大規(guī)模風電爬坡有限度控制研究

【摘要】：隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)“電能替代”和“清潔替代”的提出,風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電方式將變得更加重要。風力發(fā)電作為一種較為成熟的技術(shù),近年來取得了迅猛發(fā)展,風電滲透率穩(wěn)步提升,成為電力系統(tǒng)不可或缺的電源。風力發(fā)電一方面為電力系統(tǒng)帶來了清潔能源,另一方面,其自身出力的波動性和不確定性又給電力系統(tǒng)的運行帶來了挑戰(zhàn)。我國大規(guī)模高集中度的風電接入方式提高了風電遠距離跨區(qū)域消納的能力,但也使得發(fā)生大規(guī)模爬坡事件的風險增大。風電爬坡事件是一種短時大幅度的功率變化事件,這種爬坡事件的發(fā)生會使電力系統(tǒng)短時出現(xiàn)較大功率不平衡,甚至引發(fā)大規(guī)模停電事故,對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成沖擊。當前電力系統(tǒng)為最大程度消納風電,往往限制常規(guī)機組出力,這種方式降低了電力系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)峰能力。一旦發(fā)生大規(guī)模的風電爬坡事件,常規(guī)機組調(diào)節(jié)能力有限,將會極大的增加電力系統(tǒng)運行風險。為降低爬坡事件對電力系統(tǒng)的不利影響,降低常規(guī)機組在風電爬坡事件過程中的調(diào)節(jié)壓力,提高風電的控制能力,研究大規(guī)模風電爬坡有限度控制策略變得日益迫切。在全面綜述現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,本文基于分層協(xié)調(diào)、區(qū)域競爭的思想,從集中調(diào)度,區(qū)域競爭以及多源互補三個層面,構(gòu)建大規(guī)模風電爬坡有限度控制體系,解決風電爬坡的不確定性和大波動性問題。首先從集中調(diào)度層面,提出了一種基于機組狀態(tài)分類的風電爬坡控制策略。其次,從區(qū)域競爭層面,提出了一種基于競爭博弈的風電爬坡協(xié)同控制策略,引入競爭博弈理論,構(gòu)建競爭博弈機制,通過支付矩陣推導(dǎo)納什均衡點整定提出的風電場貢獻度指標,以評價風電場在競爭中的貢獻程度,引導(dǎo)其參與競爭分攤計劃出力。然后,提出了基于博弈的風電場群協(xié)同控制策略,在風電場貢獻度的基礎(chǔ)上,給出了風電場調(diào)控收益函數(shù),實現(xiàn)風電場收益的分配,推導(dǎo)給出了一種多時段納什均衡條件,并整定調(diào)控收益函數(shù)。最后,從多源互補的層面,提出了風光儲聯(lián)合系統(tǒng)功率滾動優(yōu)化與實時控制策略。所開展的主要研究工作和獲得的創(chuàng)新成果如下：1)提出了一種基于機組狀態(tài)分類的風電爬坡有限度控制方法。提出了應(yīng)對爬坡事件的有限度控制方法基本框架——預(yù)防控制、爬坡控制和恢復(fù)控制。預(yù)防控制優(yōu)化整個風電基地的出力水平,為爬坡控制階段提供一定的風電“備用”；爬坡控制挖掘風電的控制潛力,協(xié)調(diào)不同機組狀態(tài)下風電機組的出力,改善風電基地爬坡特性；恢復(fù)階段實現(xiàn)風電出力的有序恢復(fù)。根據(jù)極端天氣發(fā)展過程以及在極端天氣下風電機組的控制性能,將風電機組分為六類不同控制性能的機組。在爬坡控制下,根據(jù)風電機組的分類狀態(tài),制定風電機組的優(yōu)先順序級,有針對性的協(xié)調(diào)控制各類機組,合理分配各類風電機組的功率調(diào)整計劃,挖掘不同機組狀態(tài)風機的控制潛力。同時,為充分調(diào)動控制性能較好風電場參與爬坡控制的積極性,基于各類機組的比例,提出了風電場可控系數(shù)和不可控系數(shù),并基于各類機組調(diào)控計劃、風電場可控系數(shù)和不可控系數(shù),優(yōu)化給出風電場功率調(diào)整量。仿真算例驗證了所提控制策略的有效性。2)提出了一種基于競爭博弈的風電爬坡協(xié)同控制策略,旨在改善風電爬坡特性。首先詳細闡述了風電出力不確定性對風電有功控制的影響,引出風電場群協(xié)同控制的優(yōu)勢以及存在的問題,指出風電場群協(xié)同控制的難點在于不同利益主體風電場的利益分配。引入競爭博弈理論解決風電場利益分配問題,構(gòu)建了競爭博弈機制,風電場在虛擬電廠(風電場群)內(nèi)部競爭分攤出力計劃。基于風電場的功率調(diào)整量以及功率支撐能力,提出了風電場貢獻度指標,以評價風電場在競爭中的貢獻程度。基于支付矩陣推導(dǎo)出納什均衡條件,并整定風電場貢獻度指標,使得有效調(diào)整的博弈策略成為納什均衡點,以引導(dǎo)風電場在競爭中采取對風電場和電網(wǎng)均有利的博弈策略,在實現(xiàn)風電場利益最大的基礎(chǔ)上,保證虛擬電廠能夠較為精確地跟蹤計劃出力指令。3)提出了基于博弈的風電場群協(xié)同控制策略,旨在降低風電場群的控制偏差。在風電場貢獻度的基礎(chǔ)上,進一步提出了風電場調(diào)控收益函數(shù),實現(xiàn)風電場收益的分配。在所提控制策略中,將風電場的計劃細分為基值計劃和調(diào)控計劃,風電場申報競價獲得基值計劃,風電場根據(jù)基值計劃完成情況,獲得發(fā)電收益；在完成基值計劃的基礎(chǔ)上,風電場可參與風電場群調(diào)控計劃的競爭,以獲得自身的調(diào)控計劃,進而獲得調(diào)控收益,調(diào)控計劃的完成有助于提高整個風電場群跟蹤計劃的能力,改善爬坡特性。最終通過推導(dǎo)給出了一種多時段納什均衡條件,并整定調(diào)控收益函數(shù),保證風電場能夠積極的響應(yīng)風電場群的調(diào)控需求。仿真結(jié)果驗證了所提策略的有效性。4)提出了風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率滾動優(yōu)化與實時控制策略。在線滾動優(yōu)化建立了聯(lián)合系統(tǒng)總的平均有功功率偏差最小、儲能電站充放電次數(shù)最少和優(yōu)化末段儲能電站剩余電量最大的優(yōu)化模型,通過NSGA-Ⅱ算法求解,給出風／光／儲分鐘級的計劃出力曲線。有功實時控制實現(xiàn)風／光計劃出力微調(diào)和儲能電站實時控制,風／光計劃出力微調(diào)模塊根據(jù)實時風速和光照等信息,平衡計劃超額；儲能電站動態(tài)給出功率上限,提高了應(yīng)對風／光爬坡的能力。 【關(guān)鍵詞】：風電爬坡 有限度控制 機組分類 競爭博弈 風光儲
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要12-15
• ABSTRACT15-19
• 第1章 緒論19-33
• 1.1 研究背景與意義19-20
• 1.2 風電爬坡研究現(xiàn)狀20-27
• 1.2.1 爬坡事件定義20-21
• 1.2.2 風電爬坡事件的成因以及危害21-25
• 1.2.3 爬坡事件預(yù)測、預(yù)警以及決策25-26
• 1.2.4 風電爬坡有限度控制26-27
• 1.3 風電爬坡預(yù)測、預(yù)警、決策以及有限度控制體系27-30
• 1.4 本文的主要工作30-33
• 第2章 基于機組狀態(tài)分類的風電爬坡控制策略33-48
• 2.1 引言33-34
• 2.2 有限度控制34-37
• 2.2.1 有限度控制框架34-35
• 2.2.2 機組狀態(tài)分類35-37
• 2.3 爬坡控制方法37-44
• 2.3.1 爬坡控制的基本原則37-38
• 2.3.2 爬坡控制實現(xiàn)方法38-44
• 2.4 仿真結(jié)果與分析44-47
• 2.4.1 算例系統(tǒng)44-45
• 2.4.2 未考慮預(yù)防控制的控制效果45-46
• 2.4.3 考慮預(yù)防控制后的控制效果46-47
• 2.5 小結(jié)47-48
• 第3章 基于競爭博弈的風電爬坡協(xié)同控制策略48-73
• 3.1 引言48-49
• 3.2 風電有功控制49-52
• 3.2.1 風電出力不確定性對控制的影響49-51
• 3.2.2 風電場群協(xié)同控制分析51-52
• 3.3 基于競爭博弈的風電爬坡協(xié)同控制框架52-54
• 3.4 競爭博弈機制54-59
• 3.4.1 競爭博弈理論54-56
• 3.4.2 風電場貢獻度56-57
• 3.4.3 調(diào)整量的界定57-58
• 3.4.4 貢獻度的計算58-59
• 3.5 納什均衡59-62
• 3.5.1 納什均衡的存在性59-60
• 3.5.2 納什均衡的推導(dǎo)60-62
• 3.5.3 K1和K2的靈敏度62
• 3.6 仿真結(jié)果與分析62-72
• 3.6.1 控制模式62-63
• 3.6.2 風電下爬坡場景63-69
• 3.6.3 風電上爬坡場景69-72
• 3.7 小結(jié)72-73
• 第4章 基于博弈的風電場群協(xié)同控制策略73-91
• 4.1 引言73-74
• 4.2 風電場群協(xié)同控制框架74-75
• 4.3 風電場收益函數(shù)和調(diào)整量75-79
• 4.3.1 風電場收益函數(shù)75-77
• 4.3.2 調(diào)整量定義77-79
• 4.4 納什均衡79-81
• 4.4.1 納什均衡推導(dǎo)79-81
• 4.4.2 納什均衡簡化81
• 4.5 仿真結(jié)果與分析81-89
• 4.5.1 仿真算例說明81-82
• 4.5.2 控制模式82-83
• 4.5.3 控制效果比較83-86
• 4.5.4 納什均衡的有效性86-87
• 4.5.5 不同博弈策略對應(yīng)的調(diào)整量87-89
• 4.6 小結(jié)89-91
• 第5章 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率滾動優(yōu)化與實時控制91-107
• 5.1 引言91-92
• 5.2 風光儲聯(lián)合系統(tǒng)控制模型92-93
• 5.3 輸出功率在線滾動優(yōu)化93-98
• 5.3.1 目標函數(shù)93-95
• 5.3.2 約束條件95-96
• 5.3.3 在線求解方法96-98
• 5.4 有功實時協(xié)調(diào)控制98-103
• 5.4.1 有功實時協(xié)調(diào)控制基本思路98
• 5.4.2 有功協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)方法98-103
• 5.5 仿真結(jié)果與分析103-106
• 5.5.1 算例系統(tǒng)103
• 5.5.2 正常運行模式103-105
• 5.5.3 短時過載模式105-106
• 5.6 小結(jié)106-107
• 第6章 結(jié)論與展望107-110
• 參考文獻110-117
• 致謝117-118
• 作者在攻讀博士學(xué)位期間的研究成果118-120
• 附件120

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