2012CB215200-G智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究

项目名称：智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究首席科学家：刘吉臻华北电力大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容2.1拟解决的关键科学问题以风能、太阳能为代表的新能源电力的本质特征是其空间尺度的分散性与时间尺度的强随机波动性。随着新能源电力由补充能源向主流能源方向发展，电力系统的结构形态、运行特性与控制方式将产生深刻变革，形成新一代新能源电力系统。要达到新能源电力系统可最大限度地接纳新能源电力、提高设备利用效率、改善用户供电质量的目的，必须以电源、电网、负荷、储能等构成的整个新能源电力系统为研究对象，认识其动力学特性，探索其安全经济运行机制与理论方法。本项目凝练三个关键科学问题。科学问题一：规模化新能源电力时空多尺度动力学特性及其与电网耦合机理规模化新能源接入电力系统将显著地影响系统潮流、频率、电压及稳定水平，并可能激励系统的多种振荡模式，给系统安全和经济运行带来深刻的影响。发展面向新能源电力系统的不确定非线性系统建模理论与基于微分包含的运动稳定性分析方法体系，研究新能源电源的频率动态特性，建立时空多尺度下新能源电力系统的不确定非线性动力学模型，在此基础上研究新能源电力系统在随机波动激励下的非线性动力学特性，认识大规模新能源电力不稳定性的理论基础，揭示规模化强波动新能源电源与电网的相互影响机理，寻求利用不确定性度量信息实现系统恰当热备用冗余度调度的可能途径，探索采用传统电源与新能源电源构成的一体化发电单元平抑不确定功率波动的新思路，为新能源电力系统的经济调度与安全控制提供动力学特性和建模方面的理论支撑。科学问题二：新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法新能源电力系统是一种电源多元化、电网多层次、负荷多类型的复杂巨系统。采用大系统分散协调控制原理，构建分级递阶、局部优化、整体协调的新能源电力系统协同控制理论体系。探索新型输配电网络结构及多元发电、负荷、储能、FACTS等协同配置方法，实现以安全高效为目标的新能源电力系统结构优化；建立基于状态参数快速检测的大型火力发电机组快速深度变负荷控制理论方法，满足源-源互补和接纳规模化新能源电力的需要；揭示多种能源互补内在机理，建立场/群级多能互补优化运行协调控制理论；创建基于发电功率预测和负荷预测的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法，实现系统级协同调控与整体优化。科学问题三：新能源电力设备及系统故障演化机理及安全防御策略新能源电力设备地域分布分散、运行环境恶劣、系统结构复杂、运行工况多变，导致设备故障率升高，对系统安全的影响加大。研究新能源电力设备与系统故障演化机理，探索新能源电力设备在复合电压、电流、振动与复杂环境等多因素下的故障演化过程，揭示系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素间的关联规律；发展设备及系统安全评估理论，提出新能源电力系统的自适应保护与安全控制策略，将系统安全防御从常规的故障控制转变为针对系统实时状态的表征、评估、预警、保护及安全控制体系，为新能源电力系统安全防御提供理论支撑。2.2主要研究内容围绕三个关键科学问题，主要安排四项研究内容。（1）新能源电力系统动力学特性及建模理论针对规模化新能源电源驱动能量的随机波动特性和不确定等特点，研究新能源电力系统的不确定性度量与建模理论，分析新能源电力系统动力学特性，揭示规模化新能源电源与电网间的相互作用机理，为新能源电力系统安全经济运行奠定理论基础。1)不确定性建模理论与量化方法。研究基于参数依赖的概率密度函数描述和度量参数不确定性的方法；基于核函数的机器学习理论，采用多核学习和稀疏逼近原理，研究在随机激励作用下的强非线性系统的数据建模方法；基于动态聚合理论，研究高维不确定问题的低维表示方法、模型结构和参数辨识方法；以Laplacian矩阵表示子系统的连接属性，研究基于图引导下微分包含理论的发电单元、场/群、新能源电力系统的时空多尺度不确定性建模理论。2)考虑外部环境因素影响的新能源发电单元、场/群集总动力学特性及建模。针对一次能源测量数据的时域/频域分析和概率密度分布，研究考虑外部因素影响下的新能源发电单元和场/群参数大范围随机波动特性的分布规律，提出测量数据和预报结果的不确定度估计方法；基于数值天气预报，研究包含不确定度估计的场/群级电源功率波动特性预测方法及预测模型，为利用不确定性度量信息实现热备用冗余度的优化提供新途径；基于不确定性建模理论建立表征新能源发电单元、场/群级集总动力学特性的模型，采用微分包含方法来刻化规模化新能源电力场/群级集总等值模型结构和参数不确定性，为新能源电力系统控制与安全评估提供多时间尺度（电磁-毫秒级、机电-秒级、中长期-分钟级）和大空间尺度的新能源电源场/群动态模型。3)规模化新能源电源与电网相互作用机理。结合新能源电力系统在不同运行方式下的运行特征和动态特性，采用图引导下的微分包含方法研究规模化强波动新能源电源与电网之间的相互作用动力学过程，定量描述新能源电源结构和参数不确定性对电网的影响，建立面向新能源电力系统的运动稳定性分析方法；通过分析新能源电力系统内特性各异的新能源场/群分布对系统建模主导尺度选择的影响，建立新能源电力系统主导尺度分离与次要尺度融合的降维降阶等值的方法以及精细模型；在此基础上，探讨采用传统电源与新能源电源构成的一体化发电单元平抑功率波动不确定性分量的新途径。（2）新能源电力系统分散协调控制与智能调度规模化接纳新能源电力需要提高发电单元的可控性与变负荷调控能力，新能源电力系统多元互补与协同调控需要研究大系统分散协调控制与智能调度理论方法。掌握系统机理特性，实现系统状态参数的精细表征，探索先进的控制理论方法，是解决上述问题的关键基础。1)发电过程参数快速检测与状态精细表征。针对我国燃煤发电机组煤质多变的特点和快速深度变负荷需求，结合静电及光、声学检测理论，研究煤粉浓度、细度、炉内三维温度场和颗粒三维浓度场、气体组分、飞灰含碳量等参数快速检测方法，及基于信息融合与软测量的锅炉燃烧状态准确表征方法，构建相对完备的状态参数检测体系，为快速、精确控制提供信号基础。2)大容量火电机组快速深度变负荷控制。针对火电机组深度调峰时低负荷状态下的燃烧稳定以及经济和环保问题，研究机组全方位状态信息识别及多目标燃烧优化控制理论，分析机组蓄热深度利用机理，创建新的机炉协调控制系统结构与控制理论方法；研究热力系统运行优化理论方法，提高机组变负荷速率；针对机组大负荷范围变工况运行时的强非线性特性及未建模动态，研究非线性鲁棒控制理论方法，形成大容量火力发电机组快速深度变负荷控制策略及整体解决方案，并实施试验验证。3)场/群级多能互补优化运行协调控制。研究新能源电源、传统电源、储能等不同种类电源输出功率特性及其可控性，建立场/群级协调控制系统结构与基于非光滑控制理论的调控方法，以实现多元发电过程多能互补优化运行，最大限度平抑新能源电力功率输出的波动性。研究多机组火力发电厂厂级负荷优化分配机制，提高全厂整体变负荷能力与经济性。4)新能源电力系统智能调度。基于大系统分散协调控制理论，研究新能源电力系统分级调度方法，建立包括系统级、场/群级、单元级的多级控制框架；研究波动功率注入下新能源电力系统潮流计算、电力电量平衡、备用决策等理论方法，创建基于发电功率预测、负荷预测及广域同步信息的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法，以实现系统协同调控与自趋优运行。（3）新能源电力系统电网结构与输电方式探索适应新能源电力接入、输送和消纳的新型输电方式和电网结构，增强电网在大时空范围内常规火电和其他多种电源与负荷需求间的错峰与互补特性，优化配置电网资源，提升电网的可控性和消纳新能源电力的能力。1)适应规模化新能源电力接入的新型电网结构。研究适应同时响应负荷侧和电源侧功率随机波动特性的新型电网结构优化理论方法；探索多种新能源电力集中与分散接入、区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架和就地消纳与远距离输送相结合的新型电网模式，结合柔性多端直流输电等新型输电方式和储能系统特性，构建具备灵活可控、优质电力供应、高可靠性及可扩充性的新能源电力系统结构。2)适应波动性新能源的新型输电方式。建立源-网之间和区域网间输电的解耦方法和协同运行机制，在保证相控换流式直流输电（LCC-HVDC）大功率输送条件下，基于逆系统方法研究电压源型直流输电(VSC-HVDC）的有功/无功四象限控制策略和柔性协调控制策略；提出一种新型的混合（LCC+VSC）直流输电拓扑结构，实现功率方向灵活可控和“无惯量发电机”运行模式，有效地平抑新能源电力功率输送的不稳定性和随机波动性，增强电网接纳新能源电力的能力和提升电压与频率稳定性的能力。3)构建新能源电力系统仿真平台。发展电力系统仿真理论方法与技术，构建适于新能源电力系统的仿真平台。基于新能源电源模型、储能模型、新型电力变换模型和控制器模型，深入开展多种电源、若干输电方式和新型网架结构的大时间尺度仿真分析，为多种新能源电源接入选择，为新型电网结构和输电方式的预期特性与效果提供理论验证和实验指导，并且为新能源电力电网的设备配置、优化布局、运行方式以及演变趋势等方面的规划设计提供研究手段。（4）新能源电力系统故障机理与安全防御理论新能源电力设备故障演化机理及系统故障特征是构建新能源电力系统安全防御策略的关键；研究新能源电力设备安全评估模型及系统安全评估理论，是提高系统可靠性的有效手段；发展基于多元广域响应的自适应保护与安全控制理论是实现新能源系统安全防御的重要基础。1)新能源电力设备及系统故障机理与演化规律。开展新能源电力设备故障模拟和多因素加速老化试验研究，分析设备性能衰退和故障的产生、发展以及向事故演化的过程，揭示设备的致障机理与故障演化机制，重点分析研究复合电压、过电压、冲击电流、机械振动、盐雾腐蚀、沙尘等多因素对风力发电机组安全运行的影响规律，同时研究运行工作点不断变化和冲击负荷对变流器电力电子器件安全运行的影响规律。2)新能源电力设备安全评估模型及系统安全评估理论方法。建立新能源电力设备特征参数与量化指标体系，提出多因素影响下的设备故障诊断与老化评估理论与方法，建立新能源电力设备的故障危害性评价模型和寿命预测模型，进一步建立基于状态评估和危害性评估的新能源电力设备安全评估分级模型，最终提出基于设备安全评估分级模型的新能源电力系统安全评估理论方法。3)含规模化新能源电力的大电网保护。研究各类新能源电源单元、场/群在故障及故障切除后的电气量电磁暂态特征，提出新能源电源接入系统继电保护配置原则、原理与整定方法。分析系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素之间的关联规律，提出以系统安全为目标，适应新能源电力接入的复杂大电网广域保护新原理，研究多元广域信息的获取、测试与评估方法，以及信息缺失、不确定性对广域保护影响，并进行试验验证。4)基于多元广域响应的电力系统安全控制理论与方法。研究基于多元广域响应的新能源电力系统安全稳定控制策略。从电力系统日常运行中获取广域响应信息，利用先进辨识方法和信号处理技术提取主导动态参数，并建立系统模型，在此基础上分析电力系统稳定性，研究适合电力系统特性的自适应容错控制方法，保障新能源电力系统安全稳定运行。二、预期目标3.1总体目标紧密结合我国规模化新能源电力安全、高效利用的重大需求，以我国新能源电力系统为对象，针对其中基础科学问题开展基础性、前瞻性研究。围绕我国大规模新能源电力技术和运行特点，揭示规模化新能源电力时空多尺度动力学特性及其与电网耦合机理，发展新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法，提出新能源电力设备及系统故障演化机理及安全防御策略，从机理特性、新能源电力系统稳态能量平衡及协同控制、故障机理及安全评估控制等不同层面上，完善新能源电力系统安全、高效运行动态学理论及控制方法。通过本项目的实施，为实现适应我国资源环境条件的大规模新能源电力安全、高效利用奠定科学理论基础，为新能源电力系统安全、高效运行提供关键技术保障。同时，培养一批从事相关科学研究的青年学术带头人