節(jié)能降耗目標(biāo)下的發(fā)電權(quán)交易研究

張 虹，邢曉野，張 莉，于 雷

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.中國(guó)石油吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林132012)

發(fā)電權(quán)交易是指發(fā)電廠商把在市場(chǎng)競(jìng)價(jià)中獲得的發(fā)電量部分或全部出售給其它發(fā)電廠商的一種發(fā)電許可份額交易.目前，發(fā)電權(quán)研究主要集中在3個(gè)方面:(1)是分析機(jī)理以及帶來的社會(huì)效益［1-2］，(2)是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策以系統(tǒng)節(jié)煤量最大為目的［3-5］，(3)是研究發(fā)電權(quán)交易過程中產(chǎn)生增量網(wǎng)損對(duì)交易的影響以及增量網(wǎng)損的分?jǐn)傃a(bǔ)償問題［6-8］.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)能降耗為目標(biāo)的發(fā)電權(quán)交易進(jìn)行研究和計(jì)算時(shí)，大多考慮發(fā)電權(quán)交易雙方機(jī)組煤耗率的差額量和交易后各機(jī)組煤耗率的變化［3-5］，利用“高低匹配”進(jìn)行指導(dǎo)，較少考慮交易引起的網(wǎng)損成本對(duì)交易的影響，無法取得發(fā)電權(quán)交易產(chǎn)生的最大的節(jié)能效果.

本文結(jié)合電力行業(yè)節(jié)能減排政策［9-11］，應(yīng)用PSO算法求出各交易方的決策交易量，兼顧雙方經(jīng)濟(jì)效益建立模型.算例表明，該模型對(duì)中長(zhǎng)期的發(fā)電權(quán)交易有一定指導(dǎo)意義.

1 發(fā)電權(quán)交易的交易成本

1.1 考慮交易成本的發(fā)電權(quán)交易模型的建立

為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，調(diào)動(dòng)交易雙方的積極性，而且考慮的節(jié)能降耗為目的發(fā)電權(quán)交易具有強(qiáng)制性因素，本文將采用集中撮合交易方式

由于參加發(fā)電權(quán)交易的發(fā)電廠商其特殊性，不同于一般的證券市場(chǎng)，不能忽略發(fā)電權(quán)交易成本.交易成本可由固定交易傭金C0和網(wǎng)損成本Cij0組成.(i=1，2，，，m，代表發(fā)電權(quán)賣家，j=1，2，，，n，代表發(fā)電權(quán)買家.)其中交易傭金C0是開展發(fā)電權(quán)所固有的成本，一般確定為一個(gè)定值;而網(wǎng)損成本Cij0則根據(jù)初始潮流與發(fā)電權(quán)交易后兩種情況網(wǎng)損的變化確定.

考慮網(wǎng)損成本的發(fā)電權(quán)交易數(shù)學(xué)模型為

式中，CPi表示發(fā)電權(quán)出售方的出售申報(bào)價(jià);CPj表示發(fā)電權(quán)購(gòu)買方的購(gòu)買申報(bào)價(jià);Qij表示雙方的成交電量;Qj表示購(gòu)買方的申報(bào)購(gòu)買電量;Qi表示出售方的出售申報(bào)電量;Cij表示交易成本，由網(wǎng)損成本Cij0和交易傭金C0之和構(gòu)成.

1.2 網(wǎng)損成本的計(jì)算

計(jì)算網(wǎng)損的變化方法很多，本文采用邊際網(wǎng)損系數(shù)法(Marginal Loss Coefficient)［12］.

系統(tǒng)總網(wǎng)損表達(dá)式為:

式中:L表示全網(wǎng)網(wǎng)損;Gij為節(jié)點(diǎn)i，j間的電導(dǎo);N為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù);Vi，Vj分別為節(jié)點(diǎn)i，j的電壓幅值;θi，θj分別為節(jié)點(diǎn) i，j的電壓相角.

根據(jù)上式可求得

式中:P，Q表示節(jié)點(diǎn)注入有功功率和無功功率，通過式(6)可以計(jì)算全網(wǎng)有功邊際網(wǎng)損系數(shù)Kp=?L/?P 與無功邊際網(wǎng)損系數(shù) KQ= ?L/?Q.

由于系統(tǒng)的PV節(jié)點(diǎn)k的無功功率Q是用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，不應(yīng)收取其無功功率的網(wǎng)損費(fèi)用，即?L/?Qk=0;同理，由于系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)S用于提供系統(tǒng)的網(wǎng)損，故應(yīng)對(duì)于平衡節(jié)點(diǎn)S的有功功率和無功功率均不收取網(wǎng)損費(fèi)用，即?L/?Qs=0且 ?L/?Ps=0.

無功損耗相對(duì)于有功損耗較小，忽略無功損耗后系統(tǒng)總網(wǎng)損為:

當(dāng)處于節(jié)點(diǎn)i的發(fā)電廠向節(jié)點(diǎn)j的發(fā)電廠出售單位發(fā)電權(quán)數(shù)量，系統(tǒng)總網(wǎng)損將變?yōu)?

自此，發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓交易引起的網(wǎng)損變化為:

2 考慮煤耗的發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓交易分析

2.1 節(jié)能量最優(yōu)模型的設(shè)計(jì)

小機(jī)組由于其發(fā)電效率低、煤耗高、污染大，有悖于國(guó)家節(jié)能減排的能源政策.因此，開展發(fā)電權(quán)交易，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的節(jié)能降耗具有重要意義.

在規(guī)定交易時(shí)間段內(nèi)，發(fā)電權(quán)出售方i與購(gòu)買方交易量為Qij，設(shè)發(fā)電權(quán)交易出售方機(jī)組煤耗率分別為f1，f2，……fn(n為發(fā)電權(quán)出售方機(jī)組總數(shù))，發(fā)電權(quán)交易購(gòu)買方的機(jī)組煤耗率分別為f′1，f′2，……f′m(m 為發(fā)電權(quán)購(gòu)買方的機(jī)組總數(shù)).為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，必須保證f′j＜fi，方可進(jìn)行交易.

式中:Fij為出售方i與購(gòu)買方j(luò)交易的能耗效益.

式(10)可以求得交易系統(tǒng)節(jié)煤量最優(yōu)解，但并不是發(fā)電權(quán)交易能達(dá)到的最大節(jié)能量.發(fā)電權(quán)交易會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)損增加，由于購(gòu)買方替代出售方發(fā)電，這里假設(shè)發(fā)電權(quán)交易增量網(wǎng)損的電量由購(gòu)買方承擔(dān)，則交易單位電量系統(tǒng)的節(jié)煤量為:

因此每對(duì)交易系統(tǒng)的實(shí)際節(jié)煤量為

節(jié)能量最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)變?yōu)?/p>

對(duì)式(16)的求解，屬于求解有約束條件的最優(yōu)解問題，本文將采用粒子群算法進(jìn)行求解.

在此假設(shè)電廠的標(biāo)煤成本價(jià)格為600(元 /噸)，將交易節(jié)省的燃料費(fèi)與發(fā)電權(quán)交易的經(jīng)濟(jì)效益之和作為綜合經(jīng)濟(jì)效益，可以更加直觀地體現(xiàn)交易帶來的社會(huì)效益，其函數(shù)為:

需要注意的是無論哪種交易模型，交易結(jié)果都必須提交到省電力公司，由省電力公司進(jìn)行電網(wǎng)的安全校核，包括發(fā)電約束、功率平衡約束和傳輸線等，如若無法通過安全校核，則應(yīng)減少或取消導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞的交易對(duì)的交易量，對(duì)交易撮合的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整.電力系統(tǒng)安全約束條件為:

式中:PGi為發(fā)電機(jī)i的發(fā)電功率和為發(fā)電機(jī)i的最小發(fā)電功率和最大發(fā)電功率;PD為電網(wǎng)總負(fù)荷功率;PL為整個(gè)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗;Pij表示節(jié)點(diǎn)i、j間線路傳輸?shù)墓β屎头謩e為節(jié)點(diǎn)i、j間線路傳輸功率的下限和上限.本文主要研究節(jié)能降耗的效果，這里假設(shè)每次交易都滿足系統(tǒng)的安全約束條件.

2.2 改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法

粒子群算法的基本思想是隨機(jī)初始化一群沒有體積沒有質(zhì)量的粒子，每個(gè)粒子代表一個(gè)優(yōu)化問題的可行解，粒子在解空間中以一定的速度飛行，根據(jù)自身的歷史信息和群體信息調(diào)整飛行的速度和方向，以迭代的方式搜索最優(yōu)解.

設(shè)一個(gè)d維的搜索空間里有M個(gè)粒子，該群體以一定的速度飛行.粒子i的位置可以表示為xi=(xi1，xi2，…，xid)，xid∈［Ld，Ud］，Ld、Ud為搜索空間的下限和上限;粒子 i的速度 vid∈［vmin，d，vmax，d］，vmin，d、vmax，d為最小和最大速度;該粒子迄今為止搜索到的最優(yōu)位置pi=(pi1，pi2，…，pid;整個(gè)粒子群迄今為止搜索到的最優(yōu)位置pg=(pg1，pg2，…，pgd).考慮到協(xié)調(diào)PSO算法的全局和局部尋優(yōu)能力，在每次迭代中，粒子根據(jù)下式更新速度和位置:

慣性權(quán)重w的值決定了粒子前一時(shí)刻對(duì)當(dāng)前速度的影響程度，故可調(diào)整其值來提高尋優(yōu)能力.采用下式的線性遞減計(jì)算公式［13］:

其中，r1、r2為均勻分布在(0，1)區(qū)間隨機(jī)數(shù);maxgen為最大迭代次數(shù)，i為當(dāng)前迭代次數(shù).改進(jìn)粒子群算法的流程圖如圖1.

圖1 改進(jìn)PSO算法流程圖

3 算例分析

文中對(duì)IEEE-14標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)算例進(jìn)行分析.假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)組代表一個(gè)發(fā)電廠，系統(tǒng)圖如圖2所示.標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)已經(jīng)給定，不需要再做預(yù)測(cè)，假設(shè)電力公司購(gòu)電價(jià)格為Ct=350(元/MW*h)，交易傭金C0=5(元 /MW*h).

交易雙方申報(bào)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 IEEE-14交易雙方申報(bào)數(shù)據(jù)(已平均到每小時(shí))

表1中給出了各節(jié)點(diǎn)發(fā)電廠商的買賣情況以及申報(bào)價(jià)格和其平均發(fā)電煤耗.

以式(10)為目標(biāo)函數(shù)，式(11)為約束條件，按“高低匹配”原則得出節(jié)煤量最優(yōu)模型交易結(jié)果如表2所示.

表2 節(jié)能量最優(yōu)撮合交易結(jié)果

圖2 IEEE 14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

表中實(shí)際節(jié)煤量是將交易引起的增量網(wǎng)損電量由購(gòu)買方承擔(dān)并轉(zhuǎn)化為煤量求得，可以看出實(shí)際節(jié)煤量與視在節(jié)煤量有較大差別，有必要充分考慮增量網(wǎng)損對(duì)煤耗的影響.

根據(jù)式(12)求出單位交易電量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間煤耗差，如表3所示.

表3 單位交易電量節(jié)點(diǎn)間煤耗差(kg/MW*h)

應(yīng)用改進(jìn)后的粒子群算法，以交易能達(dá)到的最大節(jié)煤量即式(14)為適應(yīng)度值，找到最大適應(yīng)度值，最大適應(yīng)度值對(duì)應(yīng)的粒子為各交易對(duì)的交易量.

求取后的節(jié)能量最優(yōu)解如表4所示.

表4 節(jié)能量最優(yōu)的交易結(jié)果

最后，為了滿足各節(jié)點(diǎn)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，增加其參加發(fā)電權(quán)交易的積極性，這里將按各節(jié)點(diǎn)發(fā)電廠的決策交易量為實(shí)際總成交量，再按申報(bào)價(jià)格“高低匹配”原則進(jìn)行撮合，若出現(xiàn)撮合后成本差價(jià)為負(fù)時(shí)，則由電力公司出面協(xié)商各方申報(bào)價(jià)格或給予一定補(bǔ)償促進(jìn)交易的進(jìn)行.則按表4的實(shí)際總交易結(jié)果，再按申報(bào)價(jià)格“高低匹配”后交易結(jié)果如表5所示.

表5 節(jié)能效益模型交易結(jié)果

兩種交易方式的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)煤量、綜合經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比如表6所示.

表6 交易模型對(duì)比

由表6對(duì)比可以看出節(jié)煤量最優(yōu)模型的節(jié)煤較好，但經(jīng)濟(jì)效益一般;節(jié)能量最優(yōu)模型的節(jié)能量最高，而且兼顧了交易雙方的經(jīng)濟(jì)效益，綜合經(jīng)濟(jì)效益最高，達(dá)到了節(jié)能降耗與經(jīng)濟(jì)性目的較好的統(tǒng)一.因此開展發(fā)電權(quán)交易時(shí)，交易中心可以按照系統(tǒng)申報(bào)發(fā)電權(quán)交易各電廠的平均煤耗率差以及已知的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損系數(shù)，求得各節(jié)點(diǎn)發(fā)電廠的決策交易量，最后再按照申報(bào)價(jià)格的“高低匹配”進(jìn)行撮合，指導(dǎo)發(fā)電權(quán)交易的進(jìn)行.

4 結(jié) 論

發(fā)電權(quán)交易實(shí)現(xiàn)了交易雙方的經(jīng)濟(jì)效益的提升和發(fā)電環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“十二五”規(guī)劃能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義.本文從電力公司角度出發(fā)，以節(jié)能降耗為目的，同時(shí)兼顧交易雙方利益，算例分析表明節(jié)能量最優(yōu)模型在節(jié)能量與社會(huì)效益上表現(xiàn)都較好.對(duì)于充分發(fā)揮其節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)、滿足發(fā)電調(diào)度的節(jié)能減排要求具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景.

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