考虑风电出力和电价不确定性的水风联合现货市场竞价策略

以风电为代表的新能源参与现货市场已是大势所趋,但出力不确定性导致其市场竞争力较弱,而电价的不确定性又进一步增大了其承担的收益风险。联合具有灵活调节能力的水电是有效的解决途径,而制定符合决策者风险意愿的竞价策略则是其中亟须解决的关键问题。为此,从价格接受者角度提出了水电联合风电参与现货市场的竞价模型。模型中采用笛卡尔积组合后的典型场景集描述风电出力、市场电价等多种不确定性,采用条件风险价值衡量不确定性导致的市场风险,并以风险因子作为决策者风险偏好纳入决策过程。通过引入0/1整数变量,将模型中的非线性函数转换为混合整数线性规划模型予以求解。以中国西南某省梯级水电站和风电场为背景,验证了模型的有效性,并进一步分析了风险偏好对竞价决策的影响。

水电支撑新型电力系统灵活性研究进展、挑战与展望

风光新能源发电的中长期季节性波动、短期随机性和间歇性波动使得新型电力系统面临巨大的灵活性需求和季节性保供挑战。为此,我国工业界和学术界提出“水电角色重塑和功能再造”的概念,目的是充分发挥我国独一无二的水电资源优势,重塑水电灵活性资源角色,支撑新能源大规模开发利用。这一理念和相关理论技术问题,受到政府部门、电力企业的充分重视和众多学者的广泛研究,且仍在发展之中。为了更好地总结和展望相关研究成果,该文归纳我国水电灵活性的重要现实基础,并从流域水风光综合基地、省级电网、区域电网3个层级,综述水电支撑新型电力系统灵活性的研究进展。在此基础之上,从理论方法和工程应用2个方面提炼亟待突破的关键挑战,并展望相关解决思路。

兼顾本地与直流受端电网调峰需求的水电站群短期优化调度模型

面对巨型水电站群高压直流送端电网和受端电网日益严峻的调峰压力,建立了一种兼顾本地与直流受端电网调峰需求的梯级水电站群短期优化调度模型。模型以多电网剩余负荷最大值最小为目标,考虑常规梯级水电站群水力、电力约束,以及复杂高压直流输电线路运行约束,并引入直流线路与水电站之间耦合运行约束。在模型求解阶段,引入辅助变量将目标函数、水电运行约束、直流运行约束线性化,并采用大M法对直流线路与水电站之间双向区间耦合约束进行线性化,将原模型转换为混合整数线性规划模型。以中国西南地区某巨型水电站群冬季和夏季典型日为实例研究,结果表明:送端电网负荷峰谷差降幅高达100%,受端电网负荷峰谷差降幅分别达28.1%和31.6%。所提模型能够利用高压直流输电线路共享水电灵活性,有效实现多电网调峰,并保证直流输电线路运行在安全区间,可以为巨型梯级水电站群短期多电网调峰提供参考和借鉴。

耦合出力破坏深度与弃电准则的梯级水风光互补调度规则研究

梯级水电调度规则是指导控制型水库发电蓄放水的重要依据。随机、波动、间歇性新能源的接入改变了梯级水电运行边界,增加了缺电、弃电风险,导致仅考虑径流季节性波动的调度规则不再适用。依托贵州某梯级水风光综合基地实际工程,剖析了导致缺电、弃电的因素,并从规则形式和模型构建角度给出解决方案。在标准调度规则的基础上,结合对冲规则、满蓄规则,并考虑输电通道容量限制与新能源消纳规则,提出梯级水风光六段式互补调度规则,以减少缺电、弃电;提出出力破坏深度指标度量缺电风险、提出弃电准则避免非必要弃电,并以规则参数为决策变量构建多目标参数模拟优化模型;采用目标优先级非支配排序遗传算法优化规则参数。设置多种新能源装机容量场景、输电通道容量场景和对比规则,从多角度验证本文方法的有效性。结果表明,本文方法能够显著降低梯级水风光综合基地缺电、弃电风险,提高发电量,其中出力破坏深度指标使缺电程度平均降低36.04%、弃电准则使弃电平均减少7.96%。最后,绘制更加简明、直观的梯级水风光互补调度图,以便于实际应用。

耦合水电弃能消纳的日前现货市场多阶段出清方法

如何破解梯级上下游电站报价不匹配导致的竞争性弃水,是高比例水电现货市场出清中的基础性理论和实践难题。为此,基于节点电价出清机制,从弃水原因出发,提出一种耦合水电弃能消纳的多阶段日前现货市场出清方法。该方法第一阶段引入弃能电站报价修正策略,通过等比例调减弃能电站报价,实现市场优先出清;第二阶段引入上游电站电量控制策略,利用下游电站弃能反向推算上游电站应削减电量,构建了多时段耦合电量控制约束,通过减少上游放水削减下游弃能;第三阶段引入上游电站出力控制策略,考虑梯级滞时精细化推算上游电站各时段出力上限,构建了出力控制约束,进一步调减弃能;最后基于“谁获利、谁负责”的公平性原则,构建了多阶段结算补偿策略。实例分析表明,提出的方法能够有效协调上下游电站出清电量,避免报价不匹配导致的竞争性弃水,为高比例水电市场现货交易提供了新的思路。

巨型水电站参与省内-省间电力市场竞价策略联合优化方法

西南巨型水电站如何参与省内-省间电力市场联合竞价是我国多层次电力市场建设面临的新问题,电价和径流的多重不确定性叠加时空耦合的水力电力联系使得该问题极为复杂。提出一种基于边际机会成本的水电站参与省内-省间月度集中市场投标曲线联合优化方法。考虑水电站在多层次多时段市场售电量的非线性耦合关系,构建随机规划模型,求解随机电价、径流下水电站多种售电量组合的增量成本,拟合水电站在省内-省间月度集中市场的边际机会成本曲线;引入偏差面积最小准则对曲线进行缩减,得到段数符合市场要求的分段投标曲线。以溪洛渡右岸电站参与云南省内市场和南方电网省间市场联合竞价为例,验证了所提方法的有效性,结果表明所得投标曲线符合水电站机会成本变化趋势,相较于传统投标电量优化模型,所建模型能够有效提高水电站售电收益,促进水电消纳。

复杂需求下巨型水电站跨省交易电量曲线分解方法

西南巨型水电站参与电力市场涉及多省、多品种、多时间尺度等多维电量曲线分解难题,给水电市场化运行带来很大挑战。该文依托溪洛渡右岸电站实际工程,考虑电网调峰与企业效益复杂需求,提出巨型水电站月度电量曲线分解多目标协调方法。以余荷均方差最小构建多电网调峰目标,利用多品种差异电价和峰平谷分段市场电价构建发电效益目标,引入理想点法实现目标分级进而将多目标优化转换为一系列差异约束边界的单目标问题;采用分段线性技术处理非线性水力约束、三角剖分技术处理电站出力特性曲线,利用混合整数线性规划(mixed integer linear programming,MILP)方法实现模型高效求解。采用溪右电站月度电量交易申报实际数据进行验证分析。结果表明,该文模型可以得到合理的月度电量分日、分时、分省、分品种的发电曲线过程,并通过两个实例分析不同来水和计划电量对调峰与收益的影响,发现汛期较枯期影响更大,且计划电量比例是协调调峰和发电收益的重要因素。

考虑水电消纳的送受端市场日前现货协同出清方法

大规模水电跨省跨区输送涉及送受端多个差异电力市场,如何协调不同市场交易促进水电消纳是我国电力现货建设面临的关键问题之一。本文提出考虑水电消纳的送受端市场日前现货协同出清方法,以直流联络线为协调因子,实现送、受端市场迭代出清框架的有效衔接;考虑直流外送计划确定巨型水电站发电能力、开停机、爬坡、上下游影响电量的边界条件,并耦合水电非线性特点和弃水控制要求,构建购电费用最小出清模型,优化送端全网日前现货出力;提出直流计划更新策略,依据电站弃水和电网断面控制,动态调整外送边界,实现受端市场迭代出清收敛。通过改进的IEEE300节点系统和云南电网实际工程验证,本文方法能够高效完成高比例水电市场现货出清,且能有效衔接市场出清结果与直流输送计划,实现流域梯级电量、水量精准匹配。

考虑电站集群与发电时变特性的风光出力描述方法

风光电站群“点多面广”及发电间歇性、波动性带来大规模并网消纳挑战,如何对风光电站合理分组并准确刻画风光集群出力特性是解决这一挑战的重要途径。依托云南电网实际工程,提出考虑电站集群与发电时变特性的风光出力描述方法。构建了电站群出力互补准则,采用凝聚层次聚类方法进行集群划分,刻画了互补性指标与集群数量二维关系,以确定合理的集群划分方式;引入时变特性,提出集群电站时序出力分段方差最小目标,利用分裂层次聚类确定最优分段及时段数量,建立了分段差异化集群出力概率密度分布函数。采用21座风、光电站实际工程数据进行验证,给出了单一类型电站集群和风光电站混合集群3个实例,结果表明90%置信区间的可靠性均超过92%,与单站调度方式相比,平均区间宽度分别减小29%、33%、43%,与全时段统一描述方式相比,前述区间宽度分别减小7%、34%、9%,呈现出较好的可靠性、集中度和实用性。

亿千瓦级时代中国水电调度问题及其进展

三峡工程和西电东送工程开启了中国和世界水电史上从未有过的最大规模水电工程建设,中国水电取得了1亿千瓦、2亿千瓦和3亿千瓦里程碑成就。截至2017底,中国水电装机容量达到了3.41亿kW,是排名第2美国3倍多,等同于紧随其后世界5个水电大国总和。中国水电区域电网水电装机规模超过1亿kW,有两个省级电网水电装机规模分别超过了7000万kW、6000万kW,超过排名第5的日本,紧随排名第4的加拿大;十四大水电基地中,有7个干流梯级水电装机容量超过了1000万kW,最大金沙江流域超过了3000万kW;西电东送"南通道"和"中通道"20条特高压直流和8条特高压交流跨省跨区域水电输送能力1.05亿kW。中国水电史无前例的系统规模和发展速度,极大改变了国内外现有的调度管理方式,对传统的水电系统调度方法提出了重大挑战,需要全新的调度方法。本文概述了中国水电发展历程,总结了水电系统新变化和面临的三大水电问题,梳理了最近10多年中国水电突出的理论和方法进展,最后指出未来需要开展能源结构转型中的中国水电问题研究。

水风光多能互补发电调度问题研究现状及展望

以水风光为主的可再生能源在过去二十年实现了前所未有的发展,未来也将是中国构建清洁低碳能源体系的核心组成部分,是兑现碳减排承诺的现实选择。该文简要分析了我国清洁能源发电的发展概况及典型水风光互补实际工程,提炼总结了互补系统发电调度面临的关键问题,包括大规模风光电站群以何种形式参与调度、间歇性时空发电规律如何描述、风光电站群与水电站群在长期、短期等时间尺度上如何协调运行;针对这些问题系统综述了国内外水风光互补协调研究方法及特点,并从风光电站集群汇聚、集群出力描述、及集群模式下水风光互补系统长期、短期协调建模与求解思路,阐述了技术实现过程,期望为我国多能互补工程实际运行提供切实可用的技术手段,助力“碳达峰、碳中和”目标。

水火风光多源发电调度系统大数据平台架构及关键技术

水风光等可再生能源高速发展使得电力调度数据出现爆发式增长,并呈现出多源、异构、高维等大数据典型特点,如何应对电力大数据的集成管理及高效应用是我国电网运行的重大技术挑战之一。为此,围绕水火风光复杂发电调度系统,解析超大规模电站群调度大数据特征及相互关系,设计调度管理功能体系,构建发电调度大数据平台架构,提出满足不同业务场景共性需求的多源数据校验和多平台协同存储技术、面向发电调度分析场景的大数据融合处理技术以及面向发电计划编制场景的大数据分析决策技术,实现电力大数据的采集、存储、分析及知识提取等一体化功能。以云南省调400余座大中型电站为工程背景,应用大数据平台架构和关键技术,构建超大规模多源发电系统调度软件,通过电网月度计划跟踪分析、新能源功率预测偏差确定、梯级水电站群发电调度计划编制3个核心业务场景的典型应用,表明电力大数据技术确实可以为复杂发电调度系统高效和实用化运行提供新的解决途径。

考虑回水顶托影响的梯级库群日前调峰MILP模型

水电日前调峰优化调度需要同时考虑电网、水库及机组多重约束,本质上属于复杂的多维、动态、非凸、非线性规划问题,将回水顶托影响考虑到模型当中进一步加剧了模型的求解难度。本文建立考虑回水顶托的梯级水库混合整数线性规划(MILP)96点调峰模型,通过将回水顶托水库中多个非线性约束聚合成单个四维超曲面约束的方式减少模型整体非线性约束个数,并采用SOS2约束对该模型进行线性化处理,最终实现模型高精度高效求解。以西南地区某梯级库群为工程背景,选取汛枯期4种典型日方案验证所提模型及算法的有效性,并分析考虑回水顶托的必要性。结果表明,所提模型较传统模型在提高精度的同时也显著提升了求解效率,并在各场景下均能达到较好的调峰效果,对水库精细化调度具有重要意义。

大规模水电消纳和调峰调度关键问题及研究进展

随着"西电东送"直流水电输送规模的快速扩大,中国受端电网水电消纳压力急剧增加,面临低谷消纳困难、网间高峰负荷博弈、消纳和调峰多目标协调等挑战性问题,严重制约水电大规模输送与优化配置。文中在分析中国水电跨省区输送特点的基础上,以水电消纳和调峰为主线,细述了水电消纳调度的发展过程和不同阶段对水电消纳问题的解决思路与技术途径,提炼总结了四类主要水电调峰方法,综述了水电跨省区消纳阶段多电网调峰问题研究进展,提出了需要致力研究的关键理论与技术问题,并给出了建议的解决途径。

水电富集电网大规模水电站群短期实用化调度方法

超大规模水电站群优化调度"维数灾"和结果实用性问题是水电和电网运行面临的重大理论和实践难题。该文以我国西南水电富集电网百座级水电系统为工程背景,提出考虑调度特征降维的水电短期实用化调度方法。结合系统层级、空间属性、任务要求、计划特殊性等调度特征进行水电站分类分组降维求解,提出基于调峰响应的弃水修正策略和低谷时段负荷均衡削减策略,实现固定调度方式电站的校核分析与出力调整;针对中小流域梯级水电站,以总出力过程为控制条件,以总耗水最小为目标,优化梯级电站间负荷分配;针对大型流域梯级和主要水电站,构建调峰调度模型,提出平衡电站等负荷率调度方法,实现系统调峰响应和全时段负荷平衡。通过云南电网162座水电站日前计划编制实例验证,该方法能够快速给出合理的水电调度结果,满足电网实际运行的时效性和实用性要求。

梯级水电站群中长期优化调度的离散梯度逐步优化算法

充分利用现有水电资源,进行库群中长期优化调度是构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系的重要措施。逐步优化算法(POA)将多阶段问题转化为多个两阶段子优化问题,是求解中长期库群优化调度较为广泛且有效的一种方法。但随着水库数目的增加,POA仍会面临严重的"维数灾"问题。本文以梯度下降法为基础,提出离散梯度的概念及离散梯度逐步优化算法(DGPOA),该方法在不直接求导的情况下充分利用局部离散梯度信息确定最优搜索方向,可以快速获得优化结果。最后将该算法应用到澜沧江流域五水库梯级系统中,在不同离散精度和来水条件下,利用POA、POA-DPSA和DGPOA算法对梯级水库进行优化计算。结果表明,在不显著降低全局搜索能力的情况下,DGPOA的计算速度分别达到了POA-DPSA算法的8~12倍,POA算法的50~250倍,是一种解决梯级水库站群中长期优化调度中"维数灾"问题的有效方法。

求解水电站日负荷优化分配的混合整数非线性规划模型

考虑水电调度复杂非线性关系,提出水电站日负荷优化分配的混合整数非线性规划(MINLP)模型。采用多项式拟合技术处理MINLP模型中的水位、库容、流量、出力等多变量耦合函数关系,分析确定了适合的多项式阶数和描述方式,构建了水位与库容、尾水位与出库流量的一元四次多项式,提出表征机组出力的水头和发电流量二元二次拟合方法,得到了水头—流量—出力关系三维拟合曲面,可以满足变化水头下机组出力的精细化计算要求。最后,采用成熟的MINLP求解器实现高效计算。提出的模型通过溪洛渡18台机组日负荷分配问题得到验证,从模型应用复杂度和结果精度两方面与经典混合整数线性规划(MILP)模型进行比较,表明MINLP模型应用便捷且精度较高,与实际耗水量的误差较MILP模型减少91%,更能反映水电站实际情况。

水电站群优化调度非线性全局优化方法

水电站群优化调度是大规模、高维、非凸、非线性优化问题。传统解析式规划、动态规划（dynamic programming,DP）及系列方法、智能群体算法等很难保证在可接受时间内获得原问题的全局最优解。该文引入一种非线性全局优化方法,采用凸分析、区间分析、代数分析将原非凸、非线性问题转换为一系列凸、线性子问题,利用分支定界法遍历所有子问题,直至求得全局最优解。以澜沧江和金沙江水电站群长期调度为例,与DP等经典算法相比,该方法可以获得全局最优解,最大降低内存占用率99%以上,10座水电站的优化计算平均耗时仅5s,计算速度比DP逐次逼近法提高约50倍,为破解大规模水电优化调度维数灾难题提供新的技术途径。

超大规模水电系统优化调度挑战及应用实践

我国水电经过十多年的密集建设实现了高速发展,在西南地区出现了一批千万k W级特大流域巨型梯级水电站群,首次形成了装机容量超亿kW、电站数量超百座的区域和省级电网超大规模水电系统,产生了世界水电史上从未有过的调度运行难题,给水电系统乃至整个电网的安全、高效、经济运行带来重大挑战。该文结合我国水电现状和发展情况,分析超大规模水电系统有别于以往中小规模水电的调度运行特点,提炼总结一系列超大规模水电系统调度核心问题,包括优化调度“维数灾”、巨型机组多限制运行区安全控制、水电大规模消纳、多电网调峰等,并从技术角度给出这些问题的可行解决途径,最后结合在中国南方电网、云南电网等水电富集电网和澜沧江、红水河、乌江等特大流域工程实践,给出部分研究成果的实际应用情况,为我国水电系统科学调度提供可借鉴的技术途径。

水风光互补系统灵活性需求量化及协调优化模型

利用水电等灵活性调节电源平抑间歇性风光发电是解决新能源规模化并网消纳的重要途径。依托云南电网实际工程,提出灵活性需求量化方法,采用分位点确定了风光电站集群出力概率分布的取值变化区间,生成不同概率的出力场景集,以量化描述面临计划的灵活性需求;集成6种灵活性调节指标,构建了灵活性裕量期望最大和不足期望最小模型,能够动态适应不同场景的水风光互补调度需求。通过实际数据分析了灵活性需求量化的准确性,以及不同来水条件、新能源接入比例、风光装机比例、水电机组特性、调峰需求对灵活性的影响,与预留备用容量方法相比,本文模型能够根据灵活性需求变化给出多类型电源互补调度方案。