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電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究中具有重要作用，然而當(dāng)前高比例可再生能源滲透電網(wǎng)規(guī)劃算例稀缺。針對該問題，清華大學(xué)電機(jī)系團(tuán)隊(duì)牽頭研究提出了HRP-38系統(tǒng)。目前該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)已進(jìn)入IEEEDataPort數(shù)據(jù)庫并提供開放下載(需用IEEE賬號登錄)，下載鏈接見文末。

本微文主要內(nèi)容源自Transmission Expansion Planning Test System for AC/DC Hybrid Grid With High Variable Renewable Energy Penetration(高比例可再生能源并網(wǎng)下的交直流混聯(lián)電網(wǎng)規(guī)劃測試系統(tǒng)), 該文已在IEEE Transactions on Power Systems優(yōu)先發(fā)表。

論文信息

作者：

卓振宇¹、張寧¹、楊經(jīng)緯¹、康重慶¹，Charlie Smith(查理·史密斯)²、Mark J. O’Malley(馬克·奧馬里)³、Benjamin Kroposki(本杰明·克羅波斯基)³

單位：

1.清華大學(xué)電機(jī)系

2.能源系統(tǒng)集成研究會(ESIG)

3.美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)

論文全文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8931650

文章導(dǎo)讀

電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究中具有重要作用。目前廣泛使用的一系列IEEE標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)提出的年代較早，缺乏可再生能源并網(wǎng)及交直流混聯(lián)等要素。現(xiàn)有的研究往往在原有IEEE標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上額外加入可再生能源以及直流線路。由于不同研究對原始標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的修改不同，難以進(jìn)行橫向的對比，不利于面向高比例可再生能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)的研究。

針對當(dāng)前高比例可再生能源滲透電網(wǎng)規(guī)劃算例稀缺這一問題，本文基于我國西北750kV電網(wǎng)2030年規(guī)劃方案之一，通過網(wǎng)架化簡以及數(shù)據(jù)脫敏，設(shè)計(jì)了面向輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運(yùn)行的38節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)：HRP-38系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)電源形態(tài)具備“高比例”可再生能源的特征，非水可再生能源電量滲透率高達(dá)30%(容量占比47.2%，為峰荷的1.05倍)；給出了現(xiàn)有網(wǎng)架以及待選線路，其中待選線路同時(shí)包含交流和直流線路以考慮未來電網(wǎng)可能的多種形態(tài)。該測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)集為電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的研究提供了一個(gè)公共的研究平臺，為高比例可再生能源滲透地區(qū)的電源與電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化建模與優(yōu)化求解方法提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究人員可以在同一測試系統(tǒng)下對比電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行、模型與算法的性能。

主要內(nèi)容

算例系統(tǒng)特點(diǎn)

本算例系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1

算例數(shù)據(jù)庫中提供了詳細(xì)的8760小時(shí)負(fù)荷與風(fēng)電光伏出力數(shù)據(jù)，可以用于各類高比例可再生能源滲透背景下的規(guī)劃或運(yùn)行方法研究。

2

算例系統(tǒng)中的電源結(jié)構(gòu)中包含大量的風(fēng)電與光伏裝機(jī)，風(fēng)力和光伏的電能滲透率大于30％，適用于高比例可再生能源滲透率下的輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究。

3

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒鍌€(gè)區(qū)域，對應(yīng)五個(gè)省級電網(wǎng)，每個(gè)區(qū)域具有不同的裝機(jī)稟賦和不同的供需平衡特性。規(guī)劃前的已建網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在調(diào)峰和輸電網(wǎng)阻塞等問題，這為測試規(guī)劃技術(shù)或算法的性能提供了足夠的復(fù)雜性。

4

待選線路集合中同時(shí)包含了交流和直線線路以使規(guī)劃方案多樣化，輸變電工程與發(fā)電機(jī)組的投資成本和發(fā)電機(jī)的運(yùn)營成本也包括在內(nèi)。

本文的貢獻(xiàn)包括兩個(gè)方面：1)本算例為針對輸電網(wǎng)規(guī)劃研究而開發(fā)的中型測試系統(tǒng)，包括風(fēng)光新能源小時(shí)級數(shù)據(jù)和交流與直流線路的待選集合。2)通過實(shí)證算例分析，本文提供了4種不同優(yōu)化目標(biāo)與滲透率設(shè)定下的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案，為未來研究人員的研究應(yīng)用提供了參考與比較基準(zhǔn)。

算例系統(tǒng)基本情況

本文提出的HRP-38測試系統(tǒng)是基于我國的實(shí)際電網(wǎng)，提取了38個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將原拓?fù)浣Y(jié)果簡化為一個(gè)中等大小系統(tǒng)，并保持了原系統(tǒng)的基本特征使問題易于處理。HRP-38系統(tǒng)中已建網(wǎng)絡(luò)的布局如圖1所示。

? 圖1

系統(tǒng)包含5個(gè)區(qū)域共38個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)共143臺發(fā)電其中57臺發(fā)電機(jī)為常規(guī)機(jī)組，包括火電和水力發(fā)電，總裝機(jī)容量為328.6GW，其他發(fā)電機(jī)為風(fēng)力或光伏機(jī)組。由于高比例可再生能源滲透帶來的主要挑戰(zhàn)是其波動(dòng)性和不確定性，因此本系統(tǒng)中的可再生能源機(jī)組僅包括風(fēng)能和光伏，而不包括其他形式如光熱和生物質(zhì)電能。系統(tǒng)中已建網(wǎng)絡(luò)包含102條支路，待選支路集合包含88條交流支路與9條直流支路。算例系統(tǒng)的具體基本參數(shù)如表1所示。

? 表1?

參數(shù)? ?			數(shù)值? ?
區(qū)域數(shù)量 節(jié)點(diǎn)數(shù)量 發(fā)電機(jī)組數(shù)量 已建線路 交流待選線路 直流待選線路 基準(zhǔn)容量(MVA) 基準(zhǔn)電壓(kV) 峰值負(fù)荷(GW) 常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量(GW) 可再生能源機(jī)組裝機(jī)容量 (GW)		5 38 143 102 88 9 100 800 281.1 328.6 294.3

機(jī)組數(shù)據(jù)

HRP-38中系統(tǒng)考慮了4種發(fā)電技術(shù)：火電、水電、光伏和風(fēng)力發(fā)電。燃煤機(jī)組是我國電源結(jié)構(gòu)主要組成部分，但未來燃?xì)鈾C(jī)組憑借其靈活性與低碳特性具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?#xff0c;為了系統(tǒng)通用性，本算例將火力發(fā)電進(jìn)一步細(xì)分為燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組。發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)位置與裝機(jī)容量源于實(shí)際電力系統(tǒng)并進(jìn)行了修改以簡化計(jì)算。系統(tǒng)總裝機(jī)容量為622.9GW為是整個(gè)系統(tǒng)峰荷的2.21倍。非水可再生能源裝機(jī)容量為294.3GW。光伏和風(fēng)能的電能滲透率(可再生能源年發(fā)電量與負(fù)荷能量需求的比率)為30.06%。不同地區(qū)具有不同的裝機(jī)特點(diǎn)，五個(gè)區(qū)域的電源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

? 圖2

每臺機(jī)組的發(fā)電特性由12個(gè)參數(shù)描述，包括：最大容量(MW)、最小功率輸出率(%)、強(qiáng)迫停機(jī)率(%)、CO₂排放率(kg/kWh)、最大爬坡率(%/min)、啟動(dòng)成本(CNY/MW)、固定成本(CNY/MW/年)、可變成本(CNY/MWh/年)、最小開關(guān)機(jī)時(shí)間(h)，熱耗率(Btu/kWh)、燃料成本(CNY/mmBtu)和投資成本(CNY)。

風(fēng)光新能源8760小時(shí)數(shù)據(jù)

對于風(fēng)光新能源機(jī)組，除了上述12個(gè)參數(shù)外，算例數(shù)據(jù)庫中還提供了8760小時(shí)可再生能源出力序列，以體現(xiàn)風(fēng)光新能源的可變性。該數(shù)據(jù)由GOPT電力系統(tǒng)分析軟件根據(jù)電力節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際地理位置和新能源歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對風(fēng)電和光伏出力數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真得到。對于風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)應(yīng)用隨機(jī)微分方程法生成，該方法考慮了風(fēng)速概率分布、時(shí)空相關(guān)性、季節(jié)和日變化規(guī)律。copula理論被應(yīng)用于刻畫多個(gè)風(fēng)電場之間的空間相關(guān)性。光伏發(fā)電仿真技術(shù)結(jié)合了統(tǒng)計(jì)模型和物理模型。首先采用全球太陽輻照模型對光伏輸出的確定性部分進(jìn)行建模，然后引入光伏出力遮擋因子的概念來評估光伏輸出的不確定性部分。算例系統(tǒng)風(fēng)光出力的典型出力曲線如圖3所示。

? 圖3

算例分析與結(jié)果

本文在HRP-38系統(tǒng)上測試了經(jīng)典的兩階段輸電網(wǎng)規(guī)劃模型。在兩階段的輸電網(wǎng)模型中，投資決策在第一階段確定，第二階段則表示在每個(gè)代表日下的系統(tǒng)運(yùn)行模擬。該模型目標(biāo)為最小化系統(tǒng)水平年的投資成本與運(yùn)行成本。本文比較了四種不同參數(shù)設(shè)置的方案。

方案一，所有的參數(shù)都按照原始數(shù)據(jù)庫中描述的進(jìn)行設(shè)置，不考慮直流待選線路。方案二考慮了DC候選分支。在方案一和方案二的基礎(chǔ)上，每個(gè)風(fēng)光機(jī)組裝機(jī)容量均按1.67的比例放大，以分別生成方案三和方案四。因此，方案三和方案四風(fēng)光電量滲透率達(dá)50%。后兩種情況用以模擬具有更高比例可再生能源滲透的情況。四種方案模擬得到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)如表2所示。

? 表2?

性能指標(biāo)	方案一	方案二	方案三	方案四
年化投資成本 (10億 CNY)	1.896	3.317	2.874	4.901
運(yùn)行成本 (10億 CNY)	267.725	267.282	194.357	191.467
總成本?(10億 CNY)	269.62	270.599	197.231	196.369
棄風(fēng)棄光率 (%)	0.6373	0.3359	9.7284	8.5428
切負(fù)荷電量 (MWh)	0	0	0	0

標(biāo)準(zhǔn)算例數(shù)據(jù)下載鏈接：

IEEEDataPort:?

https://ieee-dataport.org/documents/dataset-hrp-38-test-system

Github:?

https://github.com/Karl-Zhuo/Dataset-of-HRP-38-test-system

編輯：張鵬

審核：白愷

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總結(jié)

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