第一章 绪 论
1.1 论文研究背景和意义
作为目前一次能源的主要部分，化石燃料的开采和燃烧使生态环境日益恶化，人们越来越清醒地认识到开发清洁可再生能源对环境保护的重要性和迫切性。在众多清洁可再生能源中，水能、风能和太阳能是利用相对较成熟、发展较为迅速的发电资源。水力发电成本相对较低，但存在投资高、建设周期长、对河流局部地质环境影响大以及溃坝风险等许多硬伤，其安全可靠性要求很高，在生态环保上仍有待考察；太阳能发电虽然使用起来看似清洁环保，但在硅晶片的生产和制造过程中，却存在着巨大能耗和严重污染，其实质是污染和能耗方式的转移；而风力发电，由于其较好的环境效益、丰富的存储含量、灵活的装机规模和较短的基建周期等优势，已受到世界各国越来越多的重视和利用。
作为低碳经济发展中的清洁可再生能源，虽然目前风力发电还处在投资高、效率低、并网难的诸多困境中，但近年来发展势头十分迅速，各项技术也逐渐成熟，其适应范围广、制约因素少、普及方便等众多优势将给风力发电带来更光明的发展前景。另外，相对于水能发电和太阳能发电，风力发电没有受到严格的地理地质条件限制和过多气候因素影响，更适合作为应对未来能源安全和气候变化压力的长期策略。作为电力系统安全运行和有序交易的必要保障，辅助服务是电力行业除正常提供电能生产、运输和交易外的额外服务，而备用服务是辅助服务的重要组成部分之一，它是为应对负荷预测偏差、电网运行故障和机组非计划停运等因素而预留的额外备用，可根据备用机组的运行状态分为旋转备用和非旋转备用。
由于风力发电具有随机、波动和间隙的自然特性，准确预测风电机组出力变得十分的困难。随着风电单机容量和风电场并网规模的逐渐增大，其对电力系统的影响也越来越大。为保证电网安全可靠的运行，大量不确定性风电功率的注入必然需要更多的旋转备用容量，这同时也增加了系统的运行成本。传统的旋转备用一般通过确定性方法求得，如取系统总装机容量的固定比例或系统中最大机组的单机容量，这些方法应用广泛，计算简单，但其经济性并不理想，且较少考虑不确定随机因素对旋转备用总量的影响，容易导致系统功率不平衡。
1.2 国内外风电的发展与现状
1.2.1 国外风电的发展与现状
自 19 世纪末到 20世纪初丹麦人首次研制风力发电机并建成世界第一座风力发电站到现在已经过了一个多世纪。经过百年时间，风力发电得到了长足的发展和进步，无论是上世纪 70 年代连续出现的两次能源危机，还是 90 年代人们对CO2等温室效应气体减排的重视，都加速了风电技术的不断提高。20 世纪末期，随着世界各国政府政策的支持和项目的推动，大规模风力发电进入商业化阶段，各类大型风机相继出现，许多商业公司不断壮大，各种优势资源在市场经济的竞争中被整合，以水平轴三叶片为代表的风力发电机更是成为了商业应用的主流。目 前 ， 世 界 风 电 装 机 容 量 发 展 迅 速 ， 世 界 风 电 总 装 机 从 2003 年 的3929×104kW 增长到 2009 年的 15789.9×104kW，年均增长 26%，2020 年全球风电装机容量预计将达到 6 亿千瓦。图 1.1 为全球风能理事会(GWEC)发布的世界风电市场装机数据，全球风电产业 2011 年新增风电装机容量达 41000MW，这一新增容量使得目前全球累计风电装机达到 238000MW，全球 75 个有商业运营的风电装机国家中，22 个装机容量超过 1GW，这也意味着，在当今世界经济的大环境下，风电将持续成为可再生能源发电技术的首选。
第二章 风力发电及其对电力系统的影响
2.1 风力发电的基本原理与特性
地面各处受到太阳辐射后气温变化的差异以及空气中水蒸气含量的不同引发了各地气压的不等，于是水平方向上高压空气向低压处流动就形成了风。而风能指的是地球表面上大量空气流动做功所产生的动能，它实质上是太阳能的一种转化形式。风能密度和风能可利用年累积小时数共同决定着风能资源。作为风能的主要利用形式，风力发电是将风所蕴含的动能转换为电能的一种工程技术，其过程是通过自然风推动风机的叶片来带动风机旋转，然后由风机转轴推动发电机产生电能。在此过程中，先是由风力机将风的动能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。
因此，发电机和风力机是风力发电机组中的两大核心部件，风力发电机及其控制系统的性能直接决定着电能的质量、发电系统的运行以及电网的稳定，风能的利用效率也直接反映了风力发电的技术水平。风电输出功率的大小与风速的高低直接相关，一般而言，三级风就有利用价值，但从风电的经济性角度出发，风速大于4m/s才适合来发电。为了充分利用风能资源，人们不断改进风电机结构来强劲其性能，风力发电机由恒速到变速，经历了定桨距到变桨距的变革，当前风电机的变速变桨距功率控制技术和发电机的变速恒频发电技术发展迅速，已得到成熟应用，双馈型感应风力发电机和直驱永磁同步发电机也越来越多的成为主要装配机型。
第三章 随机规划及条件风险理论.................................. 24-29
3.1 不确定性数学规划.................................. 24-25
3.2 风险价值与条件风险价值 .................................. 25-28
3.2.1 风险价值.................................. 25-26
3.2.2 条件风险价值 .................................. 26-28
3.3 条件风险理论的应用 .................................. 28
3.4 本章小结.................................. 28-29
第四章 含风电场电力系统旋转备用的优化.................................. 29-40
4.1 电力系统调度.................................. 29-33
4.1.1 电力系统调度的概念及发展.................................. 29
4.1.2 电力系统调度的特点.................................. 29-31
4.1.3 电力系统常用调度模型 .................................. 31-33
4.2 含风电场电力系统旋转备用模型的研究.................................. 33-34
4.3 基于条件风险价值的旋转备用优化模型 .................................. 34-37
4.4 含条件风险约束的风电系统调度模型 .................................. 37-39
4.4.1 建立模型.................................. 37-38
4.4.2 效益函数的 CVaR 计算值 .................................. 38-39
4.5 本章小结.................................. 39-40
第五章 算例仿真及结果分析.................................. 40-46
5.1 仿真系统.................................. 40-41
5.2 求解算法.................................. 41-42
5.3 算例结果及其分析.................................. 42-45
5.4 本章小结.................................. 45-46
结论
作为电力系统安全可靠运行的重要保障，旋转备用是保证电网功率平衡的主要措施。随着智能电网的建设和发展，以风能为代表的新能源越来越多的并网发电，它们随机、不可控的特性将加剧电网功率波动的程度，加上常规机组非计划停运及负荷预测误差的存在，这对电力系统旋转备用服务提出了更高的要求。为解决风电并网对系统功率平衡的影响，本文引入能够有效处理随机性问题的条件风险方法，对电力系统调度模型中的旋转备用约束进行优化，得到的主要内容和相关结论如下：
(1) 采用条件风险方法确定系统旋转备用总量不仅定量地处理了含风电系统旋转备用问题中风电出力随机性带来的影响，还准确地反映了系统中备用容量的实际充裕程度，同时也直观地描述旋转备用容量和系统调度费用之间的关系。
(2) 目标函数综合考虑了系统发电成本和旋转备用成本；对旋转备用函数取其CVaR值，得到计及随机性和置信水平的旋转备用值，将其计入正、负旋转备用约束中；模型求解过程采用Monte Carlo模拟和解析法相结合，快速简捷。
(3) 仿真计算表明，采用正、负旋转备用CVaR值比传统确定性方法计算得到的备用容量稍微大些，虽然备用费用增加，但可更大限度地利用风能资源，从而减少常规机组出力，因此调度总费用是更低的。
(4) 不同置信水平对应得到不同的旋转备用 CVaR值，置信水平越高，旋转备用值越大，说明旋转备用CVaR值的模型和方法刻画了系统备用容量与经济水平之间的关系。
论文虽然将条件风险价值在电力系统备用研究中做了一些创新性的探讨，但考虑的问题还不全面，本文只对所建模型进行了单时段的研究分析，未从多时段角度考虑优化模型，也未考虑发电机组爬坡速率、阀点效应和线路潮流约束等物理量之间的耦合关系和实际运行情况，研究的内容仍需不断深入。
条件风险方法不仅能够应用于风电输出功率对系统旋转备用计划的影响，而且可以处理电力系统中很多类似的随机因素，如潮汐能、太阳能、负荷预测误差、机组故障停运等；同时，电力系统中其他随机优化的问题也有很多，如电压稳定、频率震荡、经济调度以及随机性能源并网容量等，不论是电网安全范畴中对风险的度量，还是在电力市场领域内收益的评估，条件风险方法都能很好的对其进行处理和分析。