高比例水电电力市场交易策略与调度方法研究

摘要

中国西南地区水能资源富集，以云南和四川两省为例，水电装机占全网总装机的比例均超70％，随着新一轮电力体制改革的不断深入，形成了典型的高比例水电电力市场。电力市场化为西南水电的消纳提供了契机，但同时也带来了新的挑战。不同于其它水电规模占比较小的电力市场，西南高比例水电电力市场呈现出独有的特点，突出表现为巨型电站梯级滚动开发占据较大市场份额、发电易受不确定径流影响、各市场主体竞争能力差异大、梯级水电站间关系耦合紧密、就地消纳能力有限需大规模外送等，这些特点与中国电力体制改革现实情况和电力市场通性问题耦合，进一步增加了调度运行和交易难度，面临价格形成机制更为复杂、多重不确定性影响下的水电资源市场化消纳、以及市场交易与集中调度的协调等难题。然而，无论是国内还是国外，针对高比例水电电力市场可参考的研究成果相对较少。为此，本文针对上述难点，从市场、水电企业和电网三个不同角度出发，分别开展出清价格预测方法、水电策略性市场交易方法和过渡期电网调度方法研究，取得主要研究成果如下:
　　(1)针对中国电力市场建设时间短、历史资料积累不足的现实情况，提出了基于短序列资料的市场出清价格灰色预测方法。以中国电力市场化交易试点省份云南省电力市场为背景，首先深入分析出清电价预测问题的本质，从供给侧和需求侧两方面探寻影响出清电价的主要因素并作为模型输入数据;然后，构造含预测点虚拟值的数据序列，通过两次灰色模型建模，获得预测值区间;最后，提出基于各影响因素与出清电价间相关关系的区间白化方法，获得预测值。采用后验差检验、平均绝对误差、均方差、平均绝对百分差等评价指标衡量模型精度，同时引入修正的Diebold-Mariano检验衡量不同模型间预测能力的差异。与多元线性回归模型(MLR)、传统灰色预测模型(TGM(0,N))和人工神经网络模型(ANN)的对比结果表明，所提方法表现出更好的拟合精度和预测性能，可有效应对市场运营时间短、数据样本不足情况下的市场出清价格预测问题，为市场参与者的交易、发电、检修计划安排、风险控制和监管等提供依据。
　　(2)针对大规模水电跨省跨区市场交易问题，提出了梯级水电面向省内和外送市场的组合交易优化方法。首先，引入Copula函数描述各市场间价格波动的相关性，获得市场间电价的联合分布函数，离散生成多个场景，并通过系统聚类和不一致系数实现电价场景的缩减;然后，基于筛选出的多个电价场景，考虑梯级各电站间水力、电力联系和市场交易等约束，构建了梯级水电站群多市场组合交易优化模型;最后，以LINGO17.0软件为求解工具，采用以分支定界(Branch and Bound)为核心的非线性全局优化方法(Global Solver)实现模型求解。以乌江梯级为工程背景，验证了所提模型有效性，并与常规调度模式比较，结果表明，所提模型能够更好地响应市场电价变化，充分利用梯级良好的调节性能，实现不同时段、不同市场间的交易策略优化，提高梯级交易计划的经济性和鲁棒性。
　　(3)针对市场环境下不同利益水电主体间的交易竞争问题，提出了水电市场竞争的抽样随机动态规划(Sampling Stochastic Dynamic Programming，SSDP)博弈分析方法，研究市场环境下水电运行方式、发电量、收益等的变化情况及其影响因素。分别以单主体收益最大和多主体联盟收益最大为目标，构建了非合作博弈SSDP模型及合作博弈SSDP模型，引入纳什-古诺模型(Nash-Cournot Model)和纳什-海萨尼议价模型(Nash-Harsanyi Bargaining Model)分别描述非合作模式及合作模式下的市场中各主体间均衡状态，并针对两模型特点分别提出基于最速上升搜索的一维和多维求解方法。以红水河流域的龙滩电站、澜沧江流域的小湾电站和乌江流域的构皮滩电站为实例进行分析，结果表明，市场环境下水电站的博弈结果主要受以下几方面影响:电站的调节性能影响了其平均成交电价;汛前电站水位消落深度影响了电站调度期内的可发电量;电站装机容量和入库径流稳定性影响了其市场成交电量比例。分析结果可为水电参与电力市场发电决策和水位控制提供科学依据。
　　(4)针对电力体制改革过渡时期发电计划编制的特殊性，立足于电网调度机构，提出了考虑市场交易计划的过渡期电网多目标协调优化调度方法。以电网购电经济性、系统节能降耗和机组调度公平性为目标，协调优化市场中竞价、非竞价机组，水电、火电机组的出力计划。提出了中长期合约电量分解的二次规划方法，并将分解得到的日电量作为约束条件引入多目标调度模型，保证竞价机组调度公平性;利用模糊优选方法及多种约束处理策略对已建立的多目标模型进行转换，并提出带可行初始种群的自适应改进粒子群算法实现模型求解，改善了传统粒子群算法易陷入局部最优的缺陷。采用IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)测试系统，分别结合云南、贵州两省的水火电装机比例进行仿真模拟，结果表明所提模型和方法在保证完成市场成交合同的基础上，能统筹考虑调度经济、环保和公平等因素，实现了日前发电计划与中长期市场交易结果的嵌套优化，在不同电源比例市场中均可获得合理的调度结果，可为改革过渡时期的电力系统发电运行提供决策支持。
　　在本文最后，对全文研究工作进行了总结，分析目前工作存在的不足，并对进一步研究工作进行了展望。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1．1我国电力体制改革总体情况

1．1．2西南高比例水电电力市场特点

1．1．3现阶段西南高比例水电电力市场面临的主要挑战

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1电力市场价格预测研究概述

1．2．2水电参与电力市场交易策略研究概述

1．2．3电网一体化调度研究概述

1．3本文聚焦的关键问题

1．3．3电力市场改革过渡时期电网调度问题

1．4主要研究内容

1．5总体思路和技术路线

2 电力市场出清价格的改进灰色预测方法

2．1传统灰色预测模型

2．2改进的区间灰色预测模型

2．2．2改进的模型参数识别方法

2．2．3出清电价区间预测

2．2．4改进的区间白化方法

2．2．5 IGM(0，N)模型实现流程

2．3．1灰色预测后验差检验

2．3．3模型预测性能显著性检验

2．4工程实例

2．4．2出清电价影响因素分析

2．4．3模型数据预处理

2．5应用结果分析

2．5．1模型预测效果

2．5．2模型鲁棒性分析

2．5．3多预测模型结果对比

2．5．4 MDM检验模型预测性能

2．6本章小结

3 梯级水电面向省内和外送市场的组合交易优化方法

3．1．1基于Copula理论的市场组合电价场景生成

3．1．2组合电价场景缩减

3．2组合交易策略优化模型

3．3模型求解

3．4实例分析

3．4．2组合电价场景生成

3．4．3模型效果分析

3．5本章小结

4 多利益主体水电市场竞争的随机博弈分析方法

4．1多主体交易策略优化模型

4．1．2非合作博弈SSDP模型

4．1．3合作博弈SSDP模型

4．2模型求解

4．2．1非合作博弈SSDP模型求解

4．2．2合作博弈SSDP模型求解

4．3应用实例

4．3．1工程背景

4．3．2结果分析

4．4本章小结

5 考虑市场交易计划的过渡期电网多目标协调优化调度方法

5．1市场过渡期电网多目标调度模型

5．1．1目标函数

5．1．2约束条件

5．2模型求解

5．2．2机组组合确定方法

5．2．3多目标函数转化及约束处理

5．2．4可行初始种群的启发式构造策略

5．2．5自适应改进粒子群算法

5．3算例分析

5．3．1仿真测试系统描述

5．3．2模型与方法应用结果分析

5．4本章小结

6 结论与展望

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

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