1、 本科毕业设计（论文） 题目：含大规模并网风电的电力系统鲁棒经济调度 学 院 电力学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 I 摘要 在化石能源日益枯竭的今天，风能作为一种清洁能源得到了日渐广泛的应用。电力系统的结构越来越复杂，并网风电的随机性和间歇性必然会给电网调度带来困扰。本文就如何采用有效的调度方法消纳风电的不确定性、保证电力系统安全稳定运行进行研究。 本文采用基于极限场景法的鲁棒调度方式来消纳风电的波动性，并运用非线性原对偶内点法求解鲁棒调度模型。极限场景对处在风电波动区间内的所有误差场景具有完全代表性，如果鲁棒经济调度的解能够适应极限场景，必然也能适应
2、所有的误差场景。通过对 10机组系统的算例分析，发现当风电波动较大时，确定性调度方式可能无法在短时间内调整机组出力来维持系统的功率平衡。然而，鲁棒调度方式能在短时间内完成场景的过渡，使系统功率保持平衡。换言之，确定性调度方式无法适应风电出力的不确定性，而鲁棒调度对风电的不确定性具有一定的免疫力。 虽然鲁棒经济调度能够在风电出力波动较大时仍然保持系统功率的平衡，但这是以牺牲调度的经济性为代价的。决策者在实际中还需要根据现实决策需要在安全性与经济性之间做出权衡。 关键词： 鲁棒经济调度；风电；内点法 II Abstract As a green and Renewable Energy, wind
3、 has been applied more and more widely in fossil energy increasingly depleted days. Since the structure of the power system is becoming more and more complex, the randomness and intermittent of wind power in the grid is bound to bring trouble to the Grid scheduling. In this paper, to ensure the safe
4、 and stable operation of power system, an effective dispatch method on how to deal with the uncertainty of wind power is studied. Based on the limited scene method, this paper uses the robust economic dispatch method to deal with the Uncertainty of wind power. The robust economic dispatch method is
5、solved by nonlinear primal-dual interior point method. Limited scene can represent all of the other scenes. If the robust dispatch can adapt the limit scenes, it certainly adapts all error scenes. By an example about 10-unit system, we can know when the actual output of the wind power is large diffe
6、rent from the predicted output, determined dispatch cannot keep the power balance of the system. However, robust dispatch can recover the power balance of the system in a short period of time by the transition of the scenes. In other words, determined dispatch cannot adapt to the uncertainty of wind
7、 power while robust dispatch having a certain degree of immunity to the uncertainty for wind power. Although robust economic dispatch is able to keep the power balance of the system when the actual output of the wind power is large different from the predicted output, this method is at the expense o
8、f the economy of the dispatch. In practice, policymakers also need to make decisions based on real trade-off between security and economy. Keywords: Robust economic dispatch, wind power, interior point method III 目录 摘要 . I Abstract . II 目录 . III 第一章 引言 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.1.1 新能源及风力发电的发展现状 . 1 1.1
9、.2 风电并网给电网经济调度带来的难题 . 2 1.2 国内外研究 现状 . 2 1.2.1 电力系统经济调度的研究现状 . 2 1.2.2 含有并网风电的经济调度研究现状 . 3 1.3 本文主要工作 . 3 第二章 电力系统经济调度 . 5 2.1 电力系统经济调度的定义 . 5 2.2 电力系统经济调度的数学 描述 . 5 2.3 备用容量 . 6 2.4 小结 . 7 第三章 内点法 . 8 3.1 引言 . 8 3.2 非线性原对偶内点法 . 8 3.2.1 非线性原对偶内点法的求解思路 . 8 3.2.1 非线性原 对偶内点法求解需要注意的几个问题 .12 3.3 小结 . 13
10、第四章 鲁棒经济调度基本原理 . 14 4.1 引言 . 14 4.2 鲁棒经济调度基本原理 . 14 4.2.1 鲁棒经济调度的定义 .14 4.2.2 鲁棒经济调度的一般模型 .14 4.2.3 鲁棒经济调度需要注意的几个问题 .15 4.3 小结 . 16 第五章 含风电电力系统的鲁棒经济调度 . 17 5.1 引言 . 17 IV 5.2 含风电电力系统的鲁棒经济调度方法 . 17 5.3 极限场景法 . 18 5.4 含风电电力系统鲁棒经济调度模型的建立 . 19 5.4.1 模型简介 .19 5.4.2 预测场景的模型表达 .19 5.4.3 误差场景的模型描述 .20 5.4.4
11、 鲁棒调度模型整合 .21 5.5 算例分析 . 22 5.5.1 算例简述 .22 5.5.2 风电渗透率为 10%时调度方式分析 .22 5.5.3 算 例分析结论 .27 5.6 小结 . 28 结论 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 1 第一章 引言 1.1 研究背景及意义 1.1.1 新能源及风力发电的发展现状 能源安全，受到世界各国的普遍重视。作为人类社会赖以生存的 “动力源泉 ”，能源问题关系到当今世界的战争与和平，关系到人类的生存与灭亡，理应得到全世界人民的共同关注。值得警惕的是，作为支柱能源的各种化石能源，在以不同的速度走向枯竭的境地，虽然各国研究人员目前还对化石
12、能源的 “终结日 ”莫衷一是，但可以肯定的是：化石能源越来越供不应求，正处于严峻的 “生态赤字 ”状态 1！ 目前，新能源的研究与运用风起云涌。核能发电技术相对成熟，但面对着越来越多的环境和安全方面的考验，特别是在 3-11 日本大地震后，世界范围内的核电发展趋 于谨慎；太阳能取之不尽，用之不竭，但不能连续发电，受气象状况影响大；生物质能、潮汐能等新能源更是没有得到推广。总的来讲，在世界范围内，新能源的发展还处于上升阶段，当下根本无法达到全面补充甚至替代化石能源的水平 2。 风能作为一种清洁无污染的新能源，越来越受到人们的重视。以欧盟为例， 2007 年，新增电力构成中，风电以 860 万千瓦
13、居首。如图 1-1 所示： 风力发电技术成熟，在可再生能源中成本相对较低，有着广阔的发展前景。风力资源分布广泛，应用灵活，可 以满足各种用电方式的需求。随着市场不断扩展，风电的成本也大幅度下降。在风能资源较好的地方，风电完全可以和燃煤电厂竞争，在某些地区甚至可以与燃气电力匹敌 3。 我国风电发展十二五规划对我国风电发展提出了更高的要求，到 2015 年，风电占全部发电量的比例要达到 3%，到 2020 年，更是要达到 5%4。目前，我国风力发电的各项技术与基础建设正以较快的速度发展，但由于风电的间歇性给电网调度造成了很大的困扰，860 820 120 21 18 -75 -120 -20002
14、004006008001000单位：万千瓦图 1-1 欧盟 2007年新增电力构成 资料来源：全球风能理事会风电发展展望， 2008 年 3 月 2 风电的大规模并网之路仍有坎坷。所以，对大规模风电并网后电网调度的研究就显得非常重要与迫切。 1.1.2 风电 并网给电网经济调度带来的难题 传统的电网经济调度是基于准确功率预测的经济调度，而风力强弱的不确定性导致了风电的间歇性，这给电网经济调度带来了三大难题： (1)风电功率预测难 调度的第一步是功率预测。对风电进行准确的功率预测在当前还未能实现，虽然世界各国学者都在努力提高风电预测的准确性，但结果仍然差强人意。我国的风电功率预测工作起步较国外晚
15、，对风电功率预测系统所需要的基础数据准备不够充分，对风电场气象信息的监测和收集技术不够成熟 5，想要准确预测风电功率仍有很多工作要做。 (2)风电出力控制难 风力受诸多自然条件的影响：海拔、温度、气候以及地形等，由于自然条件难以人为干预，所以风电出力自然难以人为控制。 (3)风电不可参与调度 受储能技术的制约，一般地，风电消纳采用 “全额上网 ”的策略，不能参与削峰填谷等调度行为。这样，电力系统的备用容量便要适应波动的风电出力，也即机组旋转备用必须保证风电出力最小时满足系统对备用容量的需求。这势必造成安全性与经济性的更大矛盾。 着眼于解决风电并网给电网调度造成的上述三个难题，国内外学者对此进行
16、了多方面研究。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 电力系统经济调度的研究现状 电力系统经济调度方法的研究向着两个方向发展： 一个是经典法，负荷分配的准则是等耗量微增率准则或平衡方程。这种方法物理概念明确，计算简单，但收敛性差，一般只适用于纯火电系统。 另一个是现代数学规划方法，有线性规划、非线性规划、动态规划、网络规划等。此种方法计算速度和收敛性都比经典法强，能较好地适用于水火电混合的系统，但物理概念没有经典法清楚，计算复杂。 由此可见，在处理复杂电力系统经济调度问题时，现代数学规划方法提供了更为全面的解决机制。 随着电力系统的日益复杂，解决电力系统调度问题有一个基本思路是：先分解 再协调。
17、将庞大的电力系统调度问题分解成若干个相互关联的子问题，灵活运用多种经济调度方法，3 将子问题各个击破，然后再将这些子问题协调整合，从而达到解决复杂电力系统调度问题的目的。这已经成为很多学者的共识 6。 1.2.2 含有并网风电的经济调度研究现状 并网风电的间歇性给电力系统经济调度带来了诸多难题，许多学者对此进行了大量研究，并取得了突破性的成果。 （ 1） 风电功率预测日益精准 电力系统要求风电功率预测系统应具有 048h短期以及 15min4h超短期风电场出力预测功能，预测误差一般不超过 20%5。 欧美国家，风电发展起步早，积累了较多原始数据，各种预测系统不断被开发出来。例如，西班牙国家电网
18、 2010 年 24h预报平均绝对误差（除以装机容量）在 4%以下，而 2005年时为 6%；德国 E.OnNetz地区的预报表明，从 2001 年到 2005 年全年 24h预报平均绝对误差（除以装机容量）由 10%降到 6.5%7。 我国的风电功率预测尚处于探索和研究阶段，不过已经有学者在不断努力提高我国风电功率预测的准确性。 （ 2） 处理风电不确定性的方法日益完善 由于受气象和地理环境的影响，风电的不确定性难以消除，所以，只能先考虑尽量减少风电不确定性带来的影响，从而达到维持电力系统安全稳定运行的目的。为此，科学家们做出了多方面尝试，提出了多类方法处理风电的不确定性： 一类方法是设置足
19、够的备用容量，不论风电出力多少，都能保证足够的电力供应。因此，旋转备用容量至少要等于 100%的风电容量，才能够绝对确保整个电力系统的安全。 这种方法虽然理论上可以完全保持系统的功率平衡，但是受到机组爬坡率的约束，也不能保证电网任何时刻都容量充足。另外，此法过于保守，由于风电出力不可能一直维持在额定功率附近，所以必然会造成备用容量的极大浪费。 另外，基于模糊集理论对风电不确定性进行建模被证明有效；随机优化技术也被一些学者应用于处理风电不确定性 8。 需要特别提到的是鲁棒优化技术。鲁棒优化模型考虑了所有的误差场景，从而保证了系统受扰时仍然能够稳定运行，正因为鲁棒优化模型对不确定性因素具有免疫力，
20、所以在处理风电不确定性时鲁棒优化受到了越来越多的关注 9。 1.3 本文主要工作 在基础理论学习和阅读多篇参考文献的基础上，对于具有并网风电的电力系统，本文建立了鲁棒经济调度模型，并运用原对偶内点法求解模型。通过算例进一步证明：鲁棒经济调度方法对风电的不确定性具有一定的免疫力。文章共分为五章，具体内容如下： 4 第一章首先介绍化石能源日渐枯竭的现状和新能源发展的趋势，然后指出风电并网给电力系统经济调度带来的困扰，最后阐释了国内外对电力系统经济调度的研究现状，引出鲁棒调度能够运用于处理风电不确定性的观点，为后文的研究做好铺垫。 第二章讲述电力系统经济调度的基础知识 ，提出电力系统经济调度的定义，
21、分别建立了静态经济调度和动态经济调度的数学模型，指出动态经济调度更加适合当前的电力系统。最后介绍了备用容量的知识。为下文的研究奠定了 “模型基础 ”。 第三章研究求解非线性优化模型的方法，指出用非线性原对偶内点法解决非线性优化问题非常有效。详细阐释了非线性原对偶内点法的求解思路和需要注意的问题，为下文的研究工作奠定了 “算法基础 ”。 第四章详细阐释了 “鲁棒 ”的含义，建立了鲁棒调度的一般模型，并提出了鲁棒调度需要注意的几个问题。树立了鲁棒调度的直观概念，为第五章详细介绍含风电的电力系统鲁棒调度铺好了道路。 第五章基于极限场景法正式建立了含风电场的电力系统鲁棒调度模型，利用 Matlab 语
22、言进行编程计算，核心算法为非线性原对偶内点法。通过算例证明了鲁棒经济调度对风电的波动性具有一定的免疫力。本文各章节内容及相互关系形象表示如下图： 第 一 章 ： 研 究 背 景 及 研 究 现 状第 二 章 ： 模 型 基 础 第 三 章 ： 算 法 基 础第 四 章 ： 鲁 棒 经 济 调 度 基 础第 五 章 ： 含 风 电 的 鲁 棒 经 济 调 度图 1-2 本文主要工作示意图 5 第二章 电力系统经济调 度 2.1 电力系统经济调度的定义 电力系统经济调度的定义可以表述为：在满足电力系统安全稳定运行的前提下，合理安排机组出力使发电成本最小。 电力系统经济调度需要考虑全系统的经济性，既
23、要经济地分配各发电厂的有功负荷，又要考虑电力网线损 10。 在数学上，如果将电力系统安全稳定运行的条件表示为约束方程，将发电成本表示为目标函数，那么电力系统经济调度问题便演变成在满足约束方程的条件下、求解目标函数最小值的优化问题。 2.2 电力系统经济调度的数学描述 在第一章已经论述过，现代数学规划方法比经典法更能适应复杂的电力系统经济调度问题。要实现数学规划首先便要建立数学模型。一般地，电力系统经济调度数学模型有两种形式：静态经济调度模型和动态经济调度模型。 （ 1） 静态经济调度模型 静态经济调度的目标在于，在满足约束条件的前提下，在一个时间段进行有功调度，从而使发电成本达到最小。该模型的数学表达式为： 1m in ( ) ( )Nn n nnf P F P (2-1) 1m in m ax0. N Lnnn n nPPstP P P (2-2) 其中， n发电机组号； N常规发电机组个数； nP发电机组 n输出的有功功率； ()nfP 总发电成本函数； ()nnFP发电机组 n的燃料成本函数； LP系统总负荷，通常取预测值； 发电机组 n的有功出力下限；
