当前,储量丰富的风能资源成为我国大力支持发展新能源的首选之一。然而,风电不确定性对大规模风电并网的影响也日益彰显,弃风限电问题日趋严重。对于风电不确定性的研究主要集中在小时级平均风速预报及其预报误差的统计分析方面,而长周期的风电特性研究不能满足电网的实时调度与优化控制特殊需求。本文以电力系统的实时调度与优化控制需求的视角,研究了风速的瞬时波动特性及不确定性模型,为大规模风电并网的安全高效利用提供了理论基础和支撑依据。首先,根据电网实时调度和优化控制所关心的和大气运动存在普隙的小时间尺度对实际风电数据进行分解和合成,发现了风电的幅频多尺度调制效应,得到了风电的瞬时频谱特性。风速不仅具有多尺度调幅效应,而且小时级平均风速对湍动风速频率也存在调制效应。发展了湍流强度的三参数幂律普适模型,进一步完善了IEC标准。根据小时级风功率对剩余波动分量的调幅效应和风功率的瞬时功率频谱,得到了风功率的时频分离特性。根据风的大气湍物理本质分析,给出了相应的物理机制。第二,发现风电方差的日调制效应,从电力系统运行调度需求角度研究了日周期特性。基于所定义的平均湍流强度在考虑季节、地域以及高度等因素的基础上深入研究了风电方差的日周期特性,提出了可以消除日周期特性影响、提高模型拟合精度的时变模型。同样,风功率方差也具有日周期特性。然后,针对日周期特性的物理机制以及其对风电安全高效利用的实际意义进行了必要的探讨分析和算例研究。采用两区域四机系统进行调频能力算例分析,仿真结果表明:考虑风电功率波动日周期特性的时变模型更能满足调度人员合理配置调频机组的容量,从而满足实际分析需求。第三,同样也以1小时为研究时间尺度,对风速和风功率进行了变差分析,发现了风速/风功率变差的调幅效应,并且同样也可以第二章的三参数幂律普适模型对风速变化速率和风功率变动率实现定量刻画,证明了本文不确定性模型的普适性。同时,还发现了风电变差也存在日周期特性。最后,又进一步提出了考虑平抑代价的一体化平抑策略:利用一体化联合发电对风功率预报曲线的误差分量分频段跟踪平抑的设计思路,实现电力生产的可计划性、降低旋转备用,提高电网的风电消纳能力和安全稳定性。第四,由于可预报性是风速不确定性的一种特性,因此研究了基于相关函数的可预报性定量刻画方法。在此基础上,定量分析了风速时均值预报信息源有效性的时间尺度,提出了风速时均值日前预报的优化框架。并且,鉴于风速预报在大规模风电并网中的重要性,还研究了风速方差以及风速变差的可预报性,得到了方差和变差的可预报长度,基于目前普遍采用支持向量回归算法和深度学习算法进行了算例分析。在此基础上,基于对可预报性的新认识提出了多参数预报框架,可详细刻画未来风速信息。