第1章绪论
随着国家将风电场和太阳能光伏电站的集群入网控制策略的研究列入国家“863计划”，有关多种可再生能源电力互补集群并入电网的研究显得越来越重要。本文就是针对含大规模风光互补电力的电力系统动态经济调度的相关问题进行了研究。
1.1课题研究的意义和背景
随着世界能源供应紧缺、环境污染日益严重，人们对可持续发展的清洁新能源越来越重视。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或者地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，充分合理的利用新能源对于解决当今世界的环境污染问题和资源（特别是化石能源）的枯竭问题具有重要意义。风能和太阳能均属于新能源中的可再生能源及清洁能源，风力发电和太阳能发电的充分合理应用对于解决未来能源电力紧缺和缓解环境污染的严峻形势，显得尤为重要。全球的风能资源约为27400亿KW,其中可利用的风能为200亿KW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据估计，2020年全球风力发电的总装机容量将会多达12.5亿KW，可以承担全球12%的负荷⑴。我国的西北、华北和东北的草原和隔壁以及我国的近海具有丰富的风能资源，到2020年我国的风电装机容量将达到20GW，被列为13个未来最大的风电市场之一。太阳能是一种非常丰富、源源不断的清洁能源，被誉为是理想的发电能源。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40min照射在地球上的太阳能便足以供全球人类一年能量的消费。目前我国在北方和西藏地区已规划建设多座大型的太阳能光伏电站[2]。由于风力发电和光伏发电具有随机性、不确定性的特点以及相应技术上的约束，我国风力发电和太阳能光伏发电的发展在装机容量上其利用率还不到2/3,而且在其中能够发电并网的电量上就更少[3]。单独的风电由于随机波动间歇性的特点，有时候还表现出反调峰的不良特性以及相应技术上的约束导致风电并网代价较高。而太阳能光伏发电虽然供电稳定性相对较高，但是目前其发电成本还较高。由于风能、太阳能受地理条件、气象环境影响很大，大多数情况下，夏秋两季风力资源贫乏，白昼风速下降，风力发电量下降；春冬太阳能辖射量降低，夜间无太阳辐射，太阳光伏发电不足。风能与太阳能在时间和空间上的互补性，弥补了风电和光伏发电独立系统在资源利用上的缺陷，大型风光互补发电系统是可再生能源极有前途的一种高效利用形式，决定了风电和光伏电力互补集成后入网会比单一的风力发电或太阳能光伏发电更为高效[4，5],功率输出较为平稳，增加电网对于风能和太阳能的吸收接纳程度。电力系统动态经济调度本身就是一个多变量、多约束的非线性问题，风电场和太阳能光伏电站的输出功率受制于自然条件，目前是不可控制的，其发电并网后进一步增加了现行电力系统的复杂程度和不可控因素量。随着国家政策对于环境污染和节能调度的逐步重视，电力系统中的一大批能源利用效率低、排污严重的火电机组被逐步关停，导致系统中的可控机组的数量严重减少。大规模的风电场和太阳能光伏电站注入电网功率的不可预测性和间歇波动性会对电网的安全稳定运行造成不良的影响，需要系统中时刻备有一定容量的旋转备用来弥补风电场和光伏电站出力低谷时的负荷需求。研究含大规模风光互补电力的电力系统动态经济调度问题可以应用系统中现有的可控火电机组快速的应对系统中的负荷、风电和光伏电力这些不可控量的变动情况，减弱风电场和太阳能光伏电站的出力波动所带来的影响，提高风电和光伏电力的并网穿透率，同时以最快速经济实用的方式来满足系统中的负荷需求。因此，研究含大规模风光互补电力的电力系统动态经济调度问题具有很大的前瞻性和实际意义。
1.2风光互补发电系统的研究现状
风能、太阳能都是不稳定、不连续的能源，多应用于缺乏电网覆盖的区域，需要配备相当大的储能装置，或者釆取多能互补的方法，以保证稳定的供电。我国处于季风气候区，风能和太阳能具有天然的互补优势，一般白天风小夜晚风大、晴天风小雨天风大、春季冬季比夏季秋季风大，而太阳能辖射量则刚好是白天比夜晚多、晴天光照好雨天光照少、夏秋两季的光照强度和持续时间要强于春季和冬季。风电场和光伏电站互补集成后接入大电网，会明显比单一可再生能源电力如风电具有更可靠的稳定性，会提高其整体的穿透率，使得可再生能源电力的利用率大大提高。简单的说，我国风光互补发电系统经历了离网型的小型独立式风光一体发电系统、并网型的分布式小型风光一体发电系统和并网型的远距离风电场与光伏电站集成互补入网系统和目前比较流行的微网系统[6，7]。小容量风光互补发电系统多为风光一体的发电装置，或者是距离较近多为KW级，以离网型居多，需要有蓄电池配合供电，由于蓄电池高昂的价格和蓄电池容量的限制使得离网型的风光互补发电系统承载负荷较小[8]。其中的小容量并网型风光互补发电系统由于容量小承担负荷较少其出力振荡对系统的影响很小。大规模风光互补发电系统多为独立的风电场和独立的光伏电站进行远距离互补集成并入大电网，多为MW级，接入电网后由于其穿透率的相对较高，当其整体出力间歇波动时会严重影响系统运行的稳定性和安全性。
第2章风力发电和太阳能光伏发电的稳态建模
可再生能源发电尤其是风力发电和太阳能光伏发电，已经成为了我国发展可再生能源电力的重要方向。风能和太阳能分别通过风力发电机系统和太阳能光伏电池阵列发电系统转换为电能，某地某天的风能资源和太阳能福射资源受当地自然天气状况的影响而时刻变化着，只能人为预测而不能控制改变。风力发电系统和太阳能光伏阵列发电系统输出功率的多少分别各自取决于风速和光照辐射强度及温度的强弱高低。大量的风力机发电系统形成了风电场，大量的光伏电池阵列通过合理的组合形成了太阳能光伏电站。研究含大规模风光互补电力的电力系统动态经济调度首先必须对可再生能源发电系统输入输出量的稳态关系构建数学模型。容量系数反映了风力机从风频谱中捕获可用能量的效率，容量系数是评价风力机现场实际运行性能的重要参数之一。某给定风场风能转换系统的容量系数可以定义为风力机的实际输出电能与风力机全部时间都在额定功率下运行时的输出电能的比值。通常情况下，容量系数都以年为基数來计算。选用能效合适的风力机，可以很好的幵发潜力风场的容量系数大致在0.24~0.4之间。容量系数为0.4或者更高意味着风力机系统和风场处的风力分布匹配非常好。工程上，确定项目的初始阶段很可能没有给定风电场风力机的容量系数相关信息。一般应用近似容量系数，可以通过风电场平均风速和风力发电机的输出功率曲线来计算。由功率曲线可以求得平均风速下的功率，用该平均功率除以风力机的额定功率，即为近似容量系数。对一个风电场来说，有时候能提供最大容量系数的系统并不一定是最经济的方案。对于一个风频谱较强的风电场，两个同样叶轮面积但不同发电机尺寸的风力机，发电机小的风力机该风电场的容量系数更大，发电机大的系统虽然容量系数较低，但是其输出的电能较大。因此，发电机大的风力机系统的经济性也许更好。
第3章含风光互补电力的电力系统动态......... 16
3.1风电场和光伏电站并网对电力系统......... 16
3.1.1对电力系统稳态频率的影响......... 17
3.1.2对电力系统旋转备用容量的影响......... 17
3.1.3对电力系统运行经济成本的影响......... 18
3.2动态经济调度数学模型......... 18
3.3本章小结......... 24
第4章高速动态经济调度算法与系统......... 25
4.1机组组合 .........25
4.2等耗量微增率准则......... 26
4.3高速动态经济调度算法分析......... 31
4.3.1高速动态经济调度算法的推导......... 31
4.3.2高速动态经济调度主算法......... 37
4.4风电场和光伏电站互补出力调度策略......... 39
4.5本章小结......... 42
第5章算例分析......... 43
5.1系统算例参数 .........43
5.1.1系统中参与运行的火电机组......... 44
5.1.2系统中的负荷和可再生能源......... 44
5.2不考虑惩罚项的算例分析......... 46
5.2.1机组出力情况分析 .........46
5.2.2算法分析与比较......... 48
5.3考虑惩罚项的算例分析......... 4
5.4应用风光互补出力调度策略......... 50
5.5本章小结.........55
结论
随着能源危机和环境污染的日益严峻，太阳能和风能作为主要的两种清洁可再生能源，一方面由于其无污染、可再生的特性，早已成为世界各国发展新能源的重点方向。但另一方面由于其天然的间歇波动和不易调度性，使得大规模的单一的风电并网和光伏电力并网给电力系统经济调度带来了更多的不确定性因素。风资源和太阳能源在时间和空间上均具有互补特性，随着国家将风电场和太阳能光伏电站集群协调控制的研究纳入国家“863”计划项目，将来会有更多的可再生能源电力集群互补并网。电力系统动态经济调度问题是一个含有多变量、多约束的优化难题，风电场和光伏电站互补并网进一步增加了问题的复杂性。本文在参考了国内外大量文献的基础上，综合考虑电力系统调度运行的安全可靠性和经济性建立了风光互补电力并网电力系统动态经济调度模型。运行高速动态经济调度算法进行优化求解，并提出了风光互补出力调度策略，依次对3个算例进行了计算分析。在研究过程中所完成的主要工作和成果如下：
1.针对风速和太阳辐射强度的随机波动间歇性的特点以及常规火电机组对环境造成污染，引入了备用容量惩罚因子和环境污染惩罚因子，建立了风光互补电力并网的电力系统动态经济调度数学模型，在保证系统安全稳定运行前提下实现周期内总发电成本费用最小化；
2.以等耗量微增能率准则为核心，分析和推导了高速动态经济调度算法的计算流程。根据风电场和光伏电站的天然互补特性，提出了风光互补集成并网出力调度策略。在保证系统算法快速处理具有实际可操作性的前提下，提高风电和光伏电力的并网利用率。
3.应用MATLAB软件编程实现了对风光互补电力并网的电力系统动态经济调度问题的求解。针对本文算法的优越性同其他优化算法进行了分析求解，本文算法能够快速的对于系统中“广义负荷”的波动性提前做出机组出力调整。同时就系统中惩罚因子和风光互补出力调度策略的影响作出了相应的算例分析。验证了本文所建立的风光互补电力入网电力系统动态经济调度问题的数学模型的合理性，在保证系统安全运行的前提下，使系统的调度出力发电总成本最小化，具有较高的实际应用价值。
参考文献
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