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1、含新能源发电的电力系统优化调度策略实现毕业设计第一章绪论-1-1.1研究背景及意义-1-1.2国内外研究现状-4-1.3本文的主要研究工作 -11-第二章 电力系统日前调度风险评估-12-2.1风险的含义-12-2.2风险评估方法-12-2.3新能源并网给电力系统带来的风险-13-2.4风电功率的预测与计算-14-2.5风险评估计算-15-2.6本章小结-17-第三章 含新能源发电的电力系统优化调度模型-19-3.1优化调度模型-19-3.2建立数学优化模型-21-第四章 分布式原对偶次梯度算法-22-4.1 算法介绍 -22-4.2算法原理-23-4.3算例分析-23-第五章 总结与展望-2
2、7-5.1全文总结-27-5.2研究展望-28-结束语-29-致 谢-30-参考文献-31-第一章绪论本章将会对课题的研究背景和意义做详细的阐述，同时对国内外研究现状做一 个简单的综述。在此基础上，会提出本文的研究内容、研究方法。在此，本文对 有关新能源方面概念的提法做一个统一。涉及风力发电部分的，“风电”是“风 力发电”的简称；“风电机”是指单台的风力发电机；“风电场”是指在同一个 区域内安装多台风电机，组成机群向电网供电。涉及光伏发电部分的，“光电” 是“光伏发电”的简称；“光电板”指单块的光伏发电阵列；“光电场”是指在 同一个区域内安装多块光伏发电阵列，组成机群向电网供电。其它新能源，例
3、如 地热能、海洋能、生物质能等，由于在新能源发电贡献中占有的比例很少，本文 不加以论述。1.1研究背景及意义1.1.1能源与环境问题改革开放以来，中国的发展取得了举世瞩目的成就，经济发展速度异常迅速， 当前国内的生产力水平也达到了前所未有的高度。然而“中国式奇迹”背后隐藏 着许多“中国式难题”，其中最亟待解决的当属生态环境问题和能源匮乏问题。 能源作为人类社会生存、发展的物质基础，在国民经济中占据十分重要的地位。 能源就是国家实现现代化的动力，它驱动着现代化进程的步伐，现代化程度越高 的国家对能源的依赖越强。随着近年来我国经济的高速发展，煤电油的供求关系 明显趋紧，全国出现大范围的拉闸限电，煤
4、炭供应紧张，石油进口量激增1；同时 必须清楚的是，我国高速增长的GDP来自粗放式的发展模式、能源结构中煤炭资 源占最大比例、能源利用效率很低，这些使得我国的煤炭资源的开发和消耗都位 居世界首位，并带来居世界次位的。02排放量；汽车尾气已经成为人体健康的无形 杀手，“穹顶之下”的雾霾严重影响了人民的衣食住行。相当长的一段时间内， 这种以煤炭为主的能源结构仍会存在。我国的环境污染日益加重，生态环境持续 遭到破坏，在国际社会上也会承担越来越大的舆论压力，同时进一步影响国家的 现代化发展。自京都议定书的生效以来，历次哥本哈根会议都大力倡导“节 能减排”、“低碳经济”以积极应对严刻的能源与生态问题。大力
5、发展新能源产 业已成为全球经济的发展方向和导航标。1.1.2风电产业的发展现状与前景自步入二十一世纪以来，全球范围内新能源尤其是可再生能源得到迅猛发展。其中，风能呈现出极快的增长态势，并将成为仅次于石油、化工燃料的核心能源， 全世界风电场的数量和规模以32%的高速在增加。纵观全世界的风能发展报告，欧洲在此方面的发展最好。约2020年左右，风 能的使用将惠及50%的欧洲人口；欧洲风能利用协会规划在近海岸地区着力开发 利用丰富的风能资源，并预计约2025年风力发电可以满足欧洲居民所有电力使用 需求。我国近年来的风力发电也取得很多成就，发电规模已经居世界首列，并拥有增 长最快的风电市场。全球风能理事
6、会公布的数据显示，2001-2013年全世界累计风 电装机容量为24.08%年复合增长率，而同期中国为57.12%，增长率在全世界排名 第一；2013年，我国风电装机新增容量为16,100兆瓦，约占全世界总新增量的 45.4%，同样全世界排名第一。2014年，我国风电装机新增容量0.233505亿千瓦， 较之2013年增幅约45.1%；截止2014年，我国累计风电装机容量为1.1476339亿 千瓦，相比2013年新增25.5%。我国具有辽阔的陆地，同时海岸线绵延，长达32,000千米，风能资源极其丰富， 其风能发展潜力巨大。2009年，气象局对风能资源进行一个测量统计，结果表明， 我国大于3
7、级的风能资源陆上潜在开发量为2,380吉瓦（风功率密度大于300瓦/ 平方米为3级风能资源），4级以上风能资源陆上潜在开发量为1,130吉瓦（风功 率密度大于400瓦/平方米为4级风能资源），并且5至25米水深线以内的近海 区域3级以上风能资源潜在开发量为200吉瓦11。我国风能资源具有广泛分布性， 东南沿海及附近岛屿以及北部地区风能资源最为集中，其中北部地区风能丰富带 风功率密度在200-300瓦/平方米以上，有的可达500瓦/平方米以上，如阿拉山口、 达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁、承德围场等。然而，我国风能资源空间 分布不能很好地匹配电力负荷，例如，沿海地区电力负荷大，但是陆地风能资
8、源 稀少；北部地区电力负荷较小，但是风能资源很丰富，这种不匹配给风电的合理 开发利用带来困难。1.1.3风力发电的基本原理以当前的风电技术，风速大于3米/秒时，风机叶片就能够被推动旋转，然后增 速器会扩大转速，最终风能通过风轮机转化为机械能，继而拖动发电机进行发电。风电有很多优势，作为一种洁净、可再生的能源，能做到化石能源零消耗、环 境零污染，这是常规火力发电永远做不到的；风电场建设周期短并且造价低，一 年内就可以设计并建设一个十兆瓦级风电场；风力发电的装机规模灵活，装机规 模可根据资金调整；风机组深度结合现代高科技极大提高了其发电可靠性，大中 型风机组的可靠性从80年代的50%提高到了 98
9、%，远远高于火力发电，并可持续 工作20年；运行与维护风机不会很麻烦，安装自动化装置的大中型风机，在无人 值班下也可以出色完成生产任务。相比火力发电的大修，工作人员只需按期进行 一些维护；风力发电能够并网运行，抑或与柴油、光伏、水利发电形成互补，甚 至独立运行，该特点解决边远地区用电问题十分有效。但是需要明白，属于自然现象的风是很不稳定的，时而零风速时而又会出现破 坏性的大风，风力发电就必然面临功率调节的问题。风机按风功率的调节方式可 分为：定桨距失速型风机，其通过风轮叶片的失速来控制风机在大风时的功率输 出，通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。变桨距失速型风机，其 在低于额定风速时
10、通过改变桨距角实现功率输出的增加，或保持一定的桨距角运 行；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定功率。 变速恒频型风机可以调节其风轮叶片桨距角，改变发电机转速，从而输出恒频恒 压电能。风速低于额定值时，为了维持最大输出功率，可以改变风轮转速、叶片 桨距角，从而促使风电机组在最佳尖速比下运行；在高于额定风速时，改变叶片 桨距角会让风电机组功率输出恒定为额定功率。1.1.4光伏产业的发展现状与前景光能是低碳社会的理想能源，越来越受到世界各国的开发利用。光伏发电避免 了传统发电产生的污染物排放和安全问题，零废弃零噪音。光伏发电技术风险低， 可以安装在任何有光的地方，可以在公共
11、、私人和工业建筑的屋顶和墙面上安装。 光伏系统可以降低建筑的受热，增加通风，还可以作为隔声板装在公路两侧。该 系统结实耐用，易于安装，具有灵活性，可解决偏远农村的电力需求。目前，世界各国都很重视开发利用太阳能，我国具有得天独厚的地理位置，光 能资源极其丰富，其年辐射量可以达到3340-8400MJ/m2。充分开发利用光能资源 是节省和替代常规能源的有效措施，是实现能源可持续发展战略的必要选择。到 2050年，在使用规模上，光能将超过石油、天然气等常规能源，成为极具追捧的 新能源，将极大推动人类的生产、生活和社会发展。1.1.5新能源的消纳问题“十一五”以来，我国新能源发展增长迅猛，连续5年的风
12、电装机新增容量实 现大增长，目前装机规模世界第一；太阳能电池产量以超过100%年均增长率快速 发展，连续几年居世界第一。但是，新能源也面临着因过快发展带来的质量、安 全问题，其中“并网消纳困难”最为突出，严重阻碍了新能源产业潜力的进一步 释放。新能源的规模在快速扩张，而输变电设施建设却严重滞后，导致新能源发展出 现了安全事故频发、能源浪费、设备利用小时下降“并网难”等问题。严重的弃 风限电问题在风电集中开发的地区频繁发生，冬季弃风限电比例在东北的一些地 区甚至达到50%；西北主要风场因数次脱网事故，目前限电竟高达70%80%。 光能也因消纳困难不得不“弃光”，2011年太阳能光伏发电的设备利用
13、率仅1700 小时/年，比2010年上大幅下降。我国开发利用新能源，既有助于舒缓化石能源的匮乏，又能够推动能源结构升 级，并且有利于能源安全、生态环境。然而，新能源具有间歇性和不确定性，接 入电网后，其将对电能质量造成极坏影响。风电的大规模加入，会引起调频调峰 压力过大、电压失控、运行风险加大等问题。大规模光电并网也会带来馈线稳态 电压偏差、电压波动和闪变、频率质量以及谐波等问题。1.1.6研究意义大力开发新能源尤其是风能、光能，将会纾缓能源问题和环境问题。由于风能 是目前最有开发利用前景和技术最为成熟的新能源，风电的应用正在向着大规模、 大容量、产业化的方向发展。目前，我国各地区风电穿透功率
14、不足8%，如此低的 比例对现有电网不会造成很大的并网风险，同时表明新能源发电还有很大的上升 空间。当前国内外对于新能源发电的各种课题的研究愈来愈多，其中主要包括含 风电场电力系统的潮流计算、风电穿透功率极限计算、新能源发电对系统安全稳 定性的影响，分布式能源优化等。国外对这些方面研究应用已经相对成熟，国内 在这些方面仍处于起步阶段，需要进行广泛、深入的研究。风电功率受风速的直接影响，光电功率受光照的直接影响。风速、光照都具有 很强随机性，从而导致其出力随机波动性很大。由于国家政策要求优先调度新能 源，使得这些出力不确定的新能源被引入到电网后给电网带来极大的影响。在进 行电力系统的经济调度时，必
15、须考虑新能源的随机性、地理分散性等特征，因此 需要制定新的电力优化调度方案。综上所述，本课题的研究对于电力系统减少能源消耗与环境污染、减少新能源 电力的不确定性带来的风险以及提高系统运行效率有重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1电力系统优化调度研究现状电力调度作为一种管理方式，其主要任务是保证电网的安全稳定运行，实现对 用户的可靠供电，确保各类电力生产工作有序进行。随着近年来科技的不断发展， 以及现代化监测、控制手段的不断完善，电力调度的技术支持日趋强大。电力系 统优化调度在满足电力供应正常前提下，要达到电力资源的合理开发，尽可能的 降低总发电成本，从而做到减少能源消耗，减少环境污染。由
16、于主要发电燃料即 煤、石油和天然气资源的日渐枯竭，新能源尤其是可再生能源，如风能、光能、 生物质能等已经越来越受到广泛重视。面对世界范围内大力推进的电力市场化改 革，如何进一步提高含新能源发电的电力系统优化调度水平成为迫切需要研究的 一个课题。电力系统优化调度属于运筹学中最优化问题范畴，最优化问题首先是要建立合 理的数学模型。在目前的电力系统优化调度研究中，目标函数主要有燃料耗量最 小、发电成本最小等，随着电力市场化改革的推进，一些新的目标函数，如购电 成本最小、社会效益最大等等也逐渐被引入到调度模型中。约束条件主要有电力 平衡约束、备用容量约束、机组发电功率约束、机组爬坡率约束等等。文献4中的目标函数在考虑机组的运行费用同时还考虑了机组的启动费用，在
