有源配電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型降維化簡(jiǎn)方法研究

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1、有源配電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型降維化簡(jiǎn)方法研究第一章緒論1.1引言能源是人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的重要基礎(chǔ)。近代以來，人類社會(huì)文明與工業(yè)化水平得到了快速發(fā)展，而生產(chǎn)力的每一次飛躍都依賴于能源生產(chǎn)與利用技術(shù)的革新。隨著人類生產(chǎn)生活對(duì)能源依賴程度的不斷提高，全球能源總消費(fèi)量不斷攀升，隨之而來的能源、資源與環(huán)境問題成為制約社會(huì)發(fā)展的主要矛盾。作為一個(gè)快速崛起的發(fā)展中大國(guó)，我國(guó)已經(jīng)建成了世界最大的能源供應(yīng)體系，國(guó)內(nèi)能源需求總量已于2007年超過歐盟，2010年超過美國(guó)，并在2013年超過整個(gè)北美地區(qū)[1]。煤炭、石油等化石燃料的大量消耗導(dǎo)致了全國(guó)性的嚴(yán)

2、重環(huán)境污染問題，僅以最近幾年最受關(guān)注的空氣污染為例，2013年全國(guó)74個(gè)監(jiān)測(cè)實(shí)施城市中僅有3個(gè)全年平均污染物水平達(dá)標(biāo)，京津冀和珠三角兩個(gè)重點(diǎn)區(qū)域所有城市無一達(dá)標(biāo)；全國(guó)有17個(gè)城市全年空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)低于50%[2]。當(dāng)前，我國(guó)正處于建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵階段，能源需求的不斷增長(zhǎng)與環(huán)境問題的日益突出已經(jīng)成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。2014年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》指出：我國(guó)下一階段能源利用的重點(diǎn)在于轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)理念、優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源科技創(chuàng)新，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向

3、，嚴(yán)格控制能耗、水耗和污染物排放，大幅增加風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹南M(fèi)比重，建立科學(xué)、安全、創(chuàng)新的新型能源體系[3]。作為可再生能源利用的最有效途徑之一，電力在我國(guó)能源戰(zhàn)略規(guī)劃中的地位舉足輕重，與社會(huì)各個(gè)方面生產(chǎn)生活息息相關(guān)。近年來，通過相關(guān)政策導(dǎo)向與技術(shù)支持，我國(guó)風(fēng)機(jī)、光伏等新能源發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)總量不斷攀升，并陸續(xù)建成了多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、多能互補(bǔ)電站、以及用戶側(cè)光伏發(fā)電等試驗(yàn)或示范性項(xiàng)目。但總體而言，當(dāng)前我國(guó)新能源發(fā)電與電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃仍有不足，調(diào)峰、調(diào)頻、儲(chǔ)能等配套能力尚有缺陷，棄風(fēng)、棄光等資源浪費(fèi)問題仍較為嚴(yán)重[3

4、]。目前，我國(guó)風(fēng)、光等新型能源發(fā)電量占全國(guó)發(fā)電總量的比例不足4%，與歐洲平均水平（15%）相比尚有較大差距，相對(duì)我國(guó)豐富的風(fēng)、光資源儲(chǔ)量而言仍有巨大的發(fā)展?jié)摿4]。因此，進(jìn)一步發(fā)展清潔、高效的可再生能源發(fā)電以及相關(guān)的系統(tǒng)集成技術(shù)是我國(guó)乃至世界能源產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急[5]。.......1.2分布式發(fā)電、微電網(wǎng)與有源配電網(wǎng)新能源的利用需要以電能為核心[6]。近年來，能夠充分利用風(fēng)、光等各種分散資源的分布式發(fā)電技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并逐步成為傳統(tǒng)集中式發(fā)電方式的重要補(bǔ)充，微電網(wǎng)等分布式電源的集成管理控制技術(shù)也隨之引起了廣泛關(guān)注[7]。而作

5、為分布式發(fā)電與微電網(wǎng)的主要并網(wǎng)途徑，各種形式分布式電源的廣泛接入將給傳統(tǒng)放射型配電系統(tǒng)帶來巨大變化，使之成為多環(huán)網(wǎng)的有源配電系統(tǒng)，并在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、保護(hù)控制等方面迎來一系列的變革與挑戰(zhàn)[8][9]。分布式發(fā)電技術(shù)是指利用各種分散能源進(jìn)行發(fā)電供能的技術(shù)[9]。此處所說的分散能源既包括了風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗舶水?dāng)?shù)乜煞奖惬@取的天然氣等化石類燃料。一個(gè)典型的分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-1所示。與傳統(tǒng)集中式電力系統(tǒng)相比，分布式發(fā)電系統(tǒng)具有綜合能源利用率高、環(huán)境污染小、單位能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，并集中體現(xiàn)在

6、以下幾個(gè)方面，包括：1）能夠?qū)崿F(xiàn)能源與資源的優(yōu)化利用，顯著提高利用效率；2）能夠促進(jìn)可再生資源的開發(fā)，減少化石能源使用，降低污染物排放；3）能夠減少傳統(tǒng)集中式能源供應(yīng)的壓力，降低大型能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求；4）提供削峰填谷能力，有助于電網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化；5）為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問題提供了解決方案。............第二章基于Krylov子空間的有源配電網(wǎng)模型降維理論目前，Krylov子空間類方法已經(jīng)成為大規(guī)模線性系統(tǒng)降維化簡(jiǎn)技術(shù)體系中的一類重要方法，尤其在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與分析領(lǐng)域，Krylov子空間類降維化簡(jiǎn)方法因其優(yōu)秀的數(shù)值穩(wěn)

7、定性、出色的計(jì)算效率、以及良好的問題適用性而得到了研究人員的普遍青睞。這些方法在大規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真分析中同樣具有很強(qiáng)的借鑒意義[61]-[64]。出于計(jì)算效率與數(shù)值穩(wěn)定性的綜合考慮，本文中同樣選擇了Krylov子空間類方法來處理大規(guī)模有源配電網(wǎng)的暫態(tài)仿真模型降維化簡(jiǎn)問題。本章內(nèi)容以模型降維化簡(jiǎn)技術(shù)在有源配電網(wǎng)中的應(yīng)用背景為起點(diǎn)，以最經(jīng)典的Krylov子空間類降維化簡(jiǎn)算法為例，詳細(xì)闡述了Krylov子空間類方法應(yīng)用于有源配電網(wǎng)模型降維問題的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)問題、以及具體的降維實(shí)現(xiàn)方式。2.1問題背景分布式電源的接入、網(wǎng)絡(luò)結(jié)

8、構(gòu)的復(fù)雜化、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大化是有源配電網(wǎng)有別于傳統(tǒng)放射型配電網(wǎng)的幾個(gè)典型特征，這些特征給有源配電網(wǎng)帶來了諸多新問題與新特性，需要采用有效的仿真分析工具加以研究。在有源配電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真中，常常會(huì)遇到以下幾類問題：1）分布式電源、儲(chǔ)能裝