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基于非合作博弈的风-水-气区域电网调度电力工程研究

时间:2018-11-06 19:21来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力是以电能作为动力的能源。发明于19世纪70 年代,电力的发明和应用掀起了第二次工业化高潮。成为人类历史18世纪以来,世界发生的三次科技革命之一,
本文是一篇电力工程论文,电力是以电能作为动力的能源。发明于19世纪70 年代,电力的发明和应用掀起了第二次工业化高潮。成为人类历史18世纪以来,世界发生的三次科技革命之一,从此科技改变了人们的生活。(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。
 
1 绪论
 
1.1 选题背景及意义
自内燃机发明以来,经济发展便与一次能源消耗联系密切。步入本世纪上半叶,全球经济发展态势一路走好,随之带来石油、煤炭等一次能源消耗量剧增、自然存储量急剧下降的局面,能源供需局势日趋严峻。同时,经济发展相应地付出了一些环境代价。当前,能源紧缺与环境污染问题已成为全球各国迫切需要解决的两大难题,发展可持续、环境友好型发展能源供需局面显得极为必要。电力产业作为能源消耗最大的产业之一,寻求高效、绿色解决方案显得至关重要。风电等为代表的清洁能源发电形式由于其对环保与资源的友好性,国际社会相继规划将促进风电发展作为推进能源转型变革、应对环境污染以及气候变暖的重要出路。纵观我国能源使用情形,我国位居全球一次能源消耗榜榜首,且在积极探索能源变革举策。十三五明确要求在将节约资源、保护环境落到实际之处的基础上,以创新、绿色、开放、协调的新视野提升能源利用效率与生态环境质量。对于电力行业,国家考虑到环保要求大规模取缔小火电,能源结构迎来了前所未有的巨大变革。国家在政策层面上对绿色、友好型的清洁能源发电形式予以颇多优待与支持。全球过去 16 年以及我国最近 10 年风电装机规模如图 1-1。图 1-1 可以看出,全球风电在与常规能源发电机组的竞争中表现出持久强劲的生命力。相应的,我国风电装机规模增加迅猛,近似呈现直线上涨趋势。近些年来,全球已有超过 154个国家在新能源上订制了 5 年及以上的中长期发展计划,其中欧盟、美国、丹麦、德国等地区的发展政策具有鲜明的代表性。欧盟明确提出在未来 2 年里实现风电装机容量占总装机容量两成的目标;美国计划在未来 10 年里实现风电满足全美 1/5 的用电需求;丹麦、德国等国更是将风力资源的开发作为其未来 30 年发展可再生能源的核心手段;相应的,我国政府在十三五报告中也明确提出,至 2020 年末风电实现满足全国用电量 6%需求的目标。
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1.2 国内外研究现状
电网调度属于优化领域范畴,其数学本质为一个优化问题。即以一系列等式(或不等式)约束为边界,决策优化决策变量在解空间(约束空间)的恰当取值,以实现单个(或多个)目标达到最优取值(或最优均衡状态)的问题。与典型优化问题的处理流程类似,解决电网调度问题有且仅包含两个典型环节:调度模型的构建以及调度模型的求解。关于调度模型的构建又可以细分为研究对象的确定、目标函数的订立以及约束条件三个部分;通常,研究对象为各类电厂、发电机组、电网三者中的一个或多个,其具体选择与模型目标函数的订立完全取决于研究者的研究视角与关注点;约束条件即为机组处理特性、系统供需平衡等,通常不同的关注点会得到差异各异的调度策略。现今,为缓解能源危机与环保需求,我国加大了对风电为代表的新能源的支持力度,大量新能源接入电网。电网呈现多能源系统互联,其网络结构明显更为复杂。同时,随着我国电改政策的逐步推进,电力市场环境具有前所未有的开放程度与对各主体的高度包容性。进而导致调度模型建模难度显著提高。对于调度模型的求解,其核心便是求解算法,即匹配模型求解性能要求的原创或改进算法。本文涉及基于博弈论的风-水-气-区域电网调度问题,国内外相关研究成果大致可以分为如下几类:含风电的电网调度、市场环境下的电网调度以及博弈论在电力系统的应用研究。为此,按上述分类对国内外最新研究成果归类总结、分析如下。
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2 基于经典非合作博弈的风-水-气区域电网调度研究
 
近些年以来我国减排工作得到稳步推进,但在后续一段时间里仍是一项持续性的事业,同时我国政府对未来减排事业也订立了极更高的目标。风、水、气电等清洁能源发电形式得到国家的扶持,得到较好的发展。其中,以风电为代表的新型发电形式发展最为迅猛。而风电出力具有明显的不确定性,随着其接入规模的进一步增长,其给电网带来的诸多负面影响日趋明显。同时随着我国政府对电力市场改革的落实程度越来越高,电力市场开放程度得到极大改善,电力交易市场化趋势日趋明显,市场开放程度显著提升。发电侧企业纷纷抓住此基于,投身于电力市场,进行市场化运作,期望通过一系列市场化手段,尽可能大的利益蛋糕纳入囊中。基于上述两点,如何制定好新时期市场化清洁能源区域电网调度策略,在电网安全运行底线下,充分发掘市场化手段,发挥、利用好清洁能源的价值,实现电厂在一定程度上的互利共赢显得极为必要。本章立足于上述实际需求与前述章节关于国内外研究现状的论述,致力解决电力市场环境下含清洁能源的电网调度问题,设计了以非合作博弈理论为核心的风-水-气区域电网调度模型。模型中以参与电网调度的电厂为理性博弈人,彼此在遵循电网与自身特性的基础上,遵循市场规则,以己方收益最大化为目标,采用发电量为策略展开严格竞争。而后,结合非合作博弈理论中关于 nash 均衡解的论述,论述了本文存在该解,并以此为依托设计适合本章模型的均衡求解算法。最后,通过算例研究了风电接入规模、季节尺度对调度模型的影响。
 
2.1 博弈论概述
博弈论主攻利益冲突背景下多个独立博弈主体的决策问题,其核心是基于他方信息作出最为利己的反应,最终实现利益分配的相对均衡。博弈论与多目标优化的最大区别与独特优势在于博弈论重点突出博弈参与主体基于他方信息进行决策,且整个决策过程中充斥着互动,决策过程与决策结果更为贴合实际。博弈并不是本世纪出现的一个新鲜名词,早在春秋战国时期我国便出现了博弈思想的萌芽,形成了早期蕴含博弈思想的巨著——《孙子兵法》。进入近代,西方国家在博弈论相关理论上投入大量研究精力与人力。并于上世纪上半叶初期,形成了以策梅洛与波莱尔成果为代表的博弈思想萌芽,而后冯·诺依曼采用严明数学推理首次给出了博弈论的初步框架。随后,其和摩根斯坦携手编写了《博弈论与经济行为》,首次实现了其由理论研究到实际应用的转变。进入二十世纪中期,纳什发表多篇关键性论文,给出了系统的、公理化的非合作博弈理论规范,并且采用纯数学推理给出 n 人非合作博弈均衡的存在性要求,奠定了其的应用价值。后续,随着 Reinhard Selten、John C.Harsanyi 等人的深入研究,促使博弈论及其分支得到蓬勃发展。直到今日,博弈论已得到极大的发展,获得了多个工程领域的独爱,逐渐成为现代数学的一个重要分支。
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2.2 非合作博弈理论概述
非合作博弈理论为博弈论中最先被挖掘出来的,是整个理论的基石。其历经三次重大转折点,分别是:1)上个世纪初期冯·诺依曼提出了博弈萌芽;2)五十年代纳什先后发表多篇论文,详尽给出了博弈论的首个分类方式,并且采用数学化语言实现了其描述的公理化、确定了均衡的存在要求,为非合作博弈的应用带来了一丝曙光;3)当代多位博弈论大家将其应用于经济领域,问鼎了八届诺贝尔经济学奖,向世人展示了非合作博弈理论的魅力与独特优势。通常,理论上采用定义 2.3、式 2.1 以及表达式 2.2 遍历整个策略nR 欧式空间便能实现传统意义上的均衡求解。但是,对于某一实际显示问题,策略集nR 极为巨大,无法快速实现均衡的求解工作。现今也有学者设计了相关求解算法,但是应用情况不尽乐观,求得的解具有一定的局限性,时至今日仍未形成一个通用、成熟的均衡求解流程。但是整个策略空间nR 为连续平面,则可将均衡的求解转化为 n-1 个关联平面的优化问题,进而可以吸纳优化理论实现求解的简化,而后以此转化问题为基础,选用迭代优化算法实现均衡求解。
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3 基于主从博弈的风-水-气区域电网调度研究 ...... 29
3.1 主从博弈理论概述.......29
3.1.1 主从博弈博弈表达形式..........29
3.1.2 主从博弈均衡定义与存在性理论 ...........30
3.1.3 主从博弈均衡求解.........30
3.2 基于主从博弈区域电网调度模型 .........31
3.3 STACKBERG-NASH 均衡求解.......... 35
3.4 算例仿真..... 37
3.5 本章小结..... 44
4 考虑风电不确定性的区域电网主从博弈调度研究 ..... 45
4.1 鲁棒优化..... 45
4.2 考虑不确定性的主从博弈模型 .... 46
4.3 STACKBERG-NASH 均衡求解.......... 49
4.4 算例仿真..... 50
4.5 本章小结..... 56
5 结论与展望 ........ 57
 
4 考虑风电不确定性的区域电网主从博弈调度研究
 
风电出力与其装机地理位置以及对应区域的气象条件密切相关,在时空上呈现出极不均匀分布,整体表现出极大的随机性与间歇性。相当规模的风电上网会给所属区域电力系统运营的可靠性与经济性水平带去极大的冲击。故,极有必要思考风电的不确定性对调度模型影响。同时,调度工作的最最基本要求便是可靠供电,保障最恶劣情况下的电力需求,并在此基础上兼顾经济性。鲁棒优化理论的核心便是最恶劣场景为基石,进而决策出最佳策略。极为符合考虑最劣风电出力情形下的调度问题建模。本章旨在第三章的基础上,引入风电的随机性,设计了含鲁棒性的区域电网主从博弈调度模型。与第三章类似,本章模型中以电网为博弈主体,深度刻画电网在调度过程中电价制订的主导性与先导性;以各类发电厂为博弈从体,在考虑电厂以及风电出力的波动性基础上,增加考虑电价信息对于其发电策略的导向作用,电厂间构成严格竞争;同时,各方博弈遵循市场规则以己方收益最大化为目标,分别采用上网电价、发电量为策略展开严格竞争。其次,采用第三章求解算法,并结合鲁棒转换理论,实现了计及不确定性的 Stackberg-Nash 均衡的求解。而后,通过算例探究风电接入容量、季节差异对于本章模型的影响。
 
4.1 鲁棒优化
风电的波动性限制了其的应用,尤其是规模显著增加的时候负面影响显得更为突出,不利于电网调度。为了推动风电的利用,学者采用基于风电出力预测值的调度建模、基于高置信度下风电出力预测区间的联合调度研究、基于风电出力概率分布、场景生成技术与削减技术的调度建模等四类建模方法定量描述风电的不确定性。基于风电出力预测值的调度建模,通常为了确保电网可靠、稳定运行约束以及削减风电出力随机性给电网带来的不利影响均会预设相应大小的备用容量,不利于进一步挖掘不确定对象的经济潜力。以场景生成与削减为核心的调度建模研究对于风电出力的不确定性分析均经过场景生成、场景压缩以及场景树的生成三个典型环节。面临着场景生成与削减技术会的两重博弈,主观性较大。以风电出力概率函数为核心的调度模型的矛盾在于合理平衡计算性能与出力描述的准确程度。基于高置信度下风电出力预测区间的联合调度研究,此类研究均采用预测区间、预测均值相结合的方法描述风电的不确定性,而后结合鲁棒思想,确保调度的可靠性与模型的高可操作性。明显符合含不确定性对象、且追求高可靠性的电网调度的工作要求。故本章考虑风电不确定性的区域电网主从博弈调度研究拟在第三章的基础上吸纳鲁棒调度思想。
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结论
 
随着我国电力市场化进程稳步推进,电力需求随之出现了稳步增长趋势。同时,国家为了推进环保型社会对于电力排污提出了更为严格的要求,形成风电、水电、气电等清洁发电形式供电方案成为电力供应侧的必然选择。而风电先天具有的不确定性特性致使其规模化入网后的负面影响急剧放大,使得市场环境下含风电的系统调度工作更为复杂。博弈论致力于解决市场化各利益主体的利益分配与趋利性决策问题;鲁棒理论适用于解决不确定问题,显然两者分别适合描述电力市场行为与风电的不确定性,有望形成“博弈论+鲁棒理论”的理论组合,为市场环境下含风电的系统调度问题提供理论支撑与技术解决方案。本文基于博弈论与鲁棒理论,研究了市场化环境下含风电的区域电网调度问题,本文取得的主要研究成果如下:
(1)突出市场环境下各电厂的趋利性竞争,且忽略风电的不确定性,构建了以非合作博弈思想为主导的区域电网调度模型。依据求解需求,设计了一种“均衡定义+PSO 迭代”的纳什均求解方案。数值仿真表明所构建非合作博弈模型、设计的求解方案具有明显的可行性。同时,相较于传统经济调度模型,非合作博弈理论指导建立的调度模型在不同时间尺度、不同风电接入下的调度过程中利益分配均衡度分别提升了 1% ~ 3%、2% ~ 3%,标准差率分别下降了 5% ~ 30%。
(2)考虑市场环境下电网在调度控制把握并主导着上网电价的定制环节,对于电厂的竞争具有引导作用。以主从博弈为基础设计了电网主导、电厂跟随的区域电网主从调度模型,并提出了一种求解方案。通过设计数值算例,证明本章所构建模型存在均衡解、提出的求解方案具有可行性。不同时间尺度、不同风电接入下的模拟调度运行结果表明主从博弈理论指导建立的调度模型在收益分配上更为均衡、稳定,优于经典经济调度模型与非合作博弈理论指导建立的调度模型。
(3)采用鲁棒理论刻画风电的不确定性,并结合主从博弈理论,建立了计及鲁棒性的区域电网主从博弈调度模型。算例仿真表明,计及风电出力不确定性的主从博弈调度模型相较于经典鲁棒调度模型,收益分配上更为均衡、稳定;同时采用鲁棒理论描述风电的不确定性,致使调度环境恶化,导致均衡度与稳定程度均有所减低,其值略低于确定性主从博弈理论指导的调度方案。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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