An Overview of Power Generation Scheduling in the Optimal Operation of a Large Scale Power System

Abstract

As the size of an electric power system grows, the economic significance of power generation scheduling becomes more and more apparent. A proper schedule for the generation of electricity will also ensure the reliability of a power system and extend the operational lives of its constituent units. This paper provides a review of the existing techniques for schduling the power generation in an electric power system which consists of various types of generating units. First, power generation scheduling problem will be presented and its economic importance will be discussed. Then, the application of different techniques such as Priority Lists Scheme, Dynamic Programming, Mixed Interger Programming, Benders’ Decomposition and Lagrangian Relaxation in solving this problem will be described. Also, computational advantages and shortcomings of each technique will be discussed. Finally, our experience in advancing the state-of-art, and improving the scheduling process for a large power system will be presented.     

促进可再生能源电力接纳的技术与实践

我国已成为可再生能源发电装机规模与发电量最大的国家,可再生能源电力接纳问题日益突出,寻求该问题的解决方案将是"十三五"期间的重大任务。为此,该文从电力系统整体出发,分别从电网侧、发电侧及用户侧,梳理了促进可再生能源电力接纳的技术现状,总结了其技术特征与国内外实践经验,为我国"十三五"期间可再生能源接纳格局的改善提供借鉴。在电网侧,特高压输电技术、柔性直流输电技术、电网智能化技术将为我国可再生能源在更大范围的接纳提供坚强纽带,实现发电侧与用户侧间更为灵活、紧密的联系;在发电侧,常规机组的灵活调节技术、可再生能源的精细预测及主动控制技术、大规模储能技术将推动我国各类电源运行方式的深度转变;在用户侧,可再生能源电力供热、需求侧响应与虚拟电厂等技术将为终端用户主动、柔性地调节自身负荷、更多地使用可再生能源电力提供解决方案。依托特高压输电技术、融入大市场,实现可再生能源最大范围的优化配置,将是适合我国国情的重要选择。     

Power Electronic Converter Configurations Integration with Hybrid Energy Sources – A Comprehensive Review for State-of the-Art in Research

Abstract

The electricity demand is increasing day by day. On the other side, fossil fuels are depleting at a higher rate. The abundantly available renewable energy sources like solar, wind, and fuel cells are becoming popular sources of energy. But due to the intermittent availability of these renewable energy sources, two or more energy sources are integrated together. Power electronic converters are used for integrating different energy sources. Various power electronic converter (PEC) topologies have been proposed and analyzed in detail to control maximum power point, voltage, frequency, and harmonic distortions. Each of these configurations will differ in its topology and operating principle. The objective of this paper is to present a comprehensive review of various aspects of PEC configurations available for integration of renewable energy sources by systematization into three groups (AC shunt coupled, DC shunt coupled, and hybrid coupled systems). Emphasis is also given to coordination power control, maximum power point, and grid integration challenges related to the hybrid energy system. Furthermore, a general, system modeling of solar, wind, and grid integration is presented here to give an overall picture of a hybrid renewable energy system.     

新能源对电力电子提出的新课题

电力电子技术是新能源和智能电网支撑科技。无论新能源发电装备、储能装备,还是新能源组网都依靠电力电子技术。未来的新能源系统中,电力电子技术将会扮演越来越重要的角色。本文在回顾近几十年来新能源领域电力电子技术发展的基础上,展望未来新能源发电、储能、微电网等发展前景,从多个方面倡述新能源系统对电力电子提出的新的课题。     

基于可再生能源发电的微网技术研究

随着智能电网建设目标中提出加强新能源电站配套电网建设,使之成为接纳新能源的"高速公路",风力发电、光伏发电及生物质能发电等可再生能源发电备受关注。介绍一例基于可再生能源发电的"微网化"系统运行状态,探讨微网技术在弥补新能源发电的间歇性和降低其对电网的影响方面的优越性。     

分布式发电接入村镇配电网络的影响模拟分析

当新能源分布式发电并网后,新能源发电的随机性与分布式发电与负荷的空间关系会对电力系统的潮流、电能质量和运行可靠性造成影响。本文旨在研究将新能源发电与一个典型村镇配电网连接后,对电压、潮流和对有载调压变压器等电力设备运行的影响。并结合村镇配电网的运行特点,对分布式发电接入造成的影响进行分析,探讨了减少发电机输出约束需求的解决方案。其次,通过SIMULINK模拟了可再生发电系统(光伏阵列)与村镇配电网系统,分析了新能源分布式发电对村镇配电网的影响。     

高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架

大力发展可再生能源是应对能源危机和环境问题的重要手段,高比例可再生能源并网将成为未来电力系统的基本特征。文中从高比例可再生能源接入带来的强不确定性和高度电力电子化带来的稳定机理变化两个方面,分析了高比例可再生能源电力系统面临的关键科学问题。在此基础上,从中国未来电力系统结构形态分析与电力预测、含高比例可再生能源的输电系统规划、含高渗透率可再生能源的配电系统规划、电力电子化电力系统稳定性分析、含高比例可再生能源交直流混联系统的优化运行等5个方面,提出了高比例可再生能源电力系统的研究框架,重点阐述了这5个方面的相互关系。最后,对未来高比例可再生能源电力系统的研究进行了总结和展望。     

高比例可再生能源电力系统结构形态演化及电力预测展望

在清洁化、低碳化和智能化的能源革命背景下,高比例可再生能源成为电力系统未来发展的一个突出特征,也导致了电力系统结构形态的巨变。文中对高比例可再生能源电力系统结构形态演化及电力预测方法进行了阐述。首先分析了电力系统结构形态的内涵及其要素,建立了其形态演化的驱动力综合模型,然后结合高比例可再生能源发展趋势,分析其对电力系统形态结构的影响,建立高比例可再生能源驱动的电力系统形态演化模型。围绕高比例可再生能源电力系统结构形态演化机理和复杂多重不确定性运行场景下的电力预测理论两个科学问题,分四个方面对其研究体系进行了详细阐述。     

清洁发展机制与我国可再生能源发电

结合我国可再生能源发电的实际情况和清洁发展机制（CDM）的规则,从各方面分析了CDM在可再生能源发电中的潜力和预期效益。我国可再生能源发电潜力巨大,而且具备减排成本低等多重比较优势,但同时也存在着发电成本高等制约因素。通过CDM项目的开发和实施,可以带来环境、经济、社会等多方面的效益。     

中国电网高速发展与可再生能源发电的关系

探讨了电网吸纳众多容量小、受自然条件制约且运行出力不确定电源的应对策略,包括：①针对出力的不确定性,采取计及天气因素的日负荷预报方式预报其出力;②由于农村沼气应用已有基础,国内将沼气用于内燃机、燃气轮机和锅炉的技术已较为成熟,且用管道输送沼气可节省运输能耗,建议农、牧、林地区发展生物质沼气发电为主,风能、太阳能发电为辅的中国农村型分布式发电。阐述了各种可再生能源发电的技术现状及发展方向,提出了集中人力、物力积极开发创新,结合试点示范,逐步推广发展可再生能源发电的建议。     

适应发电权交易的可再生能源有功控制策略

针对电力市场环境下的可再生能源发电权交易模式,提出了一种适应发电权交易的可再生能源有功控制策略。首先,可再生能源发电控制通过跟踪火电机组的下旋转备用,实现电网调峰责任共担,并提出可再生能源场站限电状态准确判别方法。然后,采用发电权分级控制与基于实时发电能力再分配的精确控制策略,实现可再生能源场站发电权交易电量的合理执行,并保证了可再生能源发电指标的最大化利用。宁夏电网的运行实践结果表明了所提控制策略在可再生能源消纳、发电权交易及广义联络线控制等方面的有效性。     

计及高比例可再生能源运行特性的中长期电力发展分析

面对日益严峻的气候和环境问题,过去的高消耗、高排放的能源发展模式已难以为继,建立以可再生能源为主体的能源,特别是电力供应体系,实现能源清洁低碳转型发展成为大势。首先,介绍了面向高比例可再生能源的中长期电力发展研究思路。接着,提出了多区域、多场景中长期电力规划模型,该模型以全社会电力供应成本最小化为优化目标,考虑了电力系统扩展规划、运行、发电资源及能源电力政策等多方面约束;通过电力系统运行模拟在规划问题内的适度耦合,可计及风光等可再生能源发电的随机性与波动性。最后,基于所提规划模型,展望了中国2050年高比例可再生能源电力系统的电源格局与电力流,并对系统整体运行情况进行了分析。     

生物质能电厂的监测与控制

生物质能是可再生能源，利用生物质能发电同时具有保护环境和可持续发展的双重作用。生物质能主要来源于农作物秸秆，由于农作物的分散性，秸秆运输费用成为限制生物质能发电规模的一个主要原因。由于生物质能电厂规模小，难以配备高水平的运行人员，因此需要电厂具有高度的自动化程度。文章介绍了生物质能电厂的监控原则、基本原理及其实现，实验结果表明所提出的方法能使生物质能电厂运行简单，便于大规模推广应用。     

可再生能源发电介绍

介绍了小水电、风力发电、太阳能发电、地热能发电、生物质能发电、海洋能发电等可再生能源发电的发展概况,分析了可再生能源发电存在的问题以及相应对策,阐述了可再生能源发电的发展前景与规划,得出可再生能源发电产业能解决我国西部及边远地区的供电问题的结论。     

微网作为黑启动电源的电力系统网架重构优化策略

微网是一种能够灵活容纳可再生能源发电的小型电力系统,一般具有高比例的可再生能源渗透率和利用率,具备孤岛运行能力。随着含高比例可再生能源发电的微网的容量逐渐增大,其作为黑启动电源为大停电后电力系统中待恢复机组提供启动功率的潜力得到越来越普遍的认可。在此背景下,对微网作为黑启动电源时的电力网架重构优化问题开展研究。首先,分析了含高比例可再生能源微网作为黑启动电源的优势及其可行性。然后,以最大化恢复系统的发电量和最小化微网内的负荷损失量为目标构建计及微网作为黑启动电源的网架重构优化模型,并基于节点重要度和路径恢复时间构建综合路径评价指标以优化待恢复机组的恢复路径。最后,以新英格兰10机39节点系统为例说明了所提方法的可行性与有效性。     

Renewable Energy Devices and Systems – State-of-the-Art Technology,Research and Development,Challenges and Future Trends

Abstract

In this paper, essential statistics demonstrating the increasing role of renewable energy generation are firstly discussed. A state of the art review section covers fundamentals of wind turbines and PV systems. Included are schematic diagrams illustrating the main components and system topologies and the fundamental and increasing role of power electronics as an enabler for renewable energy integration, and for the future power system and smart grid. Recent examples of research and development, including new devices and system installations for utility power plants, as well for as residential and commercial applications are provided. Fuel cells, solar thermal, wave generators, and energy storage systems are also briefly presented and illustrated. Challenges and future trends for 2025 are summarized in a table for on-shore and off-shore wind energy, solar power, including photovoltaic and concentering, wave energy, fuel cells, and storage with batteries and hydrogen, respectively. Recommended further readings on topics of electric power engineering for renewable energy are included in a final section. This paper also represents an editorial introduction for two special issues of the Electric Power Component and Systems Journal, 43(8–10) and 43(12), respectively.     

Optimal Automatic Generation Control with Hydro,Thermal, Gas,and Wind Power Plants in 2-Area Interconnected Power System

Abstract

This paper explores automatic generation control (AGC) of a more realistic 2-area multi-source power system comprising hydro, thermal, gas, and wind energy sources-based power plants in each control area. The wind power plants (WPPs) have been growing continuously worldwide due to their inherent feature of providing eco-friendly sustainable energy. But, operations of WPPs are associated with system stability problems due to lack of inertia. However, WPPs do not participate in the elimination of mismatch between generation and demand by AGC but disturbance can be injected by the WPPs due to the stochastic nature of wind energy. An optimal controller based on full state feedback control theory is designed to conduct the study. The system dynamic performance analysis is carried out for 1% step load disturbance in corresponding control areas. It is observed that the system dynamic graphs of deviation in area frequency and tie-line power are significantly improved with the implementation of optimal AGC controller compared to GA tuned classical controller. It has also been shown that the WPPs aid the increase in load disturbance when the input wind power reduces but it negates the effect of increase in load disturbance for increase in wind energy to the WPPs.     

基于CO2减排效益的风力发电经济性评价

环境的恶化迫使政策制定者们寻求可再生能源发电替代传统能源发电的新途径,但是高额的发电成本限制了可再生能源发电行业的发展。在考虑CO₂减排效益的情况下,利用2012年中国部分火力发电厂和风力发电场发电情况的有关数据,基于全生命周期法和年限平均法计算了火力发电和风力发电的综合成本。计算结果表明,在考虑CO₂减排效益的情况下,2012年风力发电的综合成本只比火力发电的综合成本高出0.027元/（kW·h）。当风力发电年度利用小时数达到并维持在2 200 h及以上时,风力发电的综合成本将低于火力发电的综合成本。     

实施非水可再生能源配额情景下的发电行业CO2排放预测

发电行业是落实中国碳减排目标的重点领域。为实现中国到2020年单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40%~45%和非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右的碳减排目标,国家能源局拟实行可再生能源配额制,要求2020年各煤电企业承担的非水可再生能源发电量配额与煤电发电量的比重达到15%以上。分别基于国家《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》和征求意见的15%非水可再生能源发电量配额政策,对发电行业到2020年的CO₂排放情况进行了预测,并基于2020年全国的碳减排目标对发电行业的碳减排任务进行了计算。预测结果表明,实施15%的非水可再生能源配额之后,2020年非水可再生能源发电量将在行动计划预计值的基础上进一步提高,达到7514亿kW·h,在总发电量中占比9.94%,相应地,单位发电量CO₂排放量为580.5 kg/（MW·h）,比2005年下降27.4%。     

南方电网促进可再生能源消纳的实践及发展展望

近年来,南方电网通过实施西电东送战略、建设可再生能源远距离送电通道、构建“市场+计划”的西电东送机制等措施,大力促进可再生能源消纳。2016年南方五省区非化石能源电量占比达50.7%,较全国平均水平高22.3个百分点。未来,南方区域的能源发展将呈现清洁化、分散化和多能融合的特征和趋势。“十三五”期间,南方电网公司将继续大力支持可再生能源发展,提高能源资源开发利用效率。到2020年,南方五省区可再生能源发电装机预计达到1.74亿kW左右,其中水电1.29亿kW、风电2800万kW、光伏发电1300万kW、生物质发电400万kW。