Power system planning with high renewable energy penetration considering demand response

Electric system planning with high variable renewable energy(VRE)penetration levels has attracted great attention world-wide.Electricity production of VRE highly depends on the weather conditions and thus involves large variability,uncertainty,and low-capacity credit.This gives rise to significant challenges for power system planning.Currently,many solutions are proposed to address the issue of operational flexibility inadequacy,including flexibility retrofit of thermal units,inter-regional transmission,electricity energy storage,and demand response(DR).Evidently,the performance and the cost of various solutions are different.It is relevant to explore the optimal portfolio to satisfy the flexibility requirement for a renewable dominated system and the role of each flexibility source.In this study,the value of diverse DR flexibilities was examined and a stochastic investment planning model considering DR is proposed.Two types of DRs,namely interrupted DR and transferred DR,were modeled.Chronological load and renewable generation curves with 8760 hours within a whole year were reduced to 4 weekly scenarios to accelerate the optimization.Clustered unit commitment constraints for accommodating variability of renewables were incorporated.Case studies based on IEEE RTS-96 system are reported to demonstrate the effectiveness of the proposed method and the DR potential to avoid energy storage investment.

A Review of Technical Requirements for High Penetration of Wind Power Systems

Renewable portfolio targets have been established in many regions around the world. Regional targets such as 20% renewable energy by year 2020 are not uncommon. As the levels of wind power penetration increase, there are many power system impacts. This work investigated possible challenges and technical requirements for high penetration of wind power systems. The main issues to discuss covers reserve determination, wind power forecasting, unit commitment with appropriate generation portfolio, wind turbine and storage system technical development, demand response management, electricity market design, and frequency stability.

Control and Stability of Large-scale Power System with Highly Distributed Renewable Energy Generation:Viewpoints from Six Aspects

Power systems are moving toward a low-carbon or carbon-neutral future where high penetration of renewables is expected.With conventional fossil-fueled synchronous generators in the transmission network being replaced by renewable energy generation which is highly distributed across the entire grid,new challenges are emerging to the control and stability of large-scale power systems.New analysis and control methods are needed for power systems to cope with the ongoing transformation.In the CSEE JPES forum,six leading experts were invited to deliver keynote speeches,and the participating researchers and professionals had extensive exchanges and discussions on the control and stability of power systems.Specifically,potential changes and challenges of power systems with high penetration of renewable energy generation were introduced and explained,and advanced control methods were proposed and analyzed for the transient stability enhancement of power grids.

Communication Resources Allocation for Time Delay Reduction of Frequency Regulation Service in High Renewable Penetrated Power System

The high renewable penetrated power system has severe frequency regulation problems.Distributed resources can provide frequency regulation services but are limited by com-munication time delay.This paper proposes a communication resources allocation model to reduce communication time delay in frequency regulation service.Communication device resources and wireless spectrum resources are allocated to distributed resources when they participate in frequency regulation.We reveal impact of communication resources allocation on time delay reduction and frequency regulation performance.Besides,we study communication resources allocation solution in high renewable energy penetrated power systems.We provide a case study based on the HRP-38 system.Results show communication time delay decreases distributed resources'ability to provide frequency regulation service.On the other hand,allocating more communication resources to distributed resources'communica-tion services improves their frequency regulation performance.For power systems with renewable energy penetration above 70%,required communications resources are about five times as many as 30%renewable energy penetrated power systems to keep frequency performance the same.Index Terms-Communication resources allocation,commun-ication time delay,distributed resource,frequency regulation,high renewable energy penetrated power system.

含高比例可再生能源的电力系统运行可靠性解析评估方法综述

随着“双碳”目标的推进,高比例可再生能源广泛接入,电力系统呈现出不确定性因素多、源荷变化快、多重随机性强等特点,给电网的安全稳定运行带来了新的挑战。解析法是最常用的运行可靠性评估方法之一,具有数学模型清晰、计算效率稳定、枚举状态关系明确等优势,有助于保障电力能源的安全可靠供应。从电力系统运行可靠性的概念和评估流程出发,归纳亟待解决的问题。在此基础上,从可靠性评估效率提升、考虑极端灾害的不确定性建模和序贯解析评估3个方面归纳了现有研究成果及其存在的不足。最后,展望了含高比例可再生能源的电力系统运行可靠性解析评估方法的未来研究方向。

高比例可再生能源新型电力系统长期规划综述

大力发展风电、光伏等可再生能源是实现电力系统低碳转型的重要途径。由于可再生能源出力具有波动性与不确定性,为应对大规模可再生能源并网给电力系统长期规划带来的挑战,近年来相关研究成果不断推出。为全面综述该领域的研究现状,该文首先分析新型电力系统的主要技术特征,然后,从能源供应的经济–政策不确定性与低碳转型带来的能源供应安全两个方面分析新型电力系统长期规划模型所面临的挑战。并从长期不确定性、短期不确定性、电力系统充裕性、电力系统安全性4个方面,综述当前新型电力系统长期规划研究成果,分析其中需要关注的重点、难点问题。最后,对新型电力系统长期规划模型的构建与应用进行总结与展望。

跟网型并网变换器的稳定域重塑控制策略研究综述

大力发展可再生能源是完成能源清洁化转型和实现“双碳”目标的重要途经。在此时代背景下,电力系统结构形态将发生根本性转变,从以同步机电源为主导的传统电力系统发展为由风、光新能源作为主体的新型电力系统。电力电子变换器作为新能源并网发电的接口,具有高度的灵活性与可控性,如何设计控制策略以保证并网变换器的稳定运行是电网高比例可再生能源发展进程中最受关注的重要问题之一。针对复杂电网工况下基于锁相环同步跟网型并网变换器的致稳控制方法,形成了一系列相关研究成果。在具体并网场景下,通过建立合适的跟网型并网变换器的数学模型,并结合与模型适配的稳定性分析方法明晰并网系统失稳机理,进而设计控制策略以改善并网系统稳定性,提升跟网型并网变换器对具体场景的适应性,即经改进控制策略重塑了跟网型并网变换器的稳定运行域。本文依据所采用的跟网型并网变换器模型及稳定性分析方法,将从小扰动意义下的稳定域重塑控制和暂态场景下的稳定域重塑控制两个方面,梳理与归纳迄今的工作进展,并在此基础上探讨保障高比例可再生能源电力系统安全可靠运行仍需研究的技术问题。

面向高比例清洁能源消纳的含灵活性资源电力系统规划方案优选

高比例清洁能源具有波动性及间歇性等特点,其大规模接入给电力系统灵活性带来巨大挑战.为提升系统可再生能源消纳能力,考虑火电灵活性改造、投建燃气机组和投建储能的多种灵活性资源,建立一种计及多类型灵活性资源功率特性的电力系统规划方案优选模型.通过改进的IEEE 24节点电力系统和12节点天然气互联系统进行仿真分析,验证所提模型的有效性,并从经济性、消纳能力、低碳性等角度对灵活性规划方案进行优选以满足不同的规划需求.

考虑风-储-直参与调频的电力系统频率特征定量分析

以风电、储能、柔性直流输电为代表的高比例可再生能源和大量电力电子设备的并网,使得电网中传统火电的比例下降,这将在一定程度上影响电力系统的频率稳定性。为定量分析风电、储能、柔性直流输电系统参与调频下电力系统的频率特征,首先提出多种调频资源参与调频下的电网频率特征定量分析总体思路,建立风-储-直调频频率响应模型。然后基于频率特性传递函数对电力系统稳态频率偏差、初始频率变化率、最大频率偏差和频率安全裕度进行理论推导;且定量分析了稳态频率偏差变化规律以及惯性时间常数、辅助调频单元控制比例系数对频率稳定性的影响,并计算稳态频率偏差与功率扰动的关系。最后,基于仿真软件验证了所提分析方法的可行性和有效性。仿真表明所提方法可有效定量分析电力系统频率特征,可为双高电力系统下电网频率安全稳定运行与控制提供指导依据。

柔性直流输电技术的工程应用和发展展望

柔性直流输电技术作为新一代的直流输电技术,具有有功无功独立控制、响应快速灵活、扩展性强等突出优点,广泛应用于风电送出、电网互联、无源网络供电和远距离大容量输电等场景。在中国新型电力系统建设的背景下,针对新能源送出和多直流馈入电网安全稳定提升等重大需求,柔性直流输电技术优势将进一步凸显。文中对柔性直流输电技术的发展现状和趋势进行梳理,以多个代表性的柔性直流输电工程为例,系统地阐述了中国柔性直流输电技术的工程实践经验,重点介绍了柔性直流输电技术在新能源送出、电网互联和远距离大容量输电的典型应用及工程运行情况。最后,文中分析了新型电力系统下柔性直流输电技术的发展前景并指出所面临的挑战,为柔性直流输电技术的发展与应用提供参考。

光伏发电系统级快速功率调控技术及其应用

随着新能源（renewable energy sources,RES）在一些电网占比较高超过20%,电网运行遇到一系列困难与挑战,迫切需要挖掘新能源发电,尤其是以绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）逆变器接入电网的光伏发电系统自身的调节潜力,使之具备快速功率调控响应能力,支持系统一次调频/调压等服务。在此背景下,该文提出一种针对新能源尤其是光伏发电的系统级快速功率调控方案,其目标是实现新能源尤其是光伏电站达到全网系统级百毫秒内的快速升/降功率响应速度。该文提出已有电网安全稳定控制系统的升级改造方案,针对光伏电站能够以调代切,并实现光伏电站发电功率的双向快速连续调节;设计站级专用的新能源快速功率控制装置;提出逆变器跨越式最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）算法等技术并设计满足逆变器快速响应要求的一体化逆变器功率控制平台。该方案已在中国西藏电网得到应用,经现场实际测试结果：光伏站内功率控制响应时间在30ms以内,全系统功率控制响应时间在60ms以内,达到小于100ms的设计目标。试验和运行结果验证了该技术的有效性和先进性。

欧洲3·20日食对含大规模光伏发电的电网运行影响及启示

随着电网中可再生能源比例持续增长,日食等极端天气条件对大规模光伏发电、风电等电源并网运行将产生显著影响,电网安全稳定运行面临前所未有的挑战。对2015年3月20日欧洲日食发生期间光伏发电运行的基本情况及电网调度运行的成功应对措施进行了分析,探讨了未来含高比例可再生能源电力系统的运行常态及特点,提出了此次事件对我国含高比例可再生能源电网安全稳定运行的几点启示,最后对2016年日食对我国青海电网运行的影响进行了分析和展望。

基于鲁棒优化的交直流混合配电网供电能力评估

提出了一种适用于高比例可再生能源接入的中压交直流混合配电网供电能力评估方法。针对可再生能源出力的随机波动性,基于鲁棒优化思想构建了供电能力评估模型;针对运行安全被破坏的情况,提出了以配电网运行风险最小为目标、以交直流换流器等为调控对象的优化控制策略,充分挖掘系统的供电潜力。算例结果表明所提方法能够合理评估不确定环境下交直流混合配电网的供电能力,为配电网的安全运行提供参考。

互联电力系统中高比例风电和太阳能光伏的开发与消纳模式研究

发展高比例的风能和太阳能光伏发电是生态文明和社会可持续发展的必然选择。然而,是在负荷中心地区广泛地发展分布式的风能和太阳能光伏发电系统(可称为"就地开发与消纳"模式),还是在远离负荷中心地区建设大规模的风电和光伏基地并将其电能"远距离外送"到负荷中心(可称为"大规模远距离输送"模式),会直接影响高比例可再生能源情景的顺利实现。基于最优化等数学方法的研究已经表明,在当前以燃煤火电为主要调节容量(现时如此)的情况下,只有采用就地开发与消纳模式电网才能实现集成高比例的风能和太阳能光伏发电的目标。为便于读者理解这一结论,首先简明地介绍了互联电力系统的基本特征,并将其与互联网的基本特征做了对比分析;进而从互联电力系统的规范出发,就不同开发与消纳模式下可再生能源电量比例、系统运行和可用调节容量3个方面做了定性分析和简明阐释;最后通过1个具体的仿真示例,展示了在就地开发与消纳模式的情况下,系统为集成高比例风能和太阳能光伏发电所需采用的有效措施。

考虑异质能流输运特性的多能源系统惯量极限优化

针对多能源系统中异质能流输运特性、时间尺度、能量品质差异较大,易导致系统突破安稳运行边界的问题,该文提出基于异质能流输运协调的多能源系统惯量极限优化模型。首先,研究各能源子系统受惯性影响的安稳指标与能量平衡关系的多能源系统惯性特征,并建立多能源系统惯量支撑可调节能力量化模型。然后,基于多能源系统惯量极限需求特性,建立多能源系统惯量充裕度判别模型。在此基础上,建立基于多能源系统各子系统稳定性能要求的多能源系统惯量需求极限优化模型,并提出基于交替方向乘子法进行多能源系统的惯量极限求解方法。最后,基于改进的IEEE 39节点电力系统、20节点热力系统和14节点天然气系统进行仿真分析。仿真结果表明,该文提出的基于异质能流输运协调的多能源系统惯量极限优化模型能够有效提高多能源系统惯量资源利用效率和惯量支撑经济性。

基于分时容量电价的新型电力现货市场设计

为支撑高比例新能源新型电力系统现货市场的建设,需建立精准反映电力时空平衡成本的现货市场机制,形成度量源网荷储价值的价格信号,激励源网荷储精准、高效的互动。当新能源成为主力电源,当前现货市场机制将出现如下问题。1)若新能源决定边际价格,其近零边际成本将导致现货价格信号消失,价格调节作用不复存在;2)若昂贵、少量的灵活性资源决定边际价格,新能源与灵活性资源的供电服务差异性无法体现,新能源将获取超额利润,造成“搭车”现象。为此,文章设计了新能源与灵活性资源解耦、基于新能源固定成本形成分时容量电价的电力现货市场机制。新能源分时容量市场将新能源市场主体固定成本逐日分时分摊,以形成时序价格信号;灵活性资源现货市场通过竞争发现偏差电量平衡、调频、备用等剩余电力平衡服务价格;通过向新能源及用户公平分摊成本,确保满足“谁产生的成本谁承担”的激励相容原则,以市场机制实现灵活性的供需匹配。

高可再生能源渗透率下的区域多微网系统优化规划方法

高可再生能源渗透率下区域内多个微网之间存在相互支援的可能性,故将微网互联构成区域多微网系统,并通过优化配置区域多微网系统中各微网的分布式电源和储能,将有可能提升微网的经济性。为此,提出了一种高可再生能源渗透率下的区域多微网系统优化规划方法,以区域多微网系统年化综合收益最大化为目标,同时考虑了可再生能源渗透率的要求和各微网之间的相互功率支援,采用免疫遗传算法对各微网内的分布式电源和储能进行优化配置。以IEEE 33节点系统为例,得到了在多种高可再生能源渗透率下的区域多微网系统及各微网的年化综合收益;与未组成区域多微网系统的情形相比较,证实了组成区域多微网系统能提升微网经济性;与微网内只有单一类型的分布式电源情形相比较,证实了合理配置各类分布式电源能提升微网经济性。

直流电网核心装备及关键技术展望

直流电网技术是解决区域内高比例可再生能源并网和消纳问题的有效技术手段,但构建直流电网将面临技术、装备和标准等方面的诸多挑战。基于直流电网的技术特点,分析了高比例可再生能源并网、远海风电并网、直流配电网等3种典型应用场景,详细阐述了直流电网关键技术和核心设备的最新研究进展,研究提出了直流电网技术的发展方向,分析了未来直流电网发展需要研究的关键技术,指出未来随着直流电网基础理论体系的完善,以及关键技术、核心设备的突破,直流电网技术将在全球广泛互联的能源网络中发挥更大的作用。

高比例可再生能源渗透下多虚拟电厂多时间尺度协调优化调度

考虑可再生能源出力、电力负荷和电价等一系列不确定性因素,提出了高比例可再生能源渗透下的多虚拟电厂日内两阶段优化调度模型。该模型通过对多虚拟电厂中运行设备小时级时间尺度和分钟级时间尺度的协调优化,达到分级消除系统中随机和扰动因素的影响,实现高比例可再生能源的安全消纳。并且在多虚拟电厂优化调度模型中,借助Markowitz均值-方差理论,提出利润函数的风险刻画,准确描述不确定性的影响。最后,通过算例分析,说明所提出模型可有效降低决策风险和不确定性因素的影响。

图深度学习技术在电力系统分析与决策领域的应用与展望

新型电力系统的高比例可再生能源、高比例电力电子设备特性给电力系统分析与决策带来巨大挑战。以深度学习(deep learning,DL)为代表的数据驱动技术擅长应对大规模高维非线性数据建模问题,在电力系统分析与决策的应用愈发受到业界的关注。作为近年来的热门分支之一,图深度学习(graph deep learning,GDL)将DL技术拓展到了不规则拓扑关联数据的处理,加快DL技术实用化的步伐。该文对电力系统分析与决策各领域的任务需求、DL应用现状做了简要归纳,结合GDL的发展脉络与前沿热点技术,全面总结GDL在电力系统分析与决策应用优势与不足,围绕通用性/迁移性、可靠性以及可解释性等方面探讨GDL框架的未来发展思路。