含风电场的电力系统动态经济调度

150,000
图 1-1 全球风电装机容量和容量增速
我国的风能资源丰富，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 32.26 亿 kW，可开发的风能资源储量为 2.53 亿 kW，而近海风能资源约为陆地的 3 倍。 我国的风力发电从 20 世纪 80 年代开始起步，到 1995 年以后逐步走向产业 化发展阶段。自 2005 年起，风电规模连续 3 年实现翻倍增长，仅次于美国、西 班牙，成为世界风电快速增长的市场之一。图 1-2 显示了 2002~2009 年我国风电 装机容量的变化， 截至 2009 年底， 我国新增风电装机 10129 台， 容量 13803.2MW， 年同比增长 124%； 累计风电装机 21581 台， 容量 25805.3MW， 年同比增长 114%[3]。 不仅如此，我国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
华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《含风电场的电力系统动态经济调度》系本人在华北电力大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。 本论文的研究成果归华北电力大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版本， 同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√” ） ： 保密□，在 不保密□ 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 年解密后适用本授权书
1.1.2 风力发电的发展概况
世界经济的高速发展、资源短缺及地域政治博弈的日益复杂化，使能源问题 受到各国的高度关注。美国、欧盟、日本等发达国家和地区以及中国、印度等发 展中国家不断加强科技投入以提高能效，寻求新的、洁净的替代能源。新能源与 洁净能源技术的利用， 不仅能够减少对传统化石燃料的依赖， 加强国家能源安全， 还有利于减少温室气体的排放，保护人类未来的生存环境。 风能是一种清洁的可再生能源， 也是目前可再生能源中技术相对成熟并具规
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华北电力大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《含风电场的电力系统动态经济 调度》 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日
250,000 全球风电装机总容量 (MW) 全球风电装机总容量增速 200,000 30 % 25 % 20 % 100,000 15 % 10 % 50,000 5% 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 0% 35 % 40 %
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Abstract
Dynamic economic dispatch is a high dimension, nonlinear, multi-constrained mixed integer optimization problem. It is difficult to get the optimal solution. But since it has great economic benefits, the study of the dynamic economic dispatch problems is of great significance under the economic requirements of the electricity markets. The integration of wind power brings new problems to dynamic economic dispatch. The randomness and volatility of wind power not only increases the difficulty of dispatching, but also puts forward higher requirements to the ramping rates of conventional units and the spinning reserve. To deal with the randomness and volatility of wind power, the positive and negative spinning reserves are introduced into the model to cope with the power imbalances. Interruptible load, as a kind of special spinning reserve, is also introduced. Then a dynamic economic dispatch model considering spinning reserve costs is established. As to solving the model, an improved particle swarm optimization is adopted. The algorithm firstly enhances some parameters to improve the particles’ abilities to find the optimal solution; then the priority list method is introduced to solve the unit commitment problem, avoiding the randomness of particles in initialization and modification and improving the convergence speed. An example is used and shows that the integration of wind power reduces the fuel costs, but it requires the power system to provide additional spinning reserve. Besides, the conventional units’ status of on and off and their outputs are also affected. It also shows that proper use of interruptible load will improve the economy of the whole system. And the proposed algorithm can quickly and efficiently solve such economic dispatch problems. Key words: wind power; dynamic economic dispatch; swarm particle optimization; spinning reserve; interruptible load
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第1章 绪
1.1 课题研究背景
1.1.1 能源与环境问题
论
ຫໍສະໝຸດ Baidu
进入 21 世纪以来，能源和环境问题引起了世界的广泛关注。一方面，化石 燃料消费需求的大幅攀升， 促使人们更多地考虑资源问题对未来可持续发展的影 响；另一方面，国际社会愈来愈重视人类活动对全球变化的影响[1]。 能源是人类社会存在与发展的基石， 它制约着国家经济的发展与社会文明的 进步，是实现可持续发展的重要基础。能源的短缺会阻碍电力、交通、建筑、化 工等各领域的正常运行，人类社会的生存和发展也将受到严峻的挑战。 2003 年 以来，由于全球性能源需求的剧烈增长和不断高涨的能源价格以及地域、政治等 因素的影响，世界各国特别是主要依赖于能源进口的国家，深切认识到能源供应 结构的脆弱性 [1]。 近几年， 随着我国工业和经济的飞速发展，能源进口需求激增、 供需矛盾日益紧张，能源问题已经成为我国经济发展面临的重要问题。 另外，不合理的能源消费尤其是化石燃料使用造成的温室气体的排放，已导 致全球气候与环境发生了重大变化，对人类的生存、社会经济的可持续发展构成 了严重威胁， 降低以二氧化碳为主的温室气体排放量以缓解气候变化已成为国际 社会的共识。1997 年《京都议定书》(Kyoto Protocol)的签署标志着各国开始采取 共同措施致力于解决温室气体排放 [2]。作为发展中国家，尽管目前中国还不需要 承担量化的温室气体减排义务， 但由于其粗放型的发展模式以及以煤炭为主的能 源结构和低效能的能源利用方式，导致煤炭生产与消费量、二氧化硫排放量均居 世界首位，二氧化碳排放量居世界第二位。我国正面临巨大的国际减排压力，且 形势非常严峻。
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模化开发条件和商业化发展前景的一种能源。 风力发电是风能规模化开发利用的 主要方式。近年来，风力发电一直保持着快速增长的趋势，截至 2009 年，全球 风电装机容量已经达到 159213MW， 新增装机容量 38312MW， 增长幅度为 31.7%。 2001~2010 年间，风力发电能力以平均每年 30%以上的速度增长，已经成为各种 能源中增长最快的一种。图 1-1 为全球风电装机容量和容量增速。近年来欧洲、 北美的风力发电装机容量成为仅次于天然气发电的第二大能源， 欧洲的风力发电 已经能够开始从“补充能源”向“战略替代能源”的方向发展。据美国能源专家 研究，如果在美国本土 48 个洲的 0.6%面积上安装风力发电机，生产出的电力就 可达美国现在电力消费的 20%[3]。
华北电力大学（保定） 硕士学位论文 含风电场的电力系统动态经济调度 姓名：张燕 申请学位级别：硕士 专业：电气工程；电力系统及其自动化 指导教师：周明 2011-03
摘
要
摘
要
电力系统动态经济调度问题是一个高维、非线性、多约束的混合整数优化问 题，很难求得最优解。但是，它具有很大的经济效益，因此研究电力系统动态经 济调度具有重要的理论和实际意义。 风力发电的并网运行给电力系统动态经济调度带来了新问题， 风电的随机性 和波动性增加了电网调度的难度， 也对常规机组的爬坡速率和系统旋转备用需求 提出了更高的要求。针对风电的随机性和波动性，模型中引入正、负旋转备用以 应对风电波动引起的功率不平衡， 并把可中断负荷这一特殊备用与旋转备用一起 量化为成本考虑到模型中， 建立了考虑备用成本的含风电场电力系统动态经济调 度模型。对于模型的求解，提出改进的粒子群优化算法。算法中首先对参数进行 一定的改进，加强粒子在搜索过程中寻找最优解的能力；其次，针对动态经济调 度中的机组组合问题，算法中引入了优先顺序的思想，根据机组的经济性进行排 序并安排启停，由此避免粒子初始化和修正过程中的随机生成，提高算法的收敛 速度。 通过算例验证可知，风电的并网减小了系统运行的燃料成本，但同时要求系 统提供额外的旋转备用容量，且会对常规机组的启停和出力造成影响。可中断负 荷这一特殊备用的合理使用能够优化资源的配置，提高整个系统的运行经济性。 所提算法能够快速、有效地求解此类经济调度问题。 关键词：风电；动态经济调度；粒子群优化算法；旋转备用；可中断负荷