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适应市场环境的多时间尺度优化调度研究

时间:2017-03-17 19:31来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文在双边交易模式下,基于极限场景方法处理风电功率预测偏差问题,以购电费用最小为目标函数建立了适应日前市场的机组组合模型.
第一章  绪论 
 
1.1  选题背景及意义 
2002 年,国务院颁布了《电力体制改革方案》(国务院 5 号文件),对我国电力工业市场化影响深远。自 5 号文颁布以来,电力行业逐步解除了独家办电的体制桎梏,厂网不分、政企不分与指令性计划体制等问题从本质上得以改变,电力工业市场主体多元化的竞争格局得以初步形成。电力工业由于电力市场化的有序实施而快速发展,截止 2014年底,全国发电装机总量达到 13.6 亿千瓦,发电量达到 5.5 万亿千瓦时,电网 220 千伏及以上线路回路长度达到 57.2 万千米,220 千伏及以上变电容量达到 30.3 亿千伏安,发电能力与电网规模稳居世界第一[1]。市场体系逐步趋于多元化,发电侧引入竞争机制,成立了多区域、多种所有制的发电企业;电网方面,在原有国家电网与南方电网的基础上,相继成立了内蒙古电网等地方电网企业。同时进一步落实可电网企业主辅分离方案,将原属于电网企业的勘探设计、电力施工与装备修造企业剥离出来进行重组合并,创立了中国电建与中国能建两家特大型国有企业。电价形成机制随着电力工业市场化的不断发展而不断完善,发电上网标杆价在发电环节得到成功运用,大部分省的输配电价则在有序地核定中。同时,居民阶梯电价、惩罚性电价、差别电价等电价机制的出台大大完善了销售侧的计价方式。在电力市场化交易方面,相继开展了竞价上网、大用户与发电企业直接交易、发电权交易、跨省区电能交易等方面的试点和探索[2]。 但随着电力行业与经济的不断发展,诸多矛盾与问题日益突出,电力行业发展还面临一些亟需通过改革解决的问题。首先,电力体制改革滞后,交易机制缺失,发电侧引入的竞争机制所带来的效益并未完全带给终端用户,资源利用效率不高,社会福利未实现最大化。售电侧并未建立可行的竞争机制,电力消费者与发电企业的电力交易被制度化隔离,市场交易受限,不利于电力行业进一步的发展。节能高效环保的电力资源未实现市场化优化配置,弃风、弃光现象经常发生,电源与电网建设不协调,区域性窝电与电荒并存;另一方面,现行的电价定价机制仍以政府主导为主,还没有完全形成市场化的电价定价机制,电价调整往往滞后成本变化,发电成本、环境成本和市场供需状况难以通过电价得到合理体现。深化电力体制改革对于保障我国能源安全,提升电力企业竞争力,促进社会经济发展意义重大。
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1.2 国外市场平衡机制介绍 
按照售电侧竞争程度的开放程度由低至高排序,世界上主要的电力市场交易模式大致可以分为五种:单一购电模式(1+N)、联营体模式(Pool)、双边交易模式(Bilateral)、联营体与双边交易混合模式(Pool+Bilateral)、零售竞争模式(Retail)[3]-[4]。在欧美等国的电力工业市场化进程中,发电侧的竞争通常是最先开放的,在进入单一购电模式(“1+N”)后将该模式作为向其他更为成熟的电力市场交易模式的过渡,随着经济的发展以及供电侧市场的不断完善,逐步向零售竞争模式发展。我国尚处于电力工业市场化初级阶段,电力批发市场主要由中长期市场和现货市场构成。多年、年、季、月、周等时间尺度上的电能量交易和可中断负荷、调压等形式的辅助服务交易主要在中长期市场中开展,日前、日内、实时电能量交易和备用、调频等辅助服务交易则主要在现货市场中进行。容量市场、电力期货和衍生品等形式的交易则需在电力市场机制相对成熟时进行探索。 市场环境下,发电企业、电网公司、配电公司和用户等市场主体以经济关系取代了垄断环境下的垂直一体化关系,德国、北欧和美国等电力市场通过引入平衡市场,平衡电网在实际运行中的供需不平衡,取得了成功的运行经验[5]-[6]。适应市场环境下的调度机制是集中调度的电力系统与完全分散运行的电力市场间的衔接点,这是电力市场发展的一个趋势[7]。 以德国为例,德国电力消费总量居于欧盟首位,由于煤炭资源丰富,德国长期依赖煤电,自 90 年代起,德国开始推行能源转型政策。2015 年,清洁能源发电量占德国总发电比例约 30%,其中风电 13.3%、光伏发电 5.9%、生物质能发电 6.8%、水电 3%。高额的补贴与全额上网的保障机制吸引促使德国新能源技术快速发展,在新能源消纳方面,德国电力企业通过调节现货市场实现对风电等间歇性新能源的调峰调频。德国以平衡结算单元为主体进行电量平衡,电力市场以日前、日内现货市场与多级调频辅助服务市场协同合作的方式进行。德国的输电网企业(TSO )主要通过日前市场实现市场主体间的电力交易,同时所有符合 EEG 标准的风电都可以直接在现货市场中的日前市场以固定价格交易。调度部门根据功率预测结果、日前市场交易情况制定日前发电计划,实现风电调峰的主要任务。
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第二章  电力市场环境下优化调度理论基础 2
 
2.1 引言 
市场机制引入的初衷是为了带来更多的社会效益。美国在 1980 年与 1995 年前后相继实现了航空工业与电信工业的市场化运行,飞机票价与电话费用逐年下降并趋于平稳。但我国电力市场运行从 1996 年开始,迄今还看不到电价大幅下降的迹象,我国电力工业市场化在研究、实践、评估与改进中曲折前行。与航空,钢铁等其他行业相比,电力系统运行具备如下特点: 1. 很高的存储成本; 2. 存在输电约束,输电损耗; 3. 潮流与合约间并没有逐一的对应关系; 4. 需要中央协调,如需要多级调度机构之间相互协调。传统电力工业是按发、输、配、售垂直一体垄断模式运行的。我国现阶段电力市场体系的特点是在发电侧引入了充分的竞争,输电侧由政府监管并按固定回报率的理论运行,配电侧仅仅引入了有限的竞争。无论是否存在电力市场,电力系统的正常运行都需要统一协调。这项运行协调业务一般是由一个“运行协调中心”负责的。传统电力工业中,这个“运行协调中心”就是调度机构。2015 年 12 月,电改配套文件之一的《关于电力交易机构组建和规范运行的实施意见》颁布,该文件规划未来需有序组建相对独立的区域和省(区、市)交易机构。区域交易机构包括北京电力交易中心(依托国家电网公司组建)、广州电力交易中心(依托南方电网公司组建)和其他服务于有关区域电力市场的交易机构。调度和交易的业务将分开在不同的机构实现,电力市场中调度和市场的主要业务如表  2-1 所示。 
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2.2 多种服务在多级电力市场中的调度问题 
文献[41]将典型的市场模式划分为中长期合约市场、日前有功现货市场、日前辅助服务市场以及日内与实时市场。如图  2-1 所示。中长期交易市场中,用户和发电厂商可通过“边际电价”的方式签订多年、年、季、月、周电量交易合约。在电力交易机构,电能按照报价从低到高的顺序逐一成交,同时电力交易中心对各报价发电厂在对应报价下的电量按从低到高逐个累加,累加至某个发电厂的竞价电量恰好符合负荷需求时,该发电厂的报价就是系统该时段的边际电价,电力交易中心以此电价与参与市场交易的发电厂进行结算,如图  2-2 所示,阴影部分电量中标。中长期市场主要开展多年、年、季、月、周等日以上电量交易和可中断负荷、调压等辅助服务交易[42]。其中合约电量并不包括电能供应的时间或时间段,发电计划将在日前市场中制定。 日前市场中机组启停、运行费用的计算可以效仿传统调度,区别在于日前市场使用报价曲线而不是费用曲线。日前市场中不仅包括机组运行时的电量报价曲线,机组同样可对开停机费用和空载费用进行报价。中长期交易市场中签订的合约电量填充日前发电计划中的基数电量,在日内与实时市场中购买不足的部分。在日前市场发电方报价曲线、开停机和空载费用报价费用已知的情况下,日前市场根据次日负荷预测与功率预测结果,在充分满足双边交易、系统安全约束与消纳大规模风电的基础上制定次日发电计划。同时还需考虑电网的运行方式,进行安全校核,确保调度计划的可行性以及电网运行的安全性、经济性。 
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第三章  日前机组组合出清模型 ....... 24 
3.1  引言 ..... 24 
3.2  双边交易的定义 ....... 24 
3.3  日前机组组合出清模型 ...... 25
3.4  处理大规模风电波动的极限场景 ............ 28 
3.5  基于安全校核与校正处理网络阻塞 ........ 30 
3.6  算例分析 ........ 32
3.7  本章小结 ........ 43 
第四章  日内和实时市场调度模型与策略 ............. 44 
4.1 引言 ...... 44 
4.2 日内滚动调度策略 .... 45 
4.3  日内滚动调度策略 .............. 45
4.4  实时市场环境下的调度策略 ......... 48 
4.5  算例分析 ........ 49
4.6  本章小结 ........ 55 
第五章  结论与展望 ..... 56 
5.1  结论 ..... 56 
5.2  展望 ..... 57 
 
第四章  日内和实时市场调度模型与策略
 
4.1 引言 
由于日前市场中的负荷预测与功率预测不可避免地存在较大误差,在日内市场中,调度机构将在日前发电计划的基础上,根据最后申报的合同与实时更新的负荷与功率预测结果选择增加或者减少机组出力,维持系统的平衡。同时还需考虑电网的运行方式,进行安全校核,确保调度计划的可行性以及电网运行的安全性、经济性,不断对日前计划进行修正,使机组总出力不断逼近负荷需求,可以认为日内市场是联系日前市场和实时市场(实际运行)的桥梁。 实时市场环境下的调度是在一个静态时间断面上,对日内市场环境下的滚动计划调度结果的进一步修正,根据超短期负荷预测及超短期功率预测计算出下一时刻的功率偏差,将这部分功率偏差提前分配到常规机组,以实现常规机组参与功率调整的功能。 本章在日内市场环境下建立了基于鲁棒调度的日内滚动调度策略与和模型[51],[52],如图  4-1 所示,以 4h 为时间尺度修正日前机组组合计划,确保了常规机组消纳大规模风电的能力。
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结论 
 
随着电力体制改革 9 号文、电力体制改革 6 大配套文件和 3 套配套细则的出台,我国电力工业市场化已处于深入推进阶段。本文在参考国外电力工业市场化进程中经验和方法的基础上,围绕着如何建立适应市场下的电力系统优化调度策略与模型展开研究,对电力市场交易与调度的关系及框架设计进行了讨论,设计了适应日前市场环境下的日前机组组合出清模型,适应日内市场的日内滚动调度模型和适应实时市场的实时调度策略。主要成果及结论归纳如下: 
1.世界上绝大多数国家都是按照由大用户到小用户的顺序,分阶段、逐步地放开用户选择权,开展双边交易,进而开放售电侧市场。市场环境下的优化调度亟需处理日益增长的双边交易。本文以修改后的 IEEE39 节点系统为算例,在日前市场以购电费用最小为目标函数建立了针对双边交易模式下的火电、水电、风电、气电多类型能源机组组合模型,分析了不同双边交易电量条件下系统的购电成本、启停计划、各机组出力,对比各类型能源出力及参与双边交易机组的出力,可以发现参与双边交易可以使发电企业增发电量或者获得保障性发电电量,但随着双边交易电量的增加,火电机组间的出力分配将逐渐偏离最优出力方案,增加系统总的购电费用。 
2.  双边交易与跨区域电能交易的日益增多可能会导致严重的网络阻塞问题,威胁电力系统运行的安全性,基于安全校核对可能发生的传输线路阻塞进行校正,对修改后的IEEE39 节点系统进行潮流计算以及静态稳定限额等数据获得断面的越限情况,采取优化算法对双边交易计划或发电计划进行优化调整,确保交易计划与调度计划的顺利实施。
3.为进一步减少风电间歇性与波动性对电网的影响,基于极限场景法建立了日内滚动调度计划,构成了 4h 时间尺度的滚动调度策略,与日前市场机组组合模型协调,有效地逐级消除风电的波动性。通过与传统调度方式对比购电成本及可能出现的功率缺额,得出了基于极限场景法的多时间尺度调度模型以损失一定的经济性为代价换取了对风电场出力不确定性的适应能力。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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