文章目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景与意义

    1.1.1 我国清洁能源发展现状

    1.1.2 东部地区清洁能源消纳面临的挑战

1.2 本文重点研究方向

    1.2.1 区外水电和区域直调电站跨区跨省调峰调度问题

    1.2.2 含风电电力系统多电源协调优化调度问题

1.3 国内外相关工作研究进展

    1.3.1 水电站跨区跨省调峰调度

    1.3.2 抽水蓄能电站优化调度

    1.3.3 含风电电力系统多电源协调优化调度

1.4 本文研究思路

1.5 本文主要研究内容

2 考虑受端电网调峰需求的直流送端水电站优化调度模型

2.1 引言

2.2 数学模型

    2.2.1 目标函数

    2.2.2 约束条件

2.3 MILP模型构建

    2.3.1 目标函数线性化

    2.3.2 水头线性化

    2.3.3 机组动力特性线性化

    2.3.4 机组振动区约束线性化

    2.3.5 高压直流联络线传输约束

    2.3.6 MILP模型构建及求解流程

2.4 实例分析

2.5 本章小结

3 区域电网直调抽水蓄能电站群调峰调度模型

3.1 引言

3.2 模型描述

    3.2.1 目标函数

    3.2.2 约束条件

3.3 MILP模型构建

    3.3.1 机组运行状态约束线性化

    3.3.2 水轮机动力特性线性化

    3.3.3 水泵动力特性线性化

3.4 实例分析

    3.4.1 工程背景

    3.4.2 计算结果及分析

3.5 本章小结

4 厂网协调机制下风电-抽水蓄能联合调度策略

4.1 引言

4.2 促进风电场和抽蓄电站联合运行的厂网协调机制

4.3 数学模型

    4.3.1 风功率不确定性建模

    4.3.2 目标函数

    4.3.3 约束条件

4.4 实例分析

    4.4.1 工程背景

    4.4.2 计算结果分析

    4.4.3 出力偏差惩罚系数的敏感性分析

    4.4.4 发电侧电价机制的敏感性分析

4.5 本章小结

5 基于动态调峰裕度的风-水-气-火电力系统协调调度方法

5.1 引言

5.2 动态调峰裕度指标

5.3 数学模型

    5.3.1 目标函数

    5.3.2 约束条件

5.4 求解方法

    5.4.1 总体求解思路

    5.4.2 水电调度层

    5.4.3 气电调度层

    5.4.4 火电调度层

5.5 实例分析

    5.5.1 工程背景

    5.5.2 计算结果及分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

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

作者简介

文章摘要:近年来,我国大力发展水电、风电等清洁能源以推动能源结构转型、应对环境和气候变化。我国清洁能源和负荷需求总体呈逆向分布的格局,因此西南和华中地区大规模的清洁水电通过多条直流联络线馈入东部负荷中心地区进行消纳。与此同时,东部地区本地的海上风电等新能源也源源不断地接入电网以推进发电侧清洁能源替代工作。但目前直流水电的送电方式并未考虑东部受端电网的负荷特性,往往会导致受端电网在负荷低谷时段被动消纳大量电力,再加上风电固有的随机性、波动性和“反调峰”的特性,使得以火电装机为主的东部地区电网面临着调峰能力不足、清洁能源消纳困难的巨大挑战。本文针对这一问题,围绕大规模清洁能源接入后的电网调峰问题,从区外水电和区域直调电站跨区跨省调峰调度与含风电电力系统多电源协调优化调度两个方面开展深入研究,前者在于利用电网互联互通的优势全方位的挖掘电网的调峰能力,尽可能削减电网峰谷差,提升电网清洁能源的消纳能力,而后者旨在通过抽水蓄能、水电、气电等多种常规电源与风电的协调互济实现对风电随机波动性的互补,进而提升电力系统的动态调峰响应能力,解决大规模风电并网以及并网后的电网有功功率平衡问题。具体研究内容如下:（1）针对直流水电“不调峰”甚至“反调峰”的送电方式,建立了高压直流送端水电站的短期优化调度模型,旨在充分挖掘大功率水电站的调峰潜力,削减受端电网的峰谷差,提升受端电网的清洁能源消纳能力。除传统的水力约束外,模型还充分考虑了机组运行约束、水头影响和高压直流联络线输电限制。针对模型中非线性的调峰目标函数、机组发电水头、机组运行组合振动区、机组动力特性曲线以及高压直流联络线的阶梯化输电曲线限制等非线性因素,提出了相应的线性化处理策略,将原混合整数非线性规划（mixed-integer nonlinear programming,MINLP）模型转换为混合整数线性规划（mixed-integer linear programming,MILP）模型,然后使用商业优化求解器Gurobi对模型进行求解。实例结果表明,通过优化送端水电站的调度运行和送电方式,有效响应了各受端电网的调峰需求,而且能够满足直流联络线的输电限制,提高了直流送电计划的可执行性,实现了送端水电站、高压直流联络线和受端电网的跨区协调运行。（2）对于以火电装机为主的东部地区电网,利用区域电网直调的抽水蓄能电站对多个省级电网同时进行削峰填谷是缓解这些电网调峰压力、提升电网清洁能源消纳能力的一种极为有效的手段。本文以区域多个省级电网剩余负荷峰谷差最小为目标,综合考虑了水库运行约束、机组运行限制、电力约束和水头变化对抽水蓄能机组发电及抽水特性的影响,构建了以机组为基本调度单元的区域电网直调抽水蓄能电站短期调峰调度模型。重点针对抽水蓄能机组的水轮机动力特性曲线这一非线性二元函数,提出了一种更加精确、高效的三角形内部线性插值方法。同时结合其他非线性约束的线性化处理策略,将高度非线性、非凸的抽水蓄能电站多电网调峰问题转换为MILP问题。模型应用于华东电网直调的4座抽水蓄能电站的短期发电计划制作,结果表明,该模型能够充分发挥抽水蓄能电站的负荷跟踪能力,缓解了各个省网的调峰压力,有效助力了区外水电及区内风电等清洁能源的消纳。（3）海上风电基地开发模式下大功率风电的随机性和强波动性对电网的安全经济运行产生了极为不利的影响,为此本文提出了风电-抽水蓄能电站联合调度策略,旨在通过抽蓄电站的调峰填谷作用,平衡风功率的随机波动,有效促进风电消纳。首先从电网维持稳定运行和风电发电商提高收益的需求出发,提出了一种电网和发电商协调机制下的风电-抽水蓄能电站联合互补调度模式,旨在通过行政和经济双重手段促使风电-抽水蓄能电站联合体的实际总出力曲线与提交的计划出力曲线相吻合,提升风电的可调度性。在此基础上,采用场景分析技术对风电出力的不确定性进行建模分析,并充分考虑抽水蓄能电站的运行特性,构建了以联合体发电收益最大为目标的风电-抽水蓄能电站协调运行的MILP模型,然后采用商业优化求解器LINGO对模型进行求解。算例分析结果表明风电和抽水蓄能的联合调度能够有效抑制风电的出力波动,显著提高风电场-抽蓄电站联合体的发电收益,对于送电出力偏差的惩罚系数和电网实行的电价机制的敏感性分析结果也可为风电场和政策制定者提供参考。（4）针对大规模风电并网后系统的调峰能力不足、风电消纳困难的问题,提出了基于动态调峰裕度的风-水-气-火电力系统协调调度方法。首先,综合考虑各类电源的运行特性,以及负荷和风功率的波动性和随机性影响,提出了动态调峰裕度指标,以优化分配发电侧有限的调峰资源来应对大规模风电接入后带来的不利影响。然后,以动态调峰裕度为约束,以调度期内污染物排放总量最小为目标,构建了风-水-气-火多源协调优化调度模型。为降低问题求解的复杂性,基于分层求解的思想,将模型分解为风电、水电、气电、火电4个优化调度层,并提出了集成变尺度优化方法、改进的日启停调峰运行方法和耦合启发式机组组合的IPSO算法的总体求解框架,实现了多种电源的分层优化协调。我国东部某省级电网短期调度的模拟运行结果表明,所提方法在保证风电完全消纳的同时,有效降低了系统的备用冗余和污染物排放水平。

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