本文是一篇电气自动化论文，本文为缓解风光不确定性，对风光可再生能源出力相关性以及典型出力场景生成进行研究。针对主动管理设备的加入，利用二阶锥规划将MINNLP问题转化为MISOCP问题，实现了ADN的运行优化并从多方面验证本文方法的普适性以及有效性。
第一章绪论
1.1研究背景和意义
电力与我们的生活以及社会的发展有非常密切的联系，我国作为用电大国，对电力的需求量更是逐年增长。配电网是电力系统运行过程中最重要的一环，人民的生活与国家的经济发展将直接受到配电网性能的影响，因此提高配电网的经济性和供电可靠性至关重要[1-4]。在当今全球范围内能源危机和生态环境不断恶化的情形下，人们不得不寻找更加清洁且可循环利用的能源替代化石能源来优化配电网结构，减少煤、天然气等化石能源的接入比例，同时大力发展光伏发电[5]、风力发电[6]、潮汐能发电[7]等清洁能源发电产业是其关键所在。
为了顺应时代发展，积极响应“碳达峰”、“碳中和”的号召[8-10]，近年来我国的风力发电以及光伏发电产业也得到了国家的大力支持和发展。光伏和风能等新能源不仅价格低、易获得、清洁无污染，而且可再生可持续性强，对改善我国环境问题与配电网的经济性具有重要意义。风、光等新能源发电呈分散式，并且容量体积较小，被称为“分布式电源”（Distributed Generation，DG）[11-13]。DG虽然对环境具有积极的影响，但由于其输出时断时续且不可调度，其渗透给网络的安全可靠运行带来了严重的问题，而传统配电网的主动管理能力较差，这导致传统配电网很难做到调整配电网网络结构来对配电网进行优化。为了增加配电网的主动管理能力，提出了“主动配电网(Active distribution network，ADN)”[14-16]。ADN的基本结构如图1.1所示[17]。在ADN系统中，各类DG和储能系统经过整流装置和逆变装置等电力电子设备将输出电流转变为直流电或者交流电后，通过变压器将其并入配电网络中，ADN中各通信设备之间通过主动控制、电力传输线、通信网和电网络密切联系。在需求侧一般采用智能电表等测量装置，将用户的信息进行采集，方便了用户侧和电网侧之间的双向操作。
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1.2国内外发展现状
1.2.1主动配电网运行优化问题的研究
由于分布式电源、储能装置以及无功补偿装置等设备的接入，传统的配电网逐渐变为可以控制的主动配电网，因此研究主动配电网的运行优化问题变得更加困难[35]。此外，分布式电源出力具有不确定性和波动性，不利于研究ADN的运行优化，导致ADN的最优潮流模型不能用传统的计算方法进行分析研究，因此，为了保证系统的安全稳定运行，近年来国内外的研究人员已经对主动配电网的运行优化进行了大量研究，主要目的是提高ADN运行经济性、降低电压波动和降低系统网损[36-45]，主要工作如下：
（1）在保证分布式电源有序发电的基础上，配合传统无功优化或动态无功优化来增强系统的电压稳定性，降低系统网络损耗。传统的无功功率优化常采用就地补偿的方式降低系统网损，从而达到配电网平稳经济运行的目的。
动态无功优化的目标是系统电能损耗最小或者系统的经济效益最高，需要考虑无功补偿设备的约束条件，对离散型无功补偿装置、连续型无功补偿装置以及OLTC分接头位置进行调节，以达到最优求解方案。文献[39]通过在配电网中加入电容器组与有载调压变压器，降低了分布式电源出力波动对ADN电压稳定性的影响，使ADN能够更稳定的运行。文献[40]则是建立了配电网两阶段无功优化模型，通过二阶锥规划（Second-order cone programming，SOCP）方法成功提高了系统电压的稳定性。
（2）为了降低主动配电网的网络损耗并提高主动配电网对DG的消纳能力，研究人员提出了对含有DG的配电网进行网络重构。文献[41]以IEEE69节点的主动配电网供电能力为目标函数，分析了网络重构对配电网供电能力的提升作用。考虑到DG的不确定性与ADN的运行约束，文献[42]提出了一种以提升DG最大接入容量为目标的ADN静态重构方法。对比使用该方法对IEEE33节点算例进行网络重构前后的结果可知，考虑重构时的ADN可以接入的DG最大容量比不考虑重构时高出约103%。
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第二章主动配电网的主要组成部分建模
2.1引言
随着化石能源造成的环境危机，以及国家“碳达峰”、“碳中和”绿色环保的战略实施，未来我国将有大量的DG并入配电网，其中，以风力发电和光伏发电为代表的可再生能源具有广阔的应用前景。
考虑到目前大多数分布式电源的间歇特性以及储能装置、无功补偿装置和有载调压变压器对ADN的影响，本文考虑了风力发电以及光伏发电两种DG，本章对风电出力和光伏出力进行了不确定性建模；考虑到将储能设备与DG相结合能够利用储能设备“低储高发”的特点[20]，有效避免资源浪费的同时能够提高ADN运行的可靠性与灵活性，本章对储能系统进行了建模；介绍了几种常用的无功补偿装置并建立数学模型，分析了无功补偿装置的配置原则；最后，采用Big-M法对有载调压变压器模型进行线性化处理，为本文研究ADN的运行优化问题建立良好的理论前提。
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2.2风光出力的不确定性建模
由于电力系统中新能源的大量接入，电力系统运行的不确定性逐渐增大，因此研究系统的不确定性问题时需要考虑不确定因素并将其作为随机变量进行处理，其中，风能和太阳能是研究最广泛的新能源。风电、光伏发电出力均具有一定的波动性和间歇性，风能和太阳能统称为间歇性能源[60-62]。间歇性能源受到自然环境的影响大，会产生弃风以及失负荷的问题，而光照强度的变化会对光伏出力产生影响，因此当以风光为代表的间歇性能源接入系统时，会影响系统的正常运行，如使ADN的负荷变化变得更加复杂，进而造成ADN运行中电压的稳定性降低等[63-66]。因此如何刻画风光的不确定性出力，具有重要的意义，同时也为后文继续分析风光相关性提供理论基础。
2.2.1风电出力的随机建模
风能在自然界分布非常广泛并且大量存在，因此风力发电在全世界得到了广泛的发展，图2.1为常用的风力发电过程，首先齿轮箱通过收集到的风能来提高其转速，并利用发电机将机械能转化为电能，产生的电能由系统的电力电子装置和控制系统完成对整流、逆变、功率控制和保护以实现对电能的合理调节，最后通过一个变压器后并入电网。如何准确建立风机出力的不确定性模型，是研究含风力发电的ADN运行优化的前提工作。
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第三章 基于二阶锥规划的主动配电网运行优化 ..................... 20
3.1 引言 ................................. 20
3.2 凸规划以及二阶锥规划.......................... 20
第四章 考虑风光相关性的主动配电网动态运行优化 ........................ 38
4.1 引言 ................................... 38
4.2 基于Copula理论的风光出力相关性建模及出力场景生成 ....... 38
第五章 总结与展望 ........................ 60
5.1 工作总结 ................................... 60
5.2 前景展望 .................................... 61
第四章考虑风光相关性的主动配电网动态运行优化
4.2基于Copula理论的风光出力相关性建模及出力场景生成
4.2.1 Copula理论概述
风能和太阳能都具有非常显著的不确定性和波动性，因此风电和光伏接入配电系统后必然会对电力系统的正常运行产生影响，对于风电和光伏的不确定性分析和建模已在上文做了详细描述。研究发现风、光发电出力间的规律呈正相关或者负相关关系，因此我们需要建立风、光伏出力的相关性模型，使结果更加贴近实际，帮助电网工作人员及时准确地了解配电网的运行状态。
国内外众多研究人员已经针对风光相关性进行了大量科学研究，其中最常用的方式是利用Copula函数对风光出力的相关性进行建模，Copula函数的优点是能够更加直观、方便、准确的分析各随机变量的分布情况，其次，该函数的分布不受边缘分布类型的影响，很大程度上增加了Copula函数的可用范围[58,89]。
对于任意一个n维的联合分布函数，都可以通过Copula函数将其分解为n个反映各随机变量分布状态的边缘累积分布函数和一个代表各变量间联系的Copula函数[90]，其边缘分布函数分别为F(x)和F(y)，则联合分布函数为F(x,y)。
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第五章总结与展望
5.1工作总结
随着分布式电源与主动管理设备的大量接入，ADN的运行情况变得复杂，其对主动配电网运行的影响不可忽视。因此，合理利用主动管理设备并准确描述风光出力情况对于研究ADN的运行至关重要。本文为缓解风光不确定性，对风光可再生能源出力相关性以及典型出力场景生成进行研究。针对主动管理设备的加入，利用二阶锥规划将MINNLP问题转化为MISOCP问题，实现了ADN的运行优化并从多方面验证本文方法的普适性以及有效性，创新工作如下：
（1）提出了计及DG的主动配电网重构模型，充分发挥了DG的作用，有效提高了电压稳定性，降低了系统网损。针对传统算法在求解最优潮流时容易陷入局部最优解的问题，采用二阶锥规划法与Big-M算法相结合将求解困难的MINNLP问题转化为MISOCP问题，在保证求解准确性的同时快速求得了原问题的全局最优解。
（2）常规的考虑风电和光伏发电的主动配电网运行优化问题中，很少把风光之间的相关性考虑进去，这会导致分析结果偏离系统实际运行情况。本文提出了考虑风光相关性的主动配电网动态运行优化模型，该方法基于核密度估计和Frank Copula 函数，通过K-means聚类算法得到了典型的风光联合出力场景，结合生成的风光典型场景数据以及主动配电网运行优化模型，有效缓解了风光出力的不确定性并采用二阶锥规划方法兼顾了计算精度与计算速度。所得运行优化结果能够有效降低系统运行成本，同时保证了求解的效率和准确性。
参考文献（略）