光伏发电的复杂不确定性建模分析及应用

郑雅楠，1982年6月生，博士，国家发展和改革委员会能源□□□工程师；华北电力大学外聘硕导；中国电机工程学会动能经济专业委员会委员；中国气象学会气象经济学委员会委员。

长期从事电力系统规划、电力经济预测预警等领域的研究，多次参与政府中长期电力规划研究；先后主持负责10余项政府、企业课题研究工作，作为主研人参与20余项专题研究；在国内外报刊杂志、学术会议发表论文20余篇，参与撰写专著5部；获能源□、电网公司多项科学技术奖。

第一章太阳能的特性及资源情况

第一节太阳能概述3

第二节太阳辐射及其特性6

一、太阳辐射6

二、太阳辐射的特性6

第三节太阳能的优势与劣势10

一、太阳能的优势10

二、太阳能的劣势11

第四节世界太阳能资源情况13

一、北非地区14

二、南欧地区14

三、中东地区15

四、美国15

五、澳大利亚16

第五节中国太阳能资源情况17

一、中国太阳能资源分布概述17

二、重点地区太阳能资源分布情况21

第六节小结24

参考文献25

第二章光伏发电技术特点和发展趋势

第一节太阳能发电发展情况29

第二节光伏发电技术原理33

目录光伏发电的复杂不确定性建模分析及应用一、光伏发电原理33

二、光伏发电应用34

第三节光伏发电的技术类型及特点36

一、光伏发电的主要技术类型36

二、光伏发电技术特点39

第四节光伏发电的不确定性及其影响41

一、光伏发电对系统运行的影响42

二、光伏发电对系统规划的影响45

第五节光伏发电的发展趋势48

一、国外光伏发电技术研究热点48

二、国内光伏发电技术进展49

三、光伏发电技术发展趋势52

第六节小结54

参考文献55

第三章光伏发电的复杂不确定性建模分析

第一节复杂性科学59

一、第一阶段：研究存在59

二、第二阶段：研究演化60

三、第三阶段：综合研究60

第二节复杂不确定性62

一、复杂不确定性的界定62

二、电力系统复杂不确定性的特点64

第三节可信性理论67

一、可信性理论的基本概念67

二、随机模糊□量70

第四节光伏发电的复杂不确定性建模71

一、光伏发电的确定性建模71

二、传统解决光伏发电不确定性的方法76

三、光伏发电的复杂不确定性建模78

第五节小结83

参考文献84

第四章复杂不确定性光伏发电对输电能力的影响

第一节传统光伏概率型输电能力评估方法89

一、可用输电能力评估89

二、传统ATC评估方法90

三、ATC枚举法91

四、光伏概率型蒙特卡罗ATC评估方法93

第二节基于光伏发电复杂不确定性建模的输电能力评估思路97

第三节提升计算效率的自助法和多核并行运算100

一、自助法及其求解步骤100

二、多核并行运算101

第四节输电能力评价指标103

第五节算例分析104

一、与传统随机模拟方法相容性和对比分析的研究104

二、光伏发电集中接入对西北某地区规划电网影响的研究110

第六节小结112

参考文献113

第五章复杂不确定性光伏发电有效消纳的研究

第一节中国光伏发电发展面临的问题和原因分析117

一、中国光伏发电发展现状117

二、中国光伏发电面临的问题117

三、中国光伏发电面临问题的主要原因分析119

第二节传统电力调节资源122

一、火电机组调峰辅助服务分析122

二、水电机组调峰辅助服务分析124

第三节需求侧管理电力调节资源127

一、电力需求侧管理127

二、能效电厂128

三、能效电厂的调节潜力130

第四节复杂不确定性光伏发电消纳的评估思路133

一、BPA电力系统潮流分析程序133

二、复杂不确定性光伏发电消纳的评估思路134

第五节算例分析138

一、电压越限补偿对光伏发电消纳的影响138

二、EPP参与系统调节对光伏发电消纳的影响140

三、分散接入对光伏发电消纳的影响142

四、光伏发电跨区消纳与就近消纳的对比研究144

第六节小结147

参考文献148

第六章复杂不确定性光伏发电合理规划的研究

第一节全球能源转型发展情况153

一、前两次能源转型153

二、第三次能源转型154

三、全球可再生能源发展的主要形势155

第二节中国近期电力供需形势160

一、电力消费情况分析160

二、电力供应能力分析163

三、电力供需形势分析166

第三节电力规划方法的发展169

第四节综合资源战略规划174

一、目标函数175

二、约束条件176

第五节考虑复杂不确定性光伏发电的综合资源战略规划思路179

第六节算例分析182

一、规划边界和约束条件183

二、电力供应情况分析190

三、太阳能发展分析194

四、排放情况分析200

第七节小结201

参考文献202

附录IEEE30节点系统主要数据/205

|第一节|太阳能概述

太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，一般指太阳光的辐射能量，它具有取之不尽、用之不竭、无所不在、永续清洁的突出优点，在能源更替发展中处于无可取代的地位，但其能量密度较低，易受天气、昼夜和四季的影响而不稳定，需要借助多种技术，进行多元化多层次的开发利用。太阳能的主要利用形式有三种:太阳能光热转换、太阳能光电转换和太阳能光化学转换。目前，太阳能开发利用的重点集中在把太阳能转换成电能的太阳能光伏发电和太阳能热发电，受到技术和成本因素影响又以光伏发电为大规模开发利用的主要形式。另外，太阳能光热转换的太阳能热水装置、太阳能采暖、太阳能制冷空调系统等也是太阳能利用的重要方式。

几十亿年来，太阳一直是地球的主要能源来源。在地球漫长的演化过程中，太阳为世间万物的生长提供着能量。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来;煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。从广义上讲，不仅风能、水能、生物质能等可再生能源都是由太阳能导致或转化成的能量形式，而且我们所使用的传统化石能源也都是以某种形式储存的太阳能。湖维不山拟书然由于人类长期依赖煤炭、石油、天然气等化石能源，导致地球大气中各种温室气体的浓度一直不断增加，增长速度每年约为1.8ppm①(约0.4%)。随着二氧化碳等温室气体浓度的加倍，全球温度不断升高，将对全球气候变化产生巨大的影响和危害，具体体现在以下四个方面:①海平面上升。全球气侯变暖将导致海洋水体膨胀和两极冰雪融化，可能会在2100年使海平面上升50厘米，这将危及全球沿海地区，特别是人口稠密、经济发达的河口和沿海低地，将会使这些地区面临遭受淹没或海水人侵，海岸带滩涂遭受侵蚀，土地恶化，海水倒灌和洪水加剧，港口受损的威胁，并影响沿海养殖业，破坏给排水系统。②对农业和生态系统带来影响。二氧化碳浓度增加和气候变暖，可能会增强植物的光合作用，延长其生长期，使世界一些地区更加适合农业耕作。但全球气温和降雨形态的迅速变化，也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。③自然灾害加剧。全球平均气温上升将有可能引发频繁的气候灾害，如过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温。有科学家还根据气候变化的历史数据，推测气候变暖还可能破坏海洋环流，进而引发新的冰河期，将给高纬度地区造成可怕的气候灾难。④对人类健康带来影响。气候变暖有可能加大、提高疾病危险和死亡率，引发传染病。因为高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会引起死亡率的升高。由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有很大的关系，温度升高可能导致许多国家的疟疾、淋巴丝虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎等疾病的患病率升高或大规模爆发，在高纬度地区，这些疾病传播的危险性可能会更大。

针对化石能源开发利用的有限性等诸多问题，联合国于20世纪60年代初就提出了“能源过渡”规划，把太阳能、风能、海洋能和地热……

太阳能光伏作为最具发展潜力的能源，伴随相关技术的不断成熟和完善，光伏发电装机并网规模得到了高速增长。然而光伏发电固有的不确定性直接影响其接入系统的稳定运行、消纳潜力以及未来的合理规划，成为关系电力系统可持续发展的关键性问题之一。本书在介绍太阳能特性、资源情况以及光伏发电特点和发展趋势的基础上，基于复杂性科学理论系统研究了光伏发电的复杂不确定性建模；构建了基于光伏复杂不确定性建模的输电能力评估方法，介绍了方法在测试系统和西北规划电网中的仿真研究情况；结合BPA提出了复杂不确定性光伏发电消纳的评估思路，研究了电压补偿和接入方式等对光伏消纳的影响；构建了考虑复杂不确定性光伏发电的综合资源战略规划，以大数据规划视角研究了我国未来太阳能发电的发展情况，探索了我国太阳能发电发展的各种可能。