风光水多能互补优化调度及风险分析研究

中国水利水电出版社

【作者】刘为锋郭旭宁邢西刚马彪

【I S B N 】978-7-5226-2457-0

【责任编辑】鞠向超

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2024-05-01

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】192

【千字数】168

【印张】12

【定价】￥72

【丛书】暂无分类

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本书系统、深入地总结了笔者多年来在“风光水能出力互补特性评价—长期多目标优化调度及决策—短期安全运行”研究中所取得的主要成果，从流域风光水电出力互补特性研究、风光水电系统长期多目标建模及求解、风光水电系统两阶段随机多属性决策研究，以及预报不确定性条件下风光水电系统短期联合运行及风险分析出发，系统探讨了流域风光水电系统多能互补优化调度及风险分析研究。书中融入了笔者对流域风光水电系统多能互补科学的一系列思考和研究设计范例，值得读者认真阅读和参考。

本书可作为风光水多能互补、水库群调度、风险决策、水文预报等专业的高年级本科生、硕士生、博士生的“优化调度”课程的教学参考书，也可供相关领域的学者和工程技术人员参考。

根据国际可再生能源组织公布的数据，我国2019年风电和光伏（风光）装机容量分别为2.1亿kW和2.05亿kW，位居全球第一，占比分别达到33.82%和35.14%[1]。我国将以黄河上游、金沙江中游和雅砻江水电站为依托，建立多个大型风电、光伏和水电（风光水）清洁能源基地，其中雅砻江全流域规划风光电和水电总装机容量均约为3000万kW。风、光发电受自然条件制约，其出力时空分布不均，具有波动性、随机性和间歇性的特点，加剧了电网调频、调峰的压力，极大地影响了电网的安全、稳定运行，从而限制了电网对风、光出力的消纳能力。如此大规模的间歇性能源直接接入电网，势必给电网的安全、稳定运行带来巨大的影响。因此，平缓风、光出力的频繁波动是保障流域大规模风、光能源接入电网并安全、稳定运行的关键。

水电能源调节速度快、能源可存储，可以有效缓解由于风光能源间歇性出力波动给电力系统带来的负面影响，将水电与风、光电联合输送到电网，是目前解决大规模风光能源出力未被有效利用这一问题的较好办法：枯季时，一般风电和光电多发，可以通过水电快速启停的能力保障风电和光电优先入网；雨季时，风电和光电少发，水电可以充分利用汛期来水多发[2]。利用水电与风、光电的丰枯互补特性，能够有效解决大规模风、光电集中入网的消纳难题，可以破解风光出力的波动性、随机性和间歇性等弊端，将之前频繁波动的发电曲线改善为近乎直线的平稳输出，不仅可以保障电网安全、稳定运行，还能使优质清洁能源发挥最大效用[3]。

流域中风光水多能互补运行除了受风、光出力不确定性扰动影响外，还受电网和电站多重安全稳定运行的约束条件限制[3]，其优化调度面临以下亟待突破和解决的关键科学问题。

（1）流域中的风光水三能源互补特性规律揭示的问题。此时传统用于揭示两种能源互补特性规律的方法不再适用，亟须提出适合评价三能源互补特性规律的方法，同时揭示流域中的风光水三能源在不同时间尺度的互补特性。

（2）风光水电系统多目标协同运行问题。风光水多能互补运行改变了梯级水电站的传统调度方式，难以保证风光水电系统长期综合效益。因此，针对如何协调风光水多能互补调度的长期发电效益，同时兼顾电网安全、稳定运行和水电站下游河道生态健康等目标，亟须提出适合风光水电系统多目标协同运行的方法。

（3）风光水电系统短期安全稳定运行问题。在大规模风光间歇性能源接入背景下，现有研究大多基于上述风电或光电单一能源出力的确定性预报进行水电补偿调度，较少考虑风光联合出力预报不确定性情况，风电或光电单一能源出力预报不确定性到风光联合出力预报不确定性的动态演化机制，以及由于预报不确定性导致的水电补偿后出力短缺的风险。

本书依托中国博士后科学基金第70批面上资助二等 “碳达峰碳中和形势下风光水多能互补短期优化调研”（2021M702313）、国家自然科学基金重点基金“雅砻江流域风光水多能互补运行的优化调度方式研究”（U1765201），针对流域大规模风光水能资源高效利用和最大化风光水能资源的综合效益问题，提出了“风光水能出力长、短期互补特性分析-长期多目标优化调度-长期多属性决策-短期安全运行”的统一框架，主要特色和贡献如下。

（1）建立了适合评价风光水三能源互补特性的方法，揭示了流域风光水能长期电量补偿和短期电力补偿的规律，提出了基于机器学习理论的风光水三能源短期典型日智能筛选方法，提高了复杂多变气象条件下风光水三能源典型日筛选的精度。定量评估了雅砻江流域风光出力对水电出力的长期电量补偿特性，可提高水电发电效益3%，以及雅砻江水电出力对风光出力的短期电力补偿特性，风光弃电率和出力短缺率减小幅度分别可达到18%和28%，剖析了不同时间计算步长对风光水电出力互补特性评价结果的差异。

（2）建立了统筹风光水电系统发电效益，电网安全、稳定运行和水电站下游生态健康的多目标调度模型，识别了高维决策变量动态可行域范围，从数学角度（MOSA-NSGA-Ⅲ算法）和物理角度（CR-NSGA-Ⅲ算法）提出了两种不同改进思想的NSGA-Ⅲ算法。发现了CR-NSGA-Ⅲ算法较大程度地避免了可行解遭到破坏的情况，得出了CR-NSGA-Ⅲ算法在风光水电系统多目标问题求解时优于MOSA-NSGA-Ⅲ算法的结论，解决了风光水电系统长期调度方案集快速生成的难题，提高了风光水电系统非劣解集在Pareto最优前沿的收敛性和多样性。

（3）发展了风光水电系统群体决策的两阶段随机多属性决策的理论与方法，突破了群体决策时由于信息不完备而难以有效进行决策的瓶颈，丰富了不确定性条件下风光水电系统调度方案科学制定的随机多属性决策方法库。定义了可行权重空间概念。在决策第一阶段，提出了SMAA-VIKOR模型明晰指标权重空间；在决策第二阶段，引入直觉模糊层次分析法，提出了IFAHP-SMAA-VIKOR模型允许决策群体表达模糊主观偏好，获得越来越明确的决策支持信息，增强了群体决策者的信心。

（4）提出了描述风电或光电单一能源出力预报不确定性的动态演进通用鞅模型，构建了耦合风光出力预报不确定性动态演进的风光水电系统短期随机优化调度模型。揭示了风光联合出力预报不确定性较风电出力预报不确定性减小、较光电出力预报不确定性增加的规律，以及由于预报不确定性导致风光水电系统联合运行出力存在短缺的风险过程。

本书的研究成果可直接应用于指导我国大型风光水电清洁能源基地短期调度计划制定，具有显著的社会效益和经济效益。

由于编写时间仓促，作者的经验和水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者和专家批评指正。

前言
第1章绪论 1
1.1 研究背景与选题意义 1
1.2 国内外研究进展 3
1.2.1 风光水电出力互补特性分析 4
1.2.2 风光水电系统优化调度研究 7
1.2.3 风光水电系统多属性决策 17
1.3 存在的问题剖析 19
1.4 研究内容与技术路线 21
1.4.1 研究内容 21
1.4.2 技术路线 23
第2章流域风光水电出力互补特性研究 25
2.1 互补特性评价 25
2.1.1 风光水电出力计算 26
2.1.2 两种能源出力互补性评价指标 28
2.1.3 三种能源出力互补性评价指标 30
2.2 典型日智能筛选模型 32
2.2.1 K-Means算法概述 33
2.2.2 K-Means-DTW算法概述 34
2.3 实例研究 37
2.3.1 研究区域概况 37
2.3.2 风光水电出力长期互补性评价 38
2.3.3 风光水电出力短期互补性评价 41
2.3.4 长期和短期互补性评价差异分析 48
2.4 本章小结 50
第3章风光水电系统长期多目标建模及求解 51
3.1 多目标优化问题数学描述 52
3.2 风光水电系统多目标优化调度模型 54
3.2.1 目标函数 54
3.2.2 约束条件 55
3.2.3 风光水系统出力计算 57
3.3 不同改进策略的NSGA-Ⅲ算法对比研究 58
3.3.1 原始NSGA-Ⅲ算法 58
3.3.2 基于多算子自适应的改进NSGA-Ⅲ算法 63
3.3.3 基于约束重构的改进NSGA-Ⅲ算法 66
3.4 实例研究 71
3.4.1 测试函数 71
3.4.2 研究区域 76
3.4.3 结果分析 77
3.5 本章小结 83
第4章风光水电系统两阶段随机多属性决策研究 85
4.1 多属性决策问题描述 86
4.2 基于SMAA理论的风光水电系统多属性决策 86
4.2.1 SMAA-2模型 88
4.2.2 VIKOR模型 94
4.2.3 风光水电系统群体决策第一阶段 96
4.2.4 风光水电系统群体决策第二阶段 97
4.3 实例研究 101
4.3.1 抽样方法优选 102
4.3.2 效用函数的对比分析 104
4.3.3 风光水电系统群体决策第一阶段分析 105
4.3.4 风光水电系统群体决策第二阶段分析 108
4.4 本章小结 113
第5章预报不确定性条件下风光水电系统短期联合运行及风险分析 115
5.1 出力预报不确定性分析 115
5.1.1 风速和太阳辐射预报不确定性随时间的变化过程 116
5.1.2 预报演进的鞅模型 118
5.1.3 预报演进的通用鞅模型 119
5.1.4 基于通用鞅模型模拟风光出力预报误差随时间演变的特性 120
5.1.5 预报不确定性度量 122
5.2 考虑实时修正的风光水电系统随机规划模型 122
5.2.1 目标函数 123
5.2.2 约束条件 123
5.2.3 求解方法 125
5.2.4 随机优化调度风险分析 125
5.3 实例研究 126
5.3.1 风光预报不确定性演变分析 127
5.3.2 水电补偿风光联合出力后对自身的影响 138
5.3.3 预报更新对于风光水电系统的重要性 139
5.3.4 不同场景下水电补偿风光不稳定出力的能力 143
5.4 本章小结 145
第6章展望 147
6.1 存在问题 147
6.2 下一步研究目标 148
6.3 下一步研究内容 148
6.3.1 风电和光电出力预报及其不确定性量化 149
6.3.2 多重不确定性条件下风光水电系统多能互补短期调度 149
6.3.3 多重不确定性条件下风光水电系统多属性风险决策 150
6.4 拟解决的关键科学问题 150
6.5 拟采取的研究方案 151
6.5.1 研究对象及技术路线 151
6.5.2 风电和光电出力预报及其不确定性量化 152
6.5.3 多重不确定性条件下风光水电系统多目标随机优化调度 158
6.5.4 多重不确定性条件下风光水电系统随机多属性决策 165
参考文献 167

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