考慮核電參與的多能聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

趙冬梅， 張 松， 王浩翔

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

作為全球碳排放量最大的國家，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，是我國的必由之路。我國在《巴黎協(xié)定》中承諾，到2030年實(shí)現(xiàn)碳排放強(qiáng)度下降60%～65%的目標(biāo)。為此，國家制定了一系列政策機(jī)制，包括設(shè)立碳稅、建立碳交易市場(chǎng)等，為碳減排提供思路、營造環(huán)境，以燃煤發(fā)電為主要發(fā)電方式的電力行業(yè)更應(yīng)承擔(dān)其重大減排責(zé)任。為了推動(dòng)我國電力行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型，核電作為清潔能源發(fā)展速度逐漸加快，核電機(jī)組在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高[1]，已成為繼火電、水電后的第三大發(fā)電能源[2，3]。

經(jīng)過國內(nèi)外核電機(jī)組的運(yùn)行驗(yàn)證，核電機(jī)組采取日調(diào)峰運(yùn)行并不會(huì)對(duì)燃料性能產(chǎn)生影響，也不會(huì)造成一回路冷卻劑放射性濃度的上升[4-7]，日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行的可行性以及壓水堆的可靠性得到了充分驗(yàn)證，核電機(jī)組具備系統(tǒng)調(diào)峰的潛力[8]，但目前仍多以基荷方式運(yùn)行。

對(duì)于核電占比較高的電網(wǎng)，核電如果繼續(xù)基荷運(yùn)行，會(huì)擠壓風(fēng)光等清潔能源的出力，而風(fēng)光具有隨機(jī)波動(dòng)性，未被消納的風(fēng)光出力又會(huì)反作用于電網(wǎng)，導(dǎo)致峰谷差不斷加大，因此核電機(jī)組有必要參與系統(tǒng)調(diào)峰。但考慮安全因素核電又不適合單獨(dú)承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，需與電網(wǎng)中其他電源協(xié)同配合才能滿足調(diào)峰需要和自身安全性要求。

目前，核電機(jī)組參與系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰的運(yùn)行模式尚在探索中，并且與碳交易機(jī)制的聯(lián)系也涉及較少。文獻(xiàn)[9-10]總結(jié)了核電機(jī)組負(fù)荷跟蹤的運(yùn)行方式，通過仿真算例分析了核電機(jī)組參與調(diào)峰對(duì)緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力的重要意義。文獻(xiàn)[11]以法國核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從調(diào)峰深度和調(diào)節(jié)速率兩方面說明了核電機(jī)組具備一定的調(diào)峰靈活性。文獻(xiàn)[12]在廣泛調(diào)查研究基礎(chǔ)上，對(duì)核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的運(yùn)行方式、核電與其他調(diào)峰電源的聯(lián)合調(diào)峰策略等問題進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[13]對(duì)比分析了采用“12-3-6-3”的負(fù)荷跟蹤模式和核電基荷運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行成本，結(jié)論表明核電機(jī)組參與調(diào)峰對(duì)降低火電機(jī)組煤耗有顯著作用。文獻(xiàn)[14]詳細(xì)分析了核電與抽水蓄能機(jī)組聯(lián)合參與電網(wǎng)調(diào)峰時(shí)所產(chǎn)生的問題，提出了核電與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行的三種模式，但核電采用固定模式運(yùn)行，靈活性有所欠缺。文獻(xiàn)[15-16]以電力盈余容量和下調(diào)峰盈余容量作為核電是否參與調(diào)峰的判據(jù)，建立了多階段動(dòng)態(tài)調(diào)峰優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[17]以核電安全調(diào)節(jié)域?yàn)榧s束，采用兩階段調(diào)度方法，協(xié)調(diào)優(yōu)化風(fēng)-光-核-水-火多源系統(tǒng)，但其考慮風(fēng)光全額消納，未考慮棄風(fēng)棄光情景。文獻(xiàn)[18]考慮了核電調(diào)峰成本及安全約束，構(gòu)建了核-火-抽水蓄能聯(lián)合調(diào)峰模型，但其采用了3檔固定調(diào)峰深度的方法對(duì)核電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化，無法在調(diào)峰過程中實(shí)現(xiàn)較為精確的調(diào)度。

目前鮮有文獻(xiàn)考慮燃?xì)鈾C(jī)組對(duì)核電參與系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰的影響，作為一類重要的調(diào)峰資源，燃?xì)鈾C(jī)組啟停能力更加突出，靈活性更強(qiáng)；當(dāng)下電力系統(tǒng)中多源并存的格局日益明顯，考慮一種或兩種電源參與調(diào)峰已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求；電力系統(tǒng)碳排放問題已不容忽視，減少各能源之間碳排放強(qiáng)度、構(gòu)建清潔電網(wǎng)是大勢(shì)所趨。針對(duì)上述問題，本文基于低碳經(jīng)濟(jì)的調(diào)度理念，在傳統(tǒng)模型里引入碳交易機(jī)制，構(gòu)建兼顧經(jīng)濟(jì)性與低碳性的風(fēng)-核-火-氣-抽水蓄能協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制，建立聯(lián)合調(diào)峰模型，并調(diào)用GUROBI[19]求解器對(duì)模型進(jìn)行求解，最后結(jié)合算例驗(yàn)證了所建模型的合理性和有效性。

1 考慮核電調(diào)峰的聯(lián)合調(diào)度模型

本文構(gòu)建的風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度模型中，核電、火電、燃?xì)鈾C(jī)組與風(fēng)電共同擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)的有功電源，抽水蓄能機(jī)組可以在負(fù)荷低谷時(shí)通過抽水儲(chǔ)存能量，消耗系統(tǒng)低谷時(shí)多發(fā)電能，在負(fù)荷高峰時(shí)充當(dāng)發(fā)電機(jī)釋放能量，滿足系統(tǒng)高峰用電需求。

1.1 多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

本文在以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的傳統(tǒng)調(diào)度模型中，引入碳排放成本，并利用成本加和的形式將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，以聯(lián)合調(diào)峰成本最低為目標(biāo)優(yōu)化各機(jī)組出力。

1.1.1 基于碳交易的系統(tǒng)低碳化目標(biāo)

在控制碳排放總量的前提下，政府將碳排放權(quán)分配給各排放源[20]。發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)自身實(shí)際碳排放量通過碳交易市場(chǎng)購買或出售相應(yīng)的碳排放權(quán)。本文采用基于發(fā)電量的免費(fèi)初始碳排放權(quán)分配方法，即不同類型的發(fā)電機(jī)組碳排放限額與發(fā)電量近似成正比[21]。含風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電系統(tǒng)所分配到的碳排放配額為

(1)

所建模型中碳排放來源主要為火電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組，則碳排放量為

(2)

系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)基于碳交易的低碳化目標(biāo)可統(tǒng)一表示為

minF1=minCCO2(EQ-ED)

(3)

式中：CCO2為碳交易價(jià)格，元/t；F1為負(fù)時(shí)表示實(shí)際碳排放量小于碳排放配額，系統(tǒng)可通過出售碳排放權(quán)獲得收益。

1.1.2 考慮棄風(fēng)懲罰的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)

本文在目標(biāo)函數(shù)中加入棄風(fēng)懲罰項(xiàng)，所構(gòu)造的成本函數(shù)為

minF2=min(Ff+FN+Fg+Fc+Fw)

(4)

式中：Ff、FN、Fg、Fc分別為火電機(jī)組、核電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行成本；Fw為風(fēng)電棄風(fēng)成本。

1) 火電機(jī)組運(yùn)行成本。

火電機(jī)組運(yùn)行成本包括燃煤成本和機(jī)組啟停成本，可統(tǒng)一表示為

(5)

機(jī)組啟停成本可表示為

(6)

2) 核電機(jī)組運(yùn)行成本。

將核電調(diào)峰成本計(jì)入運(yùn)行成本[18]中，可表示為

(7)

3) 燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行成本。

由于氣源的不同，天然氣的消耗量不能用流量簡(jiǎn)單代替，而需要用統(tǒng)一的熱值來衡量[23]，故以天然氣熱值建立的成本函數(shù)為

(8)

4) 抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行成本。

抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行成本與系統(tǒng)平均發(fā)電成本及自身轉(zhuǎn)化效率有關(guān)，可表示為

(9)

5) 風(fēng)電棄風(fēng)成本。

(10)

1.1.3 聯(lián)合調(diào)度總目標(biāo)函數(shù)

綜合考慮以上各類成本，風(fēng)-核-火-氣-抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為

minF=min(F1+F2)

(11)

2 多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度約束條件

目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化過程中也需滿足系統(tǒng)及各電源自身約束條件的限制，主要包括實(shí)時(shí)功率平衡約束、正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束、各電源運(yùn)行約束等。

2.1 實(shí)時(shí)功率平衡約束

(12)

2.2 正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束

PL,t(1+L%)

(13)

PL,t(1-L%)

(14)

2.3 火電機(jī)組約束

1) 機(jī)組出力上下限約束

(15)

2) 機(jī)組爬坡約束

(16)

3) 機(jī)組啟停時(shí)間約束

(17)

2.4 核電機(jī)組約束

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，核電機(jī)組可通過改變調(diào)峰深度、低功率運(yùn)行時(shí)間及調(diào)節(jié)速率來靈活參與電網(wǎng)調(diào)度。為盡可能滿足核電機(jī)組參與調(diào)峰的靈活性需求，本文將額定功率50%～100%的范圍定為核電的安全調(diào)峰深度范圍，并將其均分為sN檔[24]，則第n檔調(diào)峰深度可表示為

(18)

對(duì)應(yīng)的核電低功率階段功率可表示為

(19)

第n檔調(diào)峰深度下核電機(jī)組各功率階段及狀態(tài)如圖1所示。

圖1 第n檔調(diào)峰深度下核電各功率階段及狀態(tài)Fig. 1 Each power stage and state of nuclear power at the peak load shaving depth of n

核電機(jī)組升降功率時(shí)間一般為1～3 h，故在每檔調(diào)峰深度下設(shè)置3個(gè)升降功率狀態(tài)：升降功率時(shí)間為3 h時(shí)設(shè)置兩個(gè)狀態(tài)，dn,3和dn,1；升降功率時(shí)間為2 h時(shí)設(shè)置一個(gè)狀態(tài)，dn,2；升降功率時(shí)間為1 h時(shí)不設(shè)置功率狀態(tài)。按照狀態(tài)劃分其對(duì)應(yīng)的核電功率可表示為

(20)

式中：j=1,2,3，為升降功率的狀態(tài)標(biāo)號(hào)。

則核電機(jī)組i在第t時(shí)段的功率可表示為

(21)

式中：qt為滿功率運(yùn)行標(biāo)志；ln,t為第n檔調(diào)峰深度下t時(shí)刻的低功率運(yùn)行標(biāo)志；dn,j,t為第n檔調(diào)峰深度、第j個(gè)狀態(tài)、第t時(shí)段的升降功率運(yùn)行標(biāo)志。

為保證核電機(jī)組只運(yùn)行于一個(gè)功率下，還應(yīng)滿足如下約束

(22)

核電機(jī)組在滿低功率狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，需持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間以上，則需滿足的約束為

(23)

升降功率時(shí)，運(yùn)行標(biāo)志還需要滿足時(shí)間耦合約束[25]。升降功率時(shí)間為2 h時(shí)運(yùn)行標(biāo)志耦合約束為

(24)

升降功率時(shí)間為3 h時(shí)運(yùn)行標(biāo)志耦合約束為

(25)

2.5 燃?xì)鈾C(jī)組約束

燃?xì)鈾C(jī)組具有快速啟停的特性，但頻繁啟停會(huì)增加機(jī)組的運(yùn)行成本和縮短維護(hù)周期，故將天然氣機(jī)組的啟停次數(shù)作為約束條件之一[23]。

(26)

2.6 抽水蓄能機(jī)組約束

(1) 出力約束

在發(fā)電工況下，需滿足

(27)

在抽水工況下，需滿足

(28)

(2) 水量平衡約束

在調(diào)度周期內(nèi)抽水蓄能電站還應(yīng)滿足抽水量與發(fā)電用水量平衡約束。

(29)

3 模型求解

為滿足安全性要求，核電機(jī)組最大調(diào)峰深度不超過額定功率的50%，在此調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，調(diào)峰深度被均分為50檔，以實(shí)現(xiàn)核電機(jī)組調(diào)峰時(shí)的精確優(yōu)化。對(duì)于所建聯(lián)合調(diào)度模型，本文通過在MATLAB界面調(diào)用YALMIP工具箱進(jìn)行程序編寫，并使用GUROBI求解器進(jìn)行高效求解。在考慮核電日調(diào)峰次數(shù)的情況下，合理安排機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰，從而制定各類機(jī)組的日前出力計(jì)劃。核電參與下的多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解流程如圖2所示。

圖2 多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解流程Fig. 2 Solving process of multi-source joint optimal scheduling model

4 算例分析

4.1 算例描述

本文以我國某省典型的能源結(jié)構(gòu)為依據(jù)構(gòu)造算例，包含2臺(tái)650 MW核電機(jī)組、1個(gè)容量為300 MW的風(fēng)電場(chǎng)、6臺(tái)火電機(jī)組、2臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組和1臺(tái)抽水蓄能機(jī)組。該算例的電量排放因子取為0.895 9，容量排放因子為0.364 8，二者各以50%權(quán)重加權(quán)平均得到電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子為0.630 35，碳排放交易價(jià)格為120元/t。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)組數(shù)據(jù)見附錄。

4.2 模式1：核-火聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行

核-火聯(lián)合調(diào)峰是指考慮風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)時(shí)，核電、火電共同跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷，平抑負(fù)荷波動(dòng)。該模式下的運(yùn)行結(jié)果如圖3、圖4所示，系統(tǒng)棄風(fēng)率及各運(yùn)行成本如表1所示。

圖3 火電機(jī)組出力Fig. 3 Output of thermal power unit

圖4 核電機(jī)組出力Fig. 4 Output of nuclear power units

表1 核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表

在核-火聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行下，核電機(jī)組1的調(diào)峰深度為45.78%，核電機(jī)組2的調(diào)峰深度為35.29%，低功率運(yùn)行時(shí)間均為6小時(shí)。棄風(fēng)主要集中在負(fù)荷低谷的1～6時(shí)，在這個(gè)時(shí)段里火電5、火電6均未出力，處于停機(jī)狀態(tài)，火電1、火電2、火電3、火電4多數(shù)時(shí)刻達(dá)到出力下限或爬坡極限，下調(diào)峰能力接近飽和。

下面通過在核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)中依次加入燃?xì)鈾C(jī)組、抽水蓄能機(jī)組的方法，分析不同場(chǎng)景下的運(yùn)行結(jié)果。

4.3 模式2：核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行

在核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝兩臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組，構(gòu)建核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果如圖5、圖6所示，棄風(fēng)率及各運(yùn)行成本如表2所示。

圖5 核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig. 5 Operation results of nuclear-fire-gas combined peak shaving system

圖6 核電機(jī)組出力Fig. 6 Output of nuclear power units

表2 核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表

燃?xì)鈾C(jī)組的加入拓寬了系統(tǒng)的出力上下限，使系統(tǒng)的棄風(fēng)率由2.44%降低到1.44%，棄風(fēng)時(shí)刻集中在負(fù)荷低谷的3～6時(shí)。此外，燃?xì)鈾C(jī)組具有較快的爬坡速率，其快速響應(yīng)能力減少了火電機(jī)組的啟停，因而該模式下系統(tǒng)的運(yùn)行成本、煤耗成本相比模式1均有所下降。燃?xì)鈾C(jī)組的加入同樣會(huì)對(duì)核電機(jī)組的調(diào)峰模式產(chǎn)生影響，此時(shí)核電機(jī)組1的調(diào)峰深度為32.31%，核電機(jī)組2的調(diào)峰深度為29.23%，與模式1相比，模式2分別減少了13.47%和6.06%。

4.4 模式3：核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行

在模式2的基礎(chǔ)上再加裝1臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，構(gòu)建含有多種異質(zhì)電源的風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。運(yùn)行結(jié)果如圖7、圖8所示，棄風(fēng)率及各運(yùn)行成本如表3所示。

圖7 核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig. 7 Operation results of nuclear-fire-gas-pumped storage combined peak shaving system

圖8 核電機(jī)組出力Fig. 8 Output of nuclear power units

表3 核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表

抽水蓄能機(jī)組加入后，利用其負(fù)荷低谷時(shí)抽水充電、負(fù)荷高峰時(shí)放水發(fā)電的能力提高了系統(tǒng)的爬坡水平，進(jìn)而增加了風(fēng)電的滲透率，使棄風(fēng)成本大幅下降。在抽水蓄能機(jī)組與燃?xì)鈾C(jī)組的共同優(yōu)化下，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本、煤耗成本均下降明顯，并且核電機(jī)組1的調(diào)峰深度優(yōu)化為14.15%，核電機(jī)組2的調(diào)峰深度優(yōu)化為5.85%。多源聯(lián)合調(diào)度改善了核電機(jī)組的出力方式，增強(qiáng)了運(yùn)行中核電機(jī)組的安全性。

該模式下火電機(jī)組的運(yùn)行工況得到了明顯改善。裝機(jī)容量為120 MW的火電機(jī)組以及1臺(tái)390 MW的火電機(jī)組整個(gè)調(diào)度時(shí)段均不出力，剩余3臺(tái)390 MW機(jī)組全天開機(jī)運(yùn)行，不進(jìn)行啟停調(diào)峰，這有利于系統(tǒng)逐步減少對(duì)火電機(jī)組的使用，為以后火電機(jī)組的全部退出創(chuàng)造條件。

4.5 三種模式運(yùn)行結(jié)果分析

三種模式各部分成本情況見表4，不同模式風(fēng)電調(diào)度出力見圖9。由表4可知：模式2相比于模式1，核電機(jī)組采取日負(fù)荷跟蹤時(shí)調(diào)峰成本下降。模式2碳排放量為1.894萬噸，其中火電機(jī)組碳排放量為1.640 2萬噸，燃?xì)鈾C(jī)組碳排放量為0.253 4萬噸，比模式1減少了14.68%，這是因?yàn)樵谔冀灰讬C(jī)制的引導(dǎo)下，燃?xì)鈾C(jī)組的加入替代了一部分時(shí)段燃煤機(jī)組的出力，且由于燃?xì)鈾C(jī)組碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)低于燃煤機(jī)組，約為燃煤機(jī)組的三分之一，所產(chǎn)生二氧化碳量小于燃煤機(jī)組，導(dǎo)致模式2碳排放量減少，因此發(fā)電廠通過出售碳排放權(quán)產(chǎn)生的額外收益增加，加之棄風(fēng)成本減少與燃煤機(jī)組出力下降導(dǎo)致的煤耗成本減少，使得總運(yùn)行成本小于模式1；模式3相比于模式2，總調(diào)峰深度由61.54%降至20%，核電調(diào)峰成本進(jìn)一步減少，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生碳排放，風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰使3臺(tái)火電機(jī)組全天處于停機(jī)狀態(tài)，碳排放量降低6.35%，碳收益增加，并且抽水蓄能機(jī)組削峰填谷特性減少了系統(tǒng)棄風(fēng)量，棄風(fēng)成本下降明顯，以致總運(yùn)行成本比模式2降低73.08萬元。

圖9 不同模式風(fēng)電調(diào)度出力Fig. 9 Different modes of wind power dispatching output

表4 各模式成本比較Tab.4 Cost comparison of each model

4.6 聯(lián)合調(diào)峰下棄風(fēng)與棄核經(jīng)濟(jì)性分析

上述模式同時(shí)考慮了棄風(fēng)與棄核，下面在模式3的基礎(chǔ)上構(gòu)造兩個(gè)場(chǎng)景單獨(dú)對(duì)棄風(fēng)、棄核的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。

場(chǎng)景一：風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)下，核電滿發(fā)，只考慮棄風(fēng)。

場(chǎng)景二：風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)下，風(fēng)電完全消納，只考慮棄核。

兩種場(chǎng)景下調(diào)度運(yùn)行結(jié)果如圖10、11所示，運(yùn)行結(jié)果對(duì)比如表5所示。

圖10 場(chǎng)景一Fig. 10 Scene one

圖11 場(chǎng)景二Fig. 11 Scene two

表5 運(yùn)行結(jié)果對(duì)比表Tab.5 Comparison table of running results

通過運(yùn)行結(jié)果對(duì)比可知，雖然兩種場(chǎng)景的碳排放量相差無幾，但是不管是從總運(yùn)行成本還是煤耗成本上，場(chǎng)景二要比場(chǎng)景一更為經(jīng)濟(jì)；并且場(chǎng)景二下核電機(jī)組1的調(diào)峰深度為6.15%，核電機(jī)組2的調(diào)峰深度為14.77%，核電調(diào)峰成本為5.51萬元，相對(duì)較少，說明了核電機(jī)組參與調(diào)峰可以保證風(fēng)電的盡可能消納，既能滿足系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)性和核電安全性又不與國家提倡消納風(fēng)電等清潔能源的政策相違背。

4.7 不同模型對(duì)比

為驗(yàn)證本文調(diào)度模型引入碳交易機(jī)制的有效性，基于模式3采用2種調(diào)度模型進(jìn)行對(duì)比分析。

模型1：考慮火電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組的碳交易模型，目標(biāo)函數(shù)僅包含系統(tǒng)運(yùn)行成本，不包含碳交易成本。

模型2：考慮火電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組的碳交易模型，將碳交易成本計(jì)入目標(biāo)函數(shù)中，即本文模型。

此時(shí)調(diào)度模型結(jié)果如表6所示。

表6 不同模型調(diào)度結(jié)果對(duì)比Tab.6 Scheduling results comparison among different models

由表6可知，與模型1相比，模型2棄風(fēng)率、碳排放量與總運(yùn)行成本均為最少。模型2在傳統(tǒng)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)中引入碳交易機(jī)制，促使系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)用較為清潔的機(jī)組，清潔機(jī)組的發(fā)電量增加，相應(yīng)的碳排放量減少，系統(tǒng)獲得的碳收益隨之增加；在碳交易機(jī)制的作用下，核電機(jī)組的調(diào)峰深度產(chǎn)生變化，總調(diào)峰深度由22.31%下降為20%，核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的安全性更利于保證。綜上可知，本文所提考慮碳交易成本的調(diào)度模型更適合核電參與時(shí)的多能互補(bǔ)場(chǎng)景，既提高了風(fēng)電消納量，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放量，又能保證核電機(jī)組更加安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

4.8 碳交易價(jià)格敏感性分析

隨著碳達(dá)峰碳中和等目標(biāo)的提出，電力行業(yè)作為碳排放大戶要求更為嚴(yán)格，監(jiān)管部門對(duì)其碳排放的管控力度也會(huì)隨之加強(qiáng)。為了研究系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)碳交易價(jià)格的敏感性，針對(duì)模式3多能聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)，繪制了風(fēng)電消納率、系統(tǒng)總運(yùn)行成本、碳排放量及碳交易成本與碳交易價(jià)格的關(guān)系曲線，如圖12、圖13所示。

圖12 碳交易價(jià)格對(duì)風(fēng)電消納率和總成本的影響Fig. 12 Impact of carbon trading price on wind power consumption rate and total cost

圖13 碳交易價(jià)格對(duì)碳排放量和碳交易成本的影響Fig. 13 Impact of carbon trading price on carbon emission and carbon emission cost

由圖12、13可知，當(dāng)碳交易價(jià)格較低時(shí)，低碳目標(biāo)的權(quán)重較小，碳排放量下降緩慢，系統(tǒng)運(yùn)行主要以經(jīng)濟(jì)目標(biāo)為主，隨著碳交易價(jià)格的上升，低碳目標(biāo)逐漸發(fā)揮作用，風(fēng)電消納率、碳收益在逐步增加；碳交易價(jià)格上升到80元/t時(shí)，低碳目標(biāo)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)發(fā)電開始轉(zhuǎn)向更清潔環(huán)保的燃?xì)鈾C(jī)組和抽水蓄能機(jī)組，碳排放量顯著下降，碳收益隨之增加，另外燃?xì)鈾C(jī)組和抽水蓄能機(jī)組響應(yīng)速度較快，使風(fēng)電消納率增加，棄風(fēng)成本減少，故總運(yùn)行成本呈下降趨勢(shì)；碳交易價(jià)格超過200元/t時(shí)，清潔機(jī)組出力接近飽和，系統(tǒng)對(duì)碳交易價(jià)格的變化不再敏感，風(fēng)電消納率和碳排放量變化緩慢，碳收益與總運(yùn)行成本曲線趨于平穩(wěn)；并且整個(gè)調(diào)度過程中核電機(jī)組總調(diào)峰深度均在20%左右，碳交易價(jià)格的變動(dòng)不會(huì)影響核電機(jī)組調(diào)峰安全性。

綜上，適當(dāng)增加碳交易價(jià)格，可以減少碳排放量，使系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳收益大幅增加，符合電力行業(yè)節(jié)能減排的要求。

5 結(jié) 論

本文充分考慮核電、燃?xì)?、抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特性，構(gòu)建了風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)，并通過引入碳交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度與低碳調(diào)度的均衡與協(xié)調(diào)。仿真算例驗(yàn)證了所建模型的有效性，并得出以下結(jié)論：

(1) 燃?xì)鈾C(jī)組加入到調(diào)峰系統(tǒng)后，系統(tǒng)的調(diào)峰能力增強(qiáng)，運(yùn)行成本、棄風(fēng)成本減少，核電機(jī)組1、2的調(diào)峰深度有所下降。燃?xì)鈾C(jī)組的加入替代了部分時(shí)段火電機(jī)組的出力，使二氧化碳排放量降低。

(2) 風(fēng)-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度有利于提升系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力，降低核電的調(diào)峰深度，削減火電機(jī)組在線運(yùn)行的數(shù)量。此外，通過對(duì)比棄風(fēng)不棄核、棄核不棄風(fēng)兩種場(chǎng)景可知，核電機(jī)組參與調(diào)峰既能提高系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)效益，又能保證風(fēng)電的全額消納。

(3) 本文所有模式均考慮了系統(tǒng)的碳交易成本，建立了以聯(lián)合調(diào)峰成本最小為目標(biāo)的多源互補(bǔ)調(diào)度模型。以模式3為依據(jù)，構(gòu)造了兩種模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了文中所建模型可兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和低碳性。通過敏感性分析，說明了碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響，可為監(jiān)管部門決策提供理論參考。