摘 要

伴随着世界各国相继出现的能源匮乏现象，以及由传统能源所引发的环境污染问题越来越严重，世界各国相关电力部门的能源开发重点逐渐转向可再生能源。在这种背景下世界各国可再生能源产业的发展十分迅速，可再生能源发电量在电网的总发电量中所占的比例也越来越大，这在很大程度上缓解了能源危机的问题，同时也提高了电能资源的利用率，减轻了环境污染程度。但随着大量的分布式电源并入电网，由于分布式电源的出力不确定性和配电网负荷的随机波动，引起了电网电压升高、电能弃用率上升等问题，很多传统的配电网并不能及时做出优化调度决策。为了解决这些问题，也为了提高配电网对分布式能源的消纳能力，主动配电网开始发展起来，并逐渐取代了传统配电网，然而很多主动配电网在建设规划时没有充分考虑到时序性因素对分布式能源的影响，导致主动配电网运行时难以准确分析电网的实时运行特性，给电网优化调度带来困难。

本文针对以上问题，就主动配电网的分布式电源的出力不确定性和负荷的随机性建立主动配电网分布式电源和可控性负荷的时序性模型，通过软件仿真得到需要的时序性数据，将时序性数据带入到建立的模型完成电源出力和负荷功率预测仿真。研究结果表明本文建立的分布式电源和负荷的时序性模型得到的预测结果更加符合真实数据，能够为电网的优化调度提供一定的指导意义，进而增强主动配电网运行的可靠性和经济性。

关键词：主动配电网，分布式电源，时序性建模，电源模型，负荷模型

Abstract

With the shortage of energy and environmental pollution caused by traditional energy sources becoming more and more serious in the world, the focus of energy construction in the relevant power sectors of the world has gradually shifted to renewable energy. Under this background, the development of renewable energy industry in the world is very rapid, and the proportion of renewable energy in the total power generation of the grid is also increasing, which greatly alleviates the problem of energy crisis, at the same time improves the utilization rate of electric energy resources and reduces the degree of environmental pollution. However, with a large number of distributed generations merged into the power grid, due to the uncertainties of the output of distributed generations and the random fluctuation of the load of distribution network, resulting in the rise of grid voltage and power abandonment rate, many traditional distribution networks can not make optimal dispatching decisions in time, it brings difficulties to the optimal dispatch of power grid.

Aiming at the above problems, this paper establishes a time series model of distributed generation and controllable load in active distribution network, which is based on the uncertainties of power output and the randomness of load. The time series data are obtained by software simulation, and then the time series data are brought into the established model to complete the power output and load power prediction simulation. The results show that the forecasting results of the time series model of distributed generation and load established in this paper are more in line with the real data, and can provide some guidance for the optimal dispatch of power grid, thereby enhancing the reliability and economy of active distribution network operation.

Key Words: Active Distribution Network, Distributed Power Supply, Temporal Modeling, Power model, Load model

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2主动配电网综述 2

1.3主动配电网建模国内外研究现状 3

1.3.1主动配电网建模分析 3

1.3.2主动配电网电源方面建模分析 3

1.3.3主动配电网储能方面建模分析 4

1.3.4主动配电网负荷方面建模分析 4

1.4研究内容 5

第2章 主动配电网模型 7

2.1主动配电网电源模型 7

2.1.1风力发电系统 7

2.1.1.1风力发电系统建模分析 7

2.1.1.2风力发电系统模型 8

2.1.2光伏发电系统 8

2.1.2.1光伏发电系统建模分析 8

2.1.2.2光伏发电系统组合模型 9

2.2主动配电网负荷模型 10

2.2.1空调设备模型 10

2.2.2照明设备模型 11

2.2.3电热水器模型 12

2.3本章小结 13

第3章 主动配电网相关预测方法 14

3.1分布式电源出力预测方法 14

3.1.1分布式风力发电系统出力预测 14

3.1.2分布式光伏发电系统出力预测 14

3.2电力系统负荷预测方法 15

3.3本章小结 15

第4章 基于MATLAB平台的模型仿真 17

4.1分布式风力发电系统 17

4.1.1风力发电系统输出功率预测算例仿真 17

4.1.2仿真结果分析 19

4.2分布式光伏发电系统 20

4.2.1光伏发电系统输出功率预测算例仿真 20

4.2.2仿真结果分析 23

4.3主动配电网负荷预测 23

4.3.1负荷预测算例仿真 23

4.3.2仿真结果分析 25

4.4本章小结 25

第5章 总结与展望 26

5.1全文总结 26

5.2未来展望 26

致 谢 28

参考文献 29

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

当今时代，传统能源的化石燃料逐渐匮乏，而传统能源的生产过程，又必然需要消耗大量的化石燃料，这显然不利于能源社会的可持续发展，另一方面，化石燃料的燃烧会产生污染性气体，这对环境也是不友好的。因此寻找新的能源来代替传统能源显得越来越重要。随着整个社会经济的快速发展和科学技术水平的不断提高，以风能和太阳能为主要代表的可再生能源成为逐渐代替传统能源的新能源，而且风能和太阳能储量巨大，能够大规模的开采利用，也正是因为具有这样的特点，大力发展以风能和太阳能为代表的可再生能源成为世界各国能源发展的必然要求。

风能、太阳能等可再生电源的大规模应用，在一定程度上确实缓解了传统能源紧张的问题，也有效减轻了环境污染，抑制了全球气候变化，但随着大量的分布式电源（Distribute Generation, DG）并入电网，分布式电源本身地理位置的分散以及可再生能源的出力不确定性，可能使得配电网络调度管理困难从而导致电网电压、频率发生波动，为了避免电网出现运行事故，需要对配电网络的新能源消纳能力和供电可靠性提出更高的要求，而传统配电网已经满足不了这种要求。针对这种现象，2008年国际电网会议上，专家学者们提出了“主动配电网（Active Distribution Networks, ADN）”的概念，并就主动配电网的运行与发展进行了主题讨论。

所谓主动配电网，就是通过对配电网的电源、储能、负荷实施主动管理，从而提高配电网的新能源消纳能力和运行效率^[1]。在旧电网时代，电能的传输主要借助传统配电网，由于过去电网的建设是以供电安全为重心，它的运行、控制和管理模式都是被动的，在正常运行的情况下无法进行自动控制操作，所以又把传统配电网称为被动配电网；和传统配电网不同，主动配电网可以通过对配电网的电源、储能和电网负荷等进行主动控制，并且根据不同的运行要求，主动配电网还可以建立灵活多变的网络拓扑结构来调整主动配电网的运行方式，使配电网络的电能合理分配从而增强分布式电源对电网的支撑能力^[2]。

主动配电网概念的提出，为分布式可再生能源大规模接入配电网提供了理论基础，因此受到了世界各国能源部门的广泛关注，各国也积极开展了分布式电源接入配电网的项目，对于我国来说主动配电网技术的研究起步较晚，虽然国家也相继开展了多项主动配电网研究项目，例如就主动配电网的发展，制定了隶属于“863”计划的有关主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与运用项目，又成立了国家能源主动配电网技术研发中心^[3]，但是在实际进行主动配电网的规划建设时，我国技术方面的落后还是会体现出来，比较明显的就是规划过程中建立的主动配电网数学模型很多都不够精细，没有充分考虑到时序性因素对主动配电网的影响，这对主动配电网建设运行是十分不利的，为了能更好的建设主动配电网，我们需要就主动配电网的时序性建模展开深入的研究。

1.1.2研究意义

在主动配电网规划建设过程中，建立其数学规划模型是必不可少的环节，而为了建立全面可靠的数学模型，我们需要在建立主动配电网的数学模型时充分考虑到各种可能因素对模型的影响。例如：对于主动配电网而言，并入电网的分布式电源主要是风力和发电系统和光伏发电系统，受到自然环境和气候天气的影响，分布式电源的功率输出会随着这些因素的变化出现波动，由于电力网络运行时的典型特征就是电能的实时传输以及配电网络的供需平衡，一旦打破这种配电网的稳定运行条件，就会导致电网电压或者频率突变，严重的话甚至会引起电力网络瘫痪，造成大面积区域停电，危及人身安全，并带来巨大的经济损失^[4]。

为了避免主动配电网出现运行事故，在建立主动配电网的数学模型时，将时序性特征考虑到建模过程中显得尤为重要，只有充分考虑到主动配电网可能出现的时序性波动，合理的对电网资源进行优化调度，才能减少电力系统的运行故障，降低配电网的建设成本，提高分布式可再生能源的利用率，增强主动配电网对新能源的消纳能力，进一步在电网的优化调度方面做出兼顾多方利益的决策。

主动配电网的大规模建设和可再生能源发电技术的日渐完善，对应的主动配电网规划建模技术也会发展的越来越快，这既是一种挑战，也是一种机遇^[5]。对于我国而言，只有在规划设计时建立更加全面的数学模型，使建立的模型能够在多种情况下安全可靠地运行，

那么才能在主动配电网的技术领域处于领先的位置，只有把核心技术掌握在自己手里，才能在发展过程中实现独立自主。

1.2主动配电网综述

主动配电网的定义，正如上文所提到的那样，通过对配电网络的源、储、荷实施主动管理从而提高配电网对分布式能源的消纳能力以及提升电网运行效率，并能够对电网的分布式电源、储能单元和可控负荷等进行主动控制，通过灵活的网络拓扑结构来合理地调整电力系统潮流的分布，使分布式能源向配电网提供一定程度的支撑作用的配电系统^[6]。

其中主动配电网的电源包括分布式电源（Distributed Generation, DG）和一些传统电源，由于传统能源和时序性因素关系不大，所以本文不做讨论，主要分析分布式能源，分布式电源主要是可再生能源，如典型的光伏发电系统（Photo Voltaic System, PVS）、风力发电系统（Wind Power Generation System, WPGS）；主动配电网的储能系统（Energy Storage System, ESS）有电池储能、化学储能、重力储能等；主动配电网的负荷主要有可控负荷、不可控负荷及可中断负荷^[7]。随着主动配电网中分布式能源的渗透率不断提高，以及新型负荷接入配电网，主动配电网的结构也会变得越来越复杂。

但是不论网络的拓扑结构如何变换，主动配电网都具有以下特点：（1）“源、储、荷”全面协调规划。不同于传统配电网，主动配电网能够对源、储、荷采取主动的协调控制方式，因此具有更加灵活多变的结构。（2）主动协调控制。主动配电网的核心功能之一是对配电网资源的主动决策、管理和控制。（3）市场的主动性。随着电改政策的逐步推进，开放的电力市场将成为主动配电网的重要组成部分。（4）用户侧的主动性。用户侧需求响应是主动配电网的重要功能之一，用户根据电网运营商制定的价格或者服务政策，可以主动地为电网提供辅助服务，从而获得经济收益，减少电网投资，提高电网资产利用率^[8]。

主动配电网运用主动管理策略，关注的重点是配电网的全局运行和管理，因此主动配电网能够对于接入电网的分布式电源和可控能效负荷进行更加高效的管理，从而降低电网的投资运行成本，实现多方经济效益的最大化。

1.3主动配电网建模国内外研究现状

1.3.1主动配电网建模分析

主动配电网的概念提出以来，国内外专家学者针对相关技术开展了深入广泛的研究，并且取得了丰硕的研究成果。现如今主动配电网规划建设技术越来越成熟，其对应的主动配电网建模技术和主动配电网的源、储、荷协调调度技术等也日益完善，然而在进行技术探索的过程中遇到过的困难对于我们来说也是不能忽视的，例如，为了防止配电系统在分布式电源接入配电网时发生根本性变化，文献[9]提出需要在主动配电网运行规划时建立合适的分布式电源模型，只有在对多种分布式电源和储能系统有所了解的情况下才能建立运用于多种场景下的数学模型；为了使建设的主动配电网满足节能环保的运行要求，文献[10]指出需要在主动配电网模型的评价指标中加入低碳环保的指标；同时文献[11-13]就如何提高可再生能源利用率和降低电网谐波等问题也都提出了相应的解决措施，只有充分了解相关技术领域的发展，才能在自己探索技术的过程中少走弯路。

1.3.2主动配电网电源方面建模分析

从主动配电网“电源”方面进行建模分析，首先需要明确主动配电网的分布式电源主要是以光伏电池板和风力发电机为代表的间歇性分布式电源，所以基本上所有的关于主动配电网电源侧建立的数学模型都是这两种分布式电源模型。文献[14]中就分布式电源接入主动配电网建立了多场景的优化配置模型，该模型具有以下特点：变压器抽头变比可调、分布式电源可以切除以及分布式电源功率因数可变。利用K-means聚类法缩减场景，以年碳排放量最小为目标，采取了遗传算法和原对偶内点法结合对模型求解，通过仿真验证了模型的有效性。文献[15]建立了一种基于遗传算法的主动配电系统扩展规划模型，该模型充分考虑了分布式电源集成和传统方案扩展，以总成本最小为目标规划了一个考虑分布式电源出力和负荷增长不确定性的安全系统。文献[16]以分布式电源出力恒定为前提条件，对主动配电网无功规划问题进行了研究，但是分布式电源出力具有典型的间歇性和时序性，因此建立的模型在实际应用时规划结果准确性差。在此基础上文献[17]建立了主动配电网规划层和运行层的双层规划模型，考虑分布式电源的时序性特征，运用主动管理手段对配电网络进行无功电源进行规划，采取改进的遗传算法对双层规划模型进行优化求解。文献[18-20]也介绍了一些其它关于主动配电网电源方面的模型，例如，针对配电网中分布式电源的优化配置、含风电并网的主动配电网模型等。

通过对国内外主动配电网电源方面建模研究分析，可以看出一些模型考虑到了分布式电源的时序性和间歇性，但还是有很多数学模型缺乏对这些因素的考虑，进而导致这些模型在实际应用时具有的局限性。

1.3.3主动配电网储能方面建模分析

主动配电网中包含有大量的分布式电源，在一定程度上分布式电源的接入能够使得可再生能源得到充分利用，但由于分布式电源存在时序性和机械性的问题，大量的分布式电源接入配电网，将会导致配电网电压跳跃、频率波动，这显然不利于主动配电网的运行安全以及用户侧供电可靠性。分布式电能存储技术则为解决上述问题提供了很好的途径。文献[21]在总结了分布式储能技术发展现状的基础上，提出了分布式储能多层次模型，从储能性能、配套技术、协调控制和运行优化等多方面探讨分布式储能技术需要解决的问题。文献[22]通过运用混合储能方式实现对风力发电机出力时序性波动分量的控制，基于滑动平均值原理确定储能系统的输出功率。文献[23]中建立了主动配电网的充放储一体站的充放电模型，该模型考虑到具有时序性特征的风电、光电等分布式电源，以电网实时电价、环境和充放储一体站成本等因素制定DG出力控制策略，运用了粒子群算法，通过算例验证了该模型的可行性。

由于主动配电网的储能系统基本不会表现出时序特性，所以有关储能方面的主动配电网建模方法并不常见，本文中也不再做过多的总结和讨论。

1.3.4主动配电网负荷方面建模分析

随着越来越多的分布式电源接入配电网，配电系统变得越来越复杂，这就要求主动配电网的控制单元需要不停协调配电网络的供需平衡，关于主动配电网负荷侧的建模就显得十分重要。文献[24]针对分布式能源利用率低和造价昂贵的问题，分别关于主动配电网源、储、荷建立了数学模型，结合配电网负荷侧的能效管理，融入多种评价指标，采用和声搜索算法在多种场景下对模型进行求解，为配电网制定合理的优化调度策略提供了技术参考。文献[25]针对分布式电源接入配电网对电网负荷产生的不利影响，建立了主动配电网优化配置模型，综合考虑了电网功率、运行等约束条件，以“削峰填谷”和“平滑负荷”为目标，分别提出了多种优化控制策略，又以最低成本为目标，利用粒子群算法对模型求解，为主动配电网优化运行提供了多种参考数据。文献[26]总结了用负荷表征电力系统动态性能的研究现状，就负荷建模讨论了其重要性并提出了有关负荷的配电网模型，说明了考虑不同类型负荷对配电网建模重要性。文献[27]建立了面向投资层和运行层的多时间尺度双层优化模型，以年为时间尺度，分层对主动配电网进行调度管理。文献[28]提出一种考虑负荷需求的时变特性和配电公司的运行经济效益的网架快速重构的DG快速调控模型，运用多场景模拟，验证了该模型能够降低配电网运行成本以及提高电网对分布式能源的消纳能力。文献[29-31]也提出了关于配电网负荷和分布式电源的时序相关性模型以及考虑电网频率特性的负荷建模等，此处不再赘述。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：