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不同运营环境下可再生能源发电的短期优化及其风险管理

作　者: 刘玉娇
导　师: 蒋传文
学　校: 上海交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 可再生能源风险管理可控负荷短期优化运行电动汽车需求响应微网保险理论前景理论
分类号: TM732
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

短期运行是可再生能源发电运行的最关键环节之一，但是可再生能源发电的出力随机性使其短期运行决策伴随着一定的风险，可再生能源发电的决策者必须对这种风险进行控制才能制定出合理的短期运行计划。不同运营环境下上述风险的承受者和决策者是不同的，因此可再生能源发电的短期决策需要依据不同的风险承受者分别建模和求解。另外近年来可控负荷（如储能，电动汽车，智能家居等）发展迅速，其能够为可再生能源发电的优化提供更多的可利用资源，因此本文将在考虑可控负荷因素的前提下对不同运营环境下的可再生能源发电的短期优化及其风险管理展开研究。可再生能源发电优先入网的环境下风险承受者和管理者是系统管理人员，非市场环境和可再生能源优先市场环境都属于这个范畴，本文首先针对非市场环境展开研究。这种环境下可控负荷的投资主要源于系统运行侧，因此此时考虑可控负荷因素的可再生能源发电的短期优化就变成了含可再生能源发电与可控负荷电力系统的短期优化。本部分研究内容从系统运行角度出发，将包含储能、电动汽车、可控消费负荷等在内的可控负荷作为控制量融入传统的经济运行模型，以机会备用约束的置信度作为系统风险度量和管理的手段，提出了基于机会备用约束的含可再生能源发电与可控负荷电力系统的短期优化运行模型并求解，研究成果可为含可再生能源发电与可控负荷系统提供短期优化及风险管理的工具。在可再生能源优先的电力市场环境下风险承受者仍然是由整个系统承担。由于能量市场的决策模型与非市场环境类似，因此本文第二部分研究内容落点于市场环境下含可再生能源系统的旋转备用优化决策及其风险管理上。首先以旋转备用容量成本、弹性消费负荷的响应成本和传统负荷的停电损失为综合成本，以综合成本期望和条件价值风险为经济性度量指标，建立了考虑弹性消费负荷的含可再生能源发电系统的旋转备用优化和风险管理模型并采用改进的多目标克隆免疫算法和模糊风险决策方法进行求解。在此基础上为了辨识可再生能源发电所需备用占系统总备用的比例以便于能源管理部门制定宏观决策，本文提出采用“备用需求贡献”概念进行备用需求分摊的方法，该方法能够有效的区分市场每个参与方包括各可再生能源发电的备用需求。此外，无论机会备用约束还是基于成本效益的备用决策模型都会使系统面临一定的小概率但有可能是巨额损失的尾部风险，为了进一步减少系统面临的风险，本文还提出了基于保险理论的尾部风险转移的方法，该方法能够给系统提供通过支付保费来减少所面临的小概率厚尾风险的选择。为了鼓励可再生能源自我进步，许多国家在给可再生能源发电一定补贴的情况下让其自由参与电力市场竞争，这种情况下可再生能源发电不确定性造成的风险将由可再生能源发电设备的拥有者自行承担。考虑可再生能源发电设备的拥有者主要为以下两种：一是大规模的可再生能源发电商，二是含小规模可再生能源发电设备的微网。本文的第三部分研究以二者为研究对象对完全市场环境下可再生能源发电的短期优化运行展开研究。首先提出了市场环境下含可再生能源和可控负荷的微网的优化运行模型，所建模型同时考虑了储能设备的负荷转移功能和能量备用功能并采用多目标优化和模糊决策方法求解。然后针对含储能设备的大规模可再生能源发电商建立了基于条件价值风险或基于收益乐观值为风险度量的最优竞标模型并求解，之后为了满足具有主观风险态度决策者的决策需求，本部分研究首创的将累积前景理论用于可再生能源发电商的风险决策中，丰富了当前可再生能源发电商的短期优化决策模型。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-29
  1.1 研究背景与意义  13-16
  1.2 相关领域研究现状  16-26
    1.2.1 可再生能源出力的随机性研究  16-18
    1.2.2 可再生能源发电优先环境下可再生能源发电的短期优化运行研究现状  18-23
    1.2.3 完全市场环境下可再生能源发电的短期优化运行的研究现状  23-25
    1.2.4 研究现状与本文研究切入点总结  25-26
  1.3 本文的主要工作  26-29
第二章不确定性描述与决策的基础理论  29-37
  2.1 随机变量分布的基础概念  29-33
  2.2 模糊理论的基础概念  33-34
  2.3 前景理论的基础概念  34-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章非市场环境下含可再生能源发电系统的短期优化及其风险管理  37-66
  3.1 可再生能源出力的随机性分析  37-45
    3.1.1 风机的短期出力的波动分析  38-39
    3.1.2 风电场的短期出力的波动分析  39-40
    3.1.3 光伏电站短期出力的波动分析  40-41
    3.1.4 风电场短期出力的随机性仿真分析  41-45
  3.2 可控负荷的数学模型  45-50
    3.2.1 储能型负荷  46-47
    3.2.2 电动汽车换电站  47-48
    3.2.3 可控消费型负荷  48-50
    3.2.4 弹性消费负荷  50
  3.3 含可再生能源与可控负荷系统的短期运行优化建模与求解  50-64
    3.3.1 基于机会备用约束的含可再生能源与可控负荷系统短期优化运行模型  51-53
    3.3.2 优化模型的处理与求解  53-58
    3.3.3 算例分析  58-64
  3.4 本章小结  64-66
第四章可再生能源优先市场下的旋转备用优化及风险管理  66-97
  4.1 含可再生能源与可控负荷系统的旋转备用优化  66-80
    4.1.1 备用综合成本的构成  67-68
    4.1.2 多目标备用优化模型  68-69
    4.1.3 基于模糊理论的风险决策模型  69-71
    4.1.4 目标函数求解流程  71-73
    4.1.5 基于混合变异策略多目标免疫克隆算法的求解流程  73-75
    4.1.6 算例分析  75-80
  4.2 基于需求贡献概念的含可再生能源发电系统的备用需求分配  80-88
    4.2.1 常用的成本分配方法  80-83
    4.2.2 基于需求贡献概念的备用需求分摊方法  83-84
    4.2.3 算例分析  84-88
  4.3 基于保险理论的备用计划尾部风险转移  88-95
    4.3.1 停电损失和预测误差的描述  88-90
    4.3.2 基于保险机制的风险转移  90-92
    4.3.3 算例分析  92-95
  4.4 本章小结  95-97
第五章完全市场环境下可再生能源发电的短期优化及其风险管理  97-130
  5.1 考虑负荷变化率和周期性的电价预测  97-106
    5.1.1 神经网络基本结构的确立  98
    5.1.2 MCP 预测模型的建立  98-103
    5.1.3 预测结果分析  103-106
  5.2 含可再生能源与可控负荷微网用户的优化运行与风险管理  106-116
    5.2.1 微网组成模型  106-109
    5.2.2 微网能量优化模型  109-111
    5.2.3 求解流程  111
    5.2.4 算例分析  111-116
  5.3 含储能设备的大规模可再生能源发电商的优化运行与风险管理  116-128
    5.3.1 市场模式下的可再生能源发电商的收益模型  116-117
    5.3.2 含储能设备的可再生能源发电商的收益及基于随机分布理论的风险管理模型  117-119
    5.3.3 基于前景理论的含储能设备可再生能源发电商优化决策  119-121
    5.3.4 算例分析  121-128
  5.4 本章小结  128-130
第六章全文总结  130-134
  6.1 主要结论  130-132
  6.2 主要创新点  132-133
  6.3 研究展望  133-134
参考文献  134-144
致谢  144-145
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  145-147
攻读博士学位期间参与的科研项目  147

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