2 国内外研究现状
       随着全球气候变暖,环境压力越来越大,电力行业对气候的影响不容忽视。分布式电源以其环保低碳的优势成为世界各国促进节能减排,应对环境压力的有效措施。20世纪80年代,随着各种分布式发电技术的逐步成熟,出现了分布式发电的概念。
       分布式能源的出现,最早出现在美国。与分布式能源相关技术研究以及政府机制,国外相对成熟。分布式能源在国外应用广泛,市场比例较高。从上个世纪70年代末期开始发展到现在,国外分布式发电取得了迅速发展。目前,美国已经有6000多座分布式能源站。英国分布式能源站有1000多座,且其人口仅5000多万。在欧盟电力市场中,分布式能源所占比例达10%,丹麦、捷克、荷兰、德国等国家分布式能源所占比例高达40%[6]。相对国内,国外国家提供的政策支持更多,软硬件技术更加成熟。美国为分布式能源的开发利用提供税收减免与审批优化,欧盟各国对分布式发电实行价格补贴低利率优惠贷款等政策。对于分布式发电接纳能力的研究,国外研究也相对更早,特别是美国,以渗透率指标来指导分布式能源的规划与布局,值得我们借鉴。
       相比之下,我国分布式能源的发展尚处于初步阶段。随着新电改的进行,分布式发电对我国能源结构调整、节能减排有着不可估量的作用。深化电力体制改革重视包括分布式电源的新能源发展[7]。经初步测算:2015年,我国分布式电源装机容量占同期全国总装机容量的4%,可达到5800万k W,其中不包括小水电发电。预计到2020年,我国分布式电源装机容量将可占同期全国总装机容量的8%,可达到1.6亿k W,其中不包括小水电不含小水电[8]。分布式能源在我国的发展路径如下。首先实现在政府指导下的规模化,然后达到在政府推动下的市场化,最后实现政府退出后的商品化。借鉴国外经验,我国也出台了各种分布式能源的激励机制,对各种分布式发电实行价格补贴。自2009年开始,我国政府便出台了一系列分布式光伏发电的政策激励;2013年,国家发改委明确对光伏发电实行全电价补贴;2014年9月,国家能源局提出3个可以,即“可以选”“可以改”“可以无”;2015年3月,国家能源局彻底放开分布式光伏发电的规模限制。
       目前国内对于含分布式电源的配电网的研究主要集中在分布式电源接入后对配电网供电质量、电压分布、电压稳定、可靠性、继电保护的影响等方面,以及配电网中分布式电源的规划问题上。而国外已开展了电力市场环境下含分布式电源的配电网经济调度问题研究。确定分布式电源的出力及其优化以减小其对电网的冲击并获取最大的效益,显得非常重要。
       文献[9]提出了一种电力市场环境下供电公司日前优化调度的 2 阶段模型,通过基于修改的 IEEE 33 节点系统的仿真计算,表明所提出的日前 2 阶段优化调度模型能够有效降低供电公司的运行成本。文献[10]和文献[11]通过对含分布式电源的配电网网络重构进行研究,以寻求最优网络,使电网运行于最优状态。文献[12]提出一种适合大规模配网、具有较高计算精度的含可调度分布式电源优化算法,通过优化少环网的连枝上串联理想电压源和网络的近似等效变换,在满足配网辐射状约束的条件下,实现了重构、电容器优化投切和可调度分布式电源出力三者的同时高效优化。文献[13]针对现有动态无功优化方法中存在的问题,提出一种含分布式电源的配电网动态无功优化调度方法,以解决其中的时空耦合性问题。文献[14]综合考虑了配电网的运行费用和环境效益,建立了含有柴油机、风力发电机、光伏发电单元和燃料电池等分布式电源的智能配电网优化调度模型。然后在满足各种约束条件的基础上,使用遗传算法求解模型,得出多目标优化调度模型的可行性与优越性。文献[15]构建了分布式电源配电网络无功优化调度模型、分布式电源的优化调度模型,将动态无功优化作为调度手段,通过电压波动抑制和降低电网网损进行综合调度。在开放的市场环境下,微电网不仅可与配电系统进行电能交易,微电网之间也可以进行电能交易。文献[16]在开放的市场环境前提下,给出了含多微电网的配电系统电能交易规则,在此基础上提出了开放市场环境下的多微电网系统双层调度方法。文献[17]针对配电网智能调度,阐述了配电网智能调度目标及其模式,其次,提出了配电网智能调度的关键技术。文献[18]针对含多种分布式能源的直流配电网,讨论了其组网方式与系统结构,重点研究适用于接有多种分布式能源的直流配电网的优化调度方法,设计各并网单元运行策略及直流配电网多时段优化调度策略,并建立了综合考虑运行成本、环境效益以及系统损耗的多目标优化调度模型。

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