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基于近似动态规划理论的交直流互联电网电力工程随机动态经济调度

时间:2018-08-27 20:04来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。
本文是一篇电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。电力工程建设的不断推进就像是为筋骨提供了无限的能量,充沛的能量供应是身体各项机能有效运作的有力保障。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 选题背景与意义
当前世界能源处于大调整、大变革时期,能源转型成为世界各国能源发展的大趋势。从化石能源向新能源和可再生能源转型,创建一个更加清洁、安全高效、智能的未来能源体系是世界能源发展的必然趋势。目前,虽然煤炭资源仍在我国的能源结构中占据主体地位,但随着全球不可再生能源消耗问题的日益突出以及由于化石能源燃烧引发的环境问题日益严重,我国越来越重视能源结构的调整和优化。2014 年 10 月,国家发展改革委主任办公会讨论并原则通过了国家能源局起草的《可再生能源电力配额考核办法(征求意见稿)》,根据该考核办法,到 2020 年,我国华北、东北、西北地区的新能源配额均需达到 10%以上的基本指标[1]。2016 年 4 月 21 日,国家发展改革委、国家能源局围绕“淘汰煤电落后产能”、“建设煤电建设风险预警机制”连发三份重要文件,对煤电产业的发展进行严格控制。在能源和环境的双重压力下,这一系列能源领域的法规和政策文件对我国光伏、风电等可再生能源行业的发展起到了巨大的推进作用。近几年,我国可再生新能源发展加快,目前风电、光伏的新增装机量都已位列世界第一。2016 年上半年,全国风电累计并网容量达到 1.37 亿千瓦,同比增长 30%;2016 年 11 月,全国累计并网光伏电站超过 7400 万千瓦,同比增长 40%,我国现已成为全球新能源装机最大的国家。另一方面,中国的版图广袤,但资源分布却极不均衡,资源的储存和能源的消费属于逆向存在,煤炭资源高度密集于我国北部的山西、陕西、内蒙等地区,水力资源主要蕴藏于我国西南部的四川、云南、西藏等地区,风能资源主要分布在我国内蒙古、甘肃以及青藏高原的北部地区,太阳能资源主要集中在宁夏、甘肃、新疆、西藏等我国的西北部地区,但我国的能源消耗却有将近 50%集中在东中部及沿海地区。这种资源分布和能源消耗的格局决定了我国的能源无法做到就地平衡消耗,为了满足东中部和沿海的电力消费大省的用电需求,只能将我国北部、西南以及西北的火电、水电以及风电和光伏电力资源输送到东中部的负荷中心,这种远距离大容量的输电需求,直接决定了我国超高压、特高压电网的发展。
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1.2 国内外研究现状
新能源发电出力的不确定性和可变性,增加了系统对负荷的快速变化和可再生能源发电出力响应的灵活性要求。由于燃煤和核电等常规发电机组受到爬坡和最小启停时间的限制,灵活性不高,为了适应可再生能源发电出力的随机性,在保持电力系统运行可靠性的同时需要更有效地安排机组发电计划。在物理手段上,可以通过平衡区域整合,增加资源组合灵活性,需求侧管理和使用存储设备等措施来规划改善新能源接入电网后的运行。除了物理手段外,用随机和概率等数学方法来优化系统的规划运行已成为用来维持和提高新能源发电接入后系统可靠性的有效途径,这也是目前国内外学者越来越关注的问题。使用数学优化方法对随机动态经济调度问题的研究中需要解决两个关键问题:一是对风电、光伏出力等不确定性随机因素的建模描述,不确定性建模越合理,所得的优化调度计划对新能源出力的适应性也越强;二是对构建的随机动态经济调度问题模型的求解,因为新能源发电接入电网后的电力系统动态经济调度问题是一个复杂的多阶段随机决策问题,其求解难度很大,只有能对该问题进行快速有效的求解,随机动态经济调度模型才能在实际大型电力系统得到推广应用。
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第二章 近似动态规划理论研究
 
电力系统的动态经济调度是电力系统运行中的基础问题,动态经济调度本质上可以看作是一种多阶段最优决策问题,其实质就是根据短期负荷预测结果进行动态最优潮流分析[42-43]。最优潮流是电力系统最为基本且最为重要的分析计算工具之一,但对于大电网来说,其最优潮流分析往往由于计算量过大而存在求解效率偏低的问题[44]。对于动态经济调度问题,多个时段的联合优化使得该问题更为突出,因而在实际应用中,通常会对一些约束条件以及电网运行实际情况进行相应简化后再进行动态优化计算,以提高运算速度和求解效率。在大规模可再生能源发电接入后,由于其随机性、波动性与不可调控性的影响,系统会面临更为严重的运行问题,更加大了动态经济调度问题的求解难度。含新能源接入的电力系统动态经济调度问题可描述成随机动态规划模型。但是,如果将不同阶段电力系统调度决策变量的最优化统一起来求解,将意味着数学模型的维度会扩张到一个十分惊人的规模,其求解难度很高。动态规划方法是求解多阶段决策问题的有效方法,该方法根据“最优性原理”对每个阶段进行递推的优化求解,以得到整个过程的最优决策序列。但是,当每个阶段状态变量和决策变量的维度持续增加时,动态规划法的计算量随之呈指数增长,这将导致“维数灾”(curse of dimensionality)问题,这是动态规划法无法克服的缺点。而在动态规划法基础上发展而来的近似动态规划法,通过适当选取系统的状态变量,能有效的降低模型的变量维度,且通过使用合适的近似策略避免求解精确最优解,能大大提高求解效率。
 
2.1 动态规划法的局限性
动态规划是运筹学的一个分支,是求解决策过程最优化的数学方法。20 世纪 50 年代初美国数学家 Bellman 等人在研究多阶段决策过程的优化问题时,提出了著名的最优性原理,把多阶段过程转化为一系列单阶段问题,逐段求解,创立了求解这类过程优化问题的新方法一一动态规划法。基于 Bellman 的最优性原理,动态规划法用于求解多阶段决策的优化问题时,严格意义上动态规划法可以求得全局最优解[45]。在多阶段决策问题中,当前阶段做出的降低成本的决策可能导致未来阶段成本的提高,动态规划法可以获得在多阶段决策中前后利益不一致的权衡。由于动态规划法能够进行多周期处理,并能对输入的随机数据进行建模,所以能够使用动态规划法对不确定性优化问题进行求解。将动态规划法应用到电力系统的随机动态经济调度问题中时,状态变量可以包括电力需求,水力发电厂的可用水量,电力存储单元中的存储能量等,而模型中的不确定性因素则主要有负荷需求波动,间歇性新能源源出力的随机性,发电厂或输电线路的可用性以及系统故障等。
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2.2 近似动态规划理论
近似动态规划法是求解多阶段决策动态规划问题的各种方法的总称,普遍被接受的名称为 Approximate Dynamic Programming,简称 ADP。在控制领域被称为自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming),或者自适应评价设计(Adaptive Critic Designs,ACD);在人工智能领域也称为强化学习(Reinforcement Learning)或者神经动态规划(Neuro Dynamic Programming)。近似动态规划方法通过近似估计代价函数或代价对状态变量的微分函数来代替每个阶段内对所有状态和控制变量进行精确计算,从而避免了传统动态规划计算中的“维数灾”问题。近似动态规划方法最早是在 20 世纪 70 年代由 Werbos 在控制领域中提出的,随后在包括控制在内的各种决策优化领域得到了应用[46]。目前,美国 CASTLE 实验室对近似动态方法进行了比较系统的研究,该实验室由普利斯顿大学的 Warren B. Powell 教授在 1990 年建立,他们的研究成果已成功运用在火车机车头调度、卡车实时调度、船队实时调度等交通工具的调度问题上[47-48]。目前,国内对近似动态规划方法的研究并不多,且早期主要集中在风险管理与控制领域。在风险管理方面的应用主要有应对供货中断事件影响的供货风险管理[49],综合考虑企业的生产成本和订货商的满意度的供应链生产环节风险管理[50-51]。在控制领域的应用主要集中在交通系统控制[52-53],电力系统的电压稳定控制[54-55]等非线性系统的最优控制。
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第三章 省级电网的安全约束随机动态经济调度............17
3.1 不含抽水蓄能电站对 VF-ADP 求解随机动态经济调度的影响 ....... 17
3.2 安全约束随机动态经济调度问题的虚拟存储器建模............. 18
3.3 安全约束随机动态经济调度问题的求解方法.............. 21
3.3.1 模型处理........ 21
3.3.2 模型求解........ 23
3.4 算例分析........ 25
3.5 本章小结........ 30
第四章 交直流互联电网的随机动态经济调度.....32
4.1 交直流互联电网随机动态经济调度问题概述.............. 32
4.2 交直流通道功率优化分配模型...... 33
4.3 SS-ADP 求解交直流通道功率优化分配模型 ..... 39
4.4 算例分析........ 41
4.5 本章小结........ 46
 
第四章 交直流互联电网的随机动态经济调度
 
对于交直流互联电网,由于送电主通道的各个交流通道和直流通道的输电损耗特性具有一定的差异,可利用直流线路的快速可控性,合理安排各个直流通道和交流通道的输电功率,以降低整个输电通道的损耗电量,实现输电通道的最优经济运行。传统电力系统降低网络损耗的手段主要有调整变压器的分接头、控制机端电压、进行合理的无功电源配置等。而对于交直流互联电网而言,在合理配置系统无功的同时,可通过调整直流输电通道的输送功率,将系统有功潮流转移到交流输电通道上,从而可降低输电通道的总损耗。因此,与传统的网损优化问题不同,交直流互联电网的通道功率优化分配问题的控制变量是直流输电通道输送的有功功率,而不是系统无功调节装置的无功出力[41]。本章建立了交直流并联输电通道有功功率优化分配模型,使用状态空间近似动态规划法对模型进行求解,并以某一实际大规模交直流互联电网为算例,分析验证了所提模型和求解方法的正确有效性。
 
4.1 交直流互联电网随机动态经济调度问题概述
本文研究的交直流互联电网的随机动态经济调度问题如图 4-1 所示,主要包含互联电网内各个独立省级电网日前调度计划优化和省级电网间交直流并联输电通道功率优化分配两个方面。首先,对互联电网内各个独立省网的随机动态经济调度问题进行研究求解,根据第三章对每个省网构建以燃料耗量最小为优化目标,同时考虑省内输电线路和交流断面安全约束的随机虚拟存储器模型,并应用 VF-ADP 算法对模型进行求解,获得每个省网的机组发电调度计划。然后,在获得各个省级电网的机组发电调度计划和满足各省网间输电断面安全约束的前提下,在交直流联络线通道上对省网间交换功率进行分配,确定各个直流线路的传输功率计划,使整个交直流传输通道的损耗最小。因此,本文研究的交直流互联电网随机动态经济调度问题能够通过对各省内机组发电调度计划和各省际直流联络线传输功率计划进行调整,发挥各个省级电网之间电源和负荷的互补共济能力,提高整个交直流互联大电网有功调度计划的经济性。本章对互联电网的交直流并联输电通道的功率优化分配问题的建模和求解进行详细介绍。
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结 论
 
本文研究的交直流互联电网的随机动态经济调度问题是一个多层次多方位的分步优化的问题,第一个层面的优化是对互联电网内每一个独立省级电网的机组日前出力调度计划的优化,该优化问题以省网内机组在调度周期内总的发电燃料耗量最小为优化目标,是一个含有一天所有时段变量的联合优化模型,该优化从节约发电成本、降低能耗指标的层面提高互联电网的经济效益;第二个层面的优化是根据互联电网内的各省网间总交换功率计划在交直流联络线通道上对输送功率进行优化分配,确定各个直流通道的传输功率计划,使整个交直流传输通道的总损耗最小化,该优化从减少输电通道的电量损耗、降低线损率的层面,提高互联电网送电和节能方面的经济效益。总结全文所做工作,得到结论归纳如下:
1)将 VF-ADP 理论推广应用于不含抽水蓄能电站的电网随机动态经济调度问题,以正旋转备用容量为存储量,建立不含抽水蓄能电站的电网安全约束随机动态经济调度问题的虚拟存储器模型,并通过与场景法和鲁棒优化调度方法求解结果的比较分析验证了所建模型和求解算法的正确有效性。
2)提出的 VF-ADP 算法实现了对随机动态优化调度模型各个场景和各个时段的解耦求解,将一个大规模优化问题分解为一系列小规模优化问题,有效提高了对大电网随机动态优化调度模型的求解速度。采用 VF-ADP 算法求解随机型虚拟存储器模型的优化结果中对应的水电机组出力变化比场景法更加合理,符合实际电网运行调度中对机组出力的调控要求。提出的虚拟存储器建模方法不仅能够适用不含抽水蓄能站的电网,对含有或含多个抽水蓄能电站的电网同样适用,为将 VF-ADP 理论应用于快速求解一般大型省级电网的随机动态经济调度问题提供了新途径。
3)建立了以各个直流通道的输电功率作为控制变量,同时考虑各省网与外网的总送/受电功率平衡约束,主通道四大交流联络线输电断面安全约束,直流线路输电功率上下限约束,以及直流线路整流侧功率与逆变侧功率关系方程的多回交直流输电通道功率优化分配模型。为准确描述各个省间交流通道的传输功率和有功损耗与直流线路功率之间的关系,建立了将直流通道节点的节点电压作为状态变量的交直流互联电网潮流模型,获得交流通道功率与通道损耗的准确表达式,同时通过在保留关注的关键节点的前提下使用 PQ 节点转恒定阻抗的等值方法对网络进行等值简化处理,降低模型规模,提高求解效率。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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