考虑相关性的含风电电力系统备用优化及备用成本分摊

摘要

化石燃料的大规模使用造成了环境污染和温室效应的加剧。开发风电资源既可以削弱温室效应，又可带动经济发展，对中国可持续发展的战略目标有着重要意义。然而，风电存在着波动性、随机性和预测精度低等问题，严重影响电网安全运行的备用需求，带来了较高的额外备用成本。因此，深入分析风电不确定性，构建更为精确的风电出力条件概率分布模型，优化含风电电力系统备用策略，设计公平合理的多风电场备用成本分摊方法，对提高风电的利用效率，降低由风电不确定性引入的额外备用成本，意义重大。　　本文受国家重点研发计划项目“促进可再生能源消纳的风电/光伏发电功率预测技术及应用(2018YFB0904200)”及国家电网有限公司配套科技项目(同名，SGLNDKOOKJJS1800266)资助，围绕风电不确定性建模、含风电电力系统备用优化策略和多风电场备用成本分摊方法等问题进行了研究，主要研究内容如下：　　首先，基于传统方法存在的风电不确定性建模精度不高问题，本文通过风电出力时序自相关性分析，以及风电出力与预测出力之间的互相关性分析，提出了风电出力条件概率分布的自相关性与互相关性耦合建模方法。通过核密度估计分别得到风电历史实际出力和历史预测出力的概率分布，并利用Copula函数分别对风电出力的自相关关系和互相关关系进行建模，得到用于刻画风电时序自相关性和互相关性的二维Copula函数。基于Pair Copula理论，进一步将考虑两种相关性的多条件风电出力条件概率分布建模过程分解，通过二维Copula函数的链式传递过程得到考虑两种相关性的多条件风电出力条件概率分布。为解决风电实际出力无法实时更新情况下的风电出力条件概率分布建模问题，本文依据风电预测出力与实际出力间存在的互相关性，以风电出力与相邻时刻预测出力的互相关性近似替代风电出力的时序自相关性，得到风电出力的条件概率分布模型。以比利时实际风场出力数据为例，充分证明了本文所提出方法的有效性。　　其次，为解决风电大规模并网后保证电力系统安全经济运行的问题，本文建立了一种考虑风电出力条件概率分布的含风电电力系统备用优化模型。从风险价值的角度出发，分析了风电波动对调度周期后结算的备用电量成本影响，构建了考虑风电不确定性的多阶段风电风险成本模型，相比于传统的单阶段风电风险成本模型，更具有物理实际意义，并通过分段线性化法(Piecewise linearization method，PLM)得到风电风险成本的线性化模型。同时，通过风电出力条件概率分布得到满足给定置信水平下的置信区间作为风电出力波动的上下限，作为备用优化的机会约束。将风电风险成本模型和备用机会约束应用于电力系统随机经济调度问题中，即可得到本文所提出的考虑风电出力条件概率分布的电力系统备用优化模型。以IEEE-30节点系统为例，验证了该模型的有效性和经济性，并分析了风电风险成本系数和备用容量报价对备用优化结果的影响。　　最后，为解决含多风电场电力系统中，在考虑风电出力条件概率分布统一制定多风电场备用计划以减少备用成本的情况下，风电场之间的备用成本分摊问题，本文提出了一种基于Shapley值的多风电场备用成本分摊方法。通过推导公平性不足的分摊方法对风电场参与统一制定备用计划意愿的影响结果，分析具有公平性的分摊方法对于风电场参与统一制定备用计划意愿的影响机理，进而得出影响风电场参与统一制定备用计划意愿的关键在于其对备用成本的边际贡献。考虑不同风电场对于统一制定备用计划后备用成本的边际贡献以分析风电场之间存在的互补效应，基于多人合作成本分摊问题中常用的Shapley值理论，为多风电场备用成本分摊问题提出了一种合理公平的解决方案。此外，本文所提基于博弈的成本分摊方法还可以鼓励风电场积极改进风电出力预测方法，提高预测的精确度。通过含三个风电场的测试系统对比分析了该方法与传统基于风电场装机容量的比例分摊方法的分摊结果，验证了本文方法的公平性和有效性。算例分析表明，风电场装机容量越大，风电预测精度越低，其分摊到的备用成本越高。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 风电出力相关性研究现状

1.3 含风电电力系统运行备用优化研究现状

1.4 含风电电力系统运行备用成本分摊研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 考虑自相关性和互相关性的风电出力条件概率分布建模

2.1 引言

2.2 风电出力的时序自相关性和与预测出力的互相关性分析

2.3 考虑自相关性和互相关性的风电出力条件概率分布模型

2.3.1 自相关性和互相关性统一建模的困难及建模思路

2.3.2 面向逐点预测的风电出力条件概率分布Pair Copula模型

2.3.3 面向多点预测的风电出力条件概率分布Pair Copula模型

2.3.4 模型精度评价方法

2.4 算例分析

2.4.1 算例简介

2.4.2 算例结果及和已有方法的对比分析

2.4.3 面向逐点预测方法和面向多点预测方法的对比分析

2.4.4 预测精度对算例结果的影响分析

2.5 本章小结

3 考虑风电出力条件概率分布的含风电电力系统备用优化

3.1 引言

3.2 考虑不确定性的风电风险成本模型及其线性化方法

3.2.1 考虑不确定性的风电风险成本模型

3.2.2 风电风险成本模型的线性化

3.3 考虑风电出力条件概率分布的含风电电力系统备用优化模型

3.3.1 目标函数

3.3.2 约束条件

3.3.3 模型求解

3.4 算例分析

3.4.1 算例简介

3.4.2 备用优化结果及和已有方法的对比分析

3.4.3 备用容量报价对备用优化结果的影响分析

3.5 本章小结

4 考虑风电出力条件概率分布的含多风电场电力系统运行备用成本分摊方法

4.1 引言

4.2 多风电场备用成本分摊的难点及建模思路

4.3 基于Shapley值的多风电场备用成本分摊模型

4.3.1 基于Shapley值的备用成本分摊准则的制定

4.3.2 基于Shapley值的备用成本分摊模型

4.4 多风电场备用成本分摊流程

4.5 算例分析

4.5.1 算例介绍

4.5.2 分摊结果分析

4.5.3 风电预测精度对分摊结果的影响

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位论文期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间取得的学术成果

D. 学位论文数据集

致谢