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ISSN 1000-7229 CN 11-2583/TM
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在“清洁替代、电能替代”的能源发展趋势下，电网作为输送与分配电能的载体，是能源供应体系的重要组成部分，是现代经济发展和社会进步的重要基础和保障，更是能源互联网的核心主体。通过对北美、欧洲和俄罗斯等典型电网百余年发展的研究，总结了世界典型同步电网发展从传统电网到现代电网，从孤立电网到跨区、跨国大型互联的一般规律，为中国电网的发展提供借鉴。基于对中国电网发展历程和考虑新能源特性电网互联演化的分析，结合电力需求、能源开发以及电力流规模的发展趋势，提出了基于同步电网格局的中国能源互联网未来的发展形态，为构建全球能源互联网奠定重要基础。
目前，能源互联网已经成为我国电力系统发展的主要方向。能源互联网的建设将在很大程度上改变目前能源利用现状和管理模式。从需求侧管理的角度，阐述能源互联网条件下的新型控制策略，传统的需求侧管理是基于电网与用户的相互作用，通过相关协议达到对负荷的部分可控，能源互联网的发展，使得用户侧的信息交互更加重要与频繁，同时由于各种能源发电形式的接入，使得对用户的负荷管理也越来越重要。提出一种面向能源互联网的需求侧管理方法，该方法利用用户侧健全的通讯基础设施，在每个用户的智能量测设备中增加用电计划控制模块，该模块借助博弈论的思想使每个用户根据其他用户的用电计划制定出使得自己用电支出最小的用电计划，最终得到所有用户的能源消费计划。在整体的能源消费计划下，达到系统运行的峰均比和发电成本最小。最后，通过实例仿真证明了该负荷管理模式的有效性。
西北地区新能源接入主要受西北—新疆联网通道输电能力的影响和限制，为合理规划发展西北地区新能源，对新能源接入与西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性进行了研究。采用PSD-BPA机电暂态仿真程序，分析了新疆哈密地区风电、甘肃河西走廊地区风电、甘肃金昌等地光伏电源以及青海柴达木地区光伏电源接入后，对西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定性的影响。结果表明：哈密风电接入规模及风电机组控制方式对西北—新疆联网通道输电能力的影响不大，但哈密风电接入会降低系统的安全稳定水平；而甘肃风电及光伏电源的接入有利于西北—新疆联网通道输电能力及系统安全稳定水平的提高；青海地区光伏电源的接入会使西北—新疆联网通道输电能力下降，且使西北—新疆联网第一通道安全稳定性下降，但会使总的新能源接入规模得到大幅提高。根据分析结果，建议合理发展青海、甘肃光伏电源规模，并注意发展比例。同时，在发展大规模风电及光伏电源的同时，应注意西北—新疆联网通道安全稳定控制措施的合理制定。
针对我国大规模风电接入地区因系统调峰能力不足引起的大量弃风问题，提出采用大容量储能电池提高系统调峰能力、减少弃风损失的储能充放电策略。基于所提出的储能恒功率充放电策略，建立储能电站容量和布点优化的数学模型，并采用遗传算法进行求解。该模型以储能电站的投资和运行成本、网络损耗、调峰不足弃风及风电送出通道阻塞弃风损失之和最小为优化目标，考虑了储能电站的峰谷电价收益、计及了风力发电的碳减排效益，并满足电网的安全运行约束。最后，利用IEEE RTS79系统进行储能布局优化分析，验证了方法的有效性。应用该方法能够为解决大规模风电并网地区的弃风问题提供技术解决方案。
电侧的需求响应以及蓄电设备运行灵活，可以作为虚拟备用资源，保障含风电等间歇性新能源发电的电力系统安全。为衡量虚拟备用资源给系统经济性和环保性的影响，分别建立传统火电备用和虚拟快速备用这2种含风电并网的电力调度模型。并考虑新能源输出功率、电力市场、机组参数等不确定因素给系统优化带来的风险，将区间两阶段随机优化模型与CVaR风险规避相结合，利用区间数、概率数对系统供给侧和需求侧的不确定因素与优化函数有效结合，同时体现决策者风险偏好。算例分析表明，此混合优化算法能够对含风电并网的电力系统不同旋转备用模式进行优化，权衡系统成本与系统风险。算例结果表明充分利用蓄电池、需求响应作为虚拟备用资源能有效降低系统成本和CO2排放。
传统的机电-电磁暂态仿真中电磁侧在机电侧的等值方式主要有电流源、诺顿等值电路和功率源等。分析了电磁侧在机电侧电流源等效的误差产生机理，指出在电磁侧故障期间仅传递接口的电流幅值和相位难以满足机电侧的精确求解。结合接口的电压约束和功率约束，提出了一种区别于电流源的等值方式。该等值方式利用机电侧上一个步长的信息，将传统的电流源等值直接参与机电网络求解的方式改为迭代求解，从而改善了电流源等值方式，在故障期间由于不能保证接口功率传递，而带来的计算不准确问题。在PSCAD/EMTDC环境中，搭建了基于PSCAD+C架构的含有两回直流输电线路的，IEEE 39节点系统机电-电磁暂态混合仿真平台。仿真结果表明，所提出的电流源改进等值方式可以显著改善故障期间机电侧的仿真精度。
该文分析了故障电流含有衰减直流分量时传统dq-120算法的误差形成机理及表现形式。在此基础上，结合Prony算法提出了一种dq-120改进算法，该算法基于故障电流中含有直流分量的假设条件，对故障电流的dq-120计算结果进行模型降阶，简化了传统Prony算法的计算量并提升了dq-120算法对直流分量的免疫水平。借助PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建了含有一回直流线路的IEEE 39节点系统机电-电磁暂态混合仿真模型。仿真结果表明，与传统的dq-120算法相比，改进算法明显提高了故障期间相量提取精度，从而有效提升了机电-电磁暂态混合仿真故障期间的仿真精度以及整个仿真过程的仿真精度。
对基于戴维南等效原理的模块化多电平换流器（modular multilevel converter， MMC）桥臂电磁暂态仿真详细模型的数学原理进行了分析，发现当仿真过程中发生故障或开关动作等引起网络结构变化时，由于电容电流会发生突变，当采用梯形积分法计算时会引入计算误差。为了解决这一问题，提出了一种通过求解突变后的非状态变量来消除计算误差的方法，在PSCAD/EMTDC下对比分析了误差消除前后在开关变化时刻的电容电压，验证了本方法的正确性和有效性。同时，搭建了单端101电平MMC-HVDC仿真系统，验证了本文提出的改进计算模型的正确性。
微电网的特点决定了其运行、调度、控制等诸多形态明显不同于传统配电网。如何确定微电网系统中各决策主体最佳策略从而平衡和优化有关各方利益是一项极具挑战性的课题，面向复杂主体多目标优化的博弈论有望成为攻克微电网系统诸多关键难题的有力工具。该文主要针对微电网，集中讨论了博弈论在微电网源、网、荷、定价策略等环节中的典型应用，并对博弈论未来在微网型售电商、微电网与主网交互、可再生能源发电渗透率、微电网通讯网络建设等方面的应用进行了展望，希望对推动博弈论在微电网中的深入研究起到积极作用。
为了更好地选择计及风电随机特性的电力系统调度计划模型，引入了3种基于风电场景的经济调度wait-and-see模型进行对比分析。从目标函数入手，对比分析“尽可能接近风电均值”和“调度计划调整量最小”这2种目标函数的差异。基于功率平衡方程，推导了3种模型制定的调度计划在应对实际可能发生的风电场景时的调节能力以及调整幅度，并进行了对比分析。最后，以IEEE 24节点系统为仿真算例，从运行成本、调节能力、调整幅度、弃风量等方面，对3种模型的仿真结果进行对比分析。分析结果表明：以调整量最小为目标的模型在鲁棒性、经济性、计算速度等方面相对于其他两个模型具有明显优势。所提供的3种经济调度模型以及对比分析结果可为运行人员灵活选择含有风电的电力系统调度计划优化模型提供参考。
电网运行由于受各种因素制约，若仅以可靠性作为判据进行评估，则输电线路最大利用率处于较低水平。针对这一问题，通过对年持续负荷曲线的分析，提出一种基于经济性与可靠性协调的输电线路最大利用率评估方法，通过协调电力系统可靠性与经济性，得出现有线路年平均利用率真正能够达到的最高水平。评估中首先计算系统满足可靠性约束的年最大负荷，进而对持续负荷曲线超过年最大负荷部分作为过负荷切除，并按照可中断负荷方式给予切负荷赔偿；对于年持续负荷曲线中保留部分，针对其电量不足期望值给予停电损失赔偿。二者共同组成可靠性的经济代价，将其增长速度与电网售电带来的经济效益增速比较，只要可靠性的经济代价增速更慢，评估中系统最大年利用率就仍有提升空间。将该方法应用于IEEE RTS79系统，结果表明此评估方法较传统安全评估结果更高，能够进一步开发线路利用空间，充分利用输电线路的可用容量。
多端柔性直流输电系统的现有下垂控制方法可以将直流网络的不平衡功率在各换流站间进行合理分配，但忽略了各换流站交流侧系统的承受能力，无法根据交流侧系统的暂态响应情况来灵活调节各换流站所分配的不平衡功率量。因此，该文提出一种考虑交流电网调节能力的多端柔性直流网络改进下垂控制方法，该方法根据扰动后交流侧电网的频率偏移情况来自动调节下垂控制的斜率系数，在不改变控制器结构的前提下，可使直流侧的不平衡功率在各交流电网中得到更为灵活合理的分配。在实时数字仿真器（real-time digital simulator， RTDS）平台搭建了仿真模型，通过与固定斜率下垂控制方法和考虑功率裕度的自适应下垂控制方法进行对比，验证了该改进控制方法的有效性和优越性。
场内风速分布不均、集电线路分布不匀等因素造成各发电机间继电保护状态和外特性的差异，使得常规单机聚合模型难以准确反映真实风电场的故障穿越行为。为此，基于逆向建模方法与宏观特征参数，提出了对双馈异步机组（doubly-fed induction generator，DFIG）风电场具有更强适应的双机聚合模型。首先，分析了过流短接保护对风电场外特性指标的影响。其次，考虑到DFIG的功率源特性，低电压穿越中对其转子侧Crowbar的描述决定了是否能精确模拟风电场的功率调制响应，而短路电流水平又决定了Crowbar是否动作，是引起发电机间调性不同的最主要因素。基于该不同调性对故障过程中的DFIG进行分类，在双机等值模型的基础上实现了对风电场内分布行为的描述，并可根据具体风电场参数和风资源特性主动调节宏观参数组，从而平滑设定影响外特性的场内分布因素水平。最后，为提高该模型的实用性，还提出了一套参数辨识策略，依据故障深度提取出能体现风电场于该次扰动中最大的可能性响应的宏观参数组。多机系统仿真验证了单机等值存在的问题以及双机等值模型的性能。所提方法可考虑风电场自身的风资源特性，同时有效提高对风电场功率响应、相邻同步机功角稳定和负荷电压稳定行为的模拟精度。
为改善基于欧式距离的全维度负荷曲线聚类算法在负荷形态相似度上的不足，提出了结合负荷形态特征指标的电力系统负荷曲线两步聚类算法。算法第一步采用基于欧式距离的负荷曲线聚类方法获得初步聚类结果，并通过负荷聚类评价指标选取一次聚类算法和聚类数目；第二步基于负荷形态特征指标采用监督学习算法对负荷进行重新分类。之后比较了不同算法的分类效果，最后给出了聚类结果的应用建议。算例结果表明，所提出的两步聚类算法可以改善传统的负荷曲线聚类方法在形态相似度上的不足，在二次分类方法中，支持向量机（support vector machine，SVM）算法表现较好，所提出的方法具有实际应用意义。
研究分布式电源（distributed generation，DG）接入配电网的优化配置问题，基于模糊隶属度技术建立综合考虑投资效益、电压指标和网损的多目标优化配置模型，有效解决了因各子目标数量级不同而导致的过度优化问题。对一种新颖的仿生智能算法——果蝇优化算法（fruit fly optimization algorithm，FOA）进行改进，效仿细菌在觅食过程中的趋化思想，在算法寻优过程中引入吸引和排斥操作，有效提高了种群多样性，降低了算法陷入局部最优的可能。IEEE 33节点系统的仿真结果表明，与传统果蝇优化算法和粒子群优化算法（particle swarm optimization，PSO）相比，改进果蝇优化算法（improved fruit fly optimization algorithm，IFOA）在寻优速度和求解精度上都具有较大优势，能快速、有效地搜索到最优配置方案，从而验证了改进算法的有效性与合理性。
导线覆冰是冰区架空输电线中的常见现象，导线脱冰振荡会严重影响输电塔的结构安全。为了实现对导线覆冰脱冰的多工况实验模拟，基于总线架构式设计思想，研制了一套新型导线脱冰振荡非线性模拟实验系统，主要包括脱冰模拟模块、脱冰控制模块和数据采集模块三大部分。脱冰模拟模块负责基本实验环境的搭建，可以根据不同的架空输电线工况进行设计。脱冰控制模块实现脱冰时序的设置，并按照时序高精度地模拟出各种脱冰跳跃工况。数据采集模块对导线动张力进行实施采集，并利用双目立体视觉技术实现导线脱冰跳跃轨迹测量。系统具有较高的自动化水平，控制精度良好，能够有效测得脱冰跳跃过程中的动张力和导线跳跃轨迹。
电动出租车充电基础设施的科学布局与建设对于电动出租车的推广具有重要的意义。考虑到对于以收益最大为目的的电动出租车驾驶员而言，时间价值具有重要的意义，以充电站建设及运行维护年费用、出租车前往充电站耗时年成本、充电等待时间年成本及配电网网络损耗年费用构建全社会年总成本目标函数，以配电网安全运行为充电站布局规划的约束条件建立模型。在量子遗传算法中引入自适应调整策略，并与Voronoi图法相结合对模型进行求解，基于Voronoi图划分的充电站服务范围，采用排队论的M/G/c对充电站容量进行优化配置，从而实现电动出租车充电站的选址定容。最后，以36节点的路网和33节点的配电网络为例说明了模型和方法的有效性和实用性。
开展针对基于模块化多电平换流器的高压直流（modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC）输电系统的损耗研究，对高压直流输电系统的设计与优化具有重要意义。提出一种基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统损耗计算的实用方法。首先，根据MMC-HVDC输电系统的拓扑结构和器件参数建立MMC-HVDC输电系统及其各个器件的损耗计算模型，并通过仿真计算精确求解MMC-HVDC输电系统及其器件不同运行工况的损耗系列数据；然后再利用数据拟合的方法得到便于工程应用的损耗计算公式；最后，针对厦门柔性直流输电系统工程，采用本文方法求得损耗计算公式，并与实测结果进行了对比分析。分析表明，利用该损耗拟合公式计算和评估MMC-HVDC输电系统的损耗可满足工程精度要求。
可信容量是评价分布式电源容量价值的重要指标。针对西部某地区风电/水电富集区域处于配电网末端、分布式电源分散式并网、网架结构薄弱的特点，提出该区域与外网不同的运行策略下计及网架约束的风电机组可信容量评估方法，并采用局部电网调度和全局可信容量计算两步算法，计算系统的等效载荷能力，量化分析多类型电源富集区域并网对系统充裕性的影响。以西部某富水地区电网为例，计算了风电机组可信容量，同时研究了局部电网与外部电网3种不同运行方式对系统整体充裕性的影响，并提出相关运行建议。
在电力系统低碳化背景下，分析比较智能配电网中分布式发电、储能电站、电动汽车充电桩接入对智能配电网碳排放的影响。研究考虑分布式发电、储能电站、电动汽车充电桩接入的智能配电网全寿命周期碳排放机理，建立其接入智能配电网的碳排放模型。结合碳排放流理论，提出智能配电网全寿命周期低碳仿真方法，说明智能配电网运行阶段碳排放占全寿命周期碳排放的主要部分。仿真分析了分布式发电、储能电站、电动汽车充电桩单独接入和共同接入配电网对运行阶段碳排放的影响，并针对智能配电网低碳运行方式提出建议。以IEEE33节点配电系统验证了方法的有效性和合理性。
针对光伏电站出力的不确定性，以及描述出力的概率分布函数难以准确获取的特点，提出将分布鲁棒线性优化理论用于研究光伏电站并网后的极限容量问题，建立了基于系统运行约束条件下的光伏电站极限容量的分布鲁棒优化模型，模型中的随机变量为太阳辐射强度，结合其上下限与期望来描述光伏电站出力的不确定，并通过对偶理论将模型转化为确定性的线性规划问题，以便于求解。在某修正的Garver's 6节点系统中，对模型进行验证，结果表明：不同的并网位置、太阳辐射变化范围均明显影响了光伏电站并网后的极限容量，并且与盒式鲁棒优化方法相比，分布鲁棒优化方法能得到更优的结果，同时该模型还能给出在最优性与鲁棒性之间灵活转换的计算结果，进而验证了该模型与方法的可行性和有效性。
