新能源消纳的有效安全域及其应用

前 言
随着风电、光伏等随机性新能源发电并网规模的不断扩大，电力系统运行中的波动性与随机性显著增强，严重影响电力系统运行的经济性与安全性。为此，如何高效利用电力系统中有限的可调度资源，提升备用配置的针对性与有效性，准确评估、合理优化并有效提升电力系统的新能源消纳能力，从而安全、经济地消纳大规模新能源发电，减少弃风、弃光等现象的发生，成为促进大规模新能源并网消纳理论发展，推动我国以新能源为装机主体和电量主体的新型电力系统的建设与发展，助力实现“双碳”国家重大战略目标所亟待解决的关键问题。
在上述背景下，山东大学电力系统经济运行团队以新型电力系统建设为背景，针对大规模新能源的安全、经济并网消纳问题，开展了专题研究，结合随机规划、鲁棒优化、分布鲁棒优化等数学优化方法以及电力系统运行的物理规律，提出了“新能源消纳的有效安全域”概念，并将其应用到电力系统的多个典型运行优化场景中，实现含大规模新能源电力系统的安全、经济运行。依托前期研究成果，团队出版了本书的第一版《电力系统运行调度的有效静态安全域法》，受到了相关技术领域的研究生、科研人员和工程技术人员的好评。根据新型电力系统的建设与发展需要，本书在第一版的基础上，介绍了有效安全域法的实现要点，并拓展了应用场景，增加了新能源概率预测、电压约束下有效安全域优化、日前机组组合中有效安全域优化、输配协同下有效安全域提升、多区域协同下有效安全域提升等相关章节，使本书的理论体系更趋完善。同时，为便于读者查阅，本书以评估、优化与提升电力系统的新能源发电接纳能力为线索，结合电力系统运行优化的时间尺度递进关系，对章节进行了重新排列，使全书逻辑关系更加清晰。
本书的各章节主要编排如下：第1章介绍了电力系统运行调度的理论基础，在电力系统经典安全域的基础上，引出新能源消纳的有效安全域概念，并对鲁棒优化、随机规划、分布鲁棒优化等优化理论进行了论述；第2章基于提出的新能源消纳的有效安全域概念，引出新能源发电功率概率预测技术，介绍了新能源发电功率预测的国内外发展历程及其对有效安全域方法的重要意义，总结了概率预测的基本概念与常用方法；第3章面向新能源消纳能力评估问题，介绍了一种新能源消纳的zui大有效安全域评估方法，可以实现有效安全城zui大化条件下的经济性zui优；第4章面向实时时间尺度下的新能源消纳能力优化问题，分别针对保守度可控、概率分布已知、概率分布不确定、节点电压约束四个典型场景，介绍了相应的实时调度中的新能源消纳有效安全域优化方法，通过算例对比研究证实了所提方法的有效性；第5章面向超前时间尺度下的新能源消纳能力优化问题，介绍了一种柔性超前调度中的新能源消纳有效安全域优化方法，进一步考虑了时段间的关联性，以此增加系统运行中的柔性，以应对时段间等效负荷的快速变化；第6章则对日前时间尺度下的新能源消纳能力优化问题进行了探讨，介绍了一种日前机组组合中的新能源消纳有效安全域优化方法；最后一章则在前述章节的基础上，对新能源消纳能力提升问题进行了研究，从挖掘多电网互动中的协同潜力出发，分别从输配协同、多区域电网协同的角度介绍了计及输配协同的新能源消纳有效安全域提升方法与计及多区域协同的新能源消纳有效安全域提升方法。
本书是团队研究成果的总结，在此感谢直接参与此项研究的硕士与博士研究生程凤璐、于丹文、李梦林和张玉敏，以及所有参与到此项研究工作中的其他多位同学。此外，还要衷心感谢在研究过程中给予指导的韩学山教授、参与讨论的团队其他老师，以及长期保持密切合作与沟通的中国电科院新能源所、国网山东省电力公司的各位专家。本书研究得到了国家重点研发计划项目“促进可再生能源消纳的风电/光伏发电功率预测技术及应用”（2018YFB0904200）、国家重点研发计划项目“大规模风电/光伏多时间尺度供电能力预测技术”（2022YFB2403000）、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目“基于多元柔性挖掘的主动配电网协同运行关键技术与仿真平台研究”（2019YFE0118400）、国家自然科学基金联合基金项目“基于灵活性挖掘的区域能源互联网协同运行关键技术与仿真平台研究”（U2166208）的资助，也一并表示感谢。
本书内容体现的研究成果是阶段性的，由于作者水平有限，难免存在缺陷与不足，恳请读者给予批评和指正。

随着风电、光伏等随机性新能源发电并网规模的不断扩大，电力系统运行中的波动性与随机性显著增强，严重影响电力系统运行的经济性与安全性。为此，如何高效利用电力系统中有限的可调度资源，提升备用配置的针对性与有效性，准确评估、合理优化并有效提升电力系统的新能源消纳能力，从而安全、经济地消纳大规模新能源发电，减少弃风、弃光等现象的发生，成为促进大规模新能源并网消纳理论发展，推动我国以新能源为装机主体和电量主体的新型电力系统的建设与发展，助力实现“双碳”国家重大战略目标所亟待解决的关键问题。
《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书提出了促进大规模新能源消纳的有效安全域概念，系统地介绍了基于有效安全域分析的含高比例新能源电力系统运行优化方法，实现新能源消纳能力的准确评估、合理优化与显著提升。在含高比例新能源发电电力系统中，如何应对新能源发电功率的强不确定性成为大规模新能源并网消纳亟待解决的关键问题。备用配置是电力系统应对不确定性的重要手段，然而，在传统的新能源并网消纳理论中，未能充分利用新能源发电功率预测结果中的有效信息，导致决策结果过于保守；同时，备用的优化配置仅仅关注其容量，而忽略了对备用优化配置效果的考虑，易导致备用配置的针对性差、有效率低；此外，多电网互动中的协同潜力未能充分挖掘，低估了电网本该具有的新能源消纳能力。随着新能源并网规模的不断攀升，电力系统运行中的不确定性显著增强，上述问题日益凸显。
因此，《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书在主动可控变量优化决策的过程中，构建新能源消纳的有效安全域，表达与优化节点上新能源发电功率的可接纳范围，为备用优化配置效果的刻画奠定基础。实际上，显式表达节点上的新能源消纳有效安全域，能够量化主动可控量能够传递到新能源接入节点的有效备用；同时，可以方便地表达新能源发电不确定性无法wanquan接纳而导致的系统运行风险，实现对备用配置效果的准确刻画；此外，新能源消纳有效安全域的构建与优化还能够为电力系统集中与分散控制的协同、系统新能源消纳能力的提升，提供量化依据。本书中主要章节在介绍电力系统运行控制物理机理与相应数学理论的基础上，提出了新能源消纳的有效安全域系列评估、优化与提升方法，并逐章给出了所述建模型与方法的算例分析，验证所述模型与方法的有效性，增强读者对于方法的理解。
《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书内容深入浅出、系统连贯、自成体系，可为从事大规模新能源并网消纳技术领域的研究生、科研人员和工程技术人员提供有益参考。

杨明 山东大学教授、博导，山东省“泰山学者”特聘专家，山东省优秀科技工作者。长期从事新能源发电预测、电力系统优化调度方向研究，近年主持国自然基金联合重点项目、国重研发计划重点专项与课题等多项国家重点项目。担任中国机械工业教育协会电力系统及其自动化专业委员会副主任、中国电工技术学会能源智慧化专业委员会常务委员、中国电机工程学会能源气象专委会委员等。获电工技术学会科技进步一等奖、山东省科技进步二等奖、山东省教学成果一等奖等奖励。

目 录
前 言
首字母缩略词表
第1章理论基础
1.1新能源消纳的有效安全域
1.1.1 经典安全域
1.1.2 新能源消纳的有效安全域定义
1.1.3 新能源消纳的有效安全域实现要点
1.2鲁棒优化
1.2.1 鲁棒优化的一般概念
1.2.2 鲁棒不确定集的构成
1.2.3 Soyster鲁棒线性优化方法
1.3随机规划
1.3.1 随机规划的几种常见形式
1.3.2 风险价值和条件风险价值
1.4分布鲁棒优化
1.4.1 基于随机量矩信息的概率分布不确定集构建方式
1.4.2 基于概率分布之间“距离”的概率分布不确定集构建方式
1.5本章小结
第2章新能源发电功率概率预测
2.1引 言
2.2新能源发电预测历程及意义
...
2.3概率预测的基本概念
...
2.4概率预测的方法
...
第3章新能源消纳的最大有效安全域评估
...
第4章实时调度中的新能源消纳有效安全域优化
4.1保守度可控的新能源消纳有效安全域优化
4.2计及随机统计特性的新能源消纳有效安全域优化
4.3高阶不确定条件下新能源消纳有效安全域优化
4.4计及节点电压约束的新能源消纳有效安全域优化
...
第5章柔性超前调度中的新能源消纳有效安全域优化
...
第6章日前机组组合中的新能源消纳有效安全域优化
...
第7章多电网互动中的新能源消纳有效安全域提升
7.1计及输配协同的新能源消纳有效安全域提升
7.2计及多区域协同的新能源消纳有效安全域提升

随着风电、光伏等随机性新能源发电并网规模的不断扩大，电力系统运行中的波动性与随机性显著增强，严重影响电力系统运行的经济性与安全性。为此，如何高效利用电力系统中有限的可调度资源，提升备用配置的针对性与有效性，准确评估、合理优化并有效提升电力系统的新能源消纳能力，从而安全、经济地消纳大规模新能源发电，减少弃风、弃光等现象的发生，成为促进大规模新能源并网消纳理论发展，推动我国以新能源为装机主体和电量主体的新型电力系统的建设与发展，助力实现“双碳”国家重大战略目标所亟待解决的关键问题。
《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书提出了促进大规模新能源消纳的有效安全域概念，系统地介绍了基于有效安全域分析的含高比例新能源电力系统运行优化方法，实现新能源消纳能力的准确评估、合理优化与显著提升。在含高比例新能源发电电力系统中，如何应对新能源发电功率的强不确定性成为大规模新能源并网消纳亟待解决的关键问题。备用配置是电力系统应对不确定性的重要手段，然而，在传统的新能源并网消纳理论中，未能充分利用新能源发电功率预测结果中的有效信息，导致决策结果过于保守；同时，备用的优化配置仅仅关注其容量，而忽略了对备用优化配置效果的考虑，易导致备用配置的针对性差、有效率低；此外，多电网互动中的协同潜力未能充分挖掘，低估了电网本该具有的新能源消纳能力。随着新能源并网规模的不断攀升，电力系统运行中的不确定性显著增强，上述问题日益凸显。
因此，《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书在主动可控变量优化决策的过程中，构建新能源消纳的有效安全域，表达与优化节点上新能源发电功率的可接纳范围，为备用优化配置效果的刻画奠定基础。实际上，显式表达节点上的新能源消纳有效安全域，能够量化主动可控量能够传递到新能源接入节点的有效备用；同时，可以方便地表达新能源发电不确定性无法wanquan接纳而导致的系统运行风险，实现对备用配置效果的准确刻画；此外，新能源消纳有效安全域的构建与优化还能够为电力系统集中与分散控制的协同、系统新能源消纳能力的提升，提供量化依据。本书中主要章节在介绍电力系统运行控制物理机理与相应数学理论的基础上，提出了新能源消纳的有效安全域系列评估、优化与提升方法，并逐章给出了所述建模型与方法的算例分析，验证所述模型与方法的有效性，增强读者对于方法的理解。
《新能源消纳的有效安全域及其应用》一书内容深入浅出、系统连贯、自成体系，可为从事大规模新能源并网消纳技术领域的研究生、科研人员和工程技术人员提供有益参考。

杨明 山东大学教授、博导，山东省“泰山学者”特聘专家，山东省优秀科技工作者。长期从事新能源发电预测、电力系统优化调度方向研究，近年主持国自然基金联合重点项目、国重研发计划重点专项与课题等多项国家重点项目。担任中国机械工业教育协会电力系统及其自动化专业委员会副主任、中国电工技术学会能源智慧化专业委员会常务委员、中国电机工程学会能源气象专委会委员等。获电工技术学会科技进步一等奖、山东省科技进步二等奖、山东省教学成果一等奖等奖励。