基于電碳耦合的配電網(wǎng)電源規(guī)劃

施 勇，顧唯華，劉 睿，徐 韜，陳 聰，沈海丹，賀 康

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150； 2.上海電力大學(xué)，上海 200090)

“節(jié)能”“減排”“可持續(xù)發(fā)展”已然成為當(dāng)著世界能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，電力行業(yè)也提出了低碳環(huán)保的新要求。

在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“低碳”主要有兩種方法[1]：一種是吸收和固定二氧化碳，在電力系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在電廠碳捕集能力的提升；另一種是提高清潔能源的比例，減少對(duì)化石能源的過(guò)度依賴(lài)，在電力系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在風(fēng)、光等可再生能源裝機(jī)容量的增加[2-4]。由于碳捕集存在諸多限制，因此高比例可再生能源接入電網(wǎng)就成為大趨勢(shì)，隨之也帶來(lái)了電源規(guī)劃方面的轉(zhuǎn)變。

1 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃

以常規(guī)電源為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源規(guī)劃，首先是進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，然后根據(jù)峰荷確定電源容量，并留有一定量的備用，這樣就能夠保障電量、電力供需之間的平衡。

傳統(tǒng)電源(火電、水電)既能保證穩(wěn)定性又能提供靈活性，滿(mǎn)足負(fù)荷側(cè)靈活性需求。文獻(xiàn)[5]建立了以規(guī)劃期內(nèi)費(fèi)用最小為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源規(guī)劃模型，其中靈活性需求主要來(lái)源于負(fù)荷側(cè)的波動(dòng)。

2 新型電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃

在新型電力系統(tǒng)中，高碳機(jī)組(火電)在系統(tǒng)中的裝機(jī)比例降低及可再生能源(風(fēng)電及光伏)的大幅接入電網(wǎng)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的靈活性需求急劇增加，電力系統(tǒng)的靈活性問(wèn)題迫切需要解決。在這種情況下，就需要添加靈活性資源來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的靈活性需求[6-7]。

目前國(guó)內(nèi)外有不少關(guān)于各側(cè)靈活性資源如何協(xié)調(diào)配置的研究。文獻(xiàn)[8]在電源的規(guī)劃方面將風(fēng)光等分布式電源、主動(dòng)負(fù)荷及大電網(wǎng)供電納入考慮范疇，并將其都視為等效電源，建立每類(lèi)電源的成本-時(shí)間曲線，求解最小費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)；文獻(xiàn)[9]分別設(shè)置微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能及需求響應(yīng)作為靈活性資源，建立了含高比例可再生能源的電源雙層規(guī)劃模型，上層為規(guī)劃層目標(biāo)是電源的中長(zhǎng)期規(guī)劃成本最小，下層為運(yùn)行層求解年運(yùn)行成本的最優(yōu)解，上層模型提供配置方案，下層模型提供運(yùn)行策略，雙層模型不斷迭代求得最優(yōu)解；文獻(xiàn)[10]選取源層(DG運(yùn)營(yíng)商)-網(wǎng)層(配電公司)-荷側(cè)(需求側(cè)響應(yīng))三方利益協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，追求三側(cè)的經(jīng)濟(jì)型求解最優(yōu)的電源規(guī)劃方案；文獻(xiàn)[11]采用K-means聚類(lèi)將負(fù)荷與風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，處理了風(fēng)電和負(fù)荷之間的相互不確定性問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上建立了風(fēng)-火-儲(chǔ)-可中斷負(fù)荷聯(lián)合電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[12]對(duì)各類(lèi)型靈活性資源進(jìn)行建模，并代入了靈活性定量評(píng)估的環(huán)節(jié)來(lái)保證系統(tǒng)充足的靈活性，考慮運(yùn)行與規(guī)劃兩個(gè)時(shí)間尺度，建立了中長(zhǎng)期的電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[13]考慮到風(fēng)電出力與負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性，在模型中加入考慮系統(tǒng)總預(yù)測(cè)誤差不確定性的旋轉(zhuǎn)備用容量約束，建立了基于碳交易的考慮風(fēng)、荷不確定性的低碳電源規(guī)劃模型，采用隨機(jī)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃法將不確定約束條件確定化；文獻(xiàn)[14]對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性供需關(guān)系進(jìn)行分析，提出了靈活性充裕度與靈活性運(yùn)行安全域，同時(shí)以?xún)?chǔ)能為主要的靈活性資源，提出了考慮靈活性供需平衡的源-網(wǎng)-儲(chǔ)一體化規(guī)劃方法。

3 基于電碳耦合的配電網(wǎng)電源規(guī)劃

本文在考慮碳約束的情況下建立源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同電源規(guī)劃模型，選擇以火電機(jī)組、水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組及光伏電池作為電源。模型中考慮高比例的風(fēng)電和光伏資源，而這些資源具有明顯的波動(dòng)性和隨機(jī)性。因此，為了保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文分別在源端、荷端和儲(chǔ)端安排靈活性資源對(duì)源端出力及負(fù)荷側(cè)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，建立了由投資成本模型和生產(chǎn)模擬運(yùn)行成本模型組成的電源規(guī)劃模型。

系統(tǒng)的總規(guī)劃成本可由投資成本及生產(chǎn)運(yùn)維成本求和得到。

Ccost=Cinv+Cp

(1)

式中Ccost——系統(tǒng)的總規(guī)劃成本；Cinv——新型電力系統(tǒng)在規(guī)劃年內(nèi)的投資建設(shè)成本；Cp——系統(tǒng)整體的生產(chǎn)運(yùn)維成本。

3.1 投資成本模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Cinv,a,t——電力系統(tǒng)中常規(guī)電源的投資建設(shè)成本；Cinv,b,t——源端、荷端及儲(chǔ)端配置的靈活性資源的投資成本；daτ——第τ年是否支付投資建設(shè)成本，0，1變量；T——規(guī)劃期；M——風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、水電廠、火電廠、生物質(zhì)能五類(lèi)常規(guī)電源；N——源端、荷端及儲(chǔ)端配置的靈活性資源；Paτ和caτ——第τ年常規(guī)電源增加的裝機(jī)容量和單位裝機(jī)容量建設(shè)成本；Ya——各類(lèi)電源的使用壽命；θ——利率。

3.1.2 約束條件

(1)電力約束

(7)

(8)

(9)

(2)電量備用約束

(10)

式中Hat、Dt、Sdt——第t規(guī)劃年各類(lèi)常規(guī)電源的年利用小時(shí)數(shù)、全年社會(huì)用電需求和用電量備用率。

(3)電源利用小時(shí)數(shù)約束

(11)

(4)資源稟賦約束

(12)

(5)電源比例約束

(13)

式中 分子、分母——第t年清潔能源發(fā)電與整個(gè)系統(tǒng)的總發(fā)電量，發(fā)電量由年利用小時(shí)數(shù)與最終裝機(jī)容量的乘積得出；εt——第t年清潔能源發(fā)電量的最小占比。

(6)碳排放約束

(14)

(7)其他約束

(15)

3.2 生產(chǎn)模擬運(yùn)行成本模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(16)

(17)

(18)

Eat=ΔPatHat

(19)

(20)

3.2.2 約束條件

(1)機(jī)組出力上下限約束

(21)

(2)功率平衡約束

(22)

式中Pt,d——運(yùn)維過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷需求。

4 實(shí)證分析

以上海崇明電網(wǎng)作為算例，進(jìn)行中長(zhǎng)期電源規(guī)劃。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況設(shè)置靈活性資源：源端(燃?xì)怆姀S)、荷端(電動(dòng)汽車(chē))、儲(chǔ)端(儲(chǔ)能裝置)。

4.1 負(fù)荷情況分析

根據(jù)崇明電網(wǎng)數(shù)據(jù)，過(guò)去10 a崇明電網(wǎng)的峰荷情況如表1及圖1所示。

表1 2010—2020年崇明電網(wǎng)年最高負(fù)荷及其增長(zhǎng)率

圖1 2010—2020年崇明電網(wǎng)年最高負(fù)荷及其增長(zhǎng)率

由圖1可以看出，崇明在過(guò)去10 a里峰荷有3次較大幅度的下降，分別在2011年、2014年及2018年。年最高負(fù)荷總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且在2018年之后隨著崇明生態(tài)島產(chǎn)業(yè)布局的逐步實(shí)施，“十四五”期間年最高負(fù)荷增長(zhǎng)率將呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會(huì)用電量及其增長(zhǎng)率情況如表2及圖2所示。

表2 2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會(huì)用電量及其增長(zhǎng)率

圖2 2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會(huì)用電量及其增長(zhǎng)率

由圖2可以看出，崇明電網(wǎng)2012和2014年受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩、天氣異常等因素影響，全社會(huì)用電量有所下降，全社會(huì)用電量增長(zhǎng)率也因此下降，但隨著全社會(huì)用電量的平緩提升，其增長(zhǎng)率也將平穩(wěn)增長(zhǎng)。

隨著“崇明世界級(jí)生態(tài)島”概念的提出，工業(yè)將逐步遷出崇明島，崇明島用電量增長(zhǎng)放緩。后續(xù)隨著崇明生態(tài)島新形態(tài)的開(kāi)發(fā)，崇明全社會(huì)用電量將呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4.2 場(chǎng)景建立

根據(jù)《崇明供電公司鄉(xiāng)村電網(wǎng)規(guī)劃報(bào)告》，“十四五”期間崇明電網(wǎng)全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率為7.03%、峰荷年均增長(zhǎng)率為8.22%，2025—2035年全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率為0.58%，峰荷年均增長(zhǎng)率為1.44%。

本文根據(jù)以上預(yù)測(cè)結(jié)果建立初始場(chǎng)景一，為了方便計(jì)算取“十四五”期間全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率為7%，峰荷年均增長(zhǎng)率為8%，2025—2030年全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率為0.5%，峰荷年均增長(zhǎng)率為1.5%。故場(chǎng)景一中2021—2030年內(nèi)負(fù)荷及全社會(huì)用電量預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 場(chǎng)景一2021—2030年崇明電網(wǎng)峰荷及會(huì)社會(huì)用電量預(yù)測(cè)

考慮到負(fù)荷的波動(dòng)性，本文在場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上將各時(shí)期峰荷及全社會(huì)用電量增長(zhǎng)率增加0.5%建立場(chǎng)景二，在場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上將各時(shí)期峰荷及全社會(huì)用電量增長(zhǎng)率增加1%建立場(chǎng)景三，各場(chǎng)景情況如表4所示。

表4 各場(chǎng)景峰荷及全社會(huì)用電量變化率 %

4.3 電源基本數(shù)據(jù)

本文在對(duì)崇明電力系統(tǒng)電源進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，為了預(yù)防新能源的過(guò)度裝機(jī)及考慮崇明生態(tài)島的低碳屬性，根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的電源數(shù)據(jù)及其規(guī)劃年內(nèi)資源剩余可開(kāi)發(fā)潛力，對(duì)各類(lèi)電源規(guī)劃期內(nèi)的最大新增裝機(jī)進(jìn)行限制，其中負(fù)荷側(cè)靈活性資源的響應(yīng)潛力假設(shè)為規(guī)劃年的10%。具體電源數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 現(xiàn)有電源數(shù)據(jù)及其規(guī)劃年內(nèi)的裝機(jī)限制 MW

4.4 規(guī)劃結(jié)果及分析

本文以前文建立的規(guī)劃模型為基礎(chǔ)，針對(duì)崇明生態(tài)島的負(fù)荷及電源數(shù)據(jù)，利用Cplex軟件進(jìn)行求解，得到各個(gè)場(chǎng)景2030年的規(guī)劃結(jié)果如表6所示。

場(chǎng)景一中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.0%，相比初始裝機(jī)時(shí)的53.9%已有較大改進(jìn)，同時(shí)也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場(chǎng)景一與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加178 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲(chǔ)側(cè)靈活性資源提供。同時(shí)電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲(chǔ)能裝機(jī)要求。

表6 多類(lèi)型靈活性資源規(guī)劃結(jié)果 MW

場(chǎng)景二中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.0%，相比初始裝機(jī)時(shí)的53.9%已有較大改進(jìn)，同時(shí)也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場(chǎng)景二與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加178 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲(chǔ)側(cè)靈活性資源提供。同時(shí)電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲(chǔ)能裝機(jī)要求。

場(chǎng)景三中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.9%，相比初始裝機(jī)時(shí)的53.9%已有較大改進(jìn)，同時(shí)也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場(chǎng)景三與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加200 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲(chǔ)側(cè)靈活性資源提供。同時(shí)電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲(chǔ)能裝機(jī)要求。

4.5 低碳約束對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響分析

以崇明生態(tài)島的電力數(shù)據(jù)為基本算例建立源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型，順應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和要求，為了達(dá)到生態(tài)島低碳要求設(shè)置了兩種約束對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行約束。

針對(duì)兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，可以將一個(gè)具體場(chǎng)景展開(kāi)為4種情況進(jìn)行分析，研究?jī)煞N約束條件對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃年內(nèi)規(guī)劃結(jié)果的影響。首先對(duì)場(chǎng)景一～場(chǎng)景三進(jìn)行分析，將3個(gè)場(chǎng)景分為4種情況：兩種低碳約束條件都考慮(條件一)；不考慮碳排放約束(條件二)；不考慮電源比例約束(條件三)；兩個(gè)約束都不考慮(條件四)。規(guī)劃的具體結(jié)果如表7～9所示。

對(duì)場(chǎng)景一～場(chǎng)景三的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景一和場(chǎng)景二在兩種低碳約束條件都考慮和只考慮電源比例約束時(shí)的規(guī)劃結(jié)果相同，另外兩種情況的規(guī)劃結(jié)果相同。但是，場(chǎng)景三的4種條件下的規(guī)劃結(jié)果均相同。對(duì)3個(gè)場(chǎng)景的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析可以得出：兩個(gè)低碳約束條件僅會(huì)影響系統(tǒng)的光伏裝機(jī)及儲(chǔ)端可再生資源的裝機(jī)。在場(chǎng)景三中，光伏裝機(jī)容量達(dá)到規(guī)定值不再變化，故在不同低碳約束條件下的規(guī)劃結(jié)果都保持相同。

表7 場(chǎng)景一各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

表8 場(chǎng)景二各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

表9 場(chǎng)景三各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

為了對(duì)兩種低碳約束條件對(duì)生態(tài)島電力系統(tǒng)的規(guī)劃結(jié)果的影響進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)約束條件真正影響的指標(biāo)進(jìn)行分析。本文采用兩個(gè)低碳約束條件的目的是為了達(dá)到生態(tài)島電力系統(tǒng)低碳的要求，因此可以采用高碳機(jī)組的裝機(jī)容量在整個(gè)生態(tài)島電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量的占比來(lái)描述兩種約束條件的效果。

各場(chǎng)景在不同約束條件下高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比如表10所示。

表10 各場(chǎng)景在不同約束條件下高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比 %

如表10分析結(jié)果所示，在不加兩個(gè)低碳約束條件限制時(shí)高碳機(jī)組裝機(jī)容量在總裝機(jī)容量的占比要大于考慮兩種低碳約束條件的情況，可以證明低碳約束條件達(dá)到了低碳的效果。另外對(duì)場(chǎng)景一和場(chǎng)景二的高碳機(jī)組裝機(jī)容量占比進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)碳排放約束對(duì)高碳機(jī)組裝機(jī)容量占比沒(méi)有體現(xiàn)，對(duì)低碳效果指標(biāo)起到作用的是電源比例約束。對(duì)兩種低碳約束條件的作用進(jìn)行分析也易得此結(jié)論，因?yàn)樘寂欧偶s束并不會(huì)影響生態(tài)島電力系統(tǒng)中各電源的裝機(jī)占比，僅對(duì)高碳機(jī)組進(jìn)行限制，而真正影響占比的是電源比例約束。

5 結(jié)語(yǔ)

從投資和運(yùn)行維護(hù)兩個(gè)部分對(duì)電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)各側(cè)電源裝機(jī)容量進(jìn)行中長(zhǎng)期規(guī)劃，建立了電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化配置模型。以崇明生態(tài)島電力系統(tǒng)為基本算例，結(jié)合地域相關(guān)政策及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)崇明生態(tài)島的電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，針對(duì)不同場(chǎng)景給出相應(yīng)的電源規(guī)劃情況，可為電力系統(tǒng)的可靠供電提供建設(shè)性意見(jiàn)。對(duì)兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，研究了兩種低碳約束條件達(dá)到低碳效果的不同形式，分析了兩種低碳約束條件都存在時(shí)對(duì)電源裝機(jī)容量規(guī)劃結(jié)果的影響，討論了系統(tǒng)在高碳機(jī)組裝機(jī)容量受到限制無(wú)法擴(kuò)建時(shí)，采用光伏及儲(chǔ)能調(diào)節(jié)系統(tǒng)中可再生能源的占比。

本文沒(méi)有考慮電力系統(tǒng)的靈活性量化的問(wèn)題，若可以將靈活性轉(zhuǎn)化為數(shù)值指標(biāo)，就可以對(duì)各種靈活性資源的靈活性進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)解決如今新型電力系統(tǒng)面臨的靈活性資源選擇的問(wèn)題有很大幫助。通過(guò)對(duì)兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，采用高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比(可再生能源裝機(jī)容量占比)來(lái)對(duì)兩種低碳約束條件進(jìn)行評(píng)估，但是碳排放約束在低碳上的效果沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。因此，為了描述低碳約束條件的作用，需要一個(gè)可以對(duì)碳排放約束進(jìn)行評(píng)估的指標(biāo)。