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

摘 要：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)電計劃優(yōu)化模型.利用GAMS軟件進行模擬分析，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)化中的貢獻度明顯高于化石能源；區(qū)域間碳排放價格的差異將影響清潔能源與化石能源所實現(xiàn)的能源置換效益.

關(guān)鍵詞：發(fā)電計劃；清潔能源；碳排放價格；區(qū)域能源配置

中圖分類號：TM 734 文獻標(biāo)識碼：A

我國經(jīng)濟的區(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)濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸.智能電網(wǎng)以及先進輸電技術(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堅強特高壓網(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，促進云貴地區(qū)西電東送.區(qū)域間電力輸送在社會經(jīng)濟層面滿足區(qū)域間優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(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.

湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2015年

第4期張立輝等：考慮清潔能源參與的跨區(qū)域能源配置優(yōu)化模型

電力優(yōu)化配置的問題本質(zhì)上是機組組合（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)電計劃，在滿足社會用電需求的同時實現(xiàn)電力供應(yīng)經(jīng)濟性、環(huán)保性的目標(biāo).文獻[1-4]針對機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[5]則將風(fēng)電出力納入發(fā)電調(diào)度計劃進行經(jīng)濟調(diào)度.上述文獻針對電力資源的優(yōu)化主要以經(jīng)濟效益以及電力安全為目標(biāo)，對于環(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[7-8]提出了適應(yīng)節(jié)能調(diào)度的優(yōu)化算法；文獻[9]則以節(jié)能減排為向?qū)?，?gòu)建出發(fā)電側(cè)與售電側(cè)峰谷分時電價聯(lián)合優(yōu)化模型；文獻[10-11]則分別從行政手段以及市場機制兩種途徑設(shè)計節(jié)能調(diào)度的經(jīng)濟補償機制；文獻[12]則兼顧能源的環(huán)境效益，針對含有風(fēng)電的電力系統(tǒng)提出低碳調(diào)度的優(yōu)化模型.

上述研究主要針對區(qū)域內(nèi)電源進行優(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[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)型潮流計算方法進行求解；文獻[15]基于電力市場機制構(gòu)建了多區(qū)域電力交易模型；文獻[16]基于電力潮流以及機組啟停的約束構(gòu)建了跨區(qū)域機組發(fā)電計劃優(yōu)化模型，并借助廣義Benders分解算法對模型進行求解；文獻[13-16]均未涉及環(huán)境因素的優(yōu)化，文獻[17]基于減排與輸電成本的約束對區(qū)域間發(fā)電功率互換提出了優(yōu)化模型，其研究主要針對燃煤機組，并未體現(xiàn)出新能源機組參與區(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)電計劃模型.利用GAMS軟件對模型進行求解，發(fā)掘跨區(qū)域能源優(yōu)化配置的經(jīng)濟與環(huán)境效益.另外，通過對比清潔能源參與、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)域的碳排放價格函數(shù)研究碳排放價格對清潔能源與化石能源參與跨區(qū)域能源配置價值的影響程度.

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]：

fgt=af+bf×gt+cf×gt2. （1）

式中，gt為t時段電廠的發(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：

min Z1=∑t∑mftrm（gtrm，t+Δgtrm，t）+∑nftrn（gtrn，t+Δgtrn，t）+∑kfrek（grek，t-Δgrek，t）+ptrΔDtrt；（2）

s.t. Dtrt+ΔDtrt=∑m（gtrm，t+Δgtrm，t）（1-θtrm）+

∑n（gtrn，t+Δgtrn，t）（1-θtrn）；（3）

Dret-ΔDret=∑k（grek，t-Δgrek，t）（1-θrek）；（4）

ΔDtrt-Ltrt=ΔDret； （5）

Ltrt=Δ“Dtrtτ； （6）

gtr-m≤gtrm，t+Δgtrm，t-gtrm，t-1≤gtr+m；（7）

gre-k≤grek，t-Δgrek，t-grek，t-1≤gre+k；（8）

0≤gtrm，t+Δgtrm，t≤gtrm； （9）

0≤gtrn，t+Δgtrn，t≤gtrn；（10）

0≤grek，t-Δgrek，t≤grek；（11）

Δgtrm，t≥0；Δgtrn，t≥0；Δgrek，t≥0. （12）

目標(biāo)函數(shù)中，gtrm，t為送電區(qū)域內(nèi)化石能源電廠m在t時段的計劃發(fā)電量，Δgtrm，t為滿足跨區(qū)域優(yōu)化所增加的發(fā)電量；gtrn，t為送電區(qū)域內(nèi)清潔能源電廠n在t時段的計劃發(fā)電量，Δgtrn，t為滿足跨區(qū)域優(yōu)化所增加的發(fā)電量；grek，t為受電區(qū)域內(nèi)化石能源電廠k在t時段的計劃發(fā)電量，Δgrek，t為相應(yīng)減少的發(fā)電量；ptr為單位輸電費用，ΔDtrt為送電區(qū)域增加的供電需求.式（3）～（4）為送電區(qū)域與受電區(qū)域電力需求平衡約束；其中，Dtrt和Dret分別為t時段送電區(qū)域與受電區(qū)域的計劃供電量；θtrm和θtrn分別為送電區(qū)域內(nèi)化石能源電廠m及清潔能源電廠n的廠用電率；ΔDret為受電區(qū)域減少的供電需求；θrek為受電區(qū)域化石能源電廠k的廠用電率.式（5）～（6）為區(qū)域間電力輸送的損耗約束；其中，Ltrt為電能輸送過程中的損耗；τ為線損率.式（7）～（8）為機組出力的爬坡約束，相鄰時間內(nèi)機組的出力變化幅度受機組參數(shù)的限制；其中，gtr+m和gre+k為機組爬坡約束的上限；gtr-m和gre-k為機組爬坡約束的下限；式（10）～（12）為機組出力上下限約束；gtrm，gtrn和grek為機組單位時間內(nèi)的最大出力.

求解上述模型可得發(fā)電與輸電總成本優(yōu)化目標(biāo)下各電廠的發(fā)電變化量Δgtr1m，t，Δgtr1n，t和Δgre1k，t，從而得出跨區(qū)域能源成本優(yōu)化發(fā)電組合.

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)境約束的機組發(fā)電計劃優(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)境價值等因素相關(guān)[21].這些因素的綜合作用將最終通過價值機制以影子價值的形式體現(xiàn)出來，一般經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)價值較高，經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)價值較低.因此，本文引入?yún)^(qū)域減排價格變量作為優(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：

min Z2=

∑tψtrt（∑mEtrm（gtrm，t+Δgtrm，t）-Etrt0）+ψret（∑kErek（grek，t-Δgrek，t）-Eret0）；（14）

s.t.式（3）～（12）

ψtrt=αtr∑mEtrmgtrm，t+Δgtrm，t+βtr； （15）

ψtet=αre∑kEtekgtek，t+Δgrek，t+βre. （16）

目標(biāo)函數(shù)中，ψtrt和ψret分別為送電區(qū)域及受電區(qū)域的碳排放價格.本文設(shè)定價格高低與碳排放總量線性相關(guān)，碳排放價格參數(shù)分別為（αtr，βtr），（αre，βre）；Etrt0和Eret0為CO2排放初始分配額度.

求解上述模型可得環(huán)境效益最優(yōu)目標(biāo)下各電廠的發(fā)電變化量Δgtr2m，t，Δgtr2n，t和Δgre2k，t，從而得出跨區(qū)域環(huán)境效益優(yōu)化發(fā)電組合.

1.3 區(qū)域綜合優(yōu)化模型

為同時滿足發(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：

min Z3=Z1+Z2； （17）

s.t.式（3）～（12），式（15）～（16）.

求解上述模型可得綜合優(yōu)化目標(biāo)下各電廠的發(fā)電變化量Δgtr3m，t，Δgtr3n，t和Δgre3k，t，從而得出跨區(qū)域綜合優(yōu)化發(fā)電組合.通過優(yōu)化結(jié)果可以得出送電與受電區(qū)域相應(yīng)的綜合發(fā)電成本：

Ctr*=

∑t∑mftrmgtrm，t+Δgtr3m，t+∑nftrngtrn，t+Δgtr3n，t+ψtrt∑mEtrmgtrm，t+Δgtr3m，t-Etrt0；（18）

Cre*=∑t∑kfrekgrek，t-Δgre3k，t+ψret∑kErekgrek，t+Δgre3k，t-Eret0. （19）

送電與受電區(qū)域平均發(fā)電成本：

ptr*=Ctr*/∑t∑mgtrm，t+Δgtr3m，t+∑ngtrn，t+Δgtr3n，t； （20）

pre*=Cre*/∑t∑kgrek，t+Δgre3k，t. （21）

t時段送電與受電區(qū)域的均衡碳排放價格：

ψtrt=αtr∑mEtrmgtrm，t+Δgtr3m，t+βtr；（22）

ψret=αre∑kErekgrek，t-Δgre3k，t+βte. （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個電廠參與能源優(yōu)化配置，其中送電區(qū)域有1個風(fēng)電廠，其余均為火電廠.碳排放價格系數(shù)如表1所示.區(qū)域間機組未來一小時發(fā)電計劃、機組狀態(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.輸電價格為0.008萬元/MWh，輸電線損率為3%.

2.2 不同目標(biāo)模型優(yōu)化結(jié)果對比分析

利用GAMS軟件對上述三個模型進行求解，求解結(jié)果見表3.由于風(fēng)電變動成本接近于零且發(fā)電過程不會排放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.而在三個目標(biāo)模型下，由于風(fēng)力發(fā)電的變動成本及環(huán)境成本為零，風(fēng)電均被全部納入生產(chǎn)發(fā)電計劃.對于燃煤機組而言，其發(fā)電成本、CO2排放量與機組效率相對一致，而一般而言大機組效率優(yōu)于小機組，因此機組發(fā)電計劃的優(yōu)化基本上是通過大機組代替小機組發(fā)電來實現(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)域的大機組取代受電區(qū)域小機組，滿足受電區(qū)域的負(fù)荷需求.對于機組個體而言，送電區(qū)域機組的綜合成本隨著發(fā)電量的增加而增加，受電區(qū)域機組的綜合成本隨著發(fā)電量的減少而減少.值得注意的是，部分機組雖然發(fā)電計劃沒有發(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)成的對比.總體而言，三個優(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，對比初始發(fā)電計劃與優(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)生輸電費用，三個目標(biāo)下的輸電成本分別為2.59，2.49和2.78萬元.

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，并對模型P3進行求解，結(jié)果如表5所示.送電區(qū)域大部分機組發(fā)電出力均達到出力上限，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)電與火電機組各自對成本的節(jié)省水平作為權(quán)重，那么風(fēng)電對區(qū)域能源優(yōu)化的貢獻率為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.

2.4 碳排放價格對能源置換價值的影響

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格的水平，事實上區(qū)域間碳排放的定價也影響著區(qū)域能源置換的價值.為研究碳排放價格對區(qū)域能源置換效益的影響，測算出不同碳排放價格組合下跨區(qū)域能源置換所節(jié)省的綜合成本，如圖2所示.當(dāng)區(qū)域間初始碳排放價格趨于相等時，此時區(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)域碳排放價格的差距的擴大，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現(xiàn)了更高的價值.

為進一步區(qū)分清潔能源與化石能源機組對能源置換的貢獻程度，針對不同碳排放價格組合下，清潔能源參與、不參與能源置換所實現(xiàn)的價值作對比.如圖3所示，在各種碳排放價格組合下，清潔能源對能源置換價值貢獻度保持在80%以上；而隨著區(qū)域間碳排放價格差距的擴大，貢獻度呈現(xiàn)出下降趨勢.原因在于送電區(qū)域的化石能源機組能夠通過置換受電區(qū)域較高成本的碳排放實現(xiàn)一定的環(huán)境價值，從而淡化清潔能源對區(qū)域能源置換價值的貢獻度.這在一定程度上說明在缺乏碳排放價格機制支撐的情況下，化石能源進行跨區(qū)域能源配置的效益相對有限；而清潔能源實現(xiàn)能源置換價值對于碳排放價格機制的依賴程度較低，其較低的發(fā)電變動成本優(yōu)勢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)濟效益.

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

3 結(jié) 論

東西部能源與負(fù)荷逆向分布制約我國經(jīng)濟的發(fā)展，傳統(tǒng)的輸煤模式需耗費巨額的運輸費用，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)電計劃等問題，不合理的輸電計劃將影響區(qū)域能源優(yōu)化的經(jīng)濟性，同時無法協(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組將替代受電區(qū)域小機組向受電區(qū)域提供負(fù)荷來實現(xiàn)，同時機組總體的綜合成本將下降，為機組創(chuàng)造更多的利潤.

2）對比風(fēng)電參與、不參與區(qū)域能源優(yōu)化配置的結(jié)果可知：清潔能源對于能源優(yōu)化的貢獻率很高.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)濟發(fā)展的化石能源強度，通過豐富電源結(jié)構(gòu)維系國家能源安全.

3）碳排放價格對區(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尚處于試點階段，碳交易法律法規(guī)、碳排放權(quán)分配、碳排放價格的定位等問題都亟待解決.在碳排放機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現(xiàn).參考文獻

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