第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
绿色能源是指像太阳能，水能，海洋能一样不污染环境或污染少的的能源，其最大特点是生产过程中不排放或很少排放对环境有害的废气和废水等污染物。绿色能源的开发与利用作为能源开发的一场革命正在世界各国如火如荼的展开。在这些绿色能源中，风能是一种可再生、无污染、储量极其丰富，取之不尽、用之不竭的绿色能源来源，无需开采，运输成本，因此大规模使用风力发电是解决能源短缺，减少污染物排放，改善环境质量的有效手段。在北美，美国和加拿大是风力发电最好的国家。
根据美国风能协会(american windenergy association)AWEA 的风能市场报告显示，到 2010 年底，全美国已安装风力发电装机容量超过 35000MW，风力发电能力供给 2009 年新增发电量的 39％。近年来，在加拿大，风力发电能力的增长更为可观。据统计，加拿大已成为全球风力发电量排名第九的国家。印度是亚洲排名第二的风力发电大国，其风力发电产业发展规模，发展速度和瓶颈与中国有很多相似之处。为了促进本国的经济发展，全年国内生产总值保持 7~8％的增长率，相当一部分人口没有电可用。日本是一个落后的风力发电的国家。日本从 20 世纪 80 年代建设风力发电设备，1990 年风力发电能力只有3000KW，1997 年年底增加至 17MW，1999 年 3 月，共有 77 个风力发电厂发电能力为 31MW。日本的目标是到 2010 年风力发电能力提高到 300MW。我国风力发电的发展是从 20 世纪 80 年代中期开始的，到 2010 年底累计建成 30多个风电场，装机容量 4.47 万 MW。由于风速和风向的随机变化的自然特性，且大型风力发电机组不具备储能功能，因而风力发电机的输出功率是随机变化的。由于风力发电的不稳定性和随机性，以及风力发电装机容量在系统中的不断增加，要求电力系统调整相应的运营方式和调度计划，以保证含风电场电力系统运行的安全性和经济性。
我国的风能资源丰富，西北、华北、东北、内蒙古、和东南沿海地区都具有发展大型风电场的潜力。根据全国 900 多个气象站将陆地上离地 10m 高度资料进行估算，风能资源总储量约 3.226TW，可开发的风能资源储量为 0.253TW，而近海风能资源约为陆地的 3 倍。由此可见，风能资源在我国蕴含丰富，开发潜力巨大，并且随着化石能源的日益枯竭以及人类对保护生态环境的重视，风能资源必将在未来能源结构中扮演一个重要的角色。
不仅如此，由于政府大力提倡发展可再生资源，并制定了发展可再生能源的倾斜政策，我国风电正在进入大规模发展阶段，各大电力公司也开始了在风能开发上的规划与实施，风力发电设备的国产化工作也进行得如火如荼，国产化的兆瓦级风电机组已经开始试运行和投入生产，大型风电设备制造技术得到了极大的突破。而且，国外风电公司也加快了在国内建设风电设备制造厂的进程，随着风电设备的制造、论证、研究和开发技术的发展，风电成本会不断下降，这将进一步推动风力发电进入一个良性的循环发展。
风能规模开发和利用主要是风力发电。2008 年底，我国风力发电的装机容量是12210MW；2009 年底，我国新增风力发电的装机 10129 台，容量 13803.2MW，年同比增长 124%；累计风力发电的装机 21581 台，容量 25805.3MW，年同比增长 114%；图 1-1 显示了 2002~2010 年我国风力发电的装机容量的变化，截止 2010 年，我国（不包括台湾地区）新增安装风力发电机组 12904 台，装机容量 18927.99MW，年同比增长 37.1%。
第 2 章 含风电场的经济调度基本概念及优化算法
风力发电的成本低而且几乎不产生温室气体排放，风力发电的主要利用形式是大型风电场的并网运行。风能在成为缓解传统化石能源枯竭和环境破坏问题的必然选择之一的同时，一个亟待解决的课题也被提了出来，即含风电场的电力系统经济调度。研究含有风电场电力系统的经济调度问题应考虑电力系统经济性的同时减少污染气体的排放量。
2.1 电力系统经济调度
电能是由一次能源经加工转换成的能源。开发和利用电能，是人类征服大自然过程中所取得的非常大的成就。自从发明了电，消除了黑夜对人类生活和生产劳动的限制，大大延长了人类用于创造财富的劳动时间，改善了人们的劳动条件，丰富了人们的生活。在现代文明中，人们把电看得与空气和水一样重要，这不仅是因为电可以使愉快的家庭晚餐和谐，使电视机成为生活中不可或缺的一部分，而且可使电气火车奔跑，让工厂机器轰轰转动。如果没有了电能，可以想象将不会存在现代文明社会。
在电力系统中，由于各个发电厂的类型不同，有的是火力发电厂，有的是水利发电厂或风力发电厂；即便是同一类发电厂，由于锅炉和汽轮机的形式和蒸汽参数、燃料来源，或水轮机的形式和水头高低等的不同，它们的经济型也会各不相同。在如此千差万别的机组之间怎样将电力系统有功负荷分摊给各机组，才能使电力系统总的能源消耗最低，这就是电力系统经济运行的任务。
第3章电力系统经济调度............................ 27-39
3.1电力系统动态经济调度............................ 27-32
3.1.1 目标函数............................ 27-29
3.1.2 约束条件 ............................29-30
3.1.3 风电场有功出力预测............................ 30-31
3.1.4 粒子群算法流程图............................ 31-32
3.2 算例分析............................ 32-38
3.3 本章小结............................ 38-39
第4章多目标低碳电力系统调度............................ 39-52
4.1低碳电力系统调度目标函数 ............................39-41
4.1.1 发电成本 ............................39-41
4.1.2 污染气体的排放量............................ 41
4.2 约束条件............................ 41-42
4.2.1 功率平衡约束............................ 41
4.2.2 运行约束 ............................41-42
4.2.3 常规火电机组爬坡速率约束............................ 42
4.2.4 旋转备用容量约束............................ 42
4.3 算例分析............................ 42-50
4.4 本章小结 ............................50-52
结论
电力系统动态经济调度问题是一个高维、非凸、非线性、多约束的优化难题，含风电场的电力系统进一步增加了问题的难度，电力系统的动态经济调度具有很大的经济效益。本文建立了含风电场的电力系统低碳调度单目标和多目标模型，将风险成本和碳排放成本考虑到模型中，运用改进的多目标粒子群优化算法进行求解，所做的主要工作和结论总结如下：
(1)对电力系统动态经济调度建模过程进行深入研究，电力系统经济调度是考虑到功率平衡约束条件，机组出力限制约束条件，影响阀点效应约束条件，旋转备用成本等非线性优化问题。
(2)在常规电力系统经济调度模型基础上，考虑风险成本和碳排放成本，实现保证安全稳定运行和风电最大化利用的前提下实现总发电成本费用最小。提出改进的粒子群优化算法，对 IEEE-13 机组测试系统进行了仿真验证。并与基本粒子群算法进行对比分析，验证了改进的粒子群优化算法的可行性和有效性。
(3)基于风电的随机性对系统安全运行产生的风险折换成成本加入到系统总成本中，并考虑限制火电机组的碳排放量，建立考虑风险成本的含风电场的多目标电力系统低碳调度模型，并利用改进的多目标粒子群优化算法进行算例验证。结果表明含风电场的电力系统运行减小了系统运行的燃料成本，同时也最大限度的限制了火电机组的碳排放。