低碳經(jīng)濟(jì)下的微電網(wǎng)電源規(guī)劃研究

鄒國春，陳 棋，石 磊

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

隨著全球氣候日益變暖，減少CO2排放和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。低碳經(jīng)濟(jì)是人類社會(huì)應(yīng)對氣候變化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一種模式。低碳經(jīng)濟(jì)兼顧了“低碳”和“經(jīng)濟(jì)”，低碳，意味著經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須最大限度地減少或停止對一次能源燃料的依賴，實(shí)現(xiàn)能源利用的轉(zhuǎn)型；經(jīng)濟(jì)，意味著要在能源利用轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)上繼續(xù)保持經(jīng)濟(jì)增長的穩(wěn)定和可持續(xù)性[1-4]。

作為最主要的CO2排放源，電力系統(tǒng)領(lǐng)域中越來越注重研究和應(yīng)用各種低碳電力技術(shù)。文獻(xiàn)[5，6]著重分析了各種清潔能源的特點(diǎn)以及在電力系統(tǒng)中大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)；文獻(xiàn)[7]分析了實(shí)施CO2減排對電力需求側(cè)技術(shù)的激勵(lì)；文獻(xiàn)[8，9]研究了在電源擴(kuò)展中引入碳約束條件對其影響以及如何確定相應(yīng)的最佳電源結(jié)構(gòu)。

由于低碳電力技術(shù)對規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的要求相對較低，同時(shí)國內(nèi)外的CO2價(jià)格、碳稅政策、相關(guān)的約束機(jī)制或交易機(jī)制與低碳電源投入運(yùn)行產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，深入分析低碳經(jīng)濟(jì)下電力系統(tǒng)中新的電源結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，已成為低碳電力研究中一個(gè)非常重要的研究方向。在綜合考慮國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，將低碳經(jīng)濟(jì)下的清潔能源發(fā)展機(jī)制（CDM）引入到微電網(wǎng)電源規(guī)劃中，考慮CO2交易機(jī)制，計(jì)及碳約束與碳交易，建立低碳經(jīng)濟(jì)下的微電網(wǎng)電源規(guī)劃模型，并采用改進(jìn)的矩陣實(shí)數(shù)編碼遺傳算法進(jìn)行求解。

1 數(shù)學(xué)模型

建立的數(shù)學(xué)模型基于如下假設(shè)：

（1）僅考慮四種微電源，微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）、燃料電池（FC）、風(fēng)力發(fā)電（WT）和光伏發(fā)電（PV），其中前兩種微電源消耗一次能源，這里假設(shè)為天然氣。

（2）四種微電源均為符合CDM的低碳電力技術(shù)。其中，前兩種產(chǎn)生了一定量的CO2，后兩種為零排放。

（3）在規(guī)劃過程中考慮到低碳發(fā)電技術(shù)的成熟度因素，引入了低碳發(fā)電技術(shù)成熟年的概念，認(rèn)為WT與PV具有技術(shù)成熟年，而MT和FC技術(shù)已經(jīng)成熟。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

引入低碳經(jīng)濟(jì)，在減少溫室氣體的排放的前提下，取目標(biāo)函數(shù)為微電網(wǎng)電源總體成本最小化。

式（1）中：F1為微電網(wǎng)電源建設(shè)的投資費(fèi)用，元；F2為微電源發(fā)電運(yùn)行與管理維護(hù)費(fèi)用，元；F3為考慮低碳經(jīng)濟(jì)的總費(fèi)用，元；F4為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)運(yùn)行交互費(fèi)用，元。

式（2）中：T為考慮的總的規(guī)劃年限；N為微電源的種類數(shù)目；為新建第n類微電源在規(guī)劃年t的投資費(fèi)用，元；r為貼現(xiàn)率。

式（6）中：等號右兩項(xiàng)的第1項(xiàng)為低碳電力技術(shù)研發(fā)成本投入，元；第2項(xiàng)為引入CO2交易機(jī)制所付出的成本，元；為低碳發(fā)電技術(shù)的初始年技術(shù)投入成本，元；rn為第n類微電源年技術(shù)投入成本下降率；為采用低碳發(fā)電技術(shù)引起的 CO2減排量，t；為核準(zhǔn)減排量成本，元[10]；CT為CDM機(jī)制下可交易的CO2減排價(jià)格，元。

1.2 約束條件

（1）微電網(wǎng)內(nèi)備用容量約束。

（2）微電網(wǎng)內(nèi)的電量約束。

（3）微電源的投產(chǎn)容量約束。

（4）微電源的上下限約束。

式（13）中：Pn為第n種微電源每臺機(jī)組的出力，kW；Pn，min和Pn，max分別為微電源每臺出力的下限和上限，kW。

（5）微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間電量交互的約束。

（6）技術(shù)成熟年的約束。

式（15）中：Tn為微電網(wǎng)中第n種微電源的技術(shù)成熟年，表示第n種微電源在Tn年因?yàn)榧夹g(shù)成熟后才可以用于發(fā)電。

（7）碳排放約束。

式（16）中：en為第n種微電源產(chǎn)生單位電量的CO2排放量，t/（kW·h）；Et為規(guī)劃年t政府規(guī)定的 CO2總排放量，t。

式（1—16）構(gòu)成了低碳經(jīng)濟(jì)下微電網(wǎng)電源規(guī)劃的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，控制變量包括，，和 ΔPτ。

2 求解方法

采用二維實(shí)數(shù)矩陣對所要制定的微電網(wǎng)電源規(guī)劃方案進(jìn)行編碼，從而可以直接應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)[11]。同時(shí)，為了使矩陣實(shí)數(shù)編碼遺傳算法在更大的搜索空間尋找最優(yōu)解，采用窗口寬度分別為：w1=1，w2=2，w3=5的多窗口變異操作，且每次變異操作都采用三種不同的窗口分別計(jì)算，擇優(yōu)作為變異結(jié)果。流程如圖1所示。

3 算例

以文獻(xiàn)[12-14]中的測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)造了某市某社區(qū)“十二五”和“十三五”期間電力規(guī)劃的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，如圖2所示。相關(guān)的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)如表1所示。規(guī)劃中微電源包括300 kW的微型燃?xì)廨啓C(jī)、250 kW的燃料電池、250 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和200 kW的光伏電池陣列，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2和表3。

表1 規(guī)劃水平年內(nèi)負(fù)荷最大量和用電量預(yù)測

表2 微電網(wǎng)中微電源的相關(guān)數(shù)據(jù) kW

表3 微電網(wǎng)中微電源的相關(guān)數(shù)據(jù)

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的技術(shù)成熟年分別為2013年和2015年，排放目標(biāo)為2020年在2010年的基礎(chǔ)上減少5%，切負(fù)荷的價(jià)格0.8元/（kW·h），碳交易價(jià)格取80元/t，購電價(jià)格取0.9元/（kW·h），售電價(jià)格取0.4元/（kW·h）。遺傳算法的參數(shù)取為：種群規(guī)模100，運(yùn)行代數(shù)1 000代，交叉率0.75，變異率0.05。

根據(jù)建立的模型和提出的算法，求得低碳經(jīng)濟(jì)下微電網(wǎng)電源規(guī)劃結(jié)果如表4所示。

由表4可見，規(guī)劃階段前期，MT和FC的裝機(jī)容量比較大，到2016年達(dá)到峰值，裝機(jī)容量分別為1 108.75 kW和846.28 kW，之后，裝機(jī)容量開始減少，到規(guī)劃末年，裝機(jī)容量變?yōu)?85.92 kW和474.28 kW。這主要是由于規(guī)劃階段前期，由于WT和PV受技術(shù)成熟年的制約，分別到2013年和2015年才開始投入運(yùn)行，同時(shí)，MT和FC的投資費(fèi)用低，使其得到快速發(fā)展。而到了規(guī)劃階段后期，由于引入了強(qiáng)制減排目標(biāo)，因此減少了MT和FC裝機(jī)容量。由此可知，減排目標(biāo)的引入，有利于快速實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)低碳化。

同樣由表4可見，WT和PV分別到2013年和2015年才開始投入運(yùn)行，在這之后，其裝機(jī)容量開始逐年增加，并且增長速度超過同期MT和FC的裝機(jī)容量，在規(guī)劃末年，裝機(jī)容量達(dá)到875.76 kW和755.55 kW?？紤]到CO2交易機(jī)制的引入，增加WT和PV的裝機(jī)容量，可以獲得更多的減排量用于出售，以獲得收益，降低電力企業(yè)的投資成本。因此，在WT和PV技術(shù)成熟以后，其相應(yīng)的裝機(jī)容量不斷增加，獲得了較快的發(fā)展。

根據(jù)選擇的微電源型號，可確定最終的規(guī)劃方案為：3×300 kW 的 MT，2×250 kW 的 FC，4×250 kW的WT和4×200 kW的PV。由此計(jì)算出規(guī)劃年內(nèi)CO2逐年排放量，如圖3所示。

表4 低碳經(jīng)濟(jì)下微電網(wǎng)電源規(guī)劃的優(yōu)化結(jié)果

圖3 規(guī)劃期內(nèi)CO2逐年排放量

由圖3可見，規(guī)劃起始年的CO2排放量為0.87萬t，到2017年排放量達(dá)到峰值，為1.20萬t，隨后排放量開始下降。經(jīng)計(jì)算，在總的規(guī)劃期內(nèi)，CO2總的排放量為10.11萬t，年平均排放量為1.011萬t，比規(guī)劃期初年高出18.94%，而規(guī)劃末年的排放量為0.82萬t，比規(guī)劃初年降低了5.74%，達(dá)到了政府規(guī)定的排放要求。這是因?yàn)楹笃陔S著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機(jī)組的不斷投入，部分MT和FC機(jī)組退出運(yùn)行，CO2排放量逐漸下降的原因。

4 結(jié)束語

本文在微電網(wǎng)電源規(guī)劃中計(jì)入低碳約束，引入CO2交易機(jī)制，以電力企業(yè)總效益最大為目標(biāo)，建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。通過改進(jìn)的矩陣實(shí)數(shù)編碼遺傳算法求解，仿真結(jié)果表明，通過大力發(fā)展低碳電力技術(shù)，降低高排放高耗能的微電源裝機(jī)容量的比例，可以很好地完成減排目標(biāo)，降低電力行業(yè)的碳排放量，實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)的低碳化。

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