考慮可再生能源電力消納的跨區(qū)域電源規(guī)劃研究

張金良，周秀秀

（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

電源規(guī)劃是電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)資源合理配置的先決條件。部分區(qū)域電力市場中各省電源種類互補(bǔ)，跨區(qū)域輸電設(shè)施較好，有充足的輸電能力，能夠有效解決供需矛盾問題和可再生能源消納問題。因此，在區(qū)域電力市場中根據(jù)不同省份的資源優(yōu)勢進(jìn)行電源規(guī)劃統(tǒng)籌協(xié)調(diào)將更有利于資源的優(yōu)化配置。2019 年5 月10 日，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》，提出建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制，核心是按省級行政區(qū)域確定可再生能源電量在電力消費(fèi)中的消納責(zé)任權(quán)重。這將直接改變各省的電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)，并且對各省電力生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響。在此背景下，在研究區(qū)域電力市場中的電源規(guī)劃問題時(shí)，考慮可再生能源消納保障機(jī)制，一方面能促使各省優(yōu)先消納可再生能源，有效緩解棄水棄風(fēng)棄光問題；另一方面對于推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對電源規(guī)劃多從可再生能源與傳統(tǒng)能源的協(xié)調(diào)［1-2］、可再生能源出力特性［3-4］等角度構(gòu)建電源規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［5］將電力需求側(cè)的能效電廠納入電力規(guī)劃，提出了源網(wǎng)荷協(xié)同規(guī)劃的概念與模型，并在源網(wǎng)荷協(xié)同規(guī)劃模型中考慮了風(fēng)電等新能源的雙重不確定性。也有學(xué)者結(jié)合碳排放交易、綠證交易等政策建立電源規(guī)劃模型［6-8］。文獻(xiàn)［9］將綠色證書交易機(jī)制和碳交易機(jī)制引入到電源規(guī)劃模型中，建立了以規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)凈收益最大為目標(biāo)的低碳經(jīng)濟(jì)電源規(guī)劃模型。上述研究較為豐富，但主要集中在可再生能源出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性等方面，考慮的政策多為綠證交易和碳排放權(quán)交易，從可再生能源電力消納的宏觀角度，建立跨區(qū)域的電源規(guī)劃模型的研究并不多見。因此，結(jié)合可再生能源消納機(jī)制，綜合考慮各省份發(fā)電資源儲(chǔ)量與發(fā)電成本、跨區(qū)域輸電能力等條件的區(qū)別，構(gòu)建區(qū)域電源規(guī)劃模型，并對某區(qū)域內(nèi)的實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的合理性。

1 模型描述

1.1 目標(biāo)函數(shù)

建立含燃煤機(jī)組、水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組以及光伏機(jī)組的電源規(guī)劃方案，將機(jī)組的投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、跨區(qū)域輸電成本等計(jì)入目標(biāo)函數(shù)中。另外，為體現(xiàn)可再生能源的環(huán)境效益，在目標(biāo)函數(shù)中加入了燃煤機(jī)組的碳排放成本。在滿足系統(tǒng)約束條件的同時(shí)，使區(qū)域電力系統(tǒng)綜合成本最小。模型的決策變量主要為每個(gè)省份每年各類電源的新建裝機(jī)容量和發(fā)電量、跨區(qū)輸電量。模型的目標(biāo)函數(shù)為

式中：t 為年份；T 為規(guī)劃周期；ICt、ECt、OCt、ACt、TRCt、CCt分別為第t 年各類型發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)成本、燃料成本、運(yùn)營維護(hù)成本、廢棄成本、電力傳輸成本及碳排放成本；Wnir為剔除通貨膨脹后的無風(fēng)險(xiǎn)利率，體現(xiàn)資金的時(shí)間價(jià)值。

裝機(jī)成本函數(shù)為

式中：FCt，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的單位裝機(jī)容量投資成本；NCt，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的新建裝機(jī)容量；K 為區(qū)域內(nèi)所有省份的集合；N為機(jī)組類型集合；I 為折現(xiàn)率，即將裝機(jī)成本折成等額年金；LIFEn為機(jī)組的類型n 的生命周期。

燃料成本函數(shù)為

式中：Gt，k為第t 年省份k 內(nèi)燃煤機(jī)組的發(fā)電量；Ek為省份k 內(nèi)機(jī)組的能耗量；EPk為省份k 內(nèi)的能源價(jià)格。

運(yùn)營維護(hù)成本函數(shù)為

式中：Gt，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的發(fā)電量；OMCk，n為省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的單位電量運(yùn)營成本；CCt，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的累計(jì)裝機(jī)容量；Ht，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的發(fā)電時(shí)長。

廢棄成本函數(shù)為

式中：ACt為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組報(bào)廢處理成本；α 為廢棄成本占裝機(jī)成本的比例；Ict，k，n為第t 年省份k內(nèi)機(jī)組類型n 的裝機(jī)成本。

電力傳輸成本函數(shù)為

式中：Tt，ki→kj，n為第t 年省份ki通過機(jī)組類型n 輸送到省份kj的電量；TRVCki→kj為省份ki和省份kj之間線路的單位電量輸電費(fèi)用。

碳排放成本函數(shù)為

式中：CPk為省份k 的碳排放權(quán)價(jià)格；e 為燃煤機(jī)組的碳排放系數(shù)。

1.2 約束條件

1）電力約束。第t 年省份k 內(nèi)的裝機(jī)容量應(yīng)不小于第t 年省份k 的最大負(fù)荷，即

式中：Pt，k，n為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的已有裝機(jī)容量；Rt，k為第t 年省份k 的用電負(fù)荷。Pt，k，n和Rt，k的初始值為2018 年的各類裝機(jī)容量和各省份用電負(fù)荷。

2）電量平衡約束。為保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，任何時(shí)段內(nèi)省份k 的電力需求應(yīng)與本地發(fā)電量及跨省輸入輸出電量保持平衡，且跨區(qū)域輸電的前提是兩個(gè)地區(qū)之間存在輸電線路連接，即

式中：Dt，k為第t 年省份k 的用電需求；GINt，k，n和GOUt，k，n分別指第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的跨省輸入至省份k的電量和省份k 輸出至其他省份的電量。

3）可再生能源機(jī)組裝機(jī)約束。規(guī)劃期內(nèi)可再生能源機(jī)組的累計(jì)裝機(jī)容量不應(yīng)超過該地區(qū)相應(yīng)資源的承受范圍，即

式中：CRCk，n，t為第t 年省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的可再生能源機(jī)組的累計(jì)裝機(jī)容量；ULCk，n為省份k 內(nèi)機(jī)組類型n 的可再生能源機(jī)組的裝機(jī)容量上限。

4）發(fā)電量約束。各類電源發(fā)電量應(yīng)滿足可發(fā)電量上下限，即

式中：Gln，t、Gn，t和Gun，t分別為第t 年n 類型發(fā)電機(jī)組可發(fā)電量的下限、發(fā)電量與發(fā)電量上限。

5）線路容量約束?？缡鬏旊娏靠傆?jì)應(yīng)小于等于省間通道的輸送能力，即

式中：Lki→kj為省份ki和省份kj之間的傳輸容量；Lmax為線路最大容量。

6）可再生能源配額約束?？稍偕茉磁漕~分為水電配額和非水電配額，各省實(shí)際消納的可再生能源電力應(yīng)大于等于規(guī)定的可再生能源配額量［10］，即：

式中：GNHt，k為第t 年省份k 內(nèi)風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組的發(fā)電量；TNHkj→ki，t為第t 年輸入至省份ki的風(fēng)力和光伏發(fā)電量；TNHki→kj，t為第t 年省份ki輸出的風(fēng)力和光伏發(fā)電量；NHRPSk為省份k 的非水可再生能源配額指標(biāo)；RPSk為省份k 的可再生能源配額指標(biāo)；Dt，k為第t 年省份k 的用電需求；GHt，k為第t 年省份k 內(nèi)水電機(jī)組的發(fā)電量；THkj→ki，t為第t 年輸入至省份ki的水力發(fā)電量；THki→kj，t為第t 年省份ki輸出的水力發(fā)電量。

2 模型求解與數(shù)據(jù)來源

2.1 模型求解算法

遺傳算法遵循自然界中“適者生存、優(yōu)勝劣汰”的原則，是一種基于生物界規(guī)律和自然遺傳機(jī)制的并行搜索算法［11］。其對于復(fù)雜的優(yōu)化問題無須建模和進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，具有較強(qiáng)的全局搜索能力［12-13］。使用遺傳算法對模型進(jìn)行求解，求解流程如圖1 所示。

圖1 求解流程

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例以某區(qū)域內(nèi)4 個(gè)省份2018 年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，規(guī)劃周期為2019—2024 年。4 個(gè)省份間的輸電容量上限及省間輸電費(fèi)用［14］如圖2 所示。

圖2 區(qū)域間輸電線路分布及輸電價(jià)格

基于各類電源的規(guī)模和占比，主要對風(fēng)電、光伏、水電及火電（燃煤）4 種電源類型進(jìn)行研究分析。2018年各省已有的發(fā)電裝機(jī)容量、用電負(fù)荷及可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重分別如表1 和表2 所示，此外，由于部分省份未建立碳交易試點(diǎn)，本文按各省的經(jīng)濟(jì)水平，根據(jù)現(xiàn)有試點(diǎn)省份的實(shí)際數(shù)據(jù)對碳排放價(jià)格進(jìn)行了估算。由于不同省份地理位置、資源稟賦存在差異，基于各地電價(jià)水平，對各地區(qū)裝機(jī)成本、煤炭成本等進(jìn)行了估算，如表3 所示。各省年平均利用小時(shí)數(shù)及可再生能源上限如表4 所示。此外，對于廢棄成本，由于風(fēng)電等機(jī)組在報(bào)廢時(shí)盡管需要一定的處理費(fèi)用，但由于其仍具有一定殘值，可以沖抵相關(guān)費(fèi)用［15］，因此本文僅考慮光伏的廢棄成本，并按照裝機(jī)成本的25%［16］進(jìn)行計(jì)算。無風(fēng)險(xiǎn)利率為2%，折現(xiàn)率為10%［10］。

表1 各省用電負(fù)荷及可再生能源電力消納權(quán)重

表2 2018 年各省已有發(fā)電裝機(jī)容量 GW

表3 各省發(fā)電投資成本概況

表4 各省年平均利用小時(shí)數(shù)及可再生能源上限

3 算例分析

3.1 情景設(shè)置

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果及判斷不同場景對電源新建、投資成本的影響，算例在完全競爭市場情形下運(yùn)行，考慮如下3 種方案。

方案Ⅰ：不考慮區(qū)域電力交易和可再生能源電力的消納比例。

方案Ⅱ：考慮區(qū)域電力交易，但不考慮可再生能源電力的消納比例。

方案Ⅲ：同時(shí)考慮區(qū)域電力交易和可再生能源電力的消納比例。

在進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，重點(diǎn)研究改變不同省份可再生能源電力的消納比例、跨區(qū)域電力交易比例等因素改變時(shí)，各省各類電源新建容量、區(qū)域內(nèi)投資成本等指標(biāo)的變化情況。

3.2 方案分析

在規(guī)劃期末年，3 種方案中各省的新增裝機(jī)容量情況如表5 所示。方案Ⅰ中新建機(jī)組的類別主要為火電機(jī)組，且集中在省份C 建設(shè)，這是因?yàn)樵诓豢紤]其他因素的情況下，各省在新建機(jī)組時(shí)主要以本省電力需求為主，相對來說省份C 電力需求最大，因此集中在省份C 建設(shè)。在方案Ⅱ中，省份B 和省份C均有一部分新建機(jī)組，但考慮到跨區(qū)域輸電成本，在區(qū)域內(nèi)存量機(jī)組無法滿足總電力需求時(shí)，盡管省份C的裝機(jī)成本較高，但依然選擇在省份C 新建一部分火電機(jī)組。方案Ⅲ中新建機(jī)組類型和選址較為分散，這主要是因?yàn)楦魇闈M足可再生能源電力消納比例，依據(jù)本省資源稟賦和已有機(jī)組容量采取不同的建設(shè)方案?？傮w來看，方案Ⅰ主要新建火電機(jī)組，方案Ⅱ會(huì)建設(shè)一部分水電機(jī)組，方案Ⅲ中新建的可再生能源機(jī)組容量最大。

表5 規(guī)劃期末3 種方案中各省新增裝機(jī)容量 GW

規(guī)劃期末3 種方案的關(guān)鍵指標(biāo)如表6 所示，方案Ⅰ中區(qū)域內(nèi)的碳排放量最高，不利于發(fā)電行業(yè)的節(jié)能減排；方案Ⅱ中的總成本和總新建機(jī)組容量和碳排放量都低于方案Ⅰ和Ⅲ，由此可見開展跨區(qū)域電力交易能夠有效提高資源配置的效率，降低電發(fā)電行業(yè)的總成本；而對于方案Ⅲ，盡管對可再生能源發(fā)電量規(guī)定了一定比例，但各省為了滿足要求不得不在本省新建或從其他省份購買可再生能源電力，由于可再生能源機(jī)組的建設(shè)成本較高，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)發(fā)電行業(yè)的總成本增加，但不能否認(rèn)其對可再生能源機(jī)組建設(shè)的促進(jìn)作用。

表6 規(guī)劃期末3 種方案的關(guān)鍵指標(biāo)

3.3 靈敏度分析

3.3.1 不同跨區(qū)域輸電比例的影響

使用上文構(gòu)建的模型可以求解出跨區(qū)域輸電量占總發(fā)電量的30%，即以當(dāng)前輸電線路布局為基礎(chǔ)，跨區(qū)域輸電比例最高為30%。為有效對比不同跨區(qū)域輸電比例對電源新建的影響，分別選取了25%、20%和15%的跨區(qū)域輸電比例進(jìn)行分析，如表7所示。

從表7 可以看出，各省新建機(jī)組類型及容量較大程度上取決于本省已有的電源結(jié)構(gòu)和電力需求情況，且跨區(qū)域輸電比例越低，在本省新建的火電機(jī)組越多，區(qū)域內(nèi)總裝機(jī)容量也越高。由此可見，跨區(qū)域輸電比例的變化會(huì)對區(qū)域內(nèi)的電源規(guī)劃產(chǎn)生較大影響。

表7 不同跨區(qū)域輸電比例下各省的新建裝機(jī)容量 GW

3.3.2 不同可再生能源電力消納比例的影響

將基準(zhǔn)方案中各省可再生能源電力消納比例以方案Ⅲ中的規(guī)定為準(zhǔn)，分別上調(diào)1%和下調(diào)1%，得到不同的電源規(guī)劃方案。

當(dāng)可再生能源電力消納比例下調(diào)時(shí)，由于跨區(qū)域輸電成本較高，各省在消納本省可再生能源電力以及規(guī)定比例的可再生能源電力后，將不會(huì)從其他省份購入可再生能源電力，轉(zhuǎn)而由火電機(jī)組代替發(fā)電，從而導(dǎo)致可再生能源機(jī)組新建裝機(jī)數(shù)量較低，火電新建容量較高；極端情況下，當(dāng)可再生能源電力消納比例為0 時(shí)，區(qū)域內(nèi)將主要新建火電機(jī)組；當(dāng)可再生能源電力消納比例上調(diào)時(shí)，區(qū)域內(nèi)可再生能源機(jī)組無法滿足規(guī)定的比例時(shí)，將優(yōu)先選擇在建設(shè)成本較低的省份新建可再生能源機(jī)組，即選擇在省份A和省份B 新建，只有省份A 和省份B 達(dá)到裝機(jī)上限后，才開始在省份C 和省份D 新建。

表8 不同可再生能源電力消納比例下各省的新建裝機(jī)容量 GW

4 結(jié)語

結(jié)合各省能源價(jià)格和跨區(qū)域輸電價(jià)格及其火電標(biāo)桿電價(jià)水平，估算了不同省份不同電源的投資成本、運(yùn)維成本和燃煤價(jià)格，據(jù)此構(gòu)建了以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的電源規(guī)劃模型，并通過算例驗(yàn)證了所建模型的合理性。構(gòu)建的模型充分考慮了不同省份經(jīng)濟(jì)水平和資源稟賦，能夠有效模擬各省在當(dāng)前政策背景下的電源新建情況，對新形勢下的電源規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)作用。但在考慮區(qū)域內(nèi)電力交易時(shí)忽略了省間壁壘等外在因素的影響，此外，也忽略了各類裝機(jī)成本在不同年份的變化，未來將針對這兩方面對模型進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，以提高模型的適用性和實(shí)用性。