上海交通大学学报

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“双碳”目标下中国清洁电力发展路径

黄强, 郭怿, 江建华, 明波

2021,55 (12): 1499-1509.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.272

摘要 ( 1653 )

HTML ( 523 )

PDF(1849KB) ( 970 )

目前,第三次能源革命已经开始,为了减少碳排放,发达国家先后制定了清洁能源发展战略,并公布了放弃火电、核电的时间表.与此同时,中国也向世界作出承诺:2030年前碳排放达峰,2060年实现碳中和.因此,在“双碳”目标下,研究清洁电力发展路径具有重要意义.分析了中国水、风、光等清洁能源储量及其特征,预测了中长期电力需求,依据电力电量平衡原理,估算了2030和2050规划水平年电力系统结构组成,并分析了未来CO₂排放趋势,提出了未来中国清洁电力的发展对策与建议.结果表明:预计2027年中国电力系统将实现“碳达峰”;2030年中国清洁电力发电量将超过总发电量的50%;2050年火电、核电将被水、风、光等清洁电力全部取代,电力行业将实现CO₂的“零排放”,基本全面实现电力系统的绿色转型,以响应国家的“双碳”目标.

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一种新型天气分型方法及其在光伏功率预测中的应用

李芬, 周尔畅, 孙改平, 白永清, 童力, 刘邦银, 赵晋斌

2021,55 (12): 1510-1519.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.264

摘要 ( 1066 )

HTML ( 142 )

PDF(1327KB) ( 697 )

为提高光伏功率预测准确率提出了一种新的天气分型方法,该方法首先按总云量大小区分晴天和云天,然后根据太阳被遮蔽的程度将云天进一步细分为三类.该方法能有效识别影响光伏出力的关键气象环境因子特征,并对其加权求和得到新型分类指标Sky Condition Factor(SCF).该方法物理意义明确,区分度较好且易于量化.对天气类型合理细分后,可消除众多气象环境因子之间的耦合关系,降低输入变量维度,易于统计建模.最后分别基于原理和统计方法进行建模验证,结果显示该方法可以有效提高光伏功率预测的准确率.

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新能源电力系统中的分布式光伏净负荷预测

廖启术, 胡维昊, 曹迪, 黄琦, 陈哲

2021,55 (12): 1520-1531.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.244

摘要 ( 1524 )

HTML ( 235 )

PDF(69168KB) ( 1029 )

为响应碳达峰、碳中和的需求,构建一套完整的“源-网-荷-储”的新能源电力系统,提出了一种基于Hamiltonian Monte Carlo推断深度高斯过程(HMCDGP)算法的分布式光伏净负荷预测模型.首先,分别使用直接预测和间接预测两种形式对预测模型的精度进行实验并得到点预测结果;其次,使用所提出的模型进行概率预测实验并得到区间预测结果;最后,通过以澳洲电网记录的300户净负荷数据为基础的对比实验验证所提模型的优越性.在得到准确的净负荷概率预测后,可以通过电力调度充分利用光伏产出,减少化石能源使用,从而减少碳排放.

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基于多维聚类的配变负荷注意力短期预测方法

钟光耀, 邰能灵, 黄文焘, 李然, 傅晓飞, 纪坤华

2021,55 (12): 1532-1543.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.263

摘要 ( 688 )

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PDF(3475KB) ( 343 )

在大规模配变负荷预测中,由于负荷特性差别以及受影响因素不同,若使用统一模型,准确率低且泛化能力差,若针对单台配变进行负荷预测建模,计算资源消耗过大.提出了一种基于多维聚类的配变负荷注意力长短期记忆网络(Attention Long Short-Term Memory,Attention-LSTM)短期预测方法.首先提取每个配变日负荷特征序列并利用非参数核方法进行概率拟合,形成配变负荷的典型日负荷序列;以欧式归整距离以及影响因素相似性作为相似度评判标准,使用改进的k均值聚类(k-means)双层聚类对日典型负荷序列进行负荷聚类分析;利用近邻传播(Affinity Propagation,AP)聚类提取影响因素相似时间序列,构建训练集,训练Attention-LSTM模型;针对不同的配变负荷类型以及不同的相似时间序列得到不同的Attention-LSTM模型.通过选取某市级配电网实测负荷数据以及气象等影响因素数据,验证了所提方法的有效性和实用性,准确率提升了2.75%且效率提升了616.8%.

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基于分布式优化思想的配电网用电负荷多层协同预测方法

谭嘉, 李知艺, 杨欢, 赵荣祥, 鞠平

2021,55 (12): 1544-1553.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.296

摘要 ( 727 )

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PDF(2486KB) ( 481 )

当前,分布式新能源、电动汽车等新元素在配电网中涌现,改变了负荷的构成,丰富了负荷的内涵,给负荷预测带来了严峻挑战.事实上,用电负荷在配电网的多个电压层级以自下而上的方式聚合,但现有预测研究鲜少考虑此类层级化特征.为保障负荷自下而上的聚合一致性并且联合提升各层级的负荷预测性能,提出了一种基于分布式优化算法的用电负荷多层协同预测方法.首先,采用基于交替方向乘子法的分布式优化理念,构建了适配配电网层级特征、数据交互量少的多层协同预测框架.随后,提出了基于长短期记忆神经网络和联邦学习的具体预测方法,通过将底层负荷预测结果逐级聚合,能实现自下而上的配电网负荷一体化预测.算例结果表明,所提方法得到的用电负荷预测准确度高,应用前景好.

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“碳中和”目标下电气互联系统有功-无功协同优化模型

孙欣, 严佳嘉, 谢敬东, 孙波

2021,55 (12): 1554-1566.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.233

摘要 ( 751 )

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PDF(2393KB) ( 336 )

随着碳中和目标的提出,新能源机组逐步成为主力电源,其波动性给系统特别是配电网的控制和优化带来了巨大的挑战.为了解决高比例可再生能源接入配网带来的无功问题,提出一种计及无功优化和多能协同交互的源-网-荷-储集中优化调度模型.该模型以多能系统运行成本最优、网络损耗最小、碳排放量最小为目标,考虑无功补偿、储能调节以及能量转换等手段,以实现电气互联系统的安全低碳经济调度.采用改进二阶锥松弛法对配网模型中非线性等式约束进行凸松弛,采用大M法对离散无功补偿装置的投切容量进行线性化表达,将模型转换为混合整数二阶锥规划问题进行求解.仿真结果表明,所提方法能够有效补偿风机并网点所需无功,协调电、气之间的能量交互,从而提高大规模可再生能源接入后配网的稳定性与弹性,促进可再生能源消纳.

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“双碳”目标下电力系统供给侧形态发展系统动力学建模与分析

陈文溆乐, 向月, 彭光博, 刘友波, 刘俊勇

2021,55 (12): 1567-1576.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.294

摘要 ( 889 )

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PDF(1778KB) ( 402 )

为了模拟双碳目标对电力系统供给侧形态发展的影响,通过分析电源结构转型过程中碳排放的主要影响因素及其相关关系,构建4种不同发展情景的系统动力学模型.仿真分析了4种发展路径下发电结构、电力碳排放的演化趋势.结果表明:电力系统能源供给侧形态发展受多种因素的共同影响,在政策大力支持的前提下,市场消纳机制和消纳技术的发展促进电力系统发电结构的转型,对双碳目标的实现具有重要意义.

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考虑岸电负荷弹性的港区综合能源系统规划模型与方法

赵景茜, 米翰宁, 程昊文, 陈思捷

2021,55 (12): 1577-1585.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.293

摘要 ( 754 )

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PDF(3046KB) ( 498 )

建立考虑岸电负荷弹性的港区综合能源系统规划模型,精细化建模岸电负荷;其次,将模型解耦为岸电负荷弹性与综合能源系统规划两部分,计算港口-船只主从博弈模型下的岸电负荷曲线;最后,采用最佳响应法迭代求解考虑岸电负荷弹性的最优综合能源系统规划方案.仿真结果表明,该模型可以帮助合理配置港区资源,有效提升港区的用能效率,增加港区收益,助力港区节能减排.

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考虑高比例新能源消纳的多能源园区日前低碳经济调度

吕祥梅, 刘天琪, 刘绚, 何川, 南璐, 曾红

2021,55 (12): 1586-1597.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.339

摘要 ( 617 )

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PDF(1674KB) ( 398 )

为提高清洁能源利用率和降低碳排放,缓解全球能源危机和温室效应,提出一种考虑高比例新能源消纳的多能源园区日前低碳经济调度模型.首先,向园区引入储气设备和储热设备后,进一步挖掘能源耦合设备的潜力,探究电动汽车充电方式的影响;其次,基于阶梯型价格曲线建立了价格型联合热电需求响应模型;然后,考虑综合能源系统低碳运行,构建了碳捕集和储碳设备模型;最后,提出多能源园区日前低碳经济调度混合整数线性规划模型.算例分析表明,所提模型能提高能源利用率和园区调度灵活性,有效降低园区碳排放量,增加园区收益,促进高比例新能源的消纳.

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碳交易环境下含风电电力系统短期生产模拟

刘明涛, 谢俊, 张秋艳, 包长玉, 常逸凡, 段佳南, 施雄华, 鲍永

2021,55 (12): 1598-1607.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.295

摘要 ( 616 )

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PDF(1341KB) ( 275 )

为提高风电参与市场的竞争力,促进电力系统低碳化运行,满足风电出力不确定性对电力系统生产模拟模型的完善性、灵活性提出的新要求,从低碳经济角度分析电能成本构成,应用随机规划理论,提出一种含风电电力系统短期生产模拟模型,该模型以短期电能成本期望值最小为目标,考虑碳交易市场的参与,协同优化日前发电出力、实时功率调整、发电备用容量、弃风和切负荷.以改进的IEEE-39节点系统为例,量化评估了碳交易机制、碳交易价格、风电装机规模对短期电能成本的影响及对碳减排的贡献.结果表明,所提模型能够有效分析碳交易环境下含风电电力系统短期电能成本、碳排放、运行风险等情况,具有较好的应用前景.

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“双碳”背景下线间潮流控制器多目标协调控制策略

蔡晖, 高伯阳, 祁万春, 吴熙, 谢珍建, 黄俊辉

2021,55 (12): 1608-1618.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.321

摘要 ( 616 )

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PDF(1541KB) ( 391 )

“碳达峰、碳中和”目标对考虑安全性和稳定性的电力系统低碳运行提出了更高要求,新能源的大规模接入容易引发电网潮流分布不均与机电振荡等问题.作为第3代柔性交流输电系统(FACTS)的代表性设备,线间潮流控制器(IPFC)具有强大的潮流调控、振荡阻尼和暂态稳定控制能力,但在不同工况下关注的主要目标不同,且目标间存在着矛盾关系.首先,基于改进相对增益矩阵(MRGA)理论, 线性化含IPFC的系统状态方程,量化分析目标间的相互作用,选择附加控制器的叠加位置,削弱稳态调控与动态控制间的交互影响.其次,针对暂态过程,结合模糊逻辑理论设计了IPFC多目标协调控制器.最后,通过粒子群算法优化了控制器参数,在提高暂态稳定和小干扰稳定的同时,减少暂态过程中的潮流超调,增强了IPFC在不同系统运行工况下的协调控制能力,有利于解决“双碳”背景下电力系统负荷大、惯性低、波动随机所带来的能源传输消纳与安全稳定控制等难题.

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考虑韧性提升的交直流配电网线路加固和储能配置策略

周士超, 刘晓林, 熊展, 王旭, 蒋传文, 张沈习

2021,55 (12): 1619-1630.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.279

摘要 ( 738 )

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PDF(1666KB) ( 327 )

线路加固和储能配置是灾前规划性防御策略的重要组成部分,可以有效提升交直流混合配电网防灾应急能力.在极端事件频发的背景下提出了考虑线路加固和储能资源配置的交直流混合配电网韧性提升方法,构建两阶段鲁棒优化模型.模型本质上为3层混合整数非线性规划问题,最外层为配电网主动行为,确定线路加固和储能配置策略;中间层为被动行为,确定极端事件发生后的最严重故障集;内层为配电网主动行为,确定灾中配电网故障应对和调度运行策略.基于嵌套列和约束生成算法(Nested Column and Constraint Generation, NC&CG)对3层混合整数线性规划模型进行求解.最后,以9节点直流配网和改进的IEEE-33节点含环交流配网耦合的交直流混合配电网为例进行仿真分析,结果表明所提方法可以有效提升配电网韧性,保障其在极端事件下安全可靠运行.

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现货市场环境下新能源并网接入对市场出清的影响

魏利屾, 冯宇昂, 方家琨, 艾小猛, 文劲宇

2021,55 (12): 1631-1639.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.329

摘要 ( 712 )

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PDF(2139KB) ( 360 )

为实现“碳达峰、碳中和”目标,发展新能源迫在眉睫.而与传统火电机组不同,新能源机组边际成本为0,随着电力现货市场改革的不断推进,其大规模并网接入势必会对市场交易结果与系统运行情况造成巨大影响.基于实际现货市场运行规则,采用安全约束机组组合与安全约束经济调度模型搭建电力现货市场仿真分析框架,实现电力现货市场的运行模拟.并以某实际省级电网为例,对现货市场环境下新能源对于市场出清结果的影响进行定量分析.仿真结果表明,在现货市场环境下,新能源参与市场会降低全省平均电价与系统运行成本,使得新能源消纳率降低,同时还会压缩市场化机组的利润空间.

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面向新型电力系统的华东电网运行备用体系构建方法

胡宏, 陈新仪, 王利峰, 滕晓毕, 严正, 徐潇源, 王晗

2021,55 (12): 1640-1649.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.273

摘要 ( 696 )

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PDF(1249KB) ( 507 )

为进一步提升华东电网的有功调节能力,从受端特性、新能源发展、净负荷波动、以及电力市场化改革需求等方面分析了新型电力系统建设下构建华东电网运行备用体系的必要性,并结合国内外典型电网运行备用体系的现状,提出了适应华东电网发展的运行备用建议体系,对备用的分类、响应时间和最小备用配置原则进行了重新梳理和修订.最后,通过对华东电网实际运行数据的测算分析,验证了本文所建议的运行备用体系的有效性.

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电能量和旋转备用市场下电-热综合能源系统低碳优化运行

江婷, 邓晖, 陆承宇, 王旭, 蒋传文, 龚开

2021,55 (12): 1650-1662.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.297

摘要 ( 602 )

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PDF(2577KB) ( 425 )

建立电-热综合能源系统,同时参与电能量市场和旋转备用市场的日前优化决策模型,并将阶梯式碳交易引入该模型中.模型采用条件风险价值方法对新能源和电负荷不确定性风险进行管理,以电-热综合能源系统运营方案成本和碳排放成本最低为目标函数,制定运行计划和安排备用资源.算例分析表明,该模型通过发挥综合能源系统多能互补优势和合理安排备用资源应对不确定性因素引发的风险,提高了能源供应的可靠性、经济性和低碳性.

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适用于环境-经济调度研究的燃煤机组二氧化碳排放特性模型

张展鹏, 班明飞, 郭丹阳, 陈启超, 江海洋

2021,55 (12): 1663-1672.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.368

摘要 ( 617 )

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PDF(1386KB) ( 309 )

为精准量化不同容量燃煤机组碳排放量,更好地服务于我国“碳达峰、碳中和”目标,建立了一种适用于电力系统环境-经济调度的新型燃煤机组CO₂排放特性模型.首先,总结并分析了近年来我国燃煤机组容量和煤耗变化情况;其次,采用K-Medoide聚类分析了典型机组的负荷率与CO₂排放强度的关系,建立了受基本方程规范的新型燃煤机组碳排放特性模型;最后,结合理论分析与实际数据,对所建立的模型进行算例仿真,验证了模型的有效性.

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基于自适应蝠鲼觅食优化算法的分布式电源选址定容

杨博, 俞磊, 王俊婷, 束洪春, 曹璞璘, 余涛

2021,55 (12): 1673-1688.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.397

摘要 ( 591 )

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PDF(8450KB) ( 331 )

建立了考虑有功功率损耗、电压分布、污染排放、分布式电源(DG)成本以及气象条件的DG选址定容规划模型,其中选址、定容工作分别是一个离散、连续变量,是一个高度非线性、含离散优化变量的复杂模型.因此,应用自适应蝠鲼觅食优化 (AMRFO) 算法获取最优Pareto解集,其具有丰富多样的搜索机制,个体更新机制以及先进的Pareto解筛选机制,针对该模型能够获得更加优异的高质量解.为回避权重系数人为设置主观性带来的影响,采用基于马氏距离的理想决策点法进行Pareto最优解集决策.最后,基于IEEE 33, 69节点配电网和孤网运行的IEEE 33, 69节点配电网进行仿真分析.研究结果表明:与传统的多目标智能优化算法相比,AMRFO算法能够获得分布更加广泛、均匀的Pareto前沿,在兼顾经济性的同时,配电网的电压分布、有功功率损耗的改善效果显著优于其他算法.

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基于自适应均衡技术的分布式储能聚合模型及评估方法

叶鹏, 刘思奇, 关多娇, 姜竹楠, 孙峰, 顾海飞

2021,55 (12): 1689-1699.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.322

摘要 ( 802 )

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PDF(4607KB) ( 587 )

针对分布式储能广域分布、资源分散、无法高效聚合等问题,提出一种基于自适应均衡技术的分布式储能聚合模型及评估方法.首先,建立基于储能容量、功率、荷电状态等动态特性参数的自适应均衡函数模型.然后,在自适应均衡函数模型基础上,建立以储能功率调节度、自适应均衡度和容量贡献度3种聚合度动态参数为决策的储能聚合模型.通过算例仿真,验证了该模型可实现各储能单体以更小的体内差异性、更高的体间聚合度完成储能单体到储能聚合体的聚合,可实际应用于大规模参与辅助服务的分布式储能的聚合,实现储能资源的高效利用.

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