基于碳交易的含風光發(fā)電的電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度＊

董曉寧，楊國華，2，王 岳，鄒玙琪，李志明

（1.寧夏大學(xué)電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021；2.寧夏電力能源安全自治區(qū)重點實驗室，寧夏銀川750021）

1 引言

近幾年，過度消耗化石燃料所帶來的環(huán)境問題越來越受到世界各界人士的重視。發(fā)展低碳經(jīng)濟、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已成為世界各國的共識?！丁笆濉币?guī)劃綱要》提出全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放強度較2005年下降 40%－45%的碳減排目標，并逐步建立起碳排放交易（簡稱碳交易）市場，以促進碳減排目標的實現(xiàn)［1］。電力行業(yè)既是能耗大戶，也是CO2排放大戶，CO2排放量占全國排放總量的38.76%［2］，如何在滿足經(jīng)濟性的前提下實現(xiàn)低碳化發(fā)展，是電力行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵。碳交易作為一種市場化機制，可以促進電力行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。隨著歐洲碳交易市場及我國試運營點的建立，電力行業(yè)的低碳發(fā)展和新能源發(fā)電引起了眾多學(xué)者的興趣。文獻［3］將CO2排放以環(huán)境懲罰成本的形式加入到電力生產(chǎn)成本中促進火電機組節(jié)能減排。文獻［4］建立了不同電源的碳交易模型和成本模型，并以碳排放和系統(tǒng)運行目標建立多目標調(diào)度模型。文獻［5］考慮碳交易成本建立多目標環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度模型，將碳排放權(quán)進行分配補償和考慮風電廣義運行成本建立低碳經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻［6］基于kantorovich距離對光伏發(fā)電場景進行削減，建立了含有大規(guī)模光伏電源的調(diào)度模型。文獻［7］根據(jù)不確定理論，建立了考慮風光預(yù)測誤差的經(jīng)濟調(diào)度模型，并提出風光蓄一體化的調(diào)度策略。文獻［8］加入了碳捕集發(fā)電機組，并將碳交易和碳排放超標費用計入目標函數(shù)，較全面的考慮了低碳電力各元素的影響。文獻［9-10］對旋轉(zhuǎn)備用的分配進行研究，并將備用成本計入目標函數(shù)，得到發(fā)電機組的最優(yōu)出力。文獻［11］建立了含多模糊參數(shù)的模糊機會約束機組組合數(shù)學(xué)模型，用置信水平控制風險，采用模糊機會約束的清晰等價類，處理機會約束。文獻［12］以CO2排放量最小為子目標建立低碳調(diào)度模型。

以上文獻從不同角度對含有新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)在低碳經(jīng)濟調(diào)度的背景下進行了研究，取得了一些成果。但是，上述研究內(nèi)容沒有將碳交易引入含有風光發(fā)電的電力系統(tǒng)調(diào)度中，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上建立了考慮碳交易含風光發(fā)電的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型，并在碳排放權(quán)初始分配的基礎(chǔ)上，增加了火電機組碳配額補償分配。最后采用遺傳算法驗證了本文模型的合理性和可行性。

2 碳交易模型

碳交易是將碳配額商品化，如果企業(yè)實際碳排放量少于碳配額，可以將多余的碳配額出售獲取利潤，若企業(yè)實際碳排放量多于碳配額，該企業(yè)必須購買碳排放差額，否則將面臨罰款［13］。

2.1 碳排放模型

由于風機發(fā)電和太陽能發(fā)電均不產(chǎn)生CO2，CO2主要來源于常規(guī)火力發(fā)電機組?；痣姍C組碳排放模型如下：

式中：EP為 t時刻火電機組碳排放量；αi、βi、γi為火電機組CO2排放系數(shù)；uit為第i臺火電機組t時刻的運行狀態(tài)；T為研究周期時段數(shù)目；NG為系統(tǒng)中火電機組臺數(shù)；PGit為t時刻第i臺火電機組的調(diào)度出力。

2.2 碳排放配額的分配

全球碳排放配額的分配（簡稱碳配額）主要有免費分配和有償分配兩種形式。由于中國處于碳交易的初級階段，模型采用企業(yè)易于接受的免費分配［14］。本文在基于發(fā)電量免費分配的基礎(chǔ)上分開考慮風光和火力發(fā)電碳配額。并對電機組的碳配額進行補償。

火電機組碳配額：

式中：EGqt為t時刻火電得到的碳配額；η為區(qū)域單位電量排放分配額，由國家發(fā)改委規(guī)定的“區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子”確定；KWjt為t時刻第j個風電場備用系數(shù)；KPkt為t時刻第p個光伏發(fā)電場景備用系數(shù)；PWjt為t時刻第j個風電場調(diào)度出力；PPkt為t時刻第k個光伏發(fā)電場調(diào)度出力；α、β分別為t時刻風機發(fā)電和光伏發(fā)電碳配額修正系數(shù)，與發(fā)電量預(yù)測有光；NW、NP分別為風電場數(shù)目、光伏發(fā)電場數(shù)目。

風電場碳配額：

式中：EWqt為t時刻風電場得到碳配額。

光伏電場碳配額：

式中：EPqt為t時刻光伏電場得到碳配額。

2.3 碳交易模型

根據(jù)碳交易原理建立碳交易模型如下：

式中：Ca為碳交易總成本；Cu為碳排放權(quán)價格；Ep為火電機組二氧化碳排放量；Eq為電力系統(tǒng)碳配額。

3 調(diào)度模型

電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度是在運行周期內(nèi)滿足約束條件的前提下，合理調(diào)度機組的出力，使系統(tǒng)的運行成本最小。

3.1 目標函數(shù)

火電機組在單位時間內(nèi)發(fā)電成本由火電機組運營成本、啟停成本和碳交易成本組成?；鹆Πl(fā)電機組運行成本如下：

式中：CGit為第i臺火電機組在單位時間t內(nèi)的發(fā)電成本；ai、bi、ci為第 i臺機組的燃料費用系數(shù)；Sit為啟停成本。

風電機組在單位時間內(nèi)的發(fā)電成本：

式中：ηwj為第j臺風電機單位電量運行成本；Pwjt為第j臺風電機t時刻的出力；Ewp、Ewq為風電機組的碳排放和碳配額。

光伏機組在單位時間內(nèi)的發(fā)電成本：

式中：ηpk為光伏發(fā)電機組k單位電量運行成本；Ppkt為第k組光伏發(fā)電場t電時刻出力；Epk、Eqk為光伏發(fā)電的碳排放和碳配額。

電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度目標函數(shù)如下：

3.2 約束條件

功率平衡約束

式中：PLt為t時刻負荷功率。在不計網(wǎng)損的情況下t時刻發(fā)出的功率等于t時刻消耗的功率。

機組出力上下限約束

常規(guī)機組的爬坡功率約束

式中：Rupi、Rdowni為第i臺火電機組最大增出力功率和最大減出力功率；ΔT為時間間隔。

旋轉(zhuǎn)備用量約束［15］

式中：PGitmax為第i臺發(fā)電機組時刻最大出力；PGitmin為第i臺發(fā)電機組時刻最小出力；u1、d2為由于負荷預(yù)測誤差而增加的上下旋轉(zhuǎn)備用率；uw、dw為由于風電出力預(yù)測誤差而增加的上下旋轉(zhuǎn)備用率；up、dp為由于光伏出力預(yù)測誤差而增加的上下旋轉(zhuǎn)備用率。

4 算例分析

4.1 基本數(shù)據(jù)與參數(shù)

本文采用經(jīng)典的十機組算例加一個等值的風、光電場驗證模型的可行性，采用Matlab 2016a進行編程。最大迭代次數(shù)為1000，初始種群大小為50，交叉概率為0.8。調(diào)度周期取24個時段，風電場備用系數(shù)為 0.15；光伏機組備用系數(shù)為 0.10；碳權(quán)分配修正系數(shù)為0.85；風電場運行成本為0.05萬元/MW［16］；考慮開機時間約束和機組啟停費用，啟停費用參考文獻［17］，風、光發(fā)電預(yù)測采用文獻［18］中風電場2預(yù)測出力和光伏預(yù)測出力，負荷預(yù)測采用文獻［5］中24時段負荷預(yù)測。

4.2 計算結(jié)果與分析

機組調(diào)度結(jié)果見表1，由調(diào)度結(jié)果可知，P1，P2機組容量較大，在電力系統(tǒng)中承擔主要出力；為了保證旋轉(zhuǎn)備用量要求，P8，P9，P10機組運行在出力下限附近，降低了系統(tǒng)的啟停成本；由于CO2排放量與機組出力呈二次函數(shù)關(guān)系，所以分擔了主力機組的碳排放，降低了CO2排放量。

機組在部分時刻出力和運行成本對比如圖1至圖4所示。

圖1 t=1時刻慮碳交易運行成本

圖2 t=1時刻不考慮碳交易運行成本

圖3 t=11時刻考慮碳交易運行成本

圖4 t=11不考慮碳交易運行成本

火電機組在24時段內(nèi)CO2排放總量和系統(tǒng)運行成本如表1和表2所示。

表1 不同模式下系統(tǒng)CO2排放量和運行成本

由對比結(jié)果可以看出考慮碳交易的電力系統(tǒng)調(diào)度使系統(tǒng)的運行成本增加了4.475%，碳排放量減少了7.987%，運行成本增加的主要原因是火力發(fā)電機組碳排放量均超出了碳配額，使系統(tǒng)的運行成本增加；因此碳交易的加入起到了鼓勵企業(yè)節(jié)能減排的作用，驗證了模型的合理性和可行性。

表2 含風光電場的電力系統(tǒng)24時段出力計劃機組

5 結(jié)束語

將碳交易引入含風光發(fā)電的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度中，并對碳交易中碳排放權(quán)的初始分配進行改進，通過算例分析得到以下結(jié)論。

本文在傳統(tǒng)碳配額的基礎(chǔ)上引入火電機組碳排放補償配額，根據(jù)碳交易原理建立碳交易模型，然后將碳交易引入含有風光發(fā)電的電力系統(tǒng)，以系統(tǒng)運行成本為目標采用自適應(yīng)遺傳算法進行計算，運行成本雖然增加，運行成本增加的主要原因是火電機組的碳排放量遠遠超過了火電機組的碳配額，購買碳配額使火電機組的運行成本增加，但火力發(fā)電機組的碳排放量減少了7.987%，所以將碳交易引入發(fā)電機組可以有效地降低火電機組的碳排放量。