摘要
在“碳达峰、碳中和”目标导向下，我国提出了构建以新能源为主体的新型电力系统的发展战略。在电源侧，以风电、太阳能为代表的间歇性可再生能源发电将进入大规模发展的快车道，逐步形成以可再生能源发电为主导的清洁、可持续的电力供用模式。可再生能源发电的随机性、波动性等不确定特征，给系统发电与负荷平衡带来了巨大的挑战；在需求侧，电力市场的深化改革、分布式发电技术的进步，造成电价和负荷需求呈现出难以预测的波动性特征。传统的确定性电力系统，已转变为强不确定性系统。电力系统在不确定因素影响下的运行，给系统安全与经济等方面带来了新的问题和挑战。电力系统灵活性，作为平抑不确定因素影响的理念，在电力系统持续关注安全性、可靠性、经济性之外，电力系统灵活性已成为新的研究焦点，探索在不确定环境下、全环节多时空互动的电力系统灵活性评价和调度的理论与优化方法应用成为亟待解决的问题。为此，本文针对含有不确定因素的电力系统灵活性评价与优化方法研究，在电力系统安全性、经济性和可靠性的框架下，充分利用系统灵活性资源，深度挖掘系统灵活性能力，以提升电力系统灵活性为导向，研究不确定环境下的电力系统灵活性评价方法和灵活调度模型及其拓展应用。主要研究工作包括以下几个方面： (1) 通过分析电力系统中可再生能源出力随机性及负荷预测的不确定性特征，进而以净负荷曲线来反应电力系统对灵活性的需求。考虑电力系统供给侧常规煤电机组强迫停运率和机组可爬坡的不确定性，采用基于生产模拟的概率评价方法对其开展随机评估。提出一系列概率型电力系统灵活性评价指标，建立了考虑不确定性因素影响的灵活性评价模型。将可再生能源弃电及限负荷方法视为系统灵活性资源，研究其对电力系统灵活性的影响。通过 IEEE-RTS-24 节点系统和 IEEE-118节点系统进行数值仿真验证了所提灵活性指标及评价方法的有效性。 (2) 为了充分从系统发电充裕性的角度来体现可再生能源对提升电力系统灵活性的贡献，以可再生能源的有效容量和功率波动两个指标描述其不确定性出力特性，并将两个指标视为不确定变量，构建了基于线性多面体的鲁棒集表达式。融入了考虑电力系统调度的灵活性约束，提出了基于灵活性评价的电力系统鲁棒优化调度模型。基于 IEEE-6 节点系统和 IEEE-118 节点系统进行算例分析，与确定性模型的决策方案比较，所提鲁棒优化方法及模型能有效提升系统灵活性。 (3) 考虑常规煤电机组自身具有灵活性属性，提出了基于矩信息不确定因素建模方法的电力系统常规煤电机组灵活调度分布鲁棒模型。针对可再生能源出力的不确定性，建立了基于矩信息的分布鲁棒模糊集。利用条件风险价值理论、对偶原理和样本均值近似方法，将提出的常规机组灵活调度模型转化为具有数学可解析的表达形式。基于随机对偶动态规划求解算法，提出一种改进的迭代求解算法，该算法在求解迭代过程中通过构建目标函数的近似线性化目标，进一步降低模型求解难度和提高求解效率。基于IEEE-6节点系统、IEEE-118节点系统及更大规模节点系统的算例分析验证了所提模型及算法的有效性，实现在满足系统稳定性的同时，能有效提升电力系统调度的经济性和灵活性。 (4) 通过引入电力市场中灵活爬坡产品理念，提出了常规煤电机组与备用协同优化的电力系统灵活调度分布鲁棒模型。建立了基于Kullback-Leibler距离方法的随机变量分布鲁棒模糊集表达形式，并通过引入置信水平参数用以调整分布鲁棒模糊集的保守性。考虑不确定变量的离散概率特征，通过引入经验分布将所提模型转化为单层的可求解凸优化形式。基于 IEEE-6 节点系统和 IEEE-118 节点系统进行数值仿真分析，通过与鲁棒优化及随机优化方法的对比，验证了所提模型及方法的有效性和优越性。 (5) 考虑灵活性电源的快速启停特点，能快速响应电力系统功率波动问题，有效提升系统灵活性。通过机组灵活性改造方式，在传统常规煤电机组调度模型基础上，加入具有快速启停及爬坡能力的灵活发电机组，提出了常规煤电机组与灵活发电机组协同优化的电力系统灵活调度分布鲁棒模型。基于Wasserstein距离方法建立了可再生能源出力不确定分布鲁棒模糊集，并将所提模型转化为具有可求解形式的混合整数线性规划问题。以IEEE-14节点系统进行数值仿真，与仅考虑常规煤电机组的传统调度模型相比，结果证明所提模型与方法的有效性和优势，并以IEEE-118节点系统进行数值仿真论述其拓展适用性。
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