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【最新学术进展】清华大学电机系牵头研究推出高比例可再生能源电力系统标准测试系统HRP-38

【最新学术进展】旨在将国际顶级英文期刊发表的最新能源电力领域研究成果及时介绍给国内广大科研人员,助力学术成果在国内工程领域的推广应用!

电力系统标准测试系统在电力系统领域研究中具有重要作用,然而当前高比例可再生能源渗透电网规划算例稀缺。针对该问题,清华大学电机系团队牵头研究提出了HRP-38系统。目前该标准系统数据已进入IEEEDataPort数据库并提供开放下载(需用IEEE账号登录),下载链接见文末。

本微文主要内容源自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网下的交直流混联电网规划测试系统), 该文已在IEEE Transactions on Power Systems优先发表。

论文信息

作者:

卓振宇1、张宁1、杨经纬1、康重庆1,Charlie Smith(查理·史密斯)2、Mark J. O’Malley(马克·奥马里)3、Benjamin Kroposki(本杰明·克罗波斯基)3

单位:

1.清华大学电机系

2.能源系统集成研究会(ESIG)

3.美国国家可再生能源实验室(NREL)

论文全文链接:

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

文章导读

电力系统标准测试系统在电力系统领域研究中具有重要作用。目前广泛使用的一系列IEEE标准测试系统提出的年代较早,缺乏可再生能源并网及交直流混联等要素。现有的研究往往在原有IEEE标准系统的基础上额外加入可再生能源以及直流线路。由于不同研究对原始标准测试系统的修改不同,难以进行横向的对比,不利于面向高比例可再生能源并网的电力系统的研究。

针对当前高比例可再生能源渗透电网规划算例稀缺这一问题,本文基于我国西北750kV电网2030年规划方案之一,通过网架化简以及数据脱敏,设计了面向输电网络规划与运行的38节点测试系统:HRP-38系统。该测试系统电源形态具备“高比例”可再生能源的特征,非水可再生能源电量渗透率高达30%(容量占比47.2%,为峰荷的1.05倍);给出了现有网架以及待选线路,其中待选线路同时包含交流和直流线路以考虑未来电网可能的多种形态。该测试系统数据集为电力系统规划与运行的研究提供了一个公共的研究平台,为高比例可再生能源渗透地区的电源与电网规划、运行优化建模与优化求解方法提供了基础数据。研究人员可以在同一测试系统下对比电力系统规划与运行、模型与算法的性能。

主要内容

算例系统特点

本算例系统具有以下特点:

1

算例数据库中提供了详细的8760小时负荷与风电光伏出力数据,可以用于各类高比例可再生能源渗透背景下的规划或运行方法研究。

2

算例系统中的电源结构中包含大量的风电与光伏装机,风力和光伏的电能渗透率大于30%,适用于高比例可再生能源渗透率下的输电网络规划研究。

3

系统网络拓扑包含五个区域,对应五个省级电网,每个区域具有不同的装机禀赋和不同的供需平衡特性。规划前的已建网络同时存在调峰和输电网阻塞等问题,这为测试规划技术或算法的性能提供了足够的复杂性。

4

待选线路集合中同时包含了交流和直线线路以使规划方案多样化,输变电工程与发电机组的投资成本和发电机的运营成本也包括在内。

本文的贡献包括两个方面:1)本算例为针对输电网规划研究而开发的中型测试系统,包括风光新能源小时级数据和交流与直流线路的待选集合。2)通过实证算例分析,本文提供了4种不同优化目标与渗透率设定下的输电网规划方案,为未来研究人员的研究应用提供了参考与比较基准。

算例系统基本情况

本文提出的HRP-38测试系统是基于我国的实际电网,提取了38个关键节点,将原拓扑结果简化为一个中等大小系统,并保持了原系统的基本特征使问题易于处理。HRP-38系统中已建网络的布局如图1所示。

图1

系统包含5个区域共38个节点。系统共143台发电其中57台发电机为常规机组,包括火电和水力发电,总装机容量为328.6GW,其他发电机为风力或光伏机组。由于高比例可再生能源渗透带来的主要挑战是其波动性和不确定性,因此本系统中的可再生能源机组仅包括风能和光伏,而不包括其他形式如光热和生物质电能。系统中已建网络包含102条支路,待选支路集合包含88条交流支路与9条直流支路。算例系统的具体基本参数如表1所示。

表1

参数  

数值  

区域数量

节点数量

发电机组数量

已建线路

交流待选线路

直流待选线路

基准容量(MVA)

基准电压(kV)

峰值负荷(GW)

常规机组装机容量(GW)

可再生能源机组装机容量 (GW)

5

38

143

102

88

9

100

800

281.1

328.6

294.3


机组数据

HRP-38中系统考虑了4种发电技术:火电、水电、光伏和风力发电。燃煤机组是我国电源结构主要组成部分,但未来燃气机组凭借其灵活性与低碳特性具有相当大的发展潜力。因此,为了系统通用性,本算例将火力发电进一步细分为燃煤机组和燃气机组。发电机的并网位置与装机容量源于实际电力系统并进行了修改以简化计算。系统总装机容量为622.9GW为是整个系统峰荷的2.21倍。非水可再生能源装机容量为294.3GW。光伏和风能的电能渗透率(可再生能源年发电量与负荷能量需求的比率)为30.06%。不同地区具有不同的装机特点,五个区域的电源结构如图2所示。

图2

每台机组的发电特性由12个参数描述,包括:最大容量(MW)、最小功率输出率(%)、强迫停机率(%)、CO2排放率kg/kWh)、最大爬坡率(%/min)、启动成本(CNY/MW)、固定成本(CNY/MW/年)、可变成本(CNY/MWh/年)、最小开关时间(h),热耗率(Btu/kWh)、燃料成本(CNY/mmBtu)和投资成本(CNY)。

风光新能源8760小时数据

对于风光新能源机组,除了上述12个参数外,算例数据库中还提供了8760小时可再生能源出力序列,以体现风光新能源的可变性。该数据由GOPT电力系统分析软件根据电力节点对应的实际地理位置和新能源历史统计数据,对风电和光伏出力数据进行仿真得到。对于风力发电,风速时间序列数据应用随机微分方程法生成,该方法考虑了风速概率分布、时空相关性、季节和日变化规律。copula理论被应用于刻画多个风电场之间的空间相关性。光伏发电仿真技术结合了统计模型和物理模型。首先采用全球太阳辐照模型对光伏输出的确定性部分进行建模,然后引入光伏出力遮挡因子的概念来评估光伏输出的不确定性部分。算例系统风光出力的典型出力曲线如图3所示。

图3

算例分析与结果

本文在HRP-38系统上测试了经典的两阶段输电网规划模型。在两阶段的输电网模型中,投资决策在第一阶段确定,第二阶段则表示在每个代表日下的系统运行模拟。该模型目标为最小化系统水平年的投资成本与运行成本。本文比较了四种不同参数设置的方案。

方案一,所有的参数都按照原始数据库中描述的进行设置,不考虑直流待选线路。方案二考虑了DC候选分支。在方案一和方案二的基础上,每个风光机组装机容量均按1.67的比例放大,以分别生成方案三和方案四。因此,方案三和方案四风光电量渗透率达50%。后两种情况用以模拟具有更高比例可再生能源渗透的情况。四种方案模拟得到经济运行指标如表2所示。

表2

性能指标

方案一

方案二

方案三

方案四

年化投资成本 (10亿 CNY)

1.896

3.317

2.874

4.901

运行成本 (10亿 CNY)

267.725

267.282

194.357

191.467

总成本 (10亿 CNY)

269.62

270.599

197.231

196.369

弃风弃光率 (%)

0.6373

0.3359

9.7284

8.5428

切负荷电量 (MWh)

0

0

0

0

标准算例数据下载链接:

IEEEDataPort:

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

Github:

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


编辑:张鹏

审核:白恺