应对不确定性的机组组合决策理论研究

当今,分布式能源以集中或分布的方式接入输配电网,包括风光等不可调控的可再生能源发电(被动电源),以及储能、电动汽车等具有一定可调可控能力的主动负荷。由此,电力系统电源和负荷呈现多元化、双向流动等新特征,使得输配电网间的关联与互动不断加强。在这一情景下,火电系统的机组组合问题变得更加复杂。这一复杂性在于,为应对风光等可再生能源发电及用电的不确定性,机组启停必须与储能、需求侧响应等主动负荷联合决策。在计及分布式能源的空间分布特点的同时,进行不确定性风险、储能投入与用户效用的综合考量,实现输配微协同的优化决策。因此,传统的机组组合理论与方法难以直接沿用,对其进行研究具有重要的理论意义和工程价值。在此背景下,本文以应对不确定性或消纳可再生能源发电为核心,以机组组合问题为关键,以综合效益最优为目标,以分布式的思路将其关联分布式能源中的主动与被动,以及输配电网间的互动,对计及不确定性的机组组合决策理论进行了深入细致的研究与探索。本文的主要工作和创新成果如下:(1)针对电力系统接纳风电不确定性的区间决策问题,提出了条件风险引导下的变动置信区间的鲁棒机组组合决策模型,并基于改进的C&CG(Column and Constraint Generation)算法进行求解,提高了模型求解效率。该模型和方法的特点在于:系统接纳风电过程中,采用条件风险价值(Conditional Value-at Risk,CVaR)度量不确定区间以外的部分产生的弃风风险和切负荷风险;决策者可通过调整惩罚系数,权衡系统接纳风险和降低运行成本之间的矛盾,从而确定系统可接纳风电置信区间的边界;将CVaR及其限值作为目标和附加约束扩展到鲁棒机组组合模型中,协调决策不确定性集合内正常场景的运行成本与不确定性集合外的风险损失。借助储能不仅提高了火电系统运行的灵活性,也降低了系统运行的风险,算例分析验证了模型和方法的有效性。(2)针对风电随机过程难以表达为精确概率密度与概率分布的问题,提出了基于非精确狄利克雷模型(Imprecise Dirichlet Model,IDM)的分布鲁棒机组组合模型。该模型无需事先假设风电功率的分布形式,基于非参数IDM方法构造的模糊集包含风电功率所有可能的概率分布,更加细致地估计了风电累积概率分布(cumulative distribution function,CDF)的置信带。依据此,在满足一定置信水平下,推导出风电功率不确定性区间的表达,从而使其与自适应鲁棒优化模型相衔接,将棘手的分布鲁棒优化问题转化为传统的鲁棒优化问题,使模型得以求解;此外,与采用仿射机制的模型可能导致次优解相比,该模型遵从机组组合与鲁棒优化间的自适应机制,既能继承鲁棒优化的特点,又能克服其保守性。最后根据min-max-min鲁棒优化原理,利用C&CG算法对模型求解。算例分析验证了所提模型和方法的正确性和有效性。该研究采用非精确概率描述不确定性问题,给应对不确定性的机组组合决策提供了新的解决思路。(3)针对用户需求响应的个体差异和系统节点薄弱程度对机组组合决策影响的问题,提出了一种考虑用户效用补偿的机组组合模型,并给出了相应的求解方法。依据经济学中个体用户边际效用递减规律,基于个体效用集成总体效用的机理,建立不同类型用户行为的需求效用函数的解析表达,并将其纳入机组组合模型中,实现需求响应与发电调度的联合优化。为激励用户积极参与需求响应,采用博弈论中机制设计原理,设计了计及激励相容约束和个人理性约束的需求响应补偿机制。该补偿机制将用户行为参数与用户响应意愿参数及节点位置参数进行关联,在综合考虑用户意愿和节点薄弱程度的基础上,为不同类型和不同位置的用户设计专门的补偿方案。补偿机制的个性化定制,避免了市场总体行为决策需求响应所具有的保守性,同时博弈式的参数形成模式也克服了集中方式下参数设定存在的沟通、计算困难和隐私保护等问题。采用混合整数线性规划实现了对模型的求解。算例分析验证了所提模型和方法的正确性和有效性。该研究为机组组合中如何激发主动负荷的参与、实现响应与机组组合的一体化决策提供了新思路。(4)在上述研究的基础上,为考虑各级输配电网间的关联和影响,提出了区域电力系统输、配、微网三层联动的机组组合决策模型,并提出了目标级联分析法的并行求解方法。为发挥输电网、主动配电网与微网中各层主动量协同应对不确定性的能力,将一次、二次频率作为输电网应对不确定性的手段,与配、微网中的主动负荷共同加入多层联动的机组组合决策模型中,通过输配微各层主动量与机组启停决策量的联动优化,实现全网目标最优和全系统的资源互补与优化配置。该模型采用目标级联分析法并行求解,其核心为:将区域系统的总体优化目标按输-配-微不断分流,同时各层响应由下而上逐级反馈,各层分别独立求解,交替优化,横向实现源-网-荷-储协同调度,纵向实现输配微联动优化,最终实现全网决策量的协同优化。该研究将机组组合决策推进到全层级的“源-网-荷”协同,是顺应当前电力系统调度发展方向的有益尝试。本文的研究为区域电力系统多层联动的机组组合优化决策提供理论依据,并拓展了不确定性理论和方法在机组组合问题中的应用,充分挖掘了源侧、荷侧以及全网的主动性,对提高统一电力系统综合调度水平具有一定的参考价值。