2012CB215200-G智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究

项目名称：智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究首席科学家：刘吉臻华北电力大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部

一、关键科学问题及研究内容2.1拟解决的关键科学问题以风能、太阳能为代表的新能源电力的本质特征是其空间尺度的分散性与时间尺度的强随机波动性。随着新能源电力由补充能源向主流能源方向发展，电力系统的结构形态、运行特性与控制方式将产生深刻变革，形成新一代新能源电力系统。要达到新能源电力系统可最大限度地接纳新能源电力、提高设备利用效率、改善用户供电质量的目的，必须以电源、电网、负荷、储能等构成的整个新能源电力系统为研究对象，认识其动力学特性，探索其安全经济运行机制与理论方法。本项目凝练三个关键科学问题。科学问题一：规模化新能源电力时空多尺度动力学特性及其与电网耦合机理规模化新能源接入电力系统将显著地影响系统潮流、频率、电压及稳定水平，并可能激励系统的多种振荡模式，给系统安全和经济运行带来深刻的影响。发展面向新能源电力系统的不确定非线性系统建模理论与基于微分包含的运动稳定性分析方法体系，研究新能源电源的频率动态特性，建立时空多尺度下新能源电力系统的不确定非线性动力学模型，在此基础上研究新能源电力系统在随机波动激励下的非线性动力学特性，认识大规模新能源电力不稳定性的理论基础，揭示规模化强波动新能源电源与电网的相互影响机理，寻求利用不确定性度量信息实现系统恰当热备用冗余度调度的可能途径，探索采用传统电源与新能源电源构成的一体化发电单元平抑不确定功率波动的新思路，为新能源电力系统的经济调度与安全控制提供动力学特性和建模方面的理论支撑。科学问题二：新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法新能源电力系统是一种电源多元化、电网多层次、负荷多类型的复杂巨系统。采用大系统分散协调控制原理，构建分级递阶、局部优化、整体协调的新能源电力系统协同控制理论体系。探索新型输配电网络结构及多元发电、负荷、储能、FACTS等协同配置方法，实现以安全高效为目标的新能源电力系统结构优化；建立基于状态参数快速检测的大型火力发电机组快速深度变负荷控制理论方法，满足源-源互补和接纳规模化新能源电力的需要；揭示多种能源互补内在机理，建立场/群级多能互补优化运行协调控制理论；创建基于发电功率预测和负荷预测的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法，实现系统级协同调控与整体优化。科学问题三：新能源电力设备及系统故障演化机理及安全防御策略新能源电力设备地域分布分散、运行环境恶劣、系统结构复杂、运行工况多变，导致设备故障率升高，对系统安全的影响加大。研究新能源电力设备与系统故障演化机理，探索新能源电力设备在复合电压、电流、振动与复杂环境等多因素下的故障演化过程，揭示系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素间的关联规律；发展设备及系统安全评估理论，提出新能源电力系统的自适应保护与安全控制策略，将系统安全防御从常规的故障控制转变为针对系统实时状态的表征、评估、预警、保护及安全控制体系，为新能源电力系统安全防御提供理论支撑。2.2主要研究内容围绕三个关键科学问题，主要安排四项研究内容。（1）新能源电力系统动力学特性及建模理论针对规模化新能源电源驱动能量的随机波动特性和不确定等特点，研究新能源电力系统的不确定性度量与建模理论，分析新能源电力系统动力学特性，揭示规模化新能源电源与电网间的相互作用机理，为新能源电力系统安全经济运行奠定理论基础。1)不确定性建模理论与量化方法。研究基于参数依赖的概率密度函数描述和度量参数不确定性的方法；基于核函数的机器学习理论，采用多核学习和稀疏逼近原理，研究在随机激励作用下的强非线性系统的数据建模方法；基于动态聚合理论，研究高维不确定问题的低维表示方法、模型结构和参数辨识方法；以Laplacian矩阵表示子系统的连接属性，研究基于图引导下微分包含理论的发电单元、场/群、新能源电力系统的时空多尺度不确定性建模理论。2)考虑外部环境因素影响的新能源发电单元、场/群集总动力学特性及建模。针对一次能源测量数据的时域/频域分析和概率密度分布，研究考虑外部因素影响下的新能源发电单元和场/群参数大范围随机波动特性的分布规律，提出测量数据和预报结果的不确定度估计方法；基于数值天气预报，研究包含不确定度估计的场/群级电源功率波动特性预测方法及预测模型，为利用不确定性度量信息实现热备用冗余度的优化提供新途径；基于不确定性建模理论建立表征新能源发电单元、场/群级集总动力学特性的模型，采用微分包含方法来刻化规模化新能源电力场/群级集总等值模型结构和参数不确定性，为新能源电力系统控制与安全评估提供多时间尺度（电磁-毫秒级、机电-秒级、中长期-分钟级）和大空间尺度的新能源电源场/群动态模型。3)规模化新能源电源与电网相互作用机理。结合新能源电力系统在不同运行方式下的运行特征和动态特性，采用图引导下的微分包含方法研究规模化强波动新能源电源与电网之间的相互作用动力学过程，定量描述新能源电源结构和参数不确定性对电网的影响，建立面向新能源电力系统的运动稳定性分析方法；通过分析新能源电力系统内特性各异的新能源场/群分布对系统建模主导尺度选择的影响，建立新能源电力系统主导尺度分离与次要尺度融合的降维降阶等值的方法以及精细模型；在此基础上，探讨采用传统电源与新能源电源构成的一体化发电单元平抑功率波动不确定性分量的新途径。（2）新能源电力系统分散协调控制与智能调度规模化接纳新能源电力需要提高发电单元的可控性与变负荷调控能力，新能源电力系统多元互补与协同调控需要研究大系统分散协调控制与智能调度理论方法。掌握系统机理特性，实现系统状态参数的精细表征，探索先进的控制理论方法，是解决上述问题的关键基础。1)发电过程参数快速检测与状态精细表征。针对我国燃煤发电机组煤质多变的特点和快速深度变负荷需求，结合静电及光、声学检测理论，研究煤粉浓度、细度、炉内三维温度场和颗粒三维浓度场、气体组分、飞灰含碳量等参数快速检测方法，及基于信息融合与软测量的锅炉燃烧状态准确表征方法，构建相对完备的状态参数检测体系，为快速、精确控制提供信号基础。2)大容量火电机组快速深度变负荷控制。针对火电机组深度调峰时低负荷状态下的燃烧稳定以及经济和环保问题，研究机组全方位状态信息识别及多目标燃烧优化控制理论，分析机组蓄热深度利用机理，创建新的机炉协调控制系统结构与控制理论方法；研究热力系统运行优化理论方法，提高机组变负荷速率；针对机组大负荷范围变工况运行时的强非线性特性及未建模动态，研究非线性鲁棒控制理论方法，形成大容量火力发电机组快速深度变负荷控制策略及整体解决方案，并实施试验验证。3)场/群级多能互补优化运行协调控制。研究新能源电源、传统电源、储能等不同种类电源输出功率特性及其可控性，建立场/群级协调控制系统结构与基于非光滑控制理论的调控方法，以实现多元发电过程多能互补优化运行，最大限度平抑新能源电力功率输出的波动性。研究多机组火力发电厂厂级负荷优化分配机制，提高全厂整体变负荷能力与经济性。4)新能源电力系统智能调度。基于大系统分散协调控制理论，研究新能源电力系统分级调度方法，建立包括系统级、场/群级、单元级的多级控制框架；研究波动功率注入下新能源电力系统潮流计算、电力电量平衡、备用决策等理论方法，创建基于发电功率预测、负荷预测及广域同步信息的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法，以实现系统协同调控与自趋优运行。（3）新能源电力系统电网结构与输电方式探索适应新能源电力接入、输送和消纳的新型输电方式和电网结构，增强电网在大时空范围内常规火电和其他多种电源与负荷需求间的错峰与互补特性，优化配置电网资源，提升电网的可控性和消纳新能源电力的能力。1)适应规模化新能源电力接入的新型电网结构。研究适应同时响应负荷侧和电源侧功率随机波动特性的新型电网结构优化理论方法；探索多种新能源电力集中与分散接入、区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架和就地消纳与远距离输送相结合的新型电网模式，结合柔性多端直流输电等新型输电方式和储能系统特性，构建具备灵活可控、优质电力供应、高可靠性及可扩充性的新能源电力系统结构。2)适应波动性新能源的新型输电方式。建立源-网之间和区域网间输电的解耦方法和协同运行机制，在保证相控换流式直流输电（LCC-HVDC）大功率输送条件下，基于逆系统方法研究电压源型直流输电(VSC-HVDC）的有功/无功四象限控制策略和柔性协调控制策略；提出一种新型的混合（LCC+VSC）直流输电拓扑结构，实现功率方向灵活可控和“无惯量发电机”运行模式，有效地平抑新能源电力功率输送的不稳定性和随机波动性，增强电网接纳新能源电力的能力和提升电压与频率稳定性的能力。3)构建新能源电力系统仿真平台。发展电力系统仿真理论方法与技术，构建适于新能源电力系统的仿真平台。基于新能源电源模型、储能模型、新型电力变换模型和控制器模型，深入开展多种电源、若干输电方式和新型网架结构的大时间尺度仿真分析，为多种新能源电源接入选择，为新型电网结构和输电方式的预期特性与效果提供理论验证和实验指导，并且为新能源电力电网的设备配置、优化布局、运行方式以及演变趋势等方面的规划设计提供研究手段。（4）新能源电力系统故障机理与安全防御理论新能源电力设备故障演化机理及系统故障特征是构建新能源电力系统安全防御策略的关键；研究新能源电力设备安全评估模型及系统安全评估理论，是提高系统可靠性的有效手段；发展基于多元广域响应的自适应保护与安全控制理论是实现新能源系统安全防御的重要基础。1)新能源电力设备及系统故障机理与演化规律。开展新能源电力设备故障模拟和多因素加速老化试验研究，分析设备性能衰退和故障的产生、发展以及向事故演化的过程，揭示设备的致障机理与故障演化机制，重点分析研究复合电压、过电压、冲击电流、机械振动、盐雾腐蚀、沙尘等多因素对风力发电机组安全运行的影响规律，同时研究运行工作点不断变化和冲击负荷对变流器电力电子器件安全运行的影响规律。2)新能源电力设备安全评估模型及系统安全评估理论方法。建立新能源电力设备特征参数与量化指标体系，提出多因素影响下的设备故障诊断与老化评估理论与方法，建立新能源电力设备的故障危害性评价模型和寿命预测模型，进一步建立基于状态评估和危害性评估的新能源电力设备安全评估分级模型，最终提出基于设备安全评估分级模型的新能源电力系统安全评估理论方法。3)含规模化新能源电力的大电网保护。研究各类新能源电源单元、场/群在故障及故障切除后的电气量电磁暂态特征，提出新能源电源接入系统继电保护配置原则、原理与整定方法。分析系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素之间的关联规律，提出以系统安全为目标，适应新能源电力接入的复杂大电网广域保护新原理，研究多元广域信息的获取、测试与评估方法，以及信息缺失、不确定性对广域保护影响，并进行试验验证。4)基于多元广域响应的电力系统安全控制理论与方法。研究基于多元广域响应的新能源电力系统安全稳定控制策略。从电力系统日常运行中获取广域响应信息，利用先进辨识方法和信号处理技术提取主导动态参数，并建立系统模型，在此基础上分析电力系统稳定性，研究适合电力系统特性的自适应容错控制方法，保障新能源电力系统安全稳定运行。

二、预期目标3.1总体目标紧密结合我国规模化新能源电力安全、高效利用的重大需求，以我国新能源电力系统为对象，针对其中基础科学问题开展基础性、前瞻性研究。围绕我国大规模新能源电力技术和运行特点，揭示规模化新能源电力时空多尺度动力学特性及其与电网耦合机理，发展新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法，提出新能源电力设备及系统故障演化机理及安全防御策略，从机理特性、新能源电力系统稳态能量平衡及协同控制、故障机理及安全评估控制等不同层面上，完善新能源电力系统安全、高效运行动态学理论及控制方法。通过本项目的实施，为实现适应我国资源环境条件的大规模新能源电力安全、高效利用奠定科学理论基础，为新能源电力系统安全、高效运行提供关键技术保障。同时，培养一批从事相关科学研究的青年学术带头人和研究骨干，造就一支高水平研究队伍。3.2五年预期目标项目围绕新能源电力系统安全、高效运行的关键科学问题，开展多方面的基础理论和系统性的关键技术研究，建立新能源电力系统完整的理论体系和系统的分析方法，为规模化新能源电力接入与安全高效利用提供科学依据与技术支撑。本项目将在以下几个方面取得创新性的成果：在理论方面：构建新能源电力系统多源互补、网源协调、分级优化、系统协同的理论框架，为规模化新能源电力安全、高效利用提供理论支撑；建立时空多尺度下新能源单元、场/群及系统的不确定非线性动力学模型，揭示规模化强波动新能源电源与电网的相互影响机理；创建新能源电力系统新型结构及调控机制，构建一整套新能源电力系统网源协同与动态调控理论和方法；揭示新能源电力系统故障演化机理，发展设备的故障诊断与安全评估理论，创建基于响应的新能源电力系统安全控制理论与方法。在技术方面：提出利用新能源电力功率波动不确定性度量信息量化系统热备用冗余度的优化决策方法；形成一套包含大容量火电机组快速深度变负荷控制、新能源电力集群控制、新能源电力系统智能调度等在内的一体化调控方法，并实施试验验证；研发新能源电力设备安全评估系统，形成适应新能源电力接入的保护与安全控制技术，并实施试验验证。在论文发表与人才培养方面：申请国家发明专利20项以上，发表SCI和EI检索论文300篇以上，出版2部以上学术专著；登记5项以上软件著作权；培养出一批优秀中青年人才，包括国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者或中科院“百人计划”2～3人；培养博士50名，硕士80名；举办2-3次高水平的国际学术会议。

三、研究方案4.1总体研究思路本项目针对新能源电力系统的基础理论与关键技术，凝练三个科学问题，展开四项研究内容，设置六个研究课题。下图从科学问题的提炼、研究内容的组织及课题设置等方面说明本项目的研究思路。图1.学术思路示意图本项目以新能源电力系统作为研究对象，以规模化新能源电力安全高效利用为目标，凝练出三个科学问题。第一个科学问题重点在于准确描述新能源电源功率波动对电力系统的影响，定量探寻新能源发电单元、场/群动力学特性，建立新能源电力系统的时空多尺度模型。第二个科学问题重点研究新能源电力系统分级递阶、局部优化、整体协调的协同控制理论方法，探讨新能源电力系统新型电网结构与输电方式，创建基于发电功率预测和负荷预测的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法，实现系统级协同调控与整体优化。第三个科学问题重点探索新能源电力设备及系统故障演化机理，发展设备及系统安全评估理论与方法，建立新能源电力系统闭环自适应保护与安全控制策略。在保障新能源电力系统安全可靠运行的同时，为最大限度接纳新能源电力提供更大的运行空间。围绕上述三个科学问题，本项目的研究工作从四个方面展开，包括新能源电力系统动力学特性及建模理论，新能源电力系统分散协调控制与智能调度，新能源电力系统电网结构与输电方式，新能源电力系统故障机理与安全防御理论。根据上述研究内容设置六个课题：课题一：新能源电力系统动力学特性及建模理论；课题二：新能源电力系统先进控制理论；课题三：多元发电过程分散协调控制与智能调度；课题四：新能源电力系统电网结构与输电方式；课题五：新能源电力设备安全评估；课题六：基于广域信息的复杂电网保护与安全控制。4.2技术路线本项目将围绕新能源电力系统的相关基础理论与关键技术开展研究。项目的具体技术路线如下：（1）不确定性的建模理论与量化方法+外部环境因素分析新能源发电单元、场/群集总动力学特性及建模降维降阶+图引导新能源电力与电网相互作用机理的准确描述基于参数依赖的概率密度函数研究描述和度量参数不确定性的方法，定量刻画外部环境中驱动能量的随机性、能量来源的分散性对新能源电力发电单元及场/群集总动力学特性的影响；基于微分包含和动态聚合理论，建立新能源发电单元、场/群考虑不确定性的模型；结合主导尺度分离与次要尺度融合的多尺度降维降阶方法，采用图引导下的微分包含实现规模化强波动新能源电源与电网之间的相互作用动力学过程的准确描述。（2）新能源电力系统机理与模型＋不确定非线性控制理论不确定非线性系统强鲁棒控制方法、主动容错控制方法+大系统分散协调控制理论大系统协同控制理论方法针对新能源电力系统具有的随机不确定性和非线性特性，结合随机不确定非线性系统的鲁棒控制、非光滑控制、容错控制理论，提出适应发电单元快速深度变负荷需求的鲁棒控制方法、基于微分几何的新能源电力场/群非光滑控制方法、基于预测的电力系统主动容错控制方法。在此基础上，运用大系统分散协调控制理论，提出新能源电力系统协同控制理论方法，为新能源电力系统安全高效运行提供理论指导。（3）发电机组运行特性+全方位状态信息+先进控制方法+仿真技术发电机组/场/群快速变负荷控制策略+发电功率预测和负荷预测多能源系统优化调度利用前沿检测理论及信息融合方法构建完备的信号体系，基于全方位状态参数信息获得燃烧状态的精细表征，进而实现燃烧优化控制，提升机组的深度调峰能力。根据机组不同工况不同调节方式下的蓄热变化，采用新型控制结构（凝结水参与负荷调节等）在保证机组安全的前提下实现快速变负荷。依据新能源电源、传统电源、储能等不同种类电源的互补规律，提出多能互补集群控制结构，建立相应的运行方式、调控机制、性能评价及优化控制理论方法。应用随机大系统分散协调控制和次最优控制理论，结合发电功率预测和负荷预测，提出多种能源系统智能调度方法。最终构建分级递阶、局部优化、整体协调的新能源电力系统协同控制理论体系。（4）时空多尺度模型数据分析+多阶段全局优化+数模混合实时仿真新型输电方式+多种电网结构+时空全局优化设计方法新能源电网结构渐进优化方案以大规模风电并网为研究重点，研究火电、储能相结合的提高电网调峰能力解决方案；基于多能互补、可调负荷、储能相结合的就地消纳解决方案；基于新型输电方式和跨区电网互补互调大范围消纳解决方案。分析所需的大量数据主要来自于我国电网和新能源电站的实际运行数据。利用“含有大规模新能源电力的电力系统数模混合仿真系统”，开展单元级和系统级在各种先进控制方法和各种运行状态下的全面仿真分析。利用国家电网公司风-光-储-输实验基地等实验场站的条件，进行各种新能源电力消纳解决方案的实证研究。基于仿真分析和大量实验数据，选择先进的优化算法，对新能源电力系统在各种运行状态下的运行数据进行抽样测试模拟，获得新能源电力系统的渐进优化结构方案。（5）故障机理与演化机制＋数据挖掘＋评估指标体系＋人工智能技术＋设备安全评估分级模型新能源电力设备安全评估理论与方法综合考虑复合电压、温度、振动与环境因素，研究新能源电力系统关键设备的故障演化机理，建立新能源电力设备故障试验平台，获取故障模拟试验数据和实测数据，结合数据挖掘理论与方法，建立设备及系统故障诊断与老化评估的指标体系并提出指标的量化方法；结合现代信号处理技术，提出新能源电力设备故障信息感知、微弱故障信号提取与辨识方法；结合人工智能技术，构建包含新能源电力设备状态评估和危害性评价的安全评估分级模型，最终提出基于新能源电力设备安全分级评估模型的系统安全评估理论与方法。（6）新能源电力系统动态特性＋现代信号处理＋先进控制理论方法新能源电力系统保护与安全控制技术研究各类新能源电源在不同类型故障及故障切除时的电气量电磁暂态特征，结合现代信号处理方法，提出新能源电力接入系统的继电保护原理；揭示系统故障特征与环境、系统模型与参数、运行水平及扰动等各种因素间的关联规律，发展广域后备保护理论与方法。结合先进的信息处理理论，研究基于响应的新能源电力系统动态模型与主导动态参数的辨识方法，进一步应用先进控制理论，提出基于广域信息的闭环校正控制理论，构建协调保护与安全控制的一体化防御系统。4.3创新性与特色本项目的创新性和特色主要体现在以下几个方面：（1）依据未来能源电力发展趋势和国家大力开发利用新能源、建设智能电网的战略需求，结合我国国情所面临的瓶颈问题，围绕新能源电力规模化开发、安全高效利用目标，构建多源互补、网源协调、分级优化、系统协同的理论框架与整体解决方案，为我国新能源电力系统发展提供理论支撑与科学依据。（2）围绕所建立的理论框架，开展具有前瞻性的理论研究：建立新能源电力系统不确定性建模理论和基于微分包含的运动稳定性分析方法体系；提出大型火电机组快速深度变负荷运行控制理论方法，构建火力发电与新能源发电源-源互补的理论与技术体系；建立新能源电力系统新型电网结构与动态调控理论和方法；发展新能源电力设备故障诊断与安全评估理论；提出基于多元广域响应的新能源电力系统闭环自适应保护与安全控制理论。（3）项目理论研究与工程实践相结合，注重面向现实问题和发展趋势，凝练科学问题与研究内容，由高校、研究院所、大型企业组成的研究团队联合攻关。在火电机组快速深度变负荷控制、基于广域信息的保护与安全控制、基于功率波动不确定性度量信息的热备用冗余度优化以及一体化发电单元平抑不确定功率波动方法等方面开展理论与工程试验相结合的研究，力争形成具有自主知识产权的核心技术，切实为我国大规模新能源电力安全高效利用提供技术支撑。4.4课题设置课题一.新能源电力系统动力学特性与建模理论研究内容：（1）新能源电力系统不确定性建模理论与方法。研究新能源电力系统高维、不确定、强非线性的动力学模型表示和求解策略，建立新能源电源在时间、频谱、幅值等方面的不确定性模型，建立新能源大范围随机波动下电力系统不确定度的描述方法。（2）考虑外部环境因素影响的新能源发电单元、场/群集总动力学特性及建模。研究考虑外部因素影响下的新能源发电单元和场/群参数大范围随机波动特性的分布规律，建立包含不确定度估计的场/群级电源功率波动特性预测方法及预测模型，提供多时间尺度和大空间尺度的新能源电源场/群动态模型。（3）规模化新能源电力与电网相互作用机理。研究规模化强波动新能源电源与电网之间的相互作用动力学过程，建立面向新能源电力系统的运动稳定性分析方法；探讨采用传统电源与新能源电源构成的一体化发电单元平抑功率波动不确定性分量的新途径。研究目标：创建新能源电力系统不确定性建模及分析方法，阐明不确定性影响下的新能源电源动力学特性，建立新能源电力系统时空多尺度模型，发展一体化新能源发电单元平抑不确定性的方法和技术手段；初步建立新能源电力系统运动稳定性新理论。承担单位：哈尔滨工业大学、武汉大学课题负责人：于达仁学术骨干：陈红坤，胡清华，徐箭，郭钰锋经费比例：15%课题二.新能源电力系统先进控制理论研究内容：（1）大系统分散协调控制理论。研究高维非线性系统协调控制的方法及稳定性、能控性判别方法，提出基于切换系统理论、分散控制理论、凸优化理论及“次最优程度”的协同优化算法，探讨新能源电力系统分散协调控制策略。（2）基于微分几何的非光滑控制理论。研究结构和参数随机不确定系统的非光滑分析方法，建立非线性控制器设计理论，解决新能源电力系统中多模式切换情形下的全局状态反馈镇定、高阶非完备系统的全局状态调节、全局输出跟踪、非线性参数化系统的自适应调节等问题。（3）不确定非线性系统强鲁棒性控制方法。研究结合Lyapunov稳定性理论、耗散理论、无源性系统理论和线性矩阵不等式等方法的非线性鲁棒自适应控制方法，提出能有效减少参数估计维数的鲁棒辨识算法。（4）网络化容错智能控制理论。研究基于预测控制理论、拓扑理论、数据融合技术、自适应鲁棒的容错控制理论和方法，提出新能源电力系统在数据时延、丢包、网络信息调度和通信约束等因素下的主动容错控制方法。研究目标：提出高维非线性系统分散协调控制理论及其稳定性、能控性判别方法，并应用于新能源电力系统协同优化控制系统分析设计；提出基于预测的网络化容错控制理论、结构和参数随机不确定性系统的非光滑分析方法及非线性系统强鲁棒性控制方法，为新能源电力系统优化控制提供理论基础。承担单位：北京交通大学、哈尔滨工业大学课题负责人：宋永端学术骨干：林威，尹逊和，刘峰，蔡文川经费比例：13%课题三.多元发电过程分散协调控制与智能调度研究内容：（1）发电过程参数快速检测与状态精细表征。研究静电、光学、声学检测理论及基于信息融合与软测量方法，构建煤粉浓度、细度、炉内三维温度场和颗粒三维浓度场、气体组分、飞灰含碳量等相对完备的状态参数检测体系。（2）大容量火电机组快速深度变负荷控制。研究大容量火电机组全方位状态信息识别及多目标燃烧优化控制理论，提出新的机炉协调控制系统结构及适应机组大负荷范围变工况运行的非线性鲁棒控制理论方法。（3）场/群级多能互补优化运行协调控制。研究新能源电源、传统电源、储能等不同种类电源输出功率特性及其可控性，提出场/群级协调控制系统结构与调控机制，研究多机组火力发电厂厂级负荷优化分配理论方法。（4）新能源电力系统智能调度。研究新能源电力系统分级调度方法，建立包括系统级、场/群级、单元级的多级控制框架；研究波动功率注入下新能源电力系统潮流计算、电力电量平衡、备用决策等理论方法，创建基于发电功率预测、负荷预测及广域同步信息的新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法。研究目标：提出新能源电力系统场/群协调、区域自治、系统优化的调控理论方法，构建分级递阶、局部优化、整体协调的协同控制理论体系；提出基于新型检测原理的发电过程参数检测理论与基于信息融合的状态参数软测量与重构方法，解决弱信号的采集处理、状态参数的精细表征等问题；形成大容量火力发电机组快速深度变负荷控制策略及整体解决方案，开发具有自主知识产权发电机组优化控制系统，并实施试验验证。承担单位：华北电力大学、国电新能源技术研究院课题负责人：刘吉臻学术骨干：闫勇，杨校生，牛玉广，曾德良经费比例：21%课题四.新能源电力系统电网结构与输电方式研究内容：（1）适应规模化新能源电力接入的新型电网结构。探索多种新能源电力集中与分散接入、区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架和就地消纳与远距离输送相结合的新型电网模式，构建具备灵活可控、优质电力供应、高可靠性及可扩充性的新能源电力系统结构。（2）适应波动性新能源的新型输电方式。研究电压源型直流输电的有功/无功四象限控制策略和柔性协调控制策略；提出一种新型的混合直流输电拓扑结构，实现功率方向灵活可控，有效地平抑新能源电力功率输送不稳定性和随机波动性的新型输电方式。（3）构建新能源电力系统仿真平台。基于新能源电源模型、储能模型、新型电力变换模型和控制器模型，深入开展多种电源、若干输电方式和新型网架结构的大时间尺度仿真分析，为新型电网结构和输电方式的预期特性与效果提供理论验证和实验指导。研究目标：提出适应规模化新能源电力，且具有高质量、高可靠性的新型电网结构；提出一种新型的混合直流输电拓扑结构，仿真实现功率方向灵活可控，有效平抑输送不稳定性和随机波动性的新型输电方式，构建适用于新能源电力系统运行研究分析的数模混合仿真平台。承担单位：中国科学院电工研究所、中国电力科学研究院课题负责人：齐智平学术骨干：温家良，赵东元，韦统振，裴玮经费比例：16%课题五.新能源电力设备安全评估研究内容：（1）多因素影响下的新能源电力设备故障机理与演化规律。开展新能源电力设备故障模拟和多因素加速老化试验研究，分析设备性能衰退和故障的产生、发展以及向事故演化的过程，揭示设备的致障机理与故障演化机制。（2）新能源电力设备致障及老化过程的知识表达与特征参数体系。研究复合电压、过电压、冲击电流、机械振动、盐雾腐蚀、沙尘等多因素以及运行工作点不断变化和冲击负荷对新能源电力设备安全运行的影响规律，采用信息融合和数据挖掘方法，建立新能源电力设备致障及老化过程的知识表达方法及特征参数与量化指标体系。（3）新能源电力设备故障特征信息感知与特征参数辨识方法。研究新能源电力设备故障特征信息的感知方法，提出设备多参数智能传感与监测方法，分析影响信号感知的干扰特性与规律，研究微小特征信号的去噪与提取方法，研究特征参数辨识方法。（4）新能源电力设备安全评估分级模型及系统安全评估理论方法。研究新能源电力设备的故障危害性评价和寿命预测方法，建立基于状态评估和危害性评估的新能源电力设备安全评估分级模型，提出基于设备安全评估分级模型的新能源电力系统安全评估及事故预警理论与方法。研究目标：揭示新能源电力设备故障机理和演化机制，提出新能源电力设备的故障产生、发展及致障过程中的故障特征信号感知与辨识方法，建立新能源电力设备状态监测的指标体系；提出多因素影响条件下的新能源电力设备故障诊断与寿命评估模型，建立基于状态评估和危害性评估的设备安全评估分级模型；提出新能源电力系统安全评估及事故预警理论与方法。承担单位：重庆大学、国电新能源技术研究院课题负责人：李剑学术骨干：孙才新，冉立，陈伟根，秦明经费比例：16%课题六.基于广域信息的复杂电网保护与安全控制研究内容：（1）新能源电力接入系统的继电保护原理。研究各类新能源发电单元、场/群在故障及故障切除后的电气量电磁暂态特征，研究新能源电源接入系统继电保护配置原则、原理与整定方法。（2）基于广域信息的复杂电网后备保护。分析系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素之间的关联规律，研究以系统安全为目标，适应新能源电力接入的复杂电网广域保护新原理。（3）基于广域多元响应的电力系统动态辨识与控制方法研究。研究基于多元广域响应的电力系统主导动态参数辨识方法，建立系统模型并分析其稳定性，研究提出闭环自适应控制理论与方法。（4）针对风场脱网基于广域信息的协调频率稳定控制研究。重点研究风场脱网前后大系统的频率动态响应特性，它具有明显的全局性，需研究提出基于广域信息的协调控制策略，包含风电接入和通信网的控制系统建模、通信网的连通性评估与统计分析、电力系统和通信系统的综合控制技术等。（5）对基于广域信息的复杂电网保护与安全控制技术，进行试验验证。研究目标：准确描述新能源电力系统暂态特征，提出新能源电力接入系统的保护配置原则和原理；确定基于广域信息的新型继电保护架构与原理，摆脱现有继电保护点对点电气量配合的约束，从根本上解决继电保护选择性与灵敏性、可靠性的矛盾；发展基于多元广域响应的复杂电网动态辨识与控制体系与方法，提出基于广域信息预防风场脱网的协调频率稳定控制理论及方法；并对提出的基于广域信息的复杂电网保护与安全控制技术实施试验验证。承担单位：华北电力大学、清华大学课题负责人：毕天姝学术骨干：杨奇逊，韩英铎，王增平，陆超经费比例：19%4.5各课题之间的有机联系以及与项目总体目标的联系本项目以规模化新能源电力安全高效利用为目标，围绕本项目的科学问题和研究内容，共设置六个课题。其中，课题一重点建立新能源电源场/群时空多尺度动力学模型，揭示新能源电源与电网的相互作用机理，为其它课题研究提供基础。课题二开展先进控制理论方法的研究，为课题三与课题六提供必要的控制理论基础。课题三研究多元发电过程快速深度变负荷调控策略，实现新能源电力系统高效优化运行。课题四探索适合我国国情的新能源电力系统新型结构与输电方式。课题五研究新能源电力设备故障演化机理，提出设备及系统安全评估理论与方法。课题六研究基于多元广域响应的电网保护与安全控制理论，通过闭环自适应控制保障系统安全稳定运行。上述六个课题是完成本项目研究目标的有机整体，既紧密联系，又相对独立，便于组织实施，体现了本项目技术路线的分工。研究成果将共同构成实现我国新能源电力系统安全高效运行的创新理论体系。通过项目的实施，最终形成具有我国自主知识产权的规模化新能源电力安全高效利用的理论与技术成果。

四、年度计划研究内容预期目标第一年1.对我国新能源电力接入状况、技术水平和发展趋势开展进一步调研和分析；进一步完善和明确项目的研究方案和技术路线。2．收集风电场基础数据，统计分析风速、风向在典型环境下的不确定模型，分析风电等新能源电力的波动特性；分析可调负荷、典型储能系统及FACTS装备等运行特性；调研源-网之间和区域电网间输电的解耦方法和协同运行机制。3．搭建或完善相关的测试和试验平台，开展实验调试工作。包括真实新能源电力设备的故障模拟与加速老化试验平台，适应大规模风电接入后的继电保护测试实验平台、基于广域信息的通用保护与控制实验平台等。4．初步建立度量新能源电力不确定性方法；火电机组非线性控制模型及系统控制模型；分析多因素对新能源电力设备性能及其故障演化过程的影响，并总结规律。1．完成调研工作，形成调研报告。2．确定项目的技术路线和详细实施方案。3．完成项目基本试验系统的建设、调试和主要理论建模工作。4．完成典型机组、风场与负荷等数据的采集和存储，为整个项目提供实际运行数据。5．完成学术论文40篇左右，申请专利4项，培养博硕士生20人左右。第二年1.形成风电功率特性预报的基本算法及度量其不确定性的概率模型；研究新能源机组位置分布及外特性对于新能源电源场/群级功率输出波动特性的影响；研究规模化强波动新能源电源与电网之间的相互作用动力学过程的准确描述的方法。2.研究机组参数快速检测方法，研究锅炉燃烧状态表征方法与动态控制理论方法；研究机组蓄热深度利用方法；研究风电场并网系统的非光滑控制器及随机系统的可镇定性与能控性；搭建火电机组快速检测系统试验台，及系统并行计算研究平台。3.利用“含有大规模新能源电力的电力系统数模混合仿真系统”，研究火电与新能源电力和可调负荷间的错峰与互补特性；新能源电网中网络化直流输电的运行与控制策略研究。4.研究新能源电力设备中各类缺陷、故障的严重程度、老化阶段与各种状态监测量的表征关系与关联性，总结规律。5.研究适应规模化新能源电力接入的继电保护原理及广域保护架构；研究类噪声环境下电力系统闭环迭代辨识与控制的一体化设计方法，并研究广域信息及通讯网对控制目标的影响。6撰写中期研究报告。1.建立新能源电力场/群级的集总动力学特性；提出新能源电力系统动力学特性演化规则的方法；得到一体化发电单元中传统电源与风电匹配的最优化方法。2.提出机组参数快速检测方法，锅炉燃烧状态表征方法与动态控制理论方法；提出机组蓄热深度利用方法及复杂电力系统的高性能并行计算与分布式计算方法；提出随机系统可镇定性与能控性条件，设计出非光滑的控制器，完成火电机组快速检测系统试验台与系统并行计算研究平台。3.初步建立基于多能互补、可调负荷、储能相结合的就地消纳解决方案；初步建立新能源电网中直流输电的运行控制策略。4.提出新能源电力设备的故障产生、发展及故障演化过程中的故障特征信号感知与辨识方法，建立新能源电力设备状态监测的量化指标体系。5.初步提出适应新能源电力接入的继电保护原理设想，并进行实验；提出系统中关键保护位置评估方法；提出类噪声环境下电力系统闭环迭代辨识与控制的一体化设计原理和方法；总结通讯网影响控制目标的原因。6完成项目中期研究报告。7完成学术论文60篇左右；申请发明专利6项；培养毕业硕士、博士研究生25名左右。第三年1.研究不确定数据的支持向量回归算法；研究时间中尺度的场/群级电源功率波动特性的预测方法；研究新能源电力系统源网相互作用机理;从风电不确定分量频谱分析的角度，分析对传统能源动态响应带宽等需求性能指标要求。2.设计锅炉入炉煤及燃烧相关参数快速检测样机；研究锅炉燃烧状态准确表征方法及优化控制系统；研究快速深度变负荷控制技术；研究风电场、太阳能发电站整体输出控制方法；研究大系统协同理论及其自适应镇定性条件；研究新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法。3.研究火电、储能相结合的电网调峰机制；研究新型直流输电与互联拓扑结构及控制策略；研究基于新型输电方式和跨区电网互补互调大范围消纳解决方案。4.研究新能源电力设备的状态评估理论与方法以及设备故障状态特征信息的感知方法；提出状态量的评价方法和标准，构建新能源电力设备状态评估体系。分析影响信号感知的干扰特性与规律，研究微小特征信号的去噪与提取方法，研究特征参数辨识方法。5.研究系统重负荷下的潮流转移特性及快速潮流转移识别算法；研究适用于保护控制需求的相量计算算法；研究面向控制的模型检验方法；研究通信网及含通信网复杂电力网络拓扑的可靠性模型。1.形成一整套混合数据回归分析的技术；建立功率波动输出的时间序列预测模型；建立基于复杂网络理论的新能源电力系统动力学特性仿真模型。2.提出锅炉燃烧状态评价方法；研制出火电机组燃烧优化控制系统及火电厂厂级优化分配系统，提出快速深度变负荷控制实现方案；提出风电场、太阳能发电站整体输出控制方案；提出大系统协同控制算法；提出新能源电力系统多目标优化智能调度理论方法。3.建立火电、储能相结合的提高电网调峰能力解决方案；提出优化的直流输电及互联拓扑结构，建立控制策略；提出基于新型输电方式和跨区电网的新能源电力输送解决方案。4.提出设备多参数智能传感与状态监测方法及信息提取方法，建立新能源电力设备在线监测系统。5.提出适应新能源电力接入的继电保护原理；提出快速潮流转移识别算法；提出适用于保护和控制的相量计算算法；提出面向控制的模型检验原理，设计并实现其检验方法；建立通讯网的可靠性模。6.撰写论文70篇以上，申请专利7项左右，培养博硕士生30人左右。第四年1.形成用于混合数据回归分析的快速在线学习算法，研究误差界估计理论；研究规模化新能源电源融合