各种不同算法对分布式电源优化配置的比较研究文档格式.docx
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Abstract
Distributedgeneration（DG）isbecominganewresearchareaallworldwide.LotsofresearchworksmainlyfocusonDGeffectsonpowersystems.ThedevelopmentofDGhasagreatinfluenceonthetraditionalpowersystemsandbringselectricaltechnologynotableadvancement.Inordertoutilizedisperseenergyresourcesandimproveutilitysystemreliability,DGsareappliedinpowersystemsmoreandmorewidely.ButtheincreasingnumberofDGbringsaboutmanytechnicalproblems.
Nowadays,DGconsistsofmainfourtypes:
windgeneration,fuelcellgeneration,photovoltaicgenerationandmicroturbinegeneration.SincedifferentDGshavedifferentcharacteristics,itisquitenecessarytoconstructtheirstablemodelsforstableanalysisofpowersystems.DGshavetobeincorporatedtosystemthroughdefiniteequipments,primaryofwhomareasynchronousgenerator,synchronousgeneratorandpowerelectronicfacilities.Therefore,twoaspectsarebothtakenintoconsiderationinthisthesis.
PositioningofDGsanddecidingofDGs’capacitiesaremonumentalproblemsforDGplanning.ItisknownthatDGs’positionsandcapacitieshavegreateffectsonsystemshortcircuitcurrent,distributedsystemvoltageprofile,andsystemvoltagestability.ReasonableplanningofDGscouldbettersystemvoltageprofile,reducesystemlossandevenincreaseloadratio,whileunreasonableplanningcouldworsensystemoperationconditions.ThereforemanyconstraintsshouldbetakenintoaccountwhenweplanDGs.Therefore,bycompletionofthedistributionnetworkflowcalculationwithdistributedpower,differentoptimizationalgorithmswerecompared.Finally,Windpowergenerationintheroleofthepowersystemwasstudied.
Keywords：
Powersystems，Powerflowcalculation，Distributedgeneration，Optimalallocation，Artificialintelligencealgorithms
目录
摘要I
AbstractII
1绪论2
1.1课题背景与意义2
1.2DG的主要种类3
1.3DG研究现状5
1.3.1国外研究现状5
1.3.2国内发展现状6
1.4现今存在的问题6
1.5本文的主要研究内容与目标7
2分布式发电技术简介8
2.1分布式发电的定义8
2.2分布式发电的分类9
2.3分布式发电的基本原理和显著特点10
2.3.1风力发电技术10
2.3.2光伏发电技术11
2.3.3其他分布式发电技术13
2.4分布式发电应用前景15
2.5分布式发电对电力系统的影响17
3分布式发电及其并网接口稳态数学模型18
3.1分布式发电模型18
3.1.1风力发电18
3.1.2光伏发电20
3.2分布式发电并网接口模型22
3.2.1异步发电机接口模型22
3.2.2同步发电机模型接口23
3.2.3电力电子变换器接口24
3.3配电网的简介25
3.3.1配电网概念及分类25
3.3.2配电网的接线方式26
4选取DG安装位置和确定其额定容量的各种算法简介27
4.1传统算法27
4.2遗传算法27
4.2.1遗传算法简介27
4.2.2遗传算法特点28
4.2.3遗传算法的流程28
4.3禁忌算法29
4.3.1禁忌搜索算法简介29
4.3.2禁忌搜索算法的基本思想29
4.3.3禁忌搜索算法的流程30
4.3.4禁忌搜索算法的特点30
4.3.5禁忌搜索算法的策略30
5.放射状配电网中分布式发电最优位置与定容的各种不同算法33
5.1分布式发电优化布置基本模型33
5.2含分布式电源的配电网潮流计算34
5.2.1潮流计算简介34
5.2.2含分布式电源的潮流计算35
5.3.1系统功率损失最小法37
5.3.2系统分布式发电优化布置分析38
5.3.22/3法则40
5.4人工智能的优化算法与传统优化算法的比较40
6风电场的调度问题研究42
6.1风电场在电力系统调度中的作用42
6.2风电场在电力系统调度中所存在问题42
6.3风电场与其他发电设备协调互补应用43
总结44
致谢45
参考文献46
附录AIEEE33节点系统参数47
附录B算法程序49
1绪论
1.1课题背景与意义
世界范围内经济的蓬勃发展，使得国际、国内电力需求持续增长。
然而随着地球上常规能源的逐渐衰竭、环境污染的日益加重以及电力科学技术的不断进步，世界各国纷纷开始关注一种环保、高效和灵活的发电方式这，使得在电力系统研究领域中形成了一个新的研究热点——分布式电源（DistributedGeneration,DG）/分布式能源（DistributedResources,DR）[1]。
在布鲁塞尔成立的国际热电联产机构预言“DG将成为21世纪电力工业的发展方向。
”美国的安德逊咨询公司研究认为：
“电力工业在2015年前将发生根本的变化……，大型和远离负荷中心的电厂将越来越多地被靠近负荷中心的小型和清洁的发电方式所代替，这些负荷中心将减少对昂贵的远距离输电线路的需求”[2]。
如果说电力市场化是电力行业“上层建筑”的革命，那么DG可以认为是电力行业“物质基础”的革命，两者的共同作用将使未来整个世界的电力行业呈现全新的面貌。
集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90%以上的电力负荷供电。
但它也存在一些弊端，主要有[2]：
（1）对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电；
（2）不能灵活跟踪负荷的变化。
如夏季空调负荷的激增会导致电力供应短时不足，而为这种短时的峰荷建造发输电设施是得不偿失的，因为其利用率极低。
随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发输电设施的利用率都有下降的趋势；
（3）大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电；
而电力系统越庞大，事故（如雷击）发生的概率越高。
因此可以说，现有的电力系统是既“笨拙”又“脆弱”的。
可能，并有机会进入原本被电力系统垄断的发电侧电力市场，参与电力市场竞争。
在市场经济体制下，由国家垄断的能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。
以建设速度快、投资规模小为特点的分布式发电技术为众多投资者提供了投资和获利空间，也增加了能源设施建设的投资渠道。
分布式电源凭借其就地发电服务用户、清洁环保等诸多优点，将会拥有越来越大的市场份额。
由欧美电力专家首先提出的投资省、发电方式灵活、与环境兼容的DG与大电网联合运行的方式，可提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性[3]。
我国广大地区蕴含丰富的可再生能源（如风能、太阳能等），具备发展DG技术的客观条件。
因此，大力发展该项技术对保证国家能源供应、促进经济快速发展具有重要意义。
首先，DG同配电网并网运行，能够充分发挥DG机组的优势，提高能源利用率，减少污染物的排放，降低配电网网损，提高供电可靠性。
我国DG的开发利用正处于快速发展的阶段，风能、太阳能、地热能等的利用已经为部分地区的电力供应问题提供了解决方案。
同时，DG并网运行对配电网也会产生一些不利的影响，当DG机组并网后，将直接影响输配电网络对一般用户的供电质量。
由于在局部多出了一个电源会造成电压被抬高，有可能超出规定的正常范围，而对于使用感应发电机的风电厂等工业用户，由于其运行要吸收无功功率，可能会造成线路无功损耗加大，从而使线路电压下降了解DG对配电网的影响，有利于我们充分发挥其优势，研究不利影响产生的原因及其解决措施，对于DG的进一步发展和应用有很大的意义。
1.2DG的主要种类
DG技术很多，按发电能源是否可以再生分为两大类[4]：
一类利用可再生能源，主要包括风力发电（WindTurbine，简称WT）、太阳能光伏（PhotoVoltaic，简称PV）、小水电、地热能、生物质能、海洋能等发电形式；
另一类利用不可再生能源，主要包括热电联产（CombinedHeatandPower，简称CHP）、微型燃气轮机（Micro/MiniTurbine，简称MT）、燃料电池（FuelCell，简称FC）等发电形式。
下文将对几种主要的新型DG技术及其特点进行简单的介绍：
（1）风力发电
风力发电是将风能转化为电能的一种发电技术，它始于19世纪末，在20世纪70年代以后进入一个蓬勃发展的阶段，目前单机容量在2.5MW以下的技术已经非常成熟。
风力发电的主要优点有：
风能是可再生的能源；
风电环境效益好，不排放任何有害气体和废弃物；
风电机组基建占地面积小，不影响农田和牧场的正常生产；
风电场施工周期短。
但是，风力发电也存在一些不足，如：
由于风速随时变化，并网风电场输出功率波动较大，这会给电网运行带来一定的不利影响；
风轮机能量转换效率不高；
风机是旋转机械，对生态环境有一些影响。
（2）光伏发电
太阳能光伏电池PV（PhotovoltaicCell）发电技术是利用半导体材料的光电效应接将太阳能转化为电能。
白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。
1954年，恰宾等人在美国贝尔电话实验室研制出了光电转换效率为6％的单晶硅太阳能电池，从此开创了光伏发电的新纪元。
光伏发电的主要优点有：
结构简单，体积小且轻；
易安装，易运输，建设周期短；
容易启动，维护简单；
清洁、安全、无噪声；
使用寿命长；
不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠等优点。
主要的缺点是能量分散，占地面积大，间歇性大，光伏转换效率低，且成本相对比较高。
（3）地热能发电
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其发电的基本原理与火力发电是一样的，都是将蒸汽的热能经过气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。
不同的是，地热发电不需要庞大的锅炉。
地热能发电的最大优点是不消耗燃料，发电成本低，而且设备的年利用率较高。
但是，目前的地热发电站建设规模都不大，同时又由于钻井的初始投资较大，使其竞争力不强，经济性有待提高。
（4）生物质能发电
生物质能发电主要是指利用农业、林业、城市垃圾和工业废弃物为原料，首先将其转化为可驱动发电机的能量形式，如沼气、燃油、酒精等，然后再按照通用的发电原理进行发电的技术。
常见的生物质能发电技术主要包括甲醇发电、城市垃圾发电、木煤气发电、沼气发电等。
生物质能发电技术的主要优点是：
生物质能是再生的，生物资源便宜易获得，燃烧生物质所产生的污染小。
主要缺点是：
生物质资源存在较分散、不易收集，能源密度低，含水量大，收集、干燥其所需费用较高，从经济上不合算，限制了其开发利用。
（5）海洋能发电
海水中蕴藏着巨大的动力资源，主要包括潮汐能、波浪能、海水温差能等不同形态的能源，对应的发电技术主要有潮汐能发电、波浪能发电和海水温差能发电。
下面以潮汐能发电为例进行说明，所谓潮汐能发电就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电，其发电原理与一般的水力发电基本相同，主要的差别在于潮汐发电的水流方向可以是双向的。
潮汐能发电具有许多优点，主要有：
潮汐能是可再生的；
潮汐的涨落有规律，可以进行准确的预报；
清洁干净，无污染；
运行费用低。
主要缺点有：
单位投资大，造价高；
水头低，机组耗钢多；
发电具有间断性；
腐蚀严重。
（6）燃料电池
燃料电池发电不同于传统的火力发电，它是直接将燃料（天然气、煤制气、石油等）中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。
燃料电池发电被称为是继火力发电、水力发电、原子能发电之后的第四大发电方式。
目前，燃料电池因类型不同其单位模块发电容量从1kW到5MW不等。
燃料电池发电的主要优点有：
发电效率很高（可达70%～80%）；
污染小；
燃料多样化；
噪声很小；
模块化，可以用搭积木的方式安装在边远地区；
不需要大量的冷却水。
主要缺点是建设成本太昂贵，且容量的突破也有一定的困难。
并且燃料电池发电的初期投资成本和运行费用还比较高，不足以与传统发电方式竞争。
尽管如此，试验项目还是获得了燃料电池公司、电力公司和政府的广泛参与和支持。
1.3DG研究现状
1.3.1国外研究现状
在英国的电力市场已经逐渐放开，许多分布式电源政策着眼与环保，给予了分布式发电很大的发展空间。
多年来，英国政府一直试图通过能源效率最佳方案（EEBPP）促进DG的发展。
英国在过去20年中，已超过1000个DG系统被安装，遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、综合性大学和学院、园艺、机场、公共建筑、商业建筑、购物商城及其它相应场所。
在美国，应急用电是分布式电源的一个主要应用方面。
建在工业及商业点的柴油应急发电机组的发电容量超过100GW。
仅加州的备用机组就提供了3.2GW的电力，占该州高峰用电需求的6%以上。
美国在2001年制订完成了DG互联标准IEEEP1547，规划在10～15年后DG占整个美国发电量的10%～20%。
但相对低的电价和较高的天然气价格限制了分布式电源的发展。
但现在美国能源部（U.S.DOE）的DistributedEnergyResources计划是带领全国共同努力发展下一代洁净、高效、可靠、用户能够买的起的DG系统。
具体的操作方式是与能源设备的制造商、能源服务者、能源项目的开发者、州政府和联邦机构、公众利益组织、用户进行合作、研究、开发一系列先进的、能够进行就地生产的、小规模、模块化设计的发电、储能技术，用于工业、商业和民用方面，这些技术包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术和能量储存技术，同时也进行先进的材料、电力电子、复合系统以及通讯、控制系统等方面技术的开发。
风力发电是可再生能源中发展最快，最具有规模和发展前景的一种发电方式。
在德国，丹麦和西班牙等风电大国的实践证明，风力发电是可以可靠地提供一个地区或者国家电力供应并占较高的比例。
德国是世界第一风电大国，德国2001年风力发电量占3.5%，预测几年后到5%。
德国2002年风电新装机容量高大3247MW为世界之最，其全国风电总容量达11968MW。
根据德国政府的计划，到2030年，风能在德国电力供应中的比例要达到25%。
在日本政府对电力零售商规定了利用新能源的强制性规定目标，生产新能源的电力公司建立电子帐目记录“新能源电力可应用量”，此可应用量可进行交易。
2001年财政年度，电力公司购买了124GWh的太阳能电量和384GWh的风电。
在其他一些国家，截至2006年底法国风电装机达到150万千瓦，预计2010年将达到1000万千瓦，根据法国能源发展指导法案，2010年法国电力供应中21%将来自包括风电在内的可再生能源；
西班牙表示，2010年其可再生能源发电的比例将达到29%以上；
北欧部分国家提出了利用风力发电和生物质能发电逐步替代核电的战略目标。
1.3.2国内发展现状
我国电力体制的改革，政府职能与企业职能的分离，发电与输配电网彻底分离，发电侧竞争市场机制的建立，为DG系统的发展奠定了坚实的基础。
当前，对DG系统的研究在国内已开始启动，2005年亚洲最大规模的并网光伏发电系统在深圳投入运行，发电总装机容量达到1MW。
2005年中国风电累计装机容量已突破100万千瓦大关，而且已有多个百万千瓦的大型风电场获政府批准。
2006年1月1日，颁布的《可再生能源法》生效，可以预见在中国大规模开展基于可再生能源的DG技术已是必然的发展趋势。
并且已经在北京、上海、广东等地兴建基于冷、热、电联产的分布式电源系统，例如上海黄浦中心医院、上海浦东机场、北京燃气集团指挥调度中心CCHP项目和广东地区分布式发电三联供项目等。
在西部和沿海也兴建了基于可再生能源（太阳能、风能等）的DG。
热电联产和可再生能源具有极大的应用潜力，在有力政策的帮助下，分布式电源在未来十年里将会拥有更广阔的市场。
目前国内在DG方面的研究相对较少，且大多集中在电源本身，如怎样构造高效率的风机，提高风机运行的稳定性，改进太阳能的利用方式，提高利用效率等，而在DG对电力系统规划、运行等方面的影响的研究大多集中在定性分析的层面上。
国外电网相对已经发展得比较完善，电网比较强大，承受冲击的能力较强，DG的接入对主网运行的影响尚不够大。
而我国电网，网架结构还很弱，DG的接入对主网的运行有很大的影响。
因此，国外在DG的研究成果尚无法直接应用于我国，其分析结果与在我国电网情况下是否一致还有待比较，解决方法在我国电网情况下能否适用也需要进一步研究，这是在我国大规模发展DG技术需要解决的重要问题。
1.4现今存在的问题
合理分配分布式电源有利于电网电压质量的提高，还可以提高电网的稳定极限，提高线路的输电能力，但其在应用过程中面临的许多问题目前并没有得到很好的解决：
（1）DG并网的接入位置如何最优；
（2）DG并网对系统潮流的影响；
（3）DG并网后对电能质量的影响。
此外，DG的并网对电网的电能质量、系统稳定性、继电保护、供电可靠性等都会带来影响，因此针对DG的特点，研究DG接入后的系统潮流分析方法、稳定分析方法、短路分析方法等，可以量化分析DG给系统造成的影响，这对解决DG在电网运行中的技术困难和促进DG的广泛开展具有重要意义。
同时，探讨DG并网对网络的冲击，并确定对其约束可以更好的在保证系统稳定运行的前提下，从而可以加快分布式电源的发展。
1.5本文的主要研究内容与目标
在分析了分布式发电技术的基础上，系统的分析了DG对配电网的影响，完成了含分布式电源的配电网潮流计算、分布式电源的最优接入位置和容量以及含风电机组的配电网重构等方面的研究。
主要研究内容如下：
（1）首先介绍了分布式电源产生的背景、显著的特点和发展前景；
（2）根据不同的DG类型的特性，分析建立了各DG的数学模型；
（3）对遗传算法、禁忌搜索算法和改进的禁忌搜索算法分别用于寻找分布源在配电网中的最优接入位置和容量进行比较研究；
（4）对风电场在电力系统调度中的作用进行研究，并分析其优化配置方法。
2分布式发电技术简介
2.1分布式发电的定义
对于分布式发电，一直以来对它的称呼都不一样。
国外常用的称呼有：
DistributedGeneration（分布式发电），DecentralizedGeneration（分布式产能），DistributedPower（分布式电力），DistributedEnergyResources（分布式能源）等等。
与此相应，国内的称呼也不一致，如分布式电源，分布式发电系统，分布式发电等。
本文采用分布式发电DG（DistributedGeneration）的说法，并不表示对其他说法的否定。
本文旨在比较和分析不同机构、不同学者给出的不同定义，主要是对分布式电源有一个概念上的认识。
（1）美国能源部给出的定义是：
与能量管理系统和储能系统相联，改善电力传输系统的运行情况的小型的、模块化的不论它是否能与电网相联的生产电能的技术。
（2）加利福尼亚能源委员会（CEC）给出的定义是：
在配电网范围内分布在用户处或其附近的、并联或独立的，能使用户和公共事业单位获益的发电机组。
（3）EPRI和IEEE的定义分别是：
要求需求侧管理的，小型（<
50MW）的电能生产或存储技术，不与大型电网相联的电能生产技术。
（4）美国先进能源市场研究中心给出的定义是：
包含位于用户附近的发电设施、能量储存和能量管理以及热电联产技术的综合，利用联网优势为供需双方利益服务的发电系统。
从不同机构、学者给出的分布式电源的定义可以看出，分布式电源系统的研究还处在初级阶段，分布式电源的基本术语、基本概念是不统一的。
经过分析，对DG的定义有各自的侧重点和出发点，各定义之间是既相近又有区别：
（1）Distr
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