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计及多尺度不确定性耦合的自治型微电网储能系统容量协调优化

谢鹏  
【摘要】:储能系统是微电网实现安全稳定运行、高效消纳新能源的重要技术手段。由于分布式可再生电源、电力负荷及市场行为存在强不确定性,传统微电网储能系统容量优化方法面临挑战,亟待建立一套充分考虑不确定性时空耦合特性和微电网自治性约束的储能系统容量规划与运行策略优化新理论框架。本文聚焦受多种强不确定性因素约束的微电网储能系统容量规划与运行策略优化问题,以微电网不确定性的耦合特性分析与定量刻画为基础,导出了基于随机网络演算理论的能量平衡能力指标,用于定量评价微电网的自治性程度,并形成储能系统容量规划与运行策略优化的约束条件;充分计及灵活性资源和市场机制的作用,构建计及多尺度不确定性耦合特性和能量平衡能力指标约束的微电网储能系统容量协调优化模型;引入带灵活鲁棒性预算的灵活鲁棒优化方法处理储能系统优化运行问题中的预测不确定性变量,并进一步推导得出灵活鲁棒性预算定量决策方法,以降低灵活鲁棒性预算决策的盲目性;揭示并利用已有启发式算法的寻优机制,结合本文具体问题提出多目标差分进化-回溯搜索算法及最优折中解获取方法,实现微电网储能系统容量协调优化问题求解的效率与精度统一;引入基于边际成本效应的日前电价定价方法,用于指导微电网运营商获得最优的微电网风/光/储容量协调优化配置方案和需求侧响应方案。本文旨在构建充分考虑不确定性本质和自治性约束的微电网储能系统容量规划与协调运行优化的新理论框架,具有一定的学术价值和工程意义。主要工作包括:第一章绪论,阐述了本文研究的目的和意义,结合不确定性环境下微电网规划与运行优化问题的特点,具体从微电网不确定性分析方法、微电网灵活性资源优化评价指标、微电网储能系统优化配置三个方面介绍了国内外的研究现状,并有针对性的提出了本论文的主要研究内容。第二章首先对微电网多尺度不确定性耦合问题进行了分析,指出来自于空间尺度的多种不确定因素来源和来自于时间尺度的不确定性差异化特点会对微电网规划设计与优化运行产生耦合影响,随后对微电网储能系统容量优化问题进行了数学描述,并进一步深入分析了多尺度不确定性耦合与灵活性资源对微电网储能系统容量优化问题造成的影响。第三章提出引入随机网络演算理论,建立能够充分刻画源、荷随机不确定性的包络线表征模型和储能系统的充放电模型,进一步结合最小加代数,推导出微电网运行过程中源-储-荷动态过程的供电不足状态、供电过剩状态及供需平衡状态的概率化描述,并以此为基础构建能量平衡能力指标,用于对微电网的自治性程度进行定量刻画。第四章在联网型微电网储能系统容量优化问题中充分计及多尺度不确定性耦合影响,并将能量平衡能力指标作为约束条件,采用常规鲁棒优化方法将含有预测不确定性变量的非线性约束转化为易于求解的线性鲁棒对等式约束,并设计兼顾寻优速度与寻优深度的差分进化—回溯搜索算法对上述优化模型进行高效求解。第五章构建了一个充分计及多尺度不确定性耦合影响和能量平衡能力指标的风/光/柴/储自治型孤岛微电网储能系统容量优化模型,引入灵活鲁棒优化方法处理储能系统优化运行问题中的预测不确定性变量,并进一步推导得出灵活鲁棒性预算定量决策方法,以降低灵活鲁棒性预算决策的盲目性。此外,在前述差分进化-回溯搜索算法的基础上加入帕累托占优策略、拥挤距离排序以及最优折中解决策方法使算法具备对所建多目标优化模型进行高效求解的能力。第六章构建了一个计及需求侧响应的智能微电网风/光/储容量协调优化模型,用于研究需求侧响应对于风/光/储的容量配置方案与优化运行策略的经济影响,并引入一种基于边际成本效应的日前电价定价方法,用于指导微电网运营商获得最优的微电网风/光/储容量协调优化配置方案和需求侧响应方案。本文得到国家自然科学基金(51577073)和广东省自然科学基金(2017A030313288)的资助,结合在中国工程院重大咨询项目和南方电网实际工程项目中的应用,取得了良好的技术和经济效益。


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