考虑虚拟电厂的电力系统多目标优化及政策模拟

摘要

为应对严峻的环境污染形势，促进能源供给侧结构性改革，未来我国电力供应方式将朝着清洁型、分散型的趋势发展。电力体制改革的不断深化也带动电力工业从供应侧单方面管理向供需双侧全方面管理而转变。随着能源互联网技术的发展，分布式电源、需求响应、电动汽车等需求侧资源参与电力系统规划将成为电力工业的发展趋势。但这些分布式能源的运行出力具有不可控性，其并网运行会影响电力系统的安全稳定。虚拟电厂能够通过控制系统将分散在发电侧与负荷侧的分布式能源进行有效聚集，提高系统的供电稳定性，促进清洁能源消纳，实现电力工业节能减排。该论文在电力市场化建设的背景下，基于多种分布式电源、储能系统和需求响应资源的技术特性，构建了不同类型虚拟电厂参与电力系统运行的优化调度模型，并从宏观层面模拟分析了不同能源政策对虚拟电厂发展所产生的影响。论文的主要研究工作如下:
　　第一，对虚拟电厂的内涵、主要构成及技术特征进行了研究;总结了德国、欧盟、美国等发达国家的虚拟电厂发展经验及存在的差异;基于国际经验，本文提出了我国在市场环境中发展虚拟电厂的商业模式，包括基于需求响应虚拟电厂的市场交易模式，基于电力共享池的虚拟电厂售电模式和基于能源互联网技术的虚拟电厂发展模式。
　　第二，阐述了需求响应虚拟电厂的内涵与分类，介绍了价格型和激励型两种需求响应虚拟电厂参与市场交易的互补关系;分析了在多级电力市场交易中，价格型需求响应虚拟电厂的运行机制及营销策略。峰谷分时电价是实施价格型需求响应虚拟电厂的重要策略。本文设计了基于峰谷分时电价的虚拟电厂运行策略，以系统煤耗量最小，峰谷差最小和用户的用电满意度最优为优化目标，构建了基于峰谷分时电价的虚拟电厂经济调度模型，并采用模糊层次分析法将多目标优化模型转化为单目标优化模型。仿真结果表明所构建的模型具有可行性，售电公司采取峰谷分时电价后，系统煤耗量和峰谷差均降低，但用户电费支出略有上升。
　　第三，构建了包含多种分布式电源、储能系统和需求响应资源的综合型虚拟电厂，基于各种分布式能源的出力特性和运行成本与收益，由简到繁，逐步设计了计及不确定性因素与环境价值的虚拟电厂内部优化调度模型。首先在确定场景下以虚拟电厂运行收益最大化为目标，建立了优化调度模型;继而基于随机规划理论与场景分析法，建立了计及风光不确定性虚拟电厂优化调度模型;最后，考虑虚拟电厂环境价值，建立以系统运行收益最大和环境成本与价值损失最小为优化目标的虚拟电厂随机优化调度模型。仿真结果表明在优化目标中考虑环境价值后，虚拟电厂的环境污染治理费用和环境价值损失会明显下降，而风光出力的不确定性不仅会影响虚拟电厂的运营收益，还会由于外购电量的增加而使得环境治理费用和环境价值损失增加。
　　第四，构建了虚拟电厂与传统电厂间双层优化调度模型。首先，在中长期市场和现货市场环境下构建了传统发电厂日前经济调度模型。然后，基于双层优化理论建立了虚拟电厂与传统发电厂间的双层经济调度模型，其中上层以系统调度成本最小为目标，建立了虚拟电厂与传统火电厂间的经济调度模型;下层以虚拟电厂运行成本最小为目标，生成各虚拟电厂内部的运行调度计划。继而，将用户负荷的不确定性和虚拟电厂中风光出力的不确定性考虑进来，建立了双层随机经济调度模型。最后，在上、下层模型中加入环境成本最小的优化目标，形成多目标双层随机经济调度模型。本章由简到繁，基于传统经济调度模型逐步建立了计及不确定性因素与环境价值的双层随机经济环境调度模型。最后以某地区的电力系统作为分析对象，通过仿真分析验证了本章所构建模型的可行性和适用性。
　　第五，建立了虚拟电厂发展的系统动力学模型。首先，基于系统动力学理论阐述了此次建模目的，设定了建模边界，分析了关键影响因素;根据虚拟电厂的系统发展特点，将该系统划分为电力供需、虚拟电厂投资运营与资源环境三个子系统;分析了系统内部及各子系统之间的相互影响关系，设计了虚拟电厂发展系统内各影响因素之问的因果关系图;继而建立了虚拟电厂发展的复杂系统动力学模型，并设定各子系统变量之间的方程关系式及关键变量的参数值。
　　第六，基于国家能源政策，设定情景对影响虚拟电厂发展的能源政策进行了仿真分析。首先基于A地区的经济社会与电力行业的历史数据，通过回归系数法与算数平均值法确定了初始参数值，并对模型的有效性进行了检验。其次对相关能源政策进行了梳理，设计了基准情景、基本政策情景和综合政策情景。再次对不同情景下虚拟电厂的发展趋势进行了仿真模拟，结果发现三种政策情景下A地区的虚拟电厂发电量、装机容量、利润均呈增长态势，且研发投入资金的不断积累将显著降低其发电成本，提高发电效率;虚拟电厂的快速发展也将显著减少该地区二氧化碳排放量和煤炭消耗量。通过仿真结果的对比分析发现，在综合情景下虚拟电厂获得了较快发展，且A地区的清洁能源占比、电力行业二氧化碳排放量和装机容量也达到了政策目标设定值。最后，提出了促进我国各地区虚拟电厂快速发展的政策建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 虚拟电厂研究现状

1．2．2 虚拟电厂接入的电力系统优化调度研究

1．2．3 虚拟电厂发展的政策研究与模拟分析

1．3 主要研究内容与框架

1．4 论文的主要创新点

第2章 虚拟电厂理论与运作机制

2．1 虚拟电厂的基础理论

2．1．1 虚拟电厂的概念

2．1．2 虚拟电厂的构成与分类

2．1．3 虚拟电厂的特征

2．2 虚拟电厂发展的国际经验

2．2．1 德国虚拟电厂的发展经验

2．2．2 欧盟虚拟电厂项目运营经验

2．2．3 美国虚拟电厂的发展经验

2．2．4 国际经验对我国虚拟电厂发展的启示

2．3 虚拟电厂的商业模式

2．3．1 需求响应虚拟电厂参与市场交易的商业模式

2．3．2 基于电力共享池的虚拟电厂售电模式

2．3．3 基于能源互联网技术的虚拟电厂商业模式

2．4 本章小结

第3章 需求响应虚拟电厂参与电力系统运行的多目标决策模型与仿真

3．1 需求响应虚拟电厂的分类

3．1．1 价格型需求响应虚拟电厂

3．1．2 激励型需求响应虚拟电厂

3．1．3 两类需求响应虚拟电厂之间的联系

3．2 价格型需求响应虚拟电厂的市场运行机制

3．2．1 价格型需求响应虚拟电厂的市场运行策略

3．2．2 市场角度下峰谷分时电价对VPP运营者的影响

3．3 价格型需求响应虚拟电厂的定价模型

3．3．1 基于K均值的峰谷时段划分

3．3．2 用户对峰谷分时电价的响应机理

3．3．3 基于多目标优化的峰谷分时电价模型

3．4 价格型需求响应虚拟电厂定价模型处理

3．4．1 多目标优化的处理

3．4．2 二次型函数的线性化处理

3．5 算例分析

3．5．1 原始数据

3．5．2 峰谷时段划分

3．5．3 定价模型优化结果

3．6 本章小结

第4章 基于分布式电源与储能系统的虚拟电厂多目标优化调度模型及仿真

4．1 分布式电源出力特性与建模

4．1．1 分布式风电

4．1．2 分布式光伏

4．1．3 燃气发电机组

4．1．4 储能电池

4．1．5 抽水蓄能

4．2 虚拟电厂的优化调度模型

4．2．1 目标函数

4．2．2 约束条件

4．3 计及不确定性的虚拟电厂优化调度模型

4．3．1 虚拟电厂不确定性分析

4．3．2 随机规划理论与场景分析方法

4．3．3 计及风光不确定性的虚拟电厂随机优化调度模型

4．4 计及环境价值的虚拟电厂优化调度模型

4．4．1 虚拟电厂的环境价值分析

4．4．2 考虑环境价值的虚拟电厂多目标优化随机调度模型

4．5 算例分析

4．5．1 原始数据

4．5．2 情景设计

4．5．3 风光出力场景与多目标处理

4．5．4 模型求解

4．5．5 算例结果

4．6 本章小结

第5章 虚拟电厂与传统发电厂间的双层优化调度模型与仿真分析

5．1 传统发电厂经济调度的数学模型

5．1．1 目标函数

5．1．2 约束条件

5．2 双层优化理论

5．2．1 双层优化理论的基本概念

5．2．2 双层优化理论在电力系统经济调度的应用

5．3 虚拟电厂与传统发电厂的双层经济调度模型

5．3．1 上层经济调度模型

5．3．2 下层经济调度模型

5．4 计及不确定性的虚拟电厂与传统发电厂双层随机调度模型

5．4．1 计及负荷不确定性的上层随机调度模型

5．4．2 计及风光不确定性的下层随机调度模型

5．5 计及环境价值的虚拟电厂与传统发电厂双层随机调度模型

5．5．1 计及环境污染成本的上层随机调度模型

5．5．2 计及环境价值损失的下层随机调度模型

5．6 算例分析

5．6．1 基础数据

5．6．2 情景设计

5．6．3 不确定性因素的场景与多目标处理

5．6．4 算例结果

5．7 本章小结

第6章 基于系统动力学的虚拟电厂产业发展仿真模型构建

6．1 系统动力学的基本理论

6．1．1 系统动力学的基本原理

6．1．2 系统动力学建模步骤

6．2 虚拟电厂发展的系统动力学模型总体结构

6．2．1 系统动力学模型建模目的

6．2．2 虚拟电厂发展系统边界

6．3 电力供需子系统模型构建

6．3．1 电力供需子系统的因果关系

6．3．2 电力供需子系统的变量和流图

6．3．3 电力供需子系统的方程式

6．4 虚拟电厂投资运营子系统模型构建

6．4．1 虚拟电厂投资运营子系统的因果关系

6．4．2 虚拟电厂投资运营子系统的变量和流图

6．4．3 虚拟电厂投资运营子系统的方程

6．5 资源环境子系统模型构建

6．5．1 资源环境子系统的因果关系

6．5．2 资源环境子系统的变量和流图

6．5．3 资源环境子系统的方程

6．6 本章小结

第7章 促进虚拟电厂发展的政策影响效果分析

7．1．1 模型参数设定

7．1．2 模型有效性检验

7．2 虚拟电厂发展的政策情景设置

7．2．1 相关能源政策梳理

7．2．2 政策情景与参数设置

7．3 虚拟电厂发展的政策情景仿真分析

7．3．1 基于情景仿真与结果分析

7．3．2 基础政策情景仿真分析

7．3．3 综合政策情景仿真分析

7．4 不同情景下虚拟电厂发展的仿真结果对比分析

7．4．1 虚拟电厂发展趋势对比分析

7．4．2 政策目标与实施效果对比分析

7．5 促进虚拟电厂发展的政策建议

7．6 本章小结

第8章 研究成果与结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介