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最优化技术在海上风电规划与电力市场定价中的应用

公用事业 2024-11-02 清华四川能源互联网研究院葛大师

海上风电规划与电力市场定价中的应用

1. 大规模海上风电接入电网的承载能力评估与规划

背景：全球及中国海上风电发展迅速，中国主要省份如江苏、广东等已实现较大规模装机。然而，海上风电与受端电网的宽频振荡特性复杂，传统规划方法缺乏对宽频振荡的全面研究，且投资边际效益递减。
技术难点：缺乏海上风电接入电网的宽频振荡特性分析方法，传统规划方案以电网加强为主，边际效益低。
研究主题：
- 系统宽频振荡特性快速筛选方法：通过电磁暂态仿真和快速频率筛选算法分析海上风电与受端电网的宽频特性。
- 海上风电承载能力综合评估策略：建立综合考虑大灵活性热电机组、新型输电元件、系统宽频频率特性等的数学模型，评估受端电网对海上风电的承载规模。
综合规划模型：
- 目标：最小化建设海上风电接入换流站、新建输电元件和改造热电机组的总成本。
- 约束：考虑海上风电接入站点限制、网络扩展限制、热电机组灵活性限制、风电弃电率、潮流方程（升级前后）、安全等。
- 决策变量：海上风电发电接入站点选择、新建输电元件数量和位置、热电机组峰荷削减额外容量。
- 步骤：
  - 步骤1：基于概率安全系统，进行全系统宽频评估和接入站点优化阻抗分析，目标是最小化总规划成本。
  - 步骤2：进行系统安全评估，进行N-1 contingency分析以检测过载元件。
结果：江苏电网规划显示，通过优化可增加约5.6GW海上风电容量，至2025年总装机达17GW。
承载能力评估模型：
- 方法：
  - 方法1：二分法：通过连续模拟海上风电接入功率，绘制最小成本曲线。
  - 方法2：MILP（混合整数线性规划）："精确"线性化方法，通过添加辅助约束将原混合整数非线性模型线性化。
- 结果：江苏电网海上风电承载能力应在56.5GW至79.1GW之间，当承载能力为5.6GW时，总成本预算为47.8亿元，继续增加投资成本效益低。
云平台与工具：海上风电接入规划系统开始使用，如沈沉等提出的"新型电力系统仿真应用软件设计理念与发展路径"。

2. 电力市场定价

电力市场清算模型：基于拉格朗日对偶理论，最小化买卖双方在特定地点的电力价格。
LMP（区位边际价格）概述：定义为供应下一个兆瓦电力的成本，包括发电边际成本、输电成本、阻塞成本和损耗。
LMP问题：未包含启停和无负荷成本，灵活性低的机组无法参与定价，导致价格无法覆盖机组全成本，需"市场外支付机制"（如Uplift Cost）。
扩展LMP：
- 机制：允许非凸性定价，包含启停和无负荷成本，对所有机组进行等效处理。
- 方法：
  - 凸包松弛法：通过凸包松弛最小成本函数，使用切线计算价格，但计算复杂。
  - 整数松弛法：在调度模型中放松整数约束，确保边际价格不随需求增加而降低。
理论证明：通过对偶理论和乘子法，证明不同定价机制（LMP、IRP、CHP）的Uplift Cost物理意义，并给出LMP和IRP与CHP相同Uplift Cost的条件。
数值对比：LMP、IRP、CHP三种机制对比显示，扩展LMP和整数松弛LMP在Uplift Cost方面表现最优。