计及风力发电的电力系统环境经济调度建模分析

摘要

能源及环境问题是制约世界经济与社会可持续发展的两个突出问题。为了摆脱传统能源开发利用方式对经济社会发展的限制，各国纷纷采取措施，大力开发利用新能源。对于我国而言，积极发展新能源产业，节约和替代部分化石能源，已成为保障我国能源安全、应对气候变化、保护生态环境、提高国家竞争力、促进国家经济与社会可持续发展的重要战略选择。我国幅员辽阔、海岸线长，风能资源非常丰富。作为一种源源不断、永不枯竭的新能源，风能已逐步成为化石能源的重要替代能源。近年来我国风电装机容量增长迅速，技术不断进步，政策体系日趋完善。然而，由于风电自身固有的缺点：可靠性偏低、成本偏高，风电在整个能源供应体系中长期处于从属地位，与常规火电相比缺乏竞争力。这种局面的出现除了风机制造水平的原因，也不能忽视运行管理方式的原因。随着风机制造水平的不断提高，风电机组自身的可靠性相应增强、成本也越来越低，后者已上升为重要原因。因此，本文以风电接入对电力系统经济、环境指标的影响为切入点，并将其引入到电力系统环境经济调度领域。主要研究工作和结论包括以下几个方面：
　　（一）为了实现风电并网电力系统在某个时刻电力负荷的优化分配，兼顾经济效益与环境保护，构造了环境经济调度(economic emission dispatch,简称EED)模型。除了传统的EED因素，该模型在经济效益和环境保护两方面还分别考虑了由于低估或高估风电出力所引起的惩罚、备用因素。利用风速与风能之间的关系推导出了风电出力的统计特征，进而完成了模型的确定性转化。基于MATLAB的优化工具箱，对风电并网电力系统进行了优化仿真，结果显示：①当风电场归其它发电集团所有时，电力系统的最优计划出力高度依赖于惩罚成本系数、备用成本系数以及惩罚排放系数，而备用排放系数对于最优计划出力没有显著影响；②当风电场归电网所有时，电力系统的最优计划出力高度依赖于惩罚成本系数、惩罚排放系数，而备用成本系数、备用排放系数对于最优计划出力没有显著影响。
　　（二）为了保证风电并网电力系统在整个调度期内经济、环境成本的全局最优，基于多目标机会约束规划理论，构造了动态环境经济调度(dynamic economic emission dispatch,简称DEED)模型。该模型不仅将电力系统发电成本和污染物排放作为相互冲突的目标同时优化，而且还考虑了机组出力爬坡率等动态指标。通过机会约束条件控制风电不确定性的干扰程度，并利用风电出力的分布函数对机会约束条件进行变换。随机优化模型相应转化为确定性优化模型，设计带有启发式策略的NSGA-Ⅱ用于求解该模型。对风电并网电力系统进行了仿真实验，结果验证了所提模型与解法的合理性及有效性，并得到以下结论：①在电力系统中增加风电出力所占比重虽然有利于经济性与环保性，但也给系统运行带来了更多风险；②调度决策时需要充分挖掘Pareto最优集蕴含的信息，权衡环保性、经济性和不确定性等多方面因素。
　　（三）为了协调风电并网电力系统调度决策过程中决策保守与激进这对矛盾，构造了考虑风险因素的DEED模型。除了传统的DEED因素，在模型中还特别增加了可靠性、有效性约束，用以降低风险因素带来的不利影响。相应地，在多目标函数中引入了惩罚成本（排放）函数、备用成本（排放）函数。为了获得该模型的优化解，净负荷预测误差的统计特征得到了进一步讨论。随机DEED问题依赖于很多影响因素，借助IPSO对风电并网电力系统进行仿真实验，结果显示：①加强可靠性约束会增加电力系统的发电成本和污染物排放，而加强有效性约束会降低发电成本和污染物排放；②综合可靠性、有效性约束，电力系统的发电成本、污染物排放与风电发展规模之间的线性关系并不显著。
　　（四）为了确保大规模风电接入情形下电力系统的可靠性与有效性，基于场景分析方法，构造了DEED模型。针对不同联合场景，该模型同时考虑了可靠性、有效性约束。相应地，在多目标函数中增加了不同联合场景下的惩罚成本（排放）函数、备用成本（排放）函数。采用蒙特卡罗抽样方法模拟系统中的不确定性，并辅以不同的场景来描述。此外，为了减少计算时间、提高计算效率，借助基于概率距离的场景消除技术来实现。通过风电并网电力系统的仿真实验得到以下结论：①在大规模风电接入情形下，电力生产过程中可能出现的风险因素影响着电力系统的调度决策；②考虑到风险因素的影响，DEED模型仍然是解决大规模风电并网电力系统调度决策问题的有力工具。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 问题的提出与研究意义

1.3 研究方案

第二章 理论基础与文献综述

2.1理论基础

2.2文献综述

第三章 风电并网静态环境经济调度建模分析

3.1 引言

3.2风电并网电力系统环境经济调度模型

3.3 风电出力的统计特征

3.4 算例分析

3.5 结论

第四章 风电并网动态环境经济调度建模分析

4.1 引言

4.2 风电并网电力系统动态环境经济调度模型

4.3 动态环境经济调度模型求解

4.4 算例分析

4.5 结论

第五章 考虑风险因素的动态环境经济调度建模分析

5.1 引言

5.2 考虑风险因素的动态环境经济调度模型

5.3 风险因素特征

5.4 算例分析

5.5 结论

第六章 大规模风电并网动态环境经济调度建模分析

6.1 引言

6.2 风险因素特征及其场景树描述

6.3 基于场景分析的动态环境经济调度模型

6.4 算例分析

6.5 结论

第七章 总结与展望

7.1主要结论

7.2创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录