应对大规模新能源并网的电力系统发电调度控制研究

摘要

化石能源的过度消费带来了温室效应和世界范围的大气污染问题，大力开发可再生无污染的新能源、逐步替代化石能源的使用已经成为世界各国的共识。具体到电力领域，风力发电、太阳能光伏发电凭借其成熟的技术水平和庞大的可开发潜力从众多新能源发电类型中脱颖而出，有望成为未来电网的主要电力来源。但其发电能力受制于多变的天气状况，发电预测准确度低、出力波动性强，在大规模并网后将令传统电网发电调度控制方法的可靠性面临严峻的挑战，故而有必要研究能够有效应对风电光伏新能源发电功率预测误差和强波动性的新型电力系统调度控制方法。
　　本文对新能源发电调度控制方法的研究现状进行了总结，在此基础之上对新能源发电功率统计特性、平抑新能源发电功率波动性的场站级控制方法、应对新能源发电功率预测误差和强波动性的系统级调度方法进行了研究，其主要内容如下：
　　（1）在新能源发电功率统计特性方面，对表征光伏发电功率波动性的持续时间概率分布、不同时间尺度下的出力变化量概率分布进行了分析，为调控过程中对其出力波动范围的估计、调控指令更新周期的选择提供了参考依据。研究揭示出上述统计特性在日地运动以及局部云层扰动两种特性迥异的地理现象综合影响下形成多峰值分布的特点，并提出了混合概率密度函数拟合技术对其进行定量描述。
　　（2）在新能源发电场站级控制方面，提出了适用于新能源-储能联合发电系统的有功功率控制策略，根据并网导则要求对新能源电站在不同时间尺度下的出力变化率进行限制。所提方法结合了数学优化技术和实时闭环反馈控制的决策最优性和控制时效性，能够合理考虑新能源发电预测信息、储能能量状态优化以及必要时的弃电控制，从而利用有限的储能容量最大限度地完成新能源出力波动性平抑目标。
　　（3）在新能源发电系统级调度方面，针对新能源发电超短期预测误差所带来的计划出力偏差，提出了适用于自动发电控制（AGC）环节的不对称线性响应策略；确保了应对新能源计划出力偏差时，机组组合/经济调度/AGC等各环节中机组运行点调整策略的一致性。本文基于鲁棒优化技术相应提出了考虑不对称线性响应策略的机组组合/经济调度模型及其求解方法，从而可以对响应策略中的调节系数进行充分的安全校验和优化计算；调节系数可以针对不同新能源场站、不同计划出力偏差方向进行区别配置，确保了AGC环节对机组调节空间的充分利用以及对电网潮流分布的灵活控制。
　　（4）基于（3）提出的考虑不对称线性响应策略的鲁棒调度模型，本文进一步针对新能源发电的强波动性，提出了考虑拓展不确定性区间以及时段内调节约束的鲁棒机组组合方法，所提方法在不改变机组组合环节建模时间尺度的前提下，根据新能源发电功率波动的速率和幅值，对各机组的出力调节策略进行充分的优化校验，从而在不显著增加机组组合决策计算负担的同时，确保各机组的启停方案、出力调节空间、爬坡速率以及各线路的容量能够满足应对新能源发电强波动过程的调控需求。
　　（5）碳捕获技术在未来电网的火电机组减排改造中具有良好的推广应用前景，本文根据碳捕获设备的运行特性，将其能耗控制纳入到（3）（4）所提出的新能源发电鲁棒调度方法当中，从而在利用碳捕获设备降低火电机组二氧化碳排放量的同时，利用其灵活性能耗调节能力辅助应对新能源发电的预测误差和强波动性。为含大规模新能源电网中碳捕获设备的优化调度提供了一种有效的解决方案。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 电力系统发电调度决策的发展现状

1.3 应对大规模新能源并网的发电调控技术研究现状

1.4 本文研究内容与创新点

2 光伏发电功率波动特性统计分析

2.1 引言

2.2 光伏发电功率波动特性的统计描述

2.3 光伏发电功率持续时间特性及其概率分布拟合

2.4 光伏发电功率变化量概率分布特性及其拟合

2.5 本章小结

3 考虑储能的场站级新能源发电功率优化控制方法

3.1 引言

3.2 优化控制目标

3.3 控制系统结构

3.4 控制模块原理

3.5 算例分析

3.6 本章小结

4 利用不对称线性响应策略应对新能源发电预测误差的电网调度方法

4.1 引言

4.2 不对称线性响应策略

4.3 考虑不对称线性响应策略的鲁棒发电调度模型

4.4 求解方法

4.5 算例分析

4.6 本章小结

5 计及时段内调节约束应对新能源发电强波动性的机组组合模型

5.1 引言

5.2 新能源发电强波动过程中的系统运行风险

5.3 计及时段内调节约束的鲁棒机组组合模型

5.4 求解方法

5.5 算例分析

5.6 本章小结

6 利用碳捕获设备辅助新能源消纳的机组组合模型

6.1 引言

6.2 碳捕获技术原理

6.3 利用碳捕获设备辅助新能源消纳的鲁棒机组组合模型

6.4 求解方法

6.5 算例分析

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利

附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目

附录4 光伏发电功率变化量概率分布拟合结果

附录5 算例系统参数及启停机结果