KPI-based Real-time Situational Awareness for Power Systems with a High Proportion of Renewable Energy Sources

With the increasing complexity of power systems and the widespread penetration of renewable energy sources(RES),real-time situational awareness for power systems is of great significance for operational scheduling.Considering the impact of RES on power system operations,a situational awareness key performance index(KPI)system for power systems with a high proportion of RES is proposed in this paper,which consists of reserve capacity abundance,ramp resource abundance,center of inertia(COI)frequency deviation,interface power flow margin,synthesized voltage stability,and angle stability margin.Then,the KPIs are synthesized and visualized by the decision tree method and radar chart method,respectively,for monitoring the operation states(i.e,normal,alert,and emergency states)of power systems with a high proportion of RES.Numerical simulations are conducted in a revised New England 16-machine 68-bus power system and an actual CEPRI-RE power system in the northwest region of China with a high proportion of RES.The results show that the proposed KPI-based situational awareness method is able to accurately monitor the real-time state of power systems with a high proportion of RES,and can assist power dispatchers to make effective decisions.

高比例新能源送端系统暂态电压运行风险分析

针对交、直流故障下的高比例新能源送端系统暂态电压演化传播机理及运行风险尚不明晰的问题,首先,基于交直流系统间的无功电压交互作用机理分析,明确了交、直流系统故障下的暂态电压特性及主导影响因素,阐明了高比例新能源送端系统电力电子设备主导的暂态电压演化传播路径。其次,从“交直流故障强耦合作用持续加强,暂态无功功率成分复杂”、“新能源比例不断提升,暂态电压问题凸显”及“故障承载与调节能力下降,连锁脱网风险增大”三方面系统地阐述了暂态电压运行风险。然后,基于DIgSILENT/PowerFactory建立了实际高比例新能源多直流外送系统仿真模型,不同新能源占比、不同故障工况下的仿真结果验证了暂态电压运行风险分析的正确性。最后,从增强耦合运行特性机理认识、提升新能源涉网性能、增加多尺度协同控制策略、加强交流网架结构等方面提出了应对暂态电压运行风险的技术展望。

考虑实时备用率的中长时间尺度新能源发电备用的方法

在新型电力系统中,考虑到中长期时间尺度下新能源出力具有较强规律性,提出了中长时间尺度新能源纳入备用的实时备用率的确定方法。根据实时备用率将新能源可信出力纳入备用,建立多电源电力生产模型。所建模型以生产成本最小为目标函数,考虑电源运行成本、新能源弃电成本、切负荷惩罚成本及机组出力、功率平衡、逻辑变量等约束条件。采用时间迭代将中长时间生产模拟化简为短期优化问题,利用CPLEX求解。以改进IEEE-24节点系统作为算例,优化结果表明新能源电源采用实时备用率的方法纳入备用时,电力系统生产运行总成本更低;新能源渗透率越高,纳入新能源为备用的经济效益越明显;风电和光伏独立确定备用率时,备用成本和污染排放更低。

新型电力系统应对极端事件的风险防范与应急管理关键技术

保障电力安全是贯彻落实总体国家安全观的基本要求。当前,我国电力系统正向新型电力系统演进,新能源不确定性、设备低抗扰与弱支撑性等特征变化叠加日益严峻的极端事件威胁,使得提升电力系统弹性、防范电力安全风险成为一项复杂且具有挑战性的工作。该文在详细介绍新型电力系统弹性提升所面临挑战的基础上,从“风险评估—投资规划—预防准备—响应恢复”4个层面归纳新型电力系统应对极端事件的电力风险防范与应急管理技术,系统分析各层面的关键技术与研究重点。最后,对保障新型电力系统电力安全的实现路径进行展望,提出进一步深入研究的方向。

考虑供需灵活性量化的源-荷-储多时间尺度协同优化

风电、光伏类新能源出力具有随机性和波动性,且随着新能源渗透率的增高,系统灵活性需求也激增。在此背景下,考虑源-荷-储灵活性资源互动,对新能源高渗透系统源-荷-储协同运行问题展开研究。首先,引入向上、向下裕度量化系统灵活性,并利用灵活性供需平衡机理动态评估灵活性需求;其次,提出一种考虑供需灵活性的多时间尺度协同运行方法,构建典型周、典型日、典型时段运行模拟模型,并将碳交易收益和灵活性不足惩罚成本纳入优化目标,考虑调峰需求和爬坡容量对典型时段灵活性的影响,采用多级优化、逐级细化的思路求解模型。算例分析表明,所提方法在保障系统环保性和经济性的基础上,提升了系统各个时间尺度上的灵活性容量,可以促进系统新能源消纳。

计及高比例新能源多种控制方式及运行约束的连续潮流

高比例新能源电网的电压稳定问题突出,连续潮流是电压稳定分析的重要工具。现有含电压源换流器(VSC)电源电网的连续潮流未充分考虑VSC的多种控制方式以及运行约束,导致电压稳定裕度计算的准确性不足。文中提出同时计及新能源并网VSC的输出电流约束和内电势约束,以及考虑构网型新能源恒电压控制、无功功率-电压下垂控制和跟网型新能源恒无功控制的连续潮流模型和计算方法,给出了由约束导致的控制方式切换逻辑和分岔点类型识别方法。通过改造的IEEE 39节点系统算例结果表明,所提模型与算法提升了传统连续潮流方法对高比例新能源电网静态电压稳定分析的适用性。

Double-uncertainty optimal operation of hybrid AC/DC microgrids with high proportion of intermittent energy sources

This paper applies double-uncertainty optimization theory to the operation of AC/DC hybrid microgrids to deal with uncertainties caused by a high proportion of intermittent energy sources.A fuzzy stochastic expectation economic model for day-ahead scheduling based on uncertain optimization theory is proposed to minimize the operational costs of hybrid AC/DC microgrids.The fuzzy stochastic alternating direction multiplier method is proposed to solve the double-uncertainty optimization problem.A real-time intra-day unbalanced power adjustment model is established to minimize real-time adjustment costs.Through comparative analysis of deterministic optimization,stochastic optimization and fuzzy stochastic optimization of day-ahead scheduling and real-time adjustment,the validity of fuzzy stochastic optimization based on a fuzzy stochastic expectation model is proved.

水电高占比下风电接入对系统稳定性影响

随着绿色清洁高效能源基地的构建,以水电为主体的水风互补成为我国西南能源开发的重要特征。为研究在典型水电系统中接入风电对系统稳定性带来的影响,首先,针对水风互补系统以转矩分析法分析了风电接入对系统频率和功角稳定性的影响,并通过算例和Prony分析验证了风速与风电渗透率对系统稳定性的影响。结果表明,风电的接入在一定程度上可以削弱传统水电系统的超低频振荡,而风电接入互联送端系统会导致区域等值惯量的下降,进而使系统区域间低频振荡风险加剧。其次,考虑风电的接入会诱发区域间低频振荡,在风电系统中引入风电的附加综合虚拟惯性与阻尼控制。算例与Prony分析验证了该控制策略能有效提高系统稳定性。最后,在区域间大规模风电接入场景下,利用改进的鲸鱼算法对风电的附加控制器参数进行了优化;结果表明,参数的整定有效提高了系统的频率以及功角稳定性。

基于改进多目标粒子群算法的储能电站定容选址优化配置研究

电化学储能电站在高比例新能源电网中逐步得到了规模化应用,其优化配置策略很大程度上决定了其辅助电网调频调压的效果。为实现电化学储能电站的最优化配置,首先研究了高比例新能源下储能参与电力系统调频调压的控制策略,提出了基于变系数有功无功下垂控制方法。随后,建立了高比例新能源电网下储能系统参与电网调频调压的多目标优化配置模型。该模型以调频综合指标、调压综合指标和系统成本为优化目标,采用了改进型多目标粒子群算法对控制参数配置和储能系统选址定容结果进行优化配置。为避免数据的主观性,采用熵权法对所得到的多目标解集选出最优方案。最后,采用某市区域电网实际算例对储能进行优化配置,区域电网调压综合指标降低了9.2%,调频综合指标降低了25.1%,区域电网节点电压偏差和频率偏差均显著降低,调压和调频效果得到了提升,验证了本文所提出储能定容选址配置方法的有效性和优越性。

德国电力市场能源转型建设及启示

中国正在推进能源结构清洁化转型。如何通过市场建设促进新能源高比例消纳是能源结构调整重点关注的问题。国外电力市场在支撑能源转型方面具有较为丰富的可借鉴经验,以德国电力市场为借鉴对象,对比总结其促进新能源消纳的过程和成效,可为内蒙古电力市场建设提供有益参考。首先分析对比内蒙古自治区与德国在能源供给和消费总量、新能源装机和消纳方面的水平差距;其次介绍德国电价体系和电力市场体系,并通过参考因素的平均绝对误差指标对德国电力市场在适应高比例新能源方面的运行成果进行深度分析;最后总结德国电力市场建设在政策与市场衔接、跨国大市场建设和区域自平衡机制等方面的经验,并提出适应内蒙古电力市场建设的建议。

变分模态分解新能源电力系统低频振荡控制方法

为了提高对高比例新能源电力系统低频振荡能量的计算精度,进而提升低频振荡控制效果,变分模态分解的基础上,研究高比例新能源电力系统低频振荡控制方法。将变分模态分解算法应用于提取电力系统低频振荡信号;使用A3C算法,训练低频振荡能量;通过返回机制和梯度计算获取低频振荡的能量参数,利用这些参数建立二维模糊控制的模糊规则,然后对输出量进行去模糊化处理,从而实现对低频振荡的有效控制。实验结果表明,使用所设计方法对高比例新能源电力系统低频振荡进行控制后,其低频振荡位于0.5 Hz左右,控制效果较好。

基于IMPMMS并网的新能源电压稳定性分析

新能源并网比例过高导致新能源电网电压稳定性低和机组脱网风险,永磁发电机组(IMPMMS)对系统具有电压补偿能力,能满足新能源电网无功需求。本文根据永磁发电机组的结构和工作原理,分析了永磁发电机组的电压补偿机理,推导影响无功调节能力的参数。结合新能源通过永磁发电机组并网的状态方程,建立电力系统仿真模型,对比不同程度电压跌落下永磁发电机组与传统机组的电压补偿能力及电压隔离作用,最后研制一台缩比样机。仿真和试验结果表明:网侧电压跌落幅度越大,永磁发电机组电压补偿能力越强,且永磁发电机组机械隔离可以隔离故障对新能源机组的影响,有效防止新能源脱网风险的发生,提高新能源发电系统的电压稳定性。

考虑源荷不确定性和新能源消纳的综合能源系统协同调度方法

随着“双碳”战略的实施,风光等新能源渗透比例不断提高。需求侧资源参与有功调度是源荷平衡和提高新能源消纳率的重要方式之一,而源荷侧的多重不确定性又会对综合能源系统中多类型能源的管理提出了新的要求。在此背景下,该文提出了一种调度与消纳协同优化方法,构建能源管理与定价双层优化模型。首先,上层能源管理模型采用该文提出的随机-鲁棒优化方法解决综合能源系统调度面临的新能源发电时序波动性、负荷及其响应的不确定性等问题;其次,在下层能源定价模型中,以系统新能源就地消纳率最大为目标,通过价格变化信号引导用户合理消费,从而优化负荷曲线,消纳上层控制中因安全稳定运行需要而导致的弃风弃光功率;之后,应用线性优化强对偶定理和列和约束生成算法,将上层模型转化为混合整数线性规划问题,并利用商业化求解器YALMIP/GUROBI对双层优化模型进行求解。最后,算例分析验证了该文优化方法能够兼顾系统运行鲁棒性与经济性,同时可以在高比例新能源接入情景下有效促进新能源消纳。

电压源型风电比例影响区域电网频率调整研究

随着新能源大比例接入新型电力系统中,区域电网的频率稳定性问题凸显。为了研究风电在区域电网中对新能源系统稳定运行能力的影响,针对电压源型风电占比对区域电网频率调整的影响开展研究。对风电频率需求相应特性和电压源型风电机组控制进行分析,提出了在电压源型风电机组不同占比结构下的区域电网新能源场站容量分配评估方法。在Matlab/Simulink中对不同电压源型风电占比下的电网频率响应特性进行验证。结果表明,随着在混合风电场内配置一定比例的电压源型风电机组,可以有效地改善区域电网的频率稳定性。

基于生产模拟的新型输电网规划方案效率效益评价方法

常规基于典型日的输电网规划方案评价方法不仅缺乏综合的效率效益评价指标体系,而且对新能源随机性与波动性的考虑不足。针对新型输电网规划方案效率效益评价需求,从多个时间尺度提出了综合效率效益评价指标体系,建立了考虑了风电、光伏出力随机波动性的新型输电网时序生产模拟模型,实现对规划方案全年8760 h的生产模拟,得到一系列基于生产模拟结果的评价指标值。在此基础上,提出了一种基于主客观赋权与模糊综合评价结合的输电网规划方案效率效益综合评价方法,避免了评价过程中的主观与客观方面的不足,为新型输电网规划方案多时间尺度的效率效益评价提供了有效的方法。基于西南某实际电网规划方案的效率效益评价算例,证明了所提方法的有效性。

高比例可再生能源电力系统源荷储联合调峰分层优化运行

高比例可再生能源接入电网给电力系统调峰经济性运行带来巨大的压力。为此,提出一种计及需求响应的源荷储联合调峰分层优化运行模型,优化电力系统调峰的经济性运行。首先,以需求响应的净负荷优化曲线与新能源发电预测曲线拟合程度为上层目标函数,以各机组联合调峰运行总成本最小作为下层目标函数。其次,考虑影响系统运行安全与调峰相关的约束条件,以供给某区域电源系统为例,对比分析传统调峰与电源侧联合调峰方案,以及在负荷侧加入需求响应后的联合调峰的优化结果。最后通过仿真后的数据对比发现,电源侧联合调峰的成本比传统调峰的成本要少的多,加入需求响应后的联合调峰能实现风、光发电的完全消纳。所提出的联合调峰方案能够降低高比例可再生能源并网的弃风弃光率,提高系统运行的经济性。

面向高比例新能源接入的电氢耦合系统设想及分析

高比例新能源接入电力系统,其高随机性与波动性将造成系统“源-荷”结构失衡,且高比例电力电子化将导致传统电力系统以同步发电机和机电动态特性为基础的技术特性发生深刻变化。为此,提出了一种采用“送端绿电离网外送-受端离网制氢-氢燃气并网发电”模式的电氢耦合系统,即在送端将新能源电力汇集接入至与交流电网无电气联系的直流输电网络中,在受端满足电解水制氢直流负荷并通过氢燃气发电方式支撑交流电网,从而将大量新能源消纳和新增“西电东送”需求与送端/受端交流电网解耦。所提电氢耦合系统不仅能改善系统电力电量平衡,促进高比例新能源消纳,还能够保障电力系统的安全可靠运行,可为我国高比例新能源电力系统的演进方向提供参考。

考虑长期负荷概率预测的储能多阶段优化配置

随着高比例新能源对电网的逐渐渗透,其出力的随机性和不确定性对电力系统的安全稳定运行提出了更高的要求。储能的源荷双向特征,可以作为灵活性资源提升电网的调节能力,当应用在电网侧时,储能配置的功率和容量大小影响电力系统的稳定运行和经济规划。提出了一种考虑长期负荷概率预测的储能多阶段优化配置方法,对电网侧的独立大规模储能进行容量配置。首先,分析电网侧独立储能的成本效益,以多阶段经济性最优为目标,采用非参数组合回归的长期负荷概率预测模型,建立优化模型并采用改进粒子群算法求解。最后,用酒泉地区电力系统进行算例分析,验证所提方法和模型的可行性和优越性,并且从峰谷电价差和新能源利用率两个方面对储能经济性进行了灵敏度分析。

新型单心式独立型移相变压器及其调节特性研究

为提升高比例新能源配电网的潮流控制能力和精度,提出了一种新型单心式独立型移相变压器(SCIPST),对调压绕组匝数配置进行了优化,通过独立控制2个调压绕组,SCIPST能够独立调节线路电压的相位和幅值。与传统移相变压器相比,增加了独立调节线路电压幅值的功能和可调移相角的数量,提高了调节精度。通过独立调节线路电压相位和幅值,能够在一定范围内实现独立调节线路有功、无功。介绍了SCIPST的拓扑结构,详细分析了工作原理并给出了控制策略。建立了SCIPST的仿真模型,对SCIPST调节电网潮流和电压的稳态和暂态性能进行仿真验证。研制出小容量SCIPST实验模型,搭建了潮流调节特性测试平台,开展了调节潮流模拟实验。仿真和实验结果证明了所提出的SCIPST的可行性和有效性。

高比例风电电力系统储能运行及配置分析

针对新能源随机性及波动性对电力系统安全稳定运行带来的不确定影响,为提高系统的经济性安全性,对高比例风电电力系统储能运行及配置进行了研究分析。通过研究分析“供给侧”低碳化转型对电力系统运行经济性、可靠性影响,以及风电渗透率(最大风电功率与最大负荷功率之比)递增对系统功率平衡的影响,建立了高比例风电电力系统的结构,并建立了高比例风电电力系统容量优化配置模型,构建了4种对比方案。利用CPLEX求解器对模型进行了求解,结果表明“供给侧”低碳化转型对电力系统运行经济性及可靠性的影响很小,增大风电渗透率及考虑储能能够提升系统的运行经济性及可靠性,有助于新型电力系统的构建,促进“碳中和”的实现。