考慮清潔能源參與的跨區(qū)域能源配置優(yōu)化模型*

張立輝，熊 俊?，鞠立偉，吳鴻亮，譚忠富

(1．華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206; 2．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

考慮清潔能源參與的跨區(qū)域能源配置優(yōu)化模型*

張立輝1，熊 俊1?，鞠立偉1，吳鴻亮2，譚忠富1

(1．華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206; 2．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

分別以區(qū)域發(fā)電成本最優(yōu)、區(qū)域碳排放最優(yōu)以及綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)，結(jié)合區(qū)域能源優(yōu)化中涉及的經(jīng)濟(jì)效率、碳排放以及輸電約束等問題，構(gòu)建了含清潔能源的跨區(qū)域發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化模型.利用GAMS軟件進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明模型能在一定程度上優(yōu)化區(qū)域間的發(fā)電成本和環(huán)境成本；對(duì)比清潔能源參與、不參與區(qū)域能源優(yōu)化的結(jié)果可知:清潔能源在優(yōu)化中的貢獻(xiàn)度明顯高于化石能源；區(qū)域間碳排放價(jià)格的差異將影響清潔能源與化石能源所實(shí)現(xiàn)的能源置換效益.

發(fā)電計(jì)劃；清潔能源；碳排放價(jià)格；區(qū)域能源配置

我國經(jīng)濟(jì)的區(qū)域發(fā)展呈現(xiàn)東部優(yōu)于西部的格局，然而支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源，不管是煤炭、石油等化石能源，抑或是風(fēng)能、太陽能等清潔能源均主要分布于西部內(nèi)陸地區(qū).資源與負(fù)荷逆向分布的基本國情已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸.智能電網(wǎng)以及先進(jìn)輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用為負(fù)荷與能源的跨區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化從技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)層面提出了可行方案，以特高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)作為突破口調(diào)度西部能源，以輸電替代輸煤維系國家能源安全.

根據(jù)國家“十二五”能源科技規(guī)劃，未來五年國家將推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)特高壓網(wǎng)架建設(shè).在華北、華東、華中地區(qū)形成“三橫三縱”的特高壓主網(wǎng)架；在西北地區(qū)建設(shè)覆蓋西北重要負(fù)荷中心及電源基地的750千伏電網(wǎng)；在南方地區(qū)形成“八交八直”的送電通道，促進(jìn)云貴地區(qū)西電東送.區(qū)域間電力輸送在社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面滿足區(qū)域間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求；在能源效率層面保障西部地區(qū)風(fēng)能、光伏等可再生能源發(fā)電的接入與消納，透過發(fā)電置換優(yōu)化電源發(fā)電效率，降低供電煤耗；在環(huán)境層面則總體上減少溫室氣體、污染氣體的排放總量，區(qū)域間降低東部人口密集地區(qū)的環(huán)境成本.

電力優(yōu)化配置的問題本質(zhì)上是機(jī)組組合(Unit Commitment)問題，其試圖通過優(yōu)化不同能源類別、不同容量、不同地域分布的電源的發(fā)電計(jì)劃，在滿足社會(huì)用電需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性的目標(biāo).文獻(xiàn)[1-4]針對(duì)機(jī)組組合問題分別提出了人工蜂群算法[1]、混合整數(shù)二次約束規(guī)劃[2]、帝國主義競爭算法[3]、粒子群算法[4]等優(yōu)化算法；文獻(xiàn)[5]則將風(fēng)電出力納入發(fā)電調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度.上述文獻(xiàn)針對(duì)電力資源的優(yōu)化主要以經(jīng)濟(jì)效益以及電力安全為目標(biāo)，對(duì)于環(huán)境問題的考慮較少.而為了優(yōu)化發(fā)電資源與減少環(huán)境污染，2007年國務(wù)院頒布了《發(fā)電節(jié)能調(diào)度辦法(試行)》[6]，因此部分研究圍繞環(huán)境效益展開.文獻(xiàn)[7-8]提出了適應(yīng)節(jié)能調(diào)度的優(yōu)化算法；文獻(xiàn)[9]則以節(jié)能減排為向?qū)?，?gòu)建出發(fā)電側(cè)與售電側(cè)峰谷分時(shí)電價(jià)聯(lián)合優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[10-11]則分別從行政手段以及市場(chǎng)機(jī)制兩種途徑設(shè)計(jì)節(jié)能調(diào)度的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制；文獻(xiàn)[12]則兼顧能源的環(huán)境效益，針對(duì)含有風(fēng)電的電力系統(tǒng)提出低碳調(diào)度的優(yōu)化模型.

上述研究主要針對(duì)區(qū)域內(nèi)電源進(jìn)行優(yōu)化配置，而關(guān)于區(qū)域間能源協(xié)調(diào)發(fā)展的研究，文獻(xiàn)[13-14]構(gòu)建了區(qū)域間最大功率交換能力的求解模型，并利用連續(xù)型潮流計(jì)算方法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[15]基于電力市場(chǎng)機(jī)制構(gòu)建了多區(qū)域電力交易模型；文獻(xiàn)[16]基于電力潮流以及機(jī)組啟停的約束構(gòu)建了跨區(qū)域機(jī)組發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化模型，并借助廣義Benders分解算法對(duì)模型進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[13-16]均未涉及環(huán)境因素的優(yōu)化，文獻(xiàn)[17]基于減排與輸電成本的約束對(duì)區(qū)域間發(fā)電功率互換提出了優(yōu)化模型，其研究主要針對(duì)燃煤機(jī)組，并未體現(xiàn)出新能源機(jī)組參與區(qū)域能源優(yōu)化的效益.

本文綜合考慮跨區(qū)域能源優(yōu)化配置過程中涉及的發(fā)電成本、輸電費(fèi)用以及排放成本等要素，構(gòu)建不同優(yōu)化目標(biāo)下的跨區(qū)域發(fā)電計(jì)劃模型.利用GAMS軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，發(fā)掘跨區(qū)域能源優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益.另外，通過對(duì)比清潔能源參與、不參與區(qū)域能源優(yōu)化配置下模型的求解，研究清潔能源參與區(qū)域能源優(yōu)化所帶來的效益.最后，通過設(shè)置送電與受電區(qū)域的碳排放價(jià)格函數(shù)研究碳排放價(jià)格對(duì)清潔能源與化石能源參與跨區(qū)域能源配置價(jià)值的影響程度.

1 區(qū)域能源優(yōu)化配置模型

1.1 區(qū)域發(fā)電成本優(yōu)化模型

假設(shè)各區(qū)域電廠的發(fā)電成本函數(shù)為[18-19]：

(1)

式中，gt為t時(shí)段電廠的發(fā)電量，af，bf和cf分別為函數(shù)系數(shù).受電區(qū)域往往遠(yuǎn)離化石能源產(chǎn)地，因此受電區(qū)域邊際發(fā)電成本將高于送電區(qū)域.而風(fēng)電這類可再生能源電廠發(fā)電變動(dòng)成本很少，加之通過高壓輸電線路外送消納的電能屬于棄風(fēng)發(fā)電，因此其發(fā)電變動(dòng)成本可視為零[20]，即bf=cf=0.

假設(shè)受電區(qū)域清潔能源不參與跨區(qū)域能源優(yōu)化，在不考慮環(huán)境約束的情況下構(gòu)建區(qū)域發(fā)電成本以及輸電成本的優(yōu)化模型P1：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2 區(qū)域環(huán)境效益優(yōu)化模型

假設(shè)各區(qū)域電廠的CO2排放函數(shù)為：

E(gt)=bE×gt+cE×(gt)2．

(13)

式中，bE，cE為排放函數(shù)系數(shù)；對(duì)于清潔能源而言，其排放量可視為零，即bE=cE=0.

以往基于環(huán)境約束的機(jī)組發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化的研究一般都以排放總量最少為目標(biāo)，如此構(gòu)建模型將丟失區(qū)域間減排效益差異的相關(guān)信息.溫室氣體、污染氣體排放的影響往往與區(qū)域人口、人均GDP、環(huán)境價(jià)值等因素相關(guān)[21]．這些因素的綜合作用將最終通過價(jià)值機(jī)制以影子價(jià)值的形式體現(xiàn)出來，一般經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)價(jià)值較高，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)價(jià)值較低.因此，本文引入?yún)^(qū)域減排價(jià)格變量作為優(yōu)化區(qū)域減排目標(biāo)優(yōu)化的參數(shù)，體現(xiàn)減排的綜合價(jià)值.另外，現(xiàn)階段我國脫硫、脫硝技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，化石能源電廠安裝脫硫、脫硝裝置后處理能力達(dá)到90%以上．本文僅以CO2的排放成本作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建區(qū)域減排約束優(yōu)化模型P2：

minZ2=

(14)

s.t.式(3)～(12)

(15)

(16)

1.3 區(qū)域綜合優(yōu)化模型

為同時(shí)滿足發(fā)電成本以及環(huán)境效益優(yōu)化的需求，聯(lián)合模型P1，P2構(gòu)建綜合優(yōu)化模型P3：

minZ3=Z1+Z2；

(17)

s.t.式(3)～(12)，式(15)～(16)．

Ctr*=

(18)

(19)

送電與受電區(qū)域平均發(fā)電成本：

ptr*=

(20)

(21)

t時(shí)段送電與受電區(qū)域的均衡碳排放價(jià)格：

(22)

(23)

2 模擬分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

假設(shè)送電區(qū)域與受電區(qū)域各有6個(gè)電廠參與能源優(yōu)化配置，其中送電區(qū)域有1個(gè)風(fēng)電廠，其余均為火電廠.碳排放價(jià)格系數(shù)如表1所示.區(qū)域間機(jī)組未來一小時(shí)發(fā)電計(jì)劃、機(jī)組狀態(tài)、發(fā)電成本系數(shù)、CO2排放系數(shù)的模擬數(shù)據(jù)如表2所示.輸電價(jià)格為0.008萬元/MWh，輸電線損率為3%.

表1 區(qū)域碳排放相關(guān)參數(shù)

表2 機(jī)組發(fā)電計(jì)劃與相關(guān)系數(shù)

2.2 不同目標(biāo)模型優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

利用GAMS軟件對(duì)上述三個(gè)模型進(jìn)行求解，求解結(jié)果見表3.由于風(fēng)電變動(dòng)成本接近于零且發(fā)電過程不會(huì)排放CO2，因此，在電力系統(tǒng)允許的前提下可考慮盡可能多地接納風(fēng)電.而在三個(gè)目標(biāo)模型下，由于風(fēng)力發(fā)電的變動(dòng)成本及環(huán)境成本為零，風(fēng)電均被全部納入生產(chǎn)發(fā)電計(jì)劃.對(duì)于燃煤機(jī)組而言，其發(fā)電成本、CO2排放量與機(jī)組效率相對(duì)一致，而一般而言大機(jī)組效率優(yōu)于小機(jī)組，因此機(jī)組發(fā)電計(jì)劃的優(yōu)化基本上是通過大機(jī)組代替小機(jī)組發(fā)電來實(shí)現(xiàn).模型優(yōu)化的結(jié)果也與此優(yōu)化策略相一致，利用送電區(qū)域的大機(jī)組取代受電區(qū)域小機(jī)組，滿足受電區(qū)域的負(fù)荷需求.對(duì)于機(jī)組個(gè)體而言，送電區(qū)域機(jī)組的綜合成本隨著發(fā)電量的增加而增加，受電區(qū)域機(jī)組的綜合成本隨著發(fā)電量的減少而減少.值得注意的是，部分機(jī)組雖然發(fā)電計(jì)劃沒有發(fā)生變化，但由于區(qū)域內(nèi)發(fā)電總量的變化引致區(qū)域碳排放價(jià)格的同向變化，其所承擔(dān)的環(huán)境成本也隨之同向變化.

圖1為不同目標(biāo)下綜合發(fā)電成本構(gòu)成的對(duì)比.總體而言，三個(gè)優(yōu)化模型的綜合發(fā)電成本相當(dāng)，相差幅度在100元以內(nèi).然而，對(duì)比初始發(fā)電計(jì)劃與優(yōu)化后的綜合成本，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化效果明顯，綜合成本最多可減少7.40萬元，為初始成本的4.73%.關(guān)于發(fā)電成本，通過優(yōu)化機(jī)組的發(fā)電成本最多可降低8.39萬元，為初始發(fā)電成本的5.72%；關(guān)于環(huán)境成本，通過優(yōu)化機(jī)組總體環(huán)境成本最多可降低1.81萬元(模型P2)，為初始環(huán)境成本的18.65%；另外，區(qū)域能源優(yōu)化將產(chǎn)生輸電費(fèi)用，三個(gè)目標(biāo)下的輸電成本分別為2.59，2.49和2.78萬元.

圖1 不同優(yōu)化目標(biāo)下綜合成本構(gòu)成對(duì)比

表3 不同目標(biāo)下機(jī)組發(fā)電量變化對(duì)比

表4對(duì)比分析了送電與受電區(qū)域發(fā)電消耗情況，送電區(qū)域發(fā)電成本隨著區(qū)域內(nèi)發(fā)電量的增加而有所上升；而送電區(qū)域的發(fā)電均價(jià)則有所下降，原因在于發(fā)電需求上升提高了送電區(qū)域發(fā)電機(jī)組的利用水平，從而降低了單位電能所分?jǐn)偟陌l(fā)電固定成本.相反，受電區(qū)域受發(fā)電需求下降的影響，發(fā)電總成本下降的同時(shí)，發(fā)電均價(jià)則有所上升.

表4 不同目標(biāo)下區(qū)域成本與發(fā)電均價(jià)對(duì)比

2.3 清潔能源參與區(qū)域能源優(yōu)化效益分析

從表3可知，不同優(yōu)化目標(biāo)下風(fēng)電均被全額納入發(fā)電計(jì)劃，為了研究其在區(qū)域能源優(yōu)化中的影響程度，現(xiàn)考慮風(fēng)電不參與區(qū)域能源優(yōu)化，并對(duì)模型P3進(jìn)行求解，結(jié)果如表5所示.送電區(qū)域大部分機(jī)組發(fā)電出力均達(dá)到出力上限，總發(fā)電量增加220 MWh，少于風(fēng)電參與區(qū)域能源優(yōu)化情況下送電區(qū)域增加的發(fā)電量364.5 MWh.而從發(fā)電成本優(yōu)化的角度來看，風(fēng)電不參與區(qū)域優(yōu)化的情況下，兩區(qū)域總綜合成本為145.64萬元，優(yōu)化后總綜合成本為144.98萬元，僅減少0.66萬元.相反，若僅有風(fēng)電參與區(qū)域能源優(yōu)化，兩區(qū)域總綜合成本將由96.90萬元下降至90.92萬元，節(jié)省成本5.98萬元.如果按風(fēng)電與火電機(jī)組各自對(duì)成本的節(jié)省水平作為權(quán)重，那么風(fēng)電對(duì)區(qū)域能源優(yōu)化的貢獻(xiàn)率為90.06%，可見清潔能源在區(qū)域能源優(yōu)化中具有舉足輕重的作用.

表5 風(fēng)電不參與優(yōu)化情況下機(jī)組發(fā)電優(yōu)化結(jié)果

2.4 碳排放價(jià)格對(duì)能源置換價(jià)值的影響

算例中送電區(qū)域與受電區(qū)域初始的碳排放價(jià)格分別為79.27，104.04元/t，隨著區(qū)域間CO2排放的取代，在模型P3中分別變?yōu)?3.29，99.58元/t.區(qū)域間能源的優(yōu)化配置影響著碳排放價(jià)格的水平，事實(shí)上區(qū)域間碳排放的定價(jià)也影響著區(qū)域能源置換的價(jià)值.為研究碳排放價(jià)格對(duì)區(qū)域能源置換效益的影響，測(cè)算出不同碳排放價(jià)格組合下跨區(qū)域能源置換所節(jié)省的綜合成本，如圖2所示.當(dāng)區(qū)域間初始碳排放價(jià)格趨于相等時(shí)，此時(shí)區(qū)域間的電力輸送量較少，區(qū)域間電力置換所節(jié)省的綜合成本較少；而隨著送電區(qū)域與受電區(qū)域碳排放價(jià)格的差距的擴(kuò)大，送電區(qū)域輸出的電量將逐步增加，區(qū)域間電力置換也就實(shí)現(xiàn)了更高的價(jià)值.

圖2 不同碳排放價(jià)格組合下跨區(qū)域能源置換的價(jià)值

為進(jìn)一步區(qū)分清潔能源與化石能源機(jī)組對(duì)能源置換的貢獻(xiàn)程度，針對(duì)不同碳排放價(jià)格組合下，清潔能源參與、不參與能源置換所實(shí)現(xiàn)的價(jià)值作對(duì)比.如圖3所示，在各種碳排放價(jià)格組合下，清潔能源對(duì)能源置換價(jià)值貢獻(xiàn)度保持在80%以上；而隨著區(qū)域間碳排放價(jià)格差距的擴(kuò)大，貢獻(xiàn)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)．原因在于送電區(qū)域的化石能源機(jī)組能夠通過置換受電區(qū)域較高成本的碳排放實(shí)現(xiàn)一定的環(huán)境價(jià)值，從而淡化清潔能源對(duì)區(qū)域能源置換價(jià)值的貢獻(xiàn)度.這在一定程度上說明在缺乏碳排放價(jià)格機(jī)制支撐的情況下，化石能源進(jìn)行跨區(qū)域能源配置的效益相對(duì)有限；而清潔能源實(shí)現(xiàn)能源置換價(jià)值對(duì)于碳排放價(jià)格機(jī)制的依賴程度較低，其較低的發(fā)電變動(dòng)成本優(yōu)勢(shì)能夠在能源置換過程中大幅度降低受電區(qū)域的發(fā)電成本，從而提高區(qū)域間的總體發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益.

圖3 不同碳排放價(jià)格組合下清潔能源的置換價(jià)值貢獻(xiàn)度

綜上所述，碳排放價(jià)格的區(qū)域差異設(shè)置將影響能源跨區(qū)域置換的實(shí)施深度，影響能源跨區(qū)域置換的價(jià)值實(shí)現(xiàn).而從清潔能源與化石能源機(jī)組的優(yōu)化置換效果對(duì)比來看，化石能源跨區(qū)域的深度置換需要碳排放價(jià)格的協(xié)調(diào)推進(jìn)，而清潔能源則可更多依靠自身的變動(dòng)成本優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)更高的跨區(qū)域能源置換價(jià)值.

3 結(jié) 論

東西部能源與負(fù)荷逆向分布制約我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的輸煤模式需耗費(fèi)巨額的運(yùn)輸費(fèi)用，而特高壓輸電線路為我國能源傳輸提供了另一途徑.然而，通過輸電協(xié)調(diào)區(qū)域能源供應(yīng)需解決輸送多少、如何設(shè)置發(fā)電計(jì)劃等問題，不合理的輸電計(jì)劃將影響區(qū)域能源優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)無法協(xié)調(diào)相關(guān)區(qū)域的環(huán)境發(fā)展.基于上述背景本文構(gòu)建了發(fā)電成本最優(yōu)、環(huán)境效益最優(yōu)以及綜合效果最優(yōu)的決策模型，通過模擬分析得出以下結(jié)論：

1)跨區(qū)域能源優(yōu)化主要通過送電區(qū)域清潔能源以及高效率的大機(jī)組將替代受電區(qū)域小機(jī)組向受電區(qū)域提供負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)機(jī)組總體的綜合成本將下降，為機(jī)組創(chuàng)造更多的利潤.

2)對(duì)比風(fēng)電參與、不參與區(qū)域能源優(yōu)化配置的結(jié)果可知：清潔能源對(duì)于能源優(yōu)化的貢獻(xiàn)率很高.結(jié)合我國的國情，特高壓輸電線路應(yīng)在滿足線路安全的條件下充分調(diào)度西部風(fēng)電，低碳化電源結(jié)構(gòu)，降低我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的化石能源強(qiáng)度，通過豐富電源結(jié)構(gòu)維系國家能源安全.

3)碳排放價(jià)格對(duì)區(qū)域間能源優(yōu)化具有顯著的引導(dǎo)作用.我國碳排放交易市場(chǎng)尚處于試點(diǎn)階段，碳交易法律法規(guī)、碳排放權(quán)分配、碳排放價(jià)格的定位等問題都亟待解決.在碳排放機(jī)制尚不完善的情景下，僅化石能源參與跨區(qū)域能源配置所能實(shí)現(xiàn)的效益較少，而清潔能源參與跨區(qū)域能源優(yōu)化配置有利于保障跨區(qū)域能源配置的整體效益的實(shí)現(xiàn).

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An Optimization Model for Inter-regional Energy Allocation under Consideration of Clean Energy

ZHANG Li-hui1, XIONG Jun1?, JU Li-wei1, WU Hong-liang2, TAN Zhong-fu1

(1. School of Economics and Management, North China Electric Power Univ, Beijing 102206,China;2. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou，Guangdong 510080, China)

Three optimization models of inter-regional generation scheduling including clean energy generation, taking minimum regional generation cost, and minimum regional carbon emission cost and minimum comprehensive cost as objective functions respectively, were established, and the models considered the issues of economic efficiency, carbon emission, and transmission constraints. The simulation analysis using general algebraic modeling system(GAMS) shows that, (a) the model presented can optimize the inter-regional generation cost and environmental cost to a certain extent; (b) clean energy plays a more important role in the optimization of inter-regional energy allocation than fossil fuel energy by comparing the results of inter-regional energy allocation optimization with and without clean energy generation; and (c) the difference of carbon emission prices in regions will influence the benefit achieved by the energy replacement of clean energy and fossil fuel energy.

generation scheduling; clean energy; carbon emission price; inter-regional energy allocation

1674-2974(2015)04-0071-07

2014-06-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71071053, 71273090, 71171079,71271081)，National Natural Science Foundation of China(71071053,71273090,71171079,71271081)

張立輝(1974-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，華北電力大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:ncepuxiongjun@126.com

TM 734

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