論述電力系統(tǒng)旋轉備用_電氣工程畢業(yè)論文

1、<p>　　第1章 緒 論</p><p>　　1.1 課題的背景和意義</p><p>　　當前，隨著化石能源的持續(xù)消耗與環(huán)境的不斷惡化，大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為了世界能源發(fā)展的趨勢。風能具有清潔、安全、技術成熟、資源豐富的優(yōu)點，因而越來越受到世界各國的重視。近幾年，世界風力發(fā)電裝機總量保持了快速的增長，據(jù)BTM統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年全球風電累計裝機容量達到199.5

2、GW，年累計增速為25%。我國幅員遼闊，而且海岸線長，風能資源非常豐富。近年來，隨著我國政府對開發(fā)利用新能源的重視及一系列政策措施的支持，風電得到了非常快的發(fā)展。2010年，我國除臺灣省外其他地區(qū)共新增風電裝機18.93GW，保持全球新增裝機容量第一的排名。累計風電裝機容量44.73GW，全球累計裝機排名由2008年的第四位、2009年的第二位上升到第一位。目前我國有29個省、市、自治區(qū)（不含港、澳、臺地區(qū)）有了自己的風電場，其中風電累

3、計裝機超過2GW的省份有7個[1-3]。</p><p>　　按照我國風電可裝機容量1000GW 計算，到2010年底我國已開發(fā)風電裝機容量不到可裝機量的5%。我國目前規(guī)劃的7個千萬千瓦級大型風電基地，以及全國其他已經(jīng)規(guī)劃的項目，累計容量不過200GW，全部建設完成也僅占20%。由此可見我國風能資源開發(fā)潛力十分巨大。在已經(jīng)出臺的“十二五”規(guī)劃中，中國政府明確表明將按照“因地制宜、科學規(guī)則、系統(tǒng)配套、協(xié)調發(fā)展”的原

4、則，繼續(xù)推進風電的規(guī)模化發(fā)展。未來五年，由于政府政策的強力支持，中國將繼續(xù)引領世界風電的發(fā)展。據(jù)業(yè)內專家估計，2011—2015 年期間，中國的風電年平均增量在15～20GW之間。到2015年，全國累計并網(wǎng)運行風電裝機容量將達到100GW，年總發(fā)電量超過190TWh[4-7]。</p><p>　　然而，隨著風電規(guī)模的不斷擴大，風力發(fā)電對電力系統(tǒng)也帶來了新的挑戰(zhàn)。風力自身具有很強的隨機性和間歇性特點，風電場的運行

5、具有很大的不確定性，無法穩(wěn)定的輸出功率。電網(wǎng)接入風電場后，風電的不確定性可能會造成系統(tǒng)電能質量和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的下降。同時，由于現(xiàn)階段風電功率預測誤差仍較大，大規(guī)模風電接入電網(wǎng)會給電網(wǎng)的調度及發(fā)電計劃的制定帶來困難。國內外文獻均一致認為，風力發(fā)電給電力系統(tǒng)調度帶來的最大困難是由于其功率不可控的波動性。更深入的研究表明，大規(guī)模風電接入后，系統(tǒng)秒至分鐘級的自動發(fā)電控制(auto generation control，AGC)容量需求并沒有顯

6、著增加，但日內的調峰容量需求會隨著風電裝機容量的增加而顯著增長。因此擁有足夠靈活的可調節(jié)容量即旋轉備用是電力系統(tǒng)接納風電的先決條件之一[8-10]。</p><p>　　在電力系統(tǒng)運行中，為了防止由于負荷波動或機組隨機停運等原因造成的有功功率供需不平衡，必須配置一定的旋轉備用。旋轉備用的配置實質是系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性綜合決策的問題。當系統(tǒng)保有較高旋轉備用容量時，系統(tǒng)的可靠性較高，但經(jīng)濟性較差；反之系統(tǒng)的可靠性差

7、而經(jīng)濟性好。傳統(tǒng)的備用容量確定方法往往是取單機機組的最大容量或者負荷的固定百分比[11]。這些方法比較簡單，也得到了非常廣泛的應用。但是隨著風電規(guī)模的不斷擴大，負荷波動和機組的隨機停運已不再是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的最主要因素，若仍按傳統(tǒng)的備用配置方法可能難以抵消風電接入對系統(tǒng)調度帶來的沖擊。針對風電接入電力系統(tǒng)后，如何可靠經(jīng)濟的配置旋轉備用，對于風電的大規(guī)模接入和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行都具有重要意義。</p><p>　　1

8、.2 電力系統(tǒng)旋轉備用概述</p><p>　　1.2.1備用的分類</p><p>　　備用容量起著調節(jié)系統(tǒng)頻率，保持系統(tǒng)功率供需平衡的作用，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。根據(jù)國內外的研究，一般可將備用容量做如下分類：</p><p>　　1、若按備用容量的響應時間分類可將備用容量分為旋轉備用，非旋轉備用，替代備用，黑啟動備用，和自動發(fā)電控制等[12]。<

9、;/p><p>　　對于旋轉備用來說，其一般與電網(wǎng)保持同步，機組處于開機狀態(tài)，且十分鐘內就可成為可調度機組，功率調節(jié)能力較強；非旋轉備用并不與電網(wǎng)同步運行，但接受調度后其有能力在十分鐘之內啟動并提供功率；替代備用指的是有能力在一小時內被調度的發(fā)電機組；黑啟動備用是指當整個電網(wǎng)系統(tǒng)遭遇故障癱瘓，需要重新啟動時首先啟動以提供功率使系統(tǒng)逐步恢復的機組[13]。</p><p>　　2、若按備用容量的

10、配置作用分類，則可將備用容量分為負荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用等[14]。</p><p>　　所謂負荷備用，是指為應對短時負荷波動并以及計劃負荷增加而設置的備用；事故備用是在電力系統(tǒng)發(fā)生偶然性事故時使其免于嚴重影響，維持正常供電而配置的備用；檢修備用是保證發(fā)電設備定期檢修而設置的備用；除滿足當前負荷的需要設置的上述幾種備用外，電力系統(tǒng)還包括計及負荷的超計劃增長而設置的一定的備用，這種備用就稱為國民經(jīng)

11、濟備用[15]。</p><p>　　1.2.2旋轉備用的定義</p><p>　　一般的，旋轉備用是指運行正常的發(fā)電機維持額定轉速，隨時可以并網(wǎng)，或已并網(wǎng)但僅帶一部分負荷，隨時可以加出力至額定容量的發(fā)電機組。旋轉備用容量也可看作是發(fā)電設備可能發(fā)的最大功率與系統(tǒng)發(fā)電負荷之差，在機組組合問題中一般將旋轉備用容量表達為：</p><p><b>　　(1-1)

12、</b></p><p>　　式中為系統(tǒng)t時段的旋轉備用容量，和分別為系統(tǒng)t時段機組i的機組出力及機組狀態(tài)，N為機組數(shù)，為t時段的負荷值。</p><p>　　1.2.3 傳統(tǒng)的旋轉備用配置方法</p><p>　　傳統(tǒng)的旋轉備用配置方法主要有兩種：負荷百分比法和最大在線機組法。負荷百分比法是要求系統(tǒng)的旋轉備用容量必須高于各時段負荷的某個固定百分比；而最

13、大在線機組法則規(guī)定旋轉備用容量必須高于最大在線機組的容量，以保證當系統(tǒng)中某一機組發(fā)生隨機停運時系統(tǒng)有足夠的備用容量來應對功率缺額，這種方法也被稱為“N-1原則”。這兩種方法前者側重于負荷波動和預測誤差，后者側重于機組的隨機停運，雖然側重點不同，但是方法都比較簡單，在實踐中得到了非常廣泛的應用。</p><p>　　1.3 國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 備用的研究分類<

14、;/p><p>　　旋轉備用的配置與很多因素有關，如電網(wǎng)的結構、電網(wǎng)規(guī)模、負荷水平、負荷預測的精確性和機組及系統(tǒng)元件的可靠性水平等。隨著電力工業(yè)技術的不斷改進，運行理念和運行體制的不斷發(fā)展，旋轉備用的配置方案也在不斷變化。一般國內外針對旋轉備用的研究可主要分為以下幾類[16]：</p><p><b>　　1、采用確定性方法</b></p><p>

15、;　　確定性方法即傳統(tǒng)的旋轉備用配置方法，要求系統(tǒng)各時段旋轉備用高于負荷的某一固定百分比或者最大在線機組的容量。確定性方法簡單易實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的可靠性水平在一定標準，在實際中得到了廣泛的應用。</p><p><b>　　2、采用概率性方法</b></p><p>　　確定性方法沒有考慮機組停運或負荷波動的概率特性，因此有學者提出在對發(fā)電系統(tǒng)做概率分析的基礎配置備

16、用，保證系統(tǒng)各時段維持一定的可靠性水平。在實際中應用最廣泛的發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標主要有兩個：電力不足概率LOLP和電量不足期望值EENS。</p><p>　　3、采用成本效益分析的方法</p><p>　　在電力市場環(huán)境下，電力系統(tǒng)運營應堅持社會效益最大化的原則，平衡各方風險和利益。因此電力市場環(huán)境下一般通過成本效益分析來配置備用，其中成本為發(fā)電商的備用報價或其為了維持備用容量而放棄的機會

17、成本，效益則以用戶的期望停電損失表示。</p><p>　　4、采用隨機優(yōu)化方法</p><p>　　電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，運行環(huán)境日益復雜，諸如機組停運、元件故障和線路過載等因素造成的事故日益增多，采用隨機優(yōu)化方法配置備用就是研究各類隨機因素對未來運行狀態(tài)造成的影響，以未來運行狀態(tài)發(fā)生概率的權重來配置備用。</p><p>　　1.3.2 考慮風電的備用容量研究&

18、lt;/p><p>　　風電是一種清潔的可再生能源，與常規(guī)火電機組相比其在發(fā)電過程中并不需要任何燃料成本，而且不產(chǎn)生排放，長遠來看可以給電力系統(tǒng)帶來很多經(jīng)濟上和環(huán)境上的收益。隨著風力發(fā)電技術的不斷進步、風電規(guī)模的逐年擴大，為了能充分利用風能，保證風電接入后電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，必須配備額外的旋轉備用容量。旋轉備用容量的配置方案是一個可靠性與經(jīng)濟型綜合整體決策的問題，高備用意味著高可靠性和高成本，低備用意味著低成本和較低的可

19、靠性，在實際中單一的追求可靠性或經(jīng)濟性很簡單，但若要將其綜合協(xié)調考慮時則往往面臨困難。而且風電接入后不僅使系統(tǒng)變得更為復雜，需要考慮風電場這一增加的擾動源，而且以往基于負荷可知的調度和發(fā)電計劃的制定也需重新考慮。在這種情況下，針對風電接入后如何合理、可靠和經(jīng)濟的配置旋轉備用容量，國內外學者做了大量的研究工作。</p><p>　　文獻[17]指出風電功率預測的較大誤差使風電機組不像常規(guī)機組一樣可靠，隨著風電規(guī)模的

20、擴大，為了抵消風電帶來的功率波動，系統(tǒng)需維持與風電場容量相當?shù)男D備用。</p><p>　　文獻[18]研究了風力發(fā)電功率波動的概率分布及其波動的范圍，并以此為依據(jù)配置了不同響應時間及不同置信水平下的備用。</p><p>　　文獻[19]根據(jù)風電功率預測的水平，把風電場功率分為可靠功率和不可靠功率。其中可靠功率作為正常機組出力，不可靠功率則配置備用來抵消其不確定性。</p>

21、<p>　　文獻[20]使用機會約束的方法，基于風電預測誤差的概率密度函數(shù)建立了旋轉備用容量的獲取模型。通過設置約束條件，該模型反映了旋轉備用充裕水平對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。</p><p>　　文獻[21]考慮了風電場功率預測偏差和機組停運等因素對旋轉備用的影響，采用成本分析方法，將用戶停電損失并入到機組組合問題中，構建了以發(fā)電成本和用戶停電損失最小為目標函數(shù)的備用容量獲取模型。模型中沒有設定旋轉備用

22、約束，而是通過發(fā)電成本和用戶停電損失的自動平衡來設置備用容量。</p><p>　　文獻[22]考慮了負荷及風電功率預測偏差，對并入風電前后系統(tǒng)的備用情況差異性進行分析，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了一定參考意見。</p><p>　　文獻[23]提出了能夠應對負荷預測誤差、風電預測誤差和機組隨機停運的系統(tǒng)最優(yōu)旋轉備用容量確定方法，然后采用蒙特卡洛模擬將提出的方法與原有備用配置方法進行了比較

23、。</p><p>　　文獻[24]利用風電預測誤差等影響備用容量的不確定因素建立了備用容量和可靠性之間的函數(shù)關系。但是其缺陷在于確定的函數(shù)關系太過復雜，在機組組合中難以求解。</p><p>　　1.4 本文所做的工作</p><p>　　大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后，原有的旋轉備用容量確定方法已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運行的要求，系統(tǒng)需要額外安排旋轉備用來應對風電帶來的不確定

24、性。在參開國內外已有研究成果的基礎上，針對風電接入后如何合理、可靠和經(jīng)濟的配置旋轉備用，本文做了以下研究工作：</p><p>　　1、研究了風力發(fā)電預測誤差、負荷預測誤差和機組隨機停運的概率特性，并將其統(tǒng)一帶入到停運容量概率表中以計算風電接入后發(fā)電系統(tǒng)的可靠性指標；</p><p>　　2、研究了電力系統(tǒng)可靠性指標與旋轉備用容量之間的關系，并據(jù)此設置系統(tǒng)的旋轉備用容量，使得系統(tǒng)各時段的電

25、力不足概率始終低于一定水平；</p><p>　　3、針對風電波動性大的特點，根據(jù)已有的風電功率波動范圍的研究，設置一定的下調旋轉備用，以保證當風力發(fā)電大大多于預測值或出現(xiàn)極端波動情況時系統(tǒng)不至于切風機；</p><p>　　4、采用拉格朗日松弛法對機組組合模型進行求解以比較不同備用配置方案的可靠性和經(jīng)濟性，并編制了基于Matlab語言的機組組合程序。同時對算法和程序進行部分修改，使其能夠

26、處理帶有下調備用的機組組合問題。</p><p>　　5、對不同的備用配置方案進行比較分析，分析了本文可靠性指標方法與傳統(tǒng)旋轉備用配置方案的可靠性與經(jīng)濟性，并討論了下調備用容量的設置對機組出力及生產(chǎn)成本的影響。</p><p>　　第2章 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估</p><p>　　電力系統(tǒng)的安全可靠運行是保障連續(xù)穩(wěn)定供電的前提，關系到經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的大局。近些年隨

27、著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)的可靠性問題也顯得尤為重要。二十世紀六十年代，歐洲、日本、美國等國家陸續(xù)遭遇電力系統(tǒng)故障，導致大面積停電，從此學者們開始專注于電力系統(tǒng)可靠性的研究。1981年，北美電力可靠性委員會(NERC)在美國成立，日本和歐洲等當時的電力工業(yè)發(fā)達國家也開展了電力系統(tǒng)可靠性方面的工作。2000年至2001年的美國加州電力危機和2003年北美東部史上發(fā)生的最大規(guī)模的電力系統(tǒng)停電事故再次激起了人們對電力系統(tǒng)可靠性的研究熱

28、情。在我國，中國電機工程學會可靠性專業(yè)委員會于1983年成立，同年成立了的還有電力可靠性管理中心，這些機構開展了我國早期的電力系統(tǒng)的可靠性統(tǒng)計和研究工作。進入上世紀90年代，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力技術的進步，我國的電力系統(tǒng)可靠性研究和應用又有了新的發(fā)展。</p><p>　　2.1發(fā)電系統(tǒng)可靠性概述</p><p>　　電力系統(tǒng)可靠性（power system reliability）是

29、指電力系統(tǒng)按一定的質量要求和所需要的數(shù)量，安全穩(wěn)定的向電力用戶供電，以滿足其電力以及電能量需求的能力的度量。充裕度和安全性是電力系統(tǒng)可靠性的兩個方面。充裕度是電力系統(tǒng)滿足電力用戶電力及電能量需求的能力。充裕度又被稱靜態(tài)可靠性，指的是靜態(tài)條件下電力系統(tǒng)滿足電力用戶電力及電能量需求的能力。安全性主要是指電力系統(tǒng)能夠承受突然發(fā)生的破壞系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)的擾動的能力。相對于充裕度，電力系統(tǒng)的安全性也被稱為動態(tài)可靠性，即動態(tài)條件下電力系統(tǒng)能夠承受突

30、然擾動，并且安全穩(wěn)定的滿足電力用戶電力以及電能量需求的能力[25]。</p><p>　　電力系統(tǒng)的規(guī)模非常龐大，因此在研究上一般將電力系統(tǒng)可靠性分解為若干部分，包括發(fā)電系統(tǒng)可靠性、發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性、輸電系統(tǒng)可靠性、配電系統(tǒng)可靠性以及發(fā)電廠變電所電氣主接線可靠性等。電力系統(tǒng)的可靠性是用可靠性指標來度量的不同的子系統(tǒng)根據(jù)各自特點有各自專門的可靠性指標。</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)可靠性（g

31、enerating system reliability）是對統(tǒng)一并網(wǎng)后的全部發(fā)電機組按可接受的一定標準及期望數(shù)量，滿足電力系統(tǒng)負荷電力和電能量需求的能力的度量。確定電力系統(tǒng)為滿足用戶的電力及電能需求而所需的發(fā)電容量是研究發(fā)電系統(tǒng)可靠性的主要目的。電力系統(tǒng)所需的發(fā)電容量可以分為靜態(tài)容量和運行容量。靜態(tài)容量指的是對于整個系統(tǒng)所需發(fā)電容量的長期估計，一般可以考慮為裝機容量。靜態(tài)容量必須滿足的包括發(fā)電機組計劃檢修、非計劃檢修、非預計的負荷增長

32、和季節(jié)性的降低出力等要求。運行容量則是對能夠滿足一定負荷水平而所需的實際發(fā)電容量的短期估計。靜態(tài)容量和運行容量的判別首先是二者考慮的時間期限不同，而且靜態(tài)容量待確定的量是電力系統(tǒng)的合理裝機備用；而運行備用需要確定的量則是在短時間內系統(tǒng)所需要的運行備用（包括旋轉備用、快速啟動機組及互聯(lián)系統(tǒng)的相互支援等）。在電力系統(tǒng)規(guī)劃階段必須對上述兩方面都進行核算才能評價不同的電源發(fā)展方案。在做出決策后，短期容量的需求就成為電力系統(tǒng)運行時的重中之重。&l

33、t;/p><p>　　充裕度是發(fā)電系統(tǒng)可靠性的重要指標。發(fā)電系統(tǒng)充裕度，是扣除由于機組計劃和非計劃停運造成的出力降低后，發(fā)電機組在額定值和電壓水平的限度內滿足用戶電力及電能量需求的能力。傳統(tǒng)上用來衡量系統(tǒng)裝機容量充裕度方法有兩個，即按最大在線機組容量安排備用或按負荷的固定百分比來安排備用，或采用將此二者結合起來的方法。這些都屬于確定型的方法，應用起來比較簡單，主要的依據(jù)是長期以來積累的負荷預測資料、發(fā)電系統(tǒng)可靠性資料

34、以及規(guī)劃設計人員的經(jīng)驗等。若考慮機組間可靠性水平的差異，使用確定型的方法，難以保證系統(tǒng)在不同的機組組合狀態(tài)或不同時段里維持一致的可靠性水平。為此，有學者考慮從了機組的強迫停運及其他不確定因素的概率特性，提出了以概率分析為基礎的概率型方法，即電力不足概率法（loss of load probability，LOLP）及電力不足頻率和持續(xù)時間法（frequency and duration，F(xiàn)&D）。任何發(fā)電系統(tǒng)充裕度估計的概率方法

35、的基本原理與途徑上都大致相同，它主要由3部分構成，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2-1 發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析原理示意圖</p><p>　　分別得到發(fā)電系統(tǒng)模型及可靠性負荷模型并將其結合形成適當?shù)娘L險模型后，遍可計算出一系列電力系統(tǒng)可靠性指標。這些可靠性指標通常不考慮輸電網(wǎng)絡的約束，也并不反映某一特定用戶負荷節(jié)點的電力不足情況，但是能衡量作為一個整體的發(fā)電系統(tǒng)的充裕度。</

36、p><p>　　2.2停運容量概率模型的建立</p><p><b>　　2.2.1安裝容量</b></p><p>　　構成發(fā)電系統(tǒng)的各個元件是發(fā)電機組。系統(tǒng)內所有發(fā)電機組額定容量的總和稱為發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量（installed capacity）。安裝容量僅與機組的額定容量有關而與機組狀態(tài)無關，表示為：</p><p>

37、<b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中，為發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量，單位為MW，為機組的額定容量，單位也為MW。</p><p>　　2.2.2 可用發(fā)電容量</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)的可用發(fā)電容量（available generation capacity）是指系統(tǒng)中所有機組處于正?？捎玫臓顟B(tài)，并能連續(xù)帶滿負荷的容量。發(fā)電系統(tǒng)

38、的可用發(fā)電容量與機組的狀態(tài)有關。對一臺機組來講，有如下關系：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　2.2.3停運容量</b></p><p>　　當一臺機組處于停運狀態(tài)時，將其不能連續(xù)帶負荷的容量定義為該機組的停運容量（outage capacity），對一臺機組來說，有如下關系：&

39、lt;/p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　根據(jù)上述定義，可知對于系統(tǒng)中某一臺機組有如下關系：</p><p>　　ICi（安裝容量）=ACi（可用容量）+OCi（停運容量） (2-4)</p><p>　　對于一個系統(tǒng)有如下關系：</p><p>　　ICs（安裝容量）

40、=ACs（可用容量）+OCs（停運容量） (2-5)</p><p>　　若發(fā)電廠采用的是單母線系統(tǒng)，那么系統(tǒng)的可用容量為</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　系統(tǒng)的停運容量OCs為</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p&

41、gt;　　2.2.4采用遞推公式建立模型</p><p>　　1.確切狀態(tài)概率公式</p><p>　　某發(fā)電系統(tǒng)新增一臺機組后，其停運容量為X的概率可按下式計算：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　式中，C為新增加機組的容量，單位MW；r為新增機組的強迫停運率，可以根據(jù)統(tǒng)計資料等獲得；

42、為系統(tǒng)新增機組后停運容量為的概率；為原系統(tǒng)停運容量為的概率。</p><p>　　對第一臺機組，，當X<C時，。</p><p>　　式(2-8)推導如下：</p><p>　　記系統(tǒng)增加一臺機組后停運容量為的事件為A事件， A事件的子事件是A1A2；記系統(tǒng)增加機組前停運容量為的事件為B1事件，增加一臺機組前系統(tǒng)停運容量為的事件為B2事件；新增機組的停運容量為

43、0時記為事件C0，新增機組停運容量為C時記為事件C1。則有</p><p><b>　　。</b></p><p>　　事件A，B，C有如下關系：</p><p><b>　　即。</b></p><p>　　2.積累狀態(tài)概率公式</p><p>　　若系統(tǒng)原有若干機組，后又

44、新增加一臺機組，則新增機組后系統(tǒng)停運容量為的積累概率狀態(tài)為</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　本式所用符號r，C與上式相同。</p><p><b>　　2.3 負荷模型</b></p><p>　　負荷模型是發(fā)電系統(tǒng)可靠性估計中的基本模型之一，既可用不同階段的負荷

45、曲線表示，也可以用每月、每天、每小時的負荷分別表示。負荷是通過負荷預測得到的，而負荷預測不能保證完全準確，存在一定的誤差，因此負荷尚存在一定的不確定性。有兩種方法可以處理負荷的不確定性：一種是按負荷預測結果中的尖峰負荷計算可靠性指標，再用尖峰負荷出現(xiàn)的概率對可靠性指標進行加權平均處理；另一種方法則是把預測負荷看成服從某一概率分布的隨機變量，求出它的數(shù)學期望和方差。這樣處理后，求得的可靠性指標也是隨機變量，其數(shù)學期望值和方差也可根據(jù)停運容

46、量概率模型和預測負荷模型求出。</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)的可靠性估計中，可以采用兩種方法：一是采用積累負荷模型和確切停運容量模型；或者采用確切的負荷模型和積累停運容量模型。后者計算較為簡便，并且計算公式與停運容量模型的計算公式非常相似。</p><p>　　2.4發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標</p><p>　　評價發(fā)電系統(tǒng)的重要依據(jù)是可靠性指標，下面列舉了使用最為廣泛的

47、幾個可靠性指標。這些可靠性指標被許多國家應用來評價其發(fā)電系統(tǒng)可靠性，具有很強的代表性。</p><p>　　(1)電力不足概率(Loss of Load Probability)</p><p>　　電力不足概率簡稱LOLP，是指系統(tǒng)有效發(fā)電容量不能滿足負荷需要的時間概率。即：</p><p><b>　　(2-10)</b></p>

48、;<p>　　其中為停運容量，為系統(tǒng)的備用容量。</p><p>　　工程上應用的通常是電力不足期望值(LOLE)而不是電力不足概率指標(LOLP)，但兩個指標在本質上是一樣的，在大多數(shù)文獻中對其并沒有做嚴格區(qū)分。電力不足期望值的具體表達式為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　若負荷模型采用的

49、是日最大負荷作為年持續(xù)負荷曲線，那么式（2-11）中的T為365天，電力不足期望值的單位為天/年；如果負荷模型采用的是日負荷曲線，那么式（2-11）中的T為8760小時，此時電力不足期望值的單位則為小時/年。當采用的負荷模型為日負荷曲線時，電力不足期望值對系統(tǒng)具體情況如系統(tǒng)內水火電比例和系統(tǒng)大小等等并十分不敏感。LOLP實際上是指電力不足的期望時間，也稱為電力不足風險，LOLP能判斷系統(tǒng)裝機容量不能夠滿足負荷需要時間的概率。LOLP概念

50、清楚，計算簡單，在考慮了負荷曲線特點、可靠性要求及區(qū)域差異后，有關研究指出我國LOLP標準可以設定為12小時/年。</p><p>　　(2) 電量不足期望值(Expected Energy Not Supplied)</p><p>　　電量不足期望值即EENS，指的是由于機組強迫停運等原因導致系統(tǒng)的可用容量不足而無法滿足用戶電能需求量的期望值，是電量不足概率法的另一種表示方式，用公式可

51、以描述為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　式中為裕度的概率，可將上式變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　式中為研究周期，單位為。EENS是使用戶損失的用電量，所以用來計算停電損失。</p><p&g

52、t;　　(3) 電量不足概率(Loss of Energy Probability)</p><p>　　電量不足概率即LOEP。電量不足概率法考慮的是由于預測尖峰負荷超過系統(tǒng)可用發(fā)電容量而使用戶無法得到供給的電量。電量不足概率法的可靠性指標記為LOEP，是由于預測尖峰負荷超過系統(tǒng)可用發(fā)電容量而導致系統(tǒng)無法供給負荷的電量與需要系統(tǒng)供給負荷的總電量的比值。</p><p>　　(4) 頻率及

53、持續(xù)時間(Frequency and Duration)</p><p>　　有些行業(yè)的電力用花如化工、冶金等對停電事故的頻次很敏感。因此在70年代中期有關學者提出同樣應采用停電事故的頻率及持續(xù)時間作為發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標。頻率和持續(xù)時間法，簡稱F&D，相比之前介紹的幾種方法，其所用的停運容量模型和負荷模型一般要考慮日負荷曲線的變化，因此更為精確。頻率主要是指系統(tǒng)不能滿足用戶電力需求的事件在某一單位事件內重

54、復出現(xiàn)次數(shù)的期望值。而持續(xù)時間則是指系統(tǒng)有效容量不能滿足負荷需求狀態(tài)的期望時間。系統(tǒng)停電累積頻率可以表示為：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　停電持續(xù)時間D定義為:</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　此方法的缺點在于要求的數(shù)據(jù)

55、太多，而且計算復雜，因此其在工程上沒有其他幾個指標應用普遍。</p><p>　　2.5電力不足概率的計算</p><p>　　目前，電力不足概率法是發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估中被最廣泛采用的方法。本文研究的是計及風力發(fā)電的旋轉備用容量問題，采用的負荷模型是每小時的預測負荷，因此采用LOLP的可靠性指標更加合理。</p><p>　　得到機組容量停運表后，電力系統(tǒng)可靠性指標

56、LOLP可由下式計算得到：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　式中為停運容量，為旋轉備用容量。</p><p>　　2.6 可靠性指標與備用容量的關系</p><p>　　確保電力供應的可靠性關系到經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的大局，是至關重要的問題。近年來，我國經(jīng)濟持續(xù)快速增長，但電力系統(tǒng)裝機

57、容量卻出現(xiàn)了相對不足的情況，許多省份電力供不應求，甚至需要拉閘限電，制約了經(jīng)濟的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中配置備用的目的主要是為了提高系統(tǒng)運行的可靠性、減少停電事故，因此備用對電力系統(tǒng)的安全可靠運行起著重要的作用。電力系統(tǒng)備用容量與其可靠性水平之間緊密相關，對系統(tǒng)可靠性水平的評估可以作為調整備用容量的依據(jù)。上述的各種指標各有其特點，雖然分別有各自的優(yōu)勢和局限性，但卻分別從不同的角度反映了系統(tǒng)的可靠性情況。在實踐中，往往是通過多個指標來描述一個系

58、統(tǒng)可靠性的各個方面，使這些可靠性指標之間可以相互彌補。</p><p>　　目前，電力不足概率法是評估發(fā)電系統(tǒng)可靠性最普遍采用的方法。本文在對發(fā)電系統(tǒng)進行評估時采用的是基于負荷預測的每小時的負荷曲線，因而采用電力不足概率評估更為合適。</p><p>　　根據(jù)圖2-2可以看出，電力不足概率LOLP隨著旋轉備用容量的增加而減小，當旋轉備用容量較小時，電力不足概率LOLP較大，表明系統(tǒng)可靠性很

59、低。隨著旋轉備用容量的增多，電力不足概率LOLP逐漸減小并趨近于0，表明電力系統(tǒng)可靠性較高，但此時系統(tǒng)備用所對應的成本也會相應增加。</p><p>　　圖2-2 旋轉備用容量與電力不足概率關系</p><p><b>　　小結</b></p><p>　　研究發(fā)電系統(tǒng)可靠性的主要是為了確定電力系統(tǒng)所需的發(fā)電容量，使其能夠滿足負荷電力和電能的需

60、求。評估發(fā)電系統(tǒng)可靠性需建立機組容量概率模型和負荷模型，兩者的綜合即可求出可靠性指標。發(fā)電系統(tǒng)可靠性廣泛應用于犀利系統(tǒng)的中長期電源規(guī)劃和運行規(guī)劃。備用的配置主要是為了提高系統(tǒng)的可靠性、減少停電事故，對電力系統(tǒng)的安全性、可靠性起著非常重要的作用。電力系統(tǒng)的可靠性水平與備用容量之間緊密相關，通過評估電力系統(tǒng)可靠性水平可以調整備用容量以使系統(tǒng)滿足可靠性的要求。</p><p>　　第3章 計及風力發(fā)電不確定性的旋轉備用

61、容量</p><p>　　近年來，隨著煤、石油等化石能源的枯竭，環(huán)保呼聲日益高漲。在此背景下，風能由于其清潔可再生能源，受到了高度重視。目前我國的風電裝機容量增長迅速，在有些省份和地區(qū)在系統(tǒng)裝機總容量中已占較大比例。但由于我國電網(wǎng)結構普遍薄弱，而風電場一般都比較偏僻，遠離負荷中心，加之風電出力具有很強的隨機性和間歇性，因此電網(wǎng)中若大規(guī)模接入風電必然會使系統(tǒng)面臨的不確定性加大，給系統(tǒng)的運行及調度帶來一系列安全挑戰(zhàn)。

62、旋轉備用是為了應對系統(tǒng)中的負荷波動及機組的強迫停運等不確定因素、保證系統(tǒng)的可靠性而配置的。在大規(guī)模風電接入后，為保證系統(tǒng)運行的可靠性，系統(tǒng)需要安排額外的旋轉備用容量以應對風電帶來的不確定性，維持系統(tǒng)的功率平衡和運行穩(wěn)定。如前所述，旋轉備用配置是系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟性之間統(tǒng)一協(xié)調決策的問題，大規(guī)模風電介入后，針對風電出力的特點怎樣配置合適的備用，保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行，成為風電場接入后機組組合問題的研究焦點[26]。</p>&

63、lt;p>　　3.1 傳統(tǒng)機組組合模型及備用約束</p><p>　　與常規(guī)火電機組相比，風力發(fā)電的運行成本可以忽略不計，因此在考慮有風電接入的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調度問題時，可以只考慮常規(guī)火電機組的運行費用啟停成本，含有風力發(fā)電電力系統(tǒng)的機組組合模型可以表達為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中是機組在時

64、段的發(fā)電成本，可用二次函數(shù)表示， ，和為機組i的成本系數(shù)；為i機組的啟動費用。 </p><p><b>　　1.2 約束條件</b></p><p>　　1) 功率平衡約束：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中為機組在時段的出力，為風電機組t時刻的出力，為時段

65、系統(tǒng)的負荷需求。</p><p>　　2) 機組出力上下限約束</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中，分別為機組的出力上下限。</p><p>　　3) 最小開停機時間約束</p><p><b>　　(3-4)</b></p>

66、<p>　　式中， 分別為機組i在t時段已經(jīng)運行和已經(jīng)停機的時間，，分別為機組i最小開停機停運時間約束。</p><p><b>　　4) 旋轉備用約束</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中為系統(tǒng)t時段的旋轉備用容量。</p><p>　　式

67、（3-5）的約束保證了系統(tǒng)在每個優(yōu)化時段都能留有足夠的旋轉備用容量。傳統(tǒng)的備用容量一般為負荷的固定比率或者最大在線機組的容量。這兩種方法雖然分別側重于負荷波動和機組的隨機強迫停運，但都比較簡單，因此在實際中得到了廣泛的應用。但是如果考慮不同機組的停運率及不同時段負荷波動情況的不同，在不同時段和不同機組組合狀態(tài)下這種傳統(tǒng)的旋轉備用確定方法不能保證系統(tǒng)的可靠性保持在一定水平，而且往往在經(jīng)濟性上也不是最優(yōu)的。</p><p

68、>　　隨著風電接入規(guī)模的不斷擴大，風電出力的波動性和間歇性給系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的方法不一定能滿足新形勢下系統(tǒng)可靠性的要求。當系統(tǒng)接入風電比例較小時，風力發(fā)電的波動及預測誤差對系統(tǒng)影響并不大。然而隨著風機容量的不斷增大、系統(tǒng)接入風電規(guī)模的逐年增加，風力發(fā)電給系統(tǒng)所帶來的額外風險已不容忽視。</p><p>　　3.2 風力發(fā)電的特點及其不確定性的處理</p><p>　　3.2.

69、1風力發(fā)電的特點</p><p>　　風力發(fā)電先是將風能轉化為機械能，然后再由機械能轉化為電能發(fā)電。根據(jù)目前風力發(fā)電技術的發(fā)展，風電機組的容量相當有限，一般每一個機組的裝機容量在0.5~2MW之間，而通常由上百個單獨的小機組構成一個風電場，這就是風電機組與常規(guī)火電機組的區(qū)別所在。</p><p>　　風力發(fā)電具有波動性和間歇性等特點，其不確定性具體表現(xiàn)為：</p><p

70、>　　(1)原動力不可控。風力發(fā)電是以自然存在的風為原動力。自然風受氣象和地理條件的影響比較明顯，難以控制，根據(jù)現(xiàn)有的技術很難對風電機組的出力進行大范圍調節(jié)，因此在調度上一般將風力發(fā)電看作是負的負荷。</p><p>　　(2)輸出不穩(wěn)定。自然風的波動性、間歇性導致風電機組的功率輸出具有很強的隨機性，而且現(xiàn)有預測技術還難以滿足工程需要。一般認為風電機組只能向用戶提供電力，而不能為系統(tǒng)增加有效的發(fā)電容量。有研

71、究表明，風電場的容量因子，即實際發(fā)電時間總和與系統(tǒng)總的正常時間的比值僅為1/3。</p><p>　　(3)從電網(wǎng)的角度看，將風電場接入電網(wǎng)相當于給電網(wǎng)接入一個擾動源，會對電網(wǎng)的可靠運行產(chǎn)生影響。</p><p>　　3.2.2 風力發(fā)電對發(fā)電計劃及經(jīng)濟調度的影響</p><p>　　傳統(tǒng)發(fā)電計劃的制定和實施之所以可靠，是由于系統(tǒng)內電源的可靠性及負荷預測的精確性。但

72、是，風電場接入系統(tǒng)后，由于風電出力預測誤差較大（大約在25%~40%左右[27]），如果單一按風電預測出力來安排發(fā)電計劃，發(fā)電計劃的可靠性無法保證。在制定發(fā)電計劃時風力發(fā)電帶來的困難是如果把風電場的出力看作負的負荷，其預測精度無法保證；而如果將其它看作電源，其又不能提供穩(wěn)定輸出。</p><p>　　風電大規(guī)模接入電網(wǎng)將會給電力系統(tǒng)的調度和運行帶來巨大困難。在研究大規(guī)模風電接入對電力調度運行產(chǎn)生的影響時，國內外研

73、究文獻一致認為，對電力系統(tǒng)調度及運行造成最主要影響的是風電的波動性，系統(tǒng)擁有足夠的靈活的調節(jié)容量是系統(tǒng)能夠大規(guī)模接納風電的先決條件之一。更深入的研究表明，在大規(guī)模風電接入電力系統(tǒng)后，系統(tǒng)秒至分鐘級的自動發(fā)電控制(AGC)容量需求并沒有明顯增加，但隨著風電裝機總容量的增加日內的旋轉備用容量需求而顯著增長。</p><p>　　風電運行波動性強，不確定性大，很多時刻其功率波動會與負荷波動呈現(xiàn)相反的趨勢，也就是說在負荷

74、低谷時段可能風速較快而滿發(fā)，但到了負荷高峰期需要其提供功率時又可能無風可發(fā)。同時風電功率變化速率較快，還需要系統(tǒng)提供足夠快調峰頻率。風電的運行進一步拉大了電網(wǎng)的峰谷差，相當于產(chǎn)生了“削谷填峰”的效果，因此有必要留取充足的上調及下調旋轉備用容量來應對風電的接入。</p><p>　　3.2.3 風力發(fā)電不確定性的處理</p><p>　　傳統(tǒng)調度中的不確定因素主要是指機組的強迫停運及負荷波動

75、。風電加入后，調度中的不確定因素進一步增多。因此，研究不確定因素的概率特性就成為關鍵所在。</p><p><b>　　1）負荷預測偏差</b></p><p>　　負荷預測并不能保證百分之百準確，預測負荷和實際負荷往往存在偏差，可以表示為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p

76、>　　其中和分別為t時段負荷的實際值和負荷預測值，為t時段負荷預測的誤差，該誤差為服從均值為0，方差為的正態(tài)分布的隨機變量[28]。根據(jù)文獻[29-30]的研究，可由下式計算：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式中k的值一般取1。</p><p>　　2） 風力發(fā)電預測誤差</p><

77、;p>　　近年來，隨著研究的不斷深入，風速和風電場輸出功率短期預測技術不斷進步，預測精度也在提高。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明風速的概率分布屬于威布爾（weibull）分布，可將其看作服從威布爾分布的隨機變量。由風速和風電機組出力之間關系的可知，單一某臺風機的出力并不服從正態(tài)分布。然而，有研究表明，當在地理位置上分散分布著大量的風電機組時，他們總的出力預測誤差可認為近似服從正態(tài)分布。本文假設在各時段的風電出力預測值已知，且其預測誤差服從均值0，

78、方差為的正態(tài)分布[31]，可表示為：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　式中和分別為風電出力的實際值和預測值，為風電的預測誤差，同負荷預測誤差一樣，也是服從均值為0，方差為的正態(tài)分布的隨機變量。根據(jù)文獻[32]，風電出力預測誤差的標準差可由下式得到：</p><p><b>　　(3-9)</b

79、></p><p>　　式中為風電場的總裝機容量。</p><p>　　根據(jù)正態(tài)分布的性質，兩個服從正態(tài)分布的隨機變量的和的分布仍服從正態(tài)分布，因此全網(wǎng)的預測偏差可表示為：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中為全網(wǎng)實際總負荷需求。為系統(tǒng)總的預測負荷需求，為全網(wǎng)總需求預測誤差，

80、服從均值為0，方差為的正態(tài)分布。</p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　由于負荷預測值與風電預測出力已知，所以現(xiàn)在負荷波動的概率特性就已經(jīng)得到，而且其中已經(jīng)包含了風電出力的不確定性。</p><p>　　3） 引入預測偏差的

81、機組停運容量表</p><p>　　得到風電及負荷出力的不確定性之后，系統(tǒng)風險評估的負荷模型和停運容量概率模型就已經(jīng)得到。但由于考慮了負荷及風力發(fā)電的不確定性，負荷模型此時也是隨機變量，因此須將其做以下處理：</p><p>　　系統(tǒng)總的預測誤差服從正態(tài)分布，由于正態(tài)分布屬于連續(xù)型概率分布，在計算時比較復雜，因此可以對其做近似離散處理成m段，將其視作多狀態(tài)機組，引入到機組容量表的計算中。離

82、散處理時m的取值越大則計算越精確，但計算量也越大，本文取m=7，如圖3-1。</p><p>　　圖3-1 離散處理的風電出力預測誤差</p><p>　　經(jīng)過離散處理后，系統(tǒng)總的負荷偏差有了m個具體的出力值及對應的概率密度。將其看作多狀態(tài)機組后，各個狀態(tài)的出力值等效于停運容量，相應的概率等效于機組的強迫停運率，這樣就可以把負荷預測帶入到機組停運容量表的計算中。此時算得的機組停運容量表中已

83、包含了負荷及風力發(fā)電的不確定性，而負荷模型則為預測負荷的確定型模型。</p><p>　　3.3 計及風力發(fā)電的旋轉備用容量</p><p>　　3.3.1 上調備用</p><p>　　圖3-2 旋轉備用容量與電力不足概率關系</p><p>　　將負荷及風電預測誤差做離散處理后，風電接入系統(tǒng)的可靠性水平及其與旋轉備用的關系也就已經(jīng)確定，見

84、圖3-2。由圖3-2可知，由于風力發(fā)電誤差及機組強迫停運率已知且確定，因此系統(tǒng)的可靠性水平僅與旋轉備用容量相關。</p><p>　　定義為使系統(tǒng)在t時段滿足式（3-12）要求的最小備用容量。</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　式中LOLP為系統(tǒng)電力不足概率，為提前設定的電力不足概率基準值。</p>

85、;<p>　　由此可將原有模型的旋轉備用約束替代為式（3-13）。</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中即為系統(tǒng)t時段滿足電力不足概率LOLP小于某一風險水平的最小備用容量。</p><p>　　依靠可靠性指標確定的旋轉備用容量約束相比原有的確定性方法考慮了機組強迫停運及風力發(fā)電預測誤差所具有

86、的概率特性，能夠保證系統(tǒng)在某一時段的可靠性水平始終高于一定水平，因此更加科學。</p><p>　　3.3.2 下調備用</p><p>　　風能的特點是波動性大，間歇性及時空分布不確定性強，這導致了風電場經(jīng)常出現(xiàn)功率瞬時突變。從目前國內已并網(wǎng)的風電場運行特性來看，風電場出力經(jīng)常能在數(shù)分鐘之內就產(chǎn)生幾百兆瓦的升降，很容易造成省際聯(lián)絡線的功率產(chǎn)生較大偏差以及系統(tǒng)的頻率突變[33]。同時，由于

87、風電預測精度仍較差，如果出現(xiàn)風電功率多于預測值且相差較大的情況，那根據(jù)預測值做出的發(fā)電計劃無法保證系統(tǒng)的可靠性水平。因此，為了應對大規(guī)模風電功率波動，系統(tǒng)中不僅要維持的正向旋轉備用容量，同時也要留有充足的下調旋轉備用容量，以保證當風電出力低于預測值時，系統(tǒng)有足夠的上調備用不至于失負荷，當風電出力高于預測值時，系統(tǒng)有足夠的下調備用保證不至于切風機。</p><p>　　系統(tǒng)的下調備用一般來講都比較充足，但由于風電加

88、入后系統(tǒng)不確定性增大，可能出現(xiàn)風電出力遠超預測值的極端情況。而且由于風電的反調峰特性，有些時段可能出現(xiàn)風電出力大而火電機組出力小的情況，風電不確定性對系統(tǒng)影響更加明顯，因此有必要在機組組合模型中增加下調備用約束，保證系統(tǒng)每個時段都有足夠的下調備用。根據(jù)研究，預測負荷的波動在3倍標準差范圍內的概率為99.7%。也就是說，當備用容量配置為(為系統(tǒng)總預測誤差的標準差)時，系統(tǒng)基本可以滿足負荷高于或低于預測值的波動。根據(jù)此研究結果，文獻[34]

89、據(jù)此根據(jù)一定置信水平給定了配置備用的原則。文獻[35]考慮到風電功率預測誤差極端情況出現(xiàn)較多，也就是其概率分布的尾部與正態(tài)分布相比要更長，因此將備用容量設為，使系統(tǒng)滿足負荷波動的概率更高。根據(jù)以上研究，可以將風電接入系統(tǒng)的下調備用設置為，這樣可以基本滿足當風電出力大于預測值時有足夠的下調備用。系統(tǒng)的下調備用約束可以表示為：</p><p><b>　　(3-14)</b></p>

90、<p>　　式中為系統(tǒng)的下調備用。</p><p>　　由此，風電接入系統(tǒng)的機組組合模型可以重新表達為：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　約束條件</b></p><p>　　1) 功率平衡約束：</p><p>&

91、lt;b>　　(3-16)</b></p><p>　　2) 機組出力上下限約束</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　3) 最小開停機時間約束</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p><b&g

92、t;　　4) 旋轉備用約束</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　小結</b></p><p>　　以往影響機組組合的問題不確定因素主要是機組的強迫停運和負荷，但加入風

93、電后，系統(tǒng)的不確定因素進一步增加。本章考慮了機組強迫停運以及負荷和風電預測誤差的概率特性，并將其統(tǒng)一代入到停運容量表的計算中，這樣得出的停運容量表中就包含了風電和負荷的預測誤差，所計算出的電力不足概率也就包含了風電所帶來的不確定性。然后根據(jù)系統(tǒng)每個時段滿足某一可靠性水平所要求的最低旋轉備用容量作為系統(tǒng)的最小上調備用容量，將3.5倍系統(tǒng)總預測誤差的標準差作為系統(tǒng)最小下調備用容量。經(jīng)過配置后系統(tǒng)具備了足夠的旋轉備用可以保證當風力發(fā)電小于預測

94、值時有足夠的備用保證不失負荷，使各時段電力不足概率始終低于一定水平，同時保證在風電大于預測值時有足夠下調備用保證不切風機。</p><p>　　第4章 采用拉格朗日松弛法對模型進行求解</p><p>　　在當今的大規(guī)模電力系統(tǒng)中，眾多具有不同的成本特性和運行、技術約束條件的發(fā)電機組構成了發(fā)電資源。同時，電力負荷隨著各種因素的影響呈現(xiàn)周期性波動的特性。為了實現(xiàn)電力供需平衡，更加合理地利用發(fā)

95、電資源，預先對發(fā)電機組的啟停狀態(tài)和出力情況進行調度安排是很有必要的。這個問題可以表述為在一定的調度周期內，通過合理安排機組狀態(tài)、出力及開停機時間，在使得系統(tǒng)滿足負荷、備用以及機組自身運行技術條件約束的基礎上使整個系統(tǒng)的總運行費用最小，這也就是機組組合問題[36]。</p><p>　　機組組合(Unit Commitment) 是日發(fā)電計劃首先需要解決的問，指的是系統(tǒng)內各個機組在每個調度時段上開停機狀態(tài)及機組出力

96、的優(yōu)化。由于各個調度時段內的負荷不斷變化，由功率平衡約束可知各時段的機組組合及出力水平也各有不同。同時，各個不同時段的機組組合狀態(tài)之間并不是孤立的，而是存在著耦合聯(lián)系，這也就成為解決機組組合問題的難點。一般孤立的根據(jù)各單一時段的負荷水平尋求出的最優(yōu)組合不一定是整體上的最優(yōu)解，應在整個調度周期內對整體決策進行機組狀態(tài)的優(yōu)化組合。</p><p>　　機組組合問題的研究可以帶來非常可觀的經(jīng)濟效益，根據(jù)有關研究，機組組

97、合的經(jīng)濟效益可以達到1%一2.5%[37]?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模非常龐大，即使優(yōu)化0.5%的費用也會得到相當可觀的收益，因此怎樣合理有效地解決機組組合問題多年來一直是非常重要的研究課題之一。</p><p>　　4.1 拉格朗日松弛法解決傳統(tǒng)機組組合問題的原理</p><p>　　拉格朗日松弛法的基本原理是把造成問題難求解的約束條件吸收到目標函數(shù)中，使得問題容易求解。應用在機組組合的問題中，

98、就是將機組組合問題中耦合的約束條件，如有功功率平衡約束以及備用約束等通過拉格朗日乘子的方式寫成目標函數(shù)的懲罰項，即進行松弛。經(jīng)過松弛后，原問題的求解難度大大減少，求解得到的對偶問題的解是原問題最優(yōu)解的一個下界，當對偶問題與原問題的對偶間隙小于一定值時則認為對偶問題的解就是原問題的最優(yōu)解。</p><p>　　對于式(3-l)至式(3-6)所表達的機組組合問題，可以將式(3-2)、(3-3)描述的系統(tǒng)功率平衡約束和

99、負荷備用約束進行松弛，松弛后即可得到原機組組合問題的拉格朗日松弛問題，表示為：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中，為系統(tǒng)t優(yōu)化時段用來滿足系統(tǒng)有功功率平衡約束的拉格朗日乘子，為系統(tǒng)t優(yōu)化時段用來滿足系統(tǒng)旋轉備用約束的拉格朗日乘子。</p><p>　　為了得到最接近原機組組合問題最優(yōu)解的下界，需要求解拉格

100、朗日松弛問題，使得此下界最大化，從而最接近原機組組合問題的最優(yōu)解： </p><p><b>　　(4-2)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　拉格朗日松弛函數(shù)(3-8)可以寫成:</p

101、><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　可以將式(4-4)看成式(4-5)與式(4-6)兩部分，</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　可以看出式（4-5）部

102、分只與各個機組的自身參數(shù)及運行條件約束有關，而式(（4-6）部分在已知拉格朗日乘子情況下為定值，因此求解式（4-1）即可轉化成為單機問題的求解。</p><p>　　首先求解單機優(yōu)化問題：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　然后優(yōu)化拉格朗日乘子：</p><p><b>　　(

103、4-8)</b></p><p>　　式中，為對于給定的拉格朗日乘子λ，μ的函數(shù)值。</p><p>　　4.2 拉格朗日松弛法求解機組組合問題</p><p><b>　　4.2.1 初始化</b></p><p>　　質量好的拉格朗日乘子初值能夠迭代過程盡早收斂，避免在求解過程不必要的振蕩，減少計算的時間

104、，而且設置不同的初值也可能會再求解問題的過程中產(chǎn)生不同的結果。為了能獲得一個較優(yōu)質量的拉格朗日乘子的初值，本文采取啟發(fā)式排序法，根據(jù)各個機組滿負荷平均煤耗將機組進行排序。</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　在每個優(yōu)化時段，按排序優(yōu)先選取最小的機組

105、開機，直到各個開機機組的功率上限大于或等于負荷值與備用容量的和。得到每個時段各個機組的開停機狀態(tài)之后，根據(jù)該機組組合應用等耗量微增率原則對開機機組進行負荷分配[38]。根據(jù)各個時段的機組狀態(tài)和機組出力可以求得該時段的等耗量微增率，以此耗量微增率作為拉格朗日乘子的初值。</p><p>　　求得初值，結合式(4.5)，表示在t優(yōu)化時段i機組的購電費，而則代表在t優(yōu)化時段i機組的成本，因此可以得到t優(yōu)化時段i機組旋轉

106、備用約束的拉格朗日乘子的初值為：</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　對于全系統(tǒng)的每個時刻：</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　式中，m為按滿負荷平均煤耗排序，滿足系統(tǒng)負荷及備用約束要求而得到的機組組合中的開機機組數(shù)。</p

107、><p>　　4.2.2改進的動態(tài)規(guī)劃法求解單機子問題</p><p>　　在求解單機子問題時本文采用經(jīng)過改進的動態(tài)規(guī)劃法[39]。動態(tài)規(guī)劃法是應用于解決多階段決策過程最優(yōu)化問題的一種數(shù)學方法，采用動態(tài)規(guī)劃法解決機組組合的負荷分配問題時，將整個調度時段T分成若干個優(yōu)化時段，每個時段通常設為1h，每個時段的狀態(tài)即為該優(yōu)化時段所有可能出現(xiàn)的機組開停狀態(tài)的組合。</p><p&g

108、t;　　動態(tài)規(guī)劃的過程分為正序造表和逆序查表兩步。正序造表過程為：1、將各時段所有可能的機組組合狀態(tài)和組合狀態(tài)數(shù)N(t)列出，然后按等耗量微增率計算所有機組組合狀態(tài)下的系統(tǒng)總運行費用；2、確定各優(yōu)化時段之間狀態(tài)轉移的路徑及轉移費用，即各個機組的啟動費用，按時間順序自前至后計算到達各個階段時各種自組組合狀態(tài)的累計耗量。逆序查表過程為：從所有優(yōu)化時段累計耗量最小的機組組合狀態(tài)開始，根據(jù)到達該狀態(tài)的路徑從后向前依次記錄各時段的機組組合狀態(tài)，這

109、樣就可以得到最優(yōu)的狀態(tài)組合，也就是各時段的開停機計劃。</p><p>　　但動態(tài)規(guī)劃法也有其自身局限性。動態(tài)規(guī)劃法雖然能保證找到最優(yōu)解，但其本身實質上是一種“窮舉法”，即列出所有的可能然后尋找最優(yōu)解。若使用完全狀態(tài)的動態(tài)規(guī)劃法，當系統(tǒng)規(guī)模較大，機組數(shù)較多時計算量將急劇增加，形成“維數(shù)災”。為克服這個困難，本文利用機組滿負荷平均煤耗將機組進行排序，然后每個優(yōu)化時段的機組只能按此排序啟停，這樣處理就在優(yōu)化過程中舍棄

110、了一些明顯不可能是最優(yōu)的機組組合狀態(tài)，限制了各時段狀態(tài)的數(shù)目，避免了“維數(shù)災”的出現(xiàn)，具體步驟如下：</p><p>　　(1)在不考慮路徑轉移耗量的條件下，根據(jù)按優(yōu)先順序法確定一個靜態(tài)的各時段的機組狀態(tài)，使其能滿足各個時段的負荷和備用要求。</p><p>　　(2)以步驟(1)求出的機組狀態(tài)為中心，按向上增開一臺機組或向下停開一臺機組，這樣在每個時段就可以找出3種不同的機組組合狀態(tài)(當