水电系统优化调度模型及方法研究

【摘要】：随着我国流域梯级水电站群逐渐呈规模化发展和电力市场化改革的推进,对于水电站水库优化调度的精细化建模和考虑市场竞争机制的建模将会带来更大的经济效益。在计划调度体制下,水电跨年调度方案的优化空间有待进行深度挖掘,对于提高水能资源利用效率、发挥水电在节能减排方面的优势,具有重要的现实意义。随着我国电力市场化改革道路日渐明晰,研究在市场机制下的中长期水电调度期末水位优化方案、短期水电调度的精细化建模、水电富集电力系统短期发用电一体化调度方案等,不仅具有学术价值,而且还具有良好的应用前景,将为我国发电企业参与市场竞争和充分发挥水电资源的价值提供理论分析方法。 在以上研究背景下,本文针对计划调度模式下长期梯级水电站的调度期末预留水位优化问题、市场价格机制下的中长期水电调度期末水位优化及水电站电能分配问题、考虑现货市场价格风险的短期水电优化调度问题以及水电富集电力系统的发用电一体化调度问题,开展了以下研究工作： (1)在计划调度模式下,针对梯级水电站调度期末预留水位优化问题,首先,借鉴经济学中的风险价值(value at risk, VaR)概念,计算在一定置信度下的第一个调度周期可靠来水流量；然后,构建以发电收益最大化为目标的梯级水电跨年随机优化调度模型,使得第一个调度期末预留水位能够适应第二个调度周期多种来水情况,并满足相应的运行约束条件；其次,采用条件风险价值(condition value at risk, CvaR)指标衡量发电收益风险,并建立将发电收益经济性与风险性统一的双层优化模型；最后,将模型进行线性化处理,针对所建混合整数线性规划模型的解算,提出了主、子问题一体控制的最优Benders分解方法。 (2)在市场环境下,首先,针对具有单水库的水电站的调度期末水位优化问题,研究各种场景约束条件下的水电调度期末水位优化与短期市场出清一体化决策框架,使发电商发电收益最大化。为此,构建以未来一个调度周期的水电收益最大化为上层目标、以各种场景下系统短期市场发电成本最小化为下层目标的双层优化模型,运用下层问题的KKT条件将问题转化为均衡约束数学规划问题(mathematical problems with equilibrium constraints, MPECs),运用强对偶理论将模型中的非线性项进行线性转换,从而将原模型转换为大规模混合整数线性规划问题,利用Benders分解法对模型进行求解。然后,针对水电发电商参与现货市场与双边交易市场的电能分配问题,以发电商收益最大化为目标,建立两阶段随机线性规划模型,即在第一阶段考虑购电方的需求价格弹性,优化双边交易量及交易价格,在第二阶段以调整发电量的方式进行补偿决策；同时考虑来水及现货市场电价的波动性,以CvaR对收益风险进行衡量,应用混合整数线性规划法对模型进行求解。 (3)在市场环境下,针对短期水电优化调度问题,首先,对现货市场电价进行仿真分析计算；然后,考虑水头对发电效率的影响,将二者之间的相互关系进行非线性建模,以充分挖掘水电发电收益；最后,以发电收益最大化为目标,构建考虑现货市场价格风险的短期水电优化调度模型,并采用混合整数非线性规划与混合整数线性规划相结合的方法对模型进行求解。 (4)针对水电富集电力系统中的发用电一体化调度问题,首先,以计划调度体制下的负荷调度为研究切入点,建立两阶段优化模型：1)在第一阶段,考虑用户用电能效,构建多目标数学模型,采用改进的NSGA-Ⅱ算法对模型进行求解,优化得到负荷调度次序以及调度目标值；2)在第二阶段,在分析负荷可调容量随机特性的基础上,提出考虑负荷调度目标完成率的决策模型。然后,在对价格响应负荷进行建模的基础上,构建考虑负荷调度的最优潮流(optimal power flow, OPF)模型,继而,将可中断负荷与价格响应负荷分别纳入系统的正、负旋转备用约束模型中,从全系统的角度,构建以社会效益最大化为目标的发用电一体化调度模型,采用原-对偶内点法对模型进行求解。 最后,通过算例计算分析,验证了所提优化调度模型和求解方法的正确性和可行性,为调度方案的实用化奠定了理论基础。 【关键词】：发用电一体化 水电调度 优化调度 调度模型 调度方法
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM73
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 论文背景及研究意义15-16
• 1.2 国内外研究综述16-24
• 1.2.1 水电站水库优化调度16-21
• 1.2.2 发用电一体化调度21-24
• 1.3 论文的研究内容24-27
• 1.4 论文的创新点27-29
• 第2章 考虑调度期末水位优化的梯级水电跨年随机调度29-46
• 2.1 引言29-30
• 2.2 水电站水库来水描述30-32
• 2.2.1 水电站水库来水随机特性分析30
• 2.2.2 第一调度周期来水描述30-31
• 2.2.3 第二调度周期来水描述31-32
• 2.3 梯级水电跨年随机优化调度模型32-38
• 2.4 求解方法38-41
• 2.4.1 求解两阶段随机规划模型的Benders分解法38-39
• 2.4.2 最优Benders分解法39-41
• 2.5 算例分析41-45
• 2.6 本章小结45-46
• 第3章 市场价格机制下中长期水电优化调度46-59
• 3.1 引言46-47
• 3.2 采用Benders分解法的调度期末水位双层优化模型47-53
• 3.2.1 双层优化模型介绍47
• 3.2.2 调度期末水位双层优化模型47-51
• 3.2.3 场景树的构建51
• 3.2.4 求解方法51-52
• 3.2.5 算例分析52-53
• 3.3 考虑需求价格弹性的水电站电能分配优化模型53-57
• 3.3.1 考虑需求价格弹性的电能分配优化模型53-55
• 3.3.2 算例分析55-57
• 3.4 本章小结57-59
• 第4章 考虑现货市场价格风险的短期水电优化调度59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 电价随机特性分析59-61
• 4.2.1 电价随机特性建模59-60
• 4.2.2 现货市场电价仿真分析60-61
• 4.3 考虑现货市场价格风险的短期水电优化调度模型61-63
• 4.3.1 数学模型61-63
• 4.3.2 水电转换关系的非线性建模63
• 4.4 求解方法63-64
• 4.5 算例分析64-67
• 4.6 本章小结67-69
• 第5章 水电富集电力系统发用电一体化调度69-91
• 5.1 引言69
• 5.2 计划体制下负荷调度模型69-83
• 5.2.1 基于标尺竞争机制的负荷调度模型70-72
• 5.2.2 采用改进NSGA-Ⅱ算法的负荷调度模型72-75
• 5.2.3 考虑负荷调度目标完成率的决策模型75-79
• 5.2.4 算例分析79-83
• 5.3 水电富集电力系统发用电一体化调度模型83-90
• 5.3.1 数学模型83-86
• 5.3.2 求解方法86-87
• 5.3.3 算例分析87-90
• 5.4 本章小结90-91
• 第6章 结论与展望91-93
• 6.1 结论91-92
• 6.2 展望92-93
• 参考文献93-103
• 术语表103-104
• 附录A IEEE-30节点系统网络图及参数104-107
• 附录B IEEE-32节点系统网络图及参数107-109
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果109-110
• 攻读博士学位期间参加的科研工作110-111
• 致谢111-112
• 作者简介112

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