一种低碳化的电源电网优化规划的方法

摘要

本发明涉及一种低碳化的电源电网优化规划方法，该方法包括：将每个区域中的各类电源容量均分为本地容量和外送容量两类，在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；建立低碳化电源电网优化模型的决策变量，以此构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，将优化模型中的约束条件转换为可用矩阵计算形式；通过制求解程序，对所述低碳化电源电网优化模型进行求解，求得电力系统中各类电源及输电线路的低碳化的电源电网优化规划，使得电力系统在低碳发展模式下具有最优的经济效益。本发明为提高电力系统规划的低碳化水平提供技术支持。

主权项

一种低碳化的电源电网优化规划的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)构建由目标函数及约束条件组成的低碳化电源电网优化模型，具体包括：1‑1)将每个区域中的各类电源容量均分为两大类，一类是本地容量，用于平衡本地负荷的容量；另一类为外送容量，用于供应其它区域负荷的容量；在等值网络中建立区域间点对点的直送线路，以明确区域间电量的流动以及碳排放的转移，便于用电碳排放的计量；1‑2)建立低碳化电源电网优化模型的决策变量该模型以年作为决策时间单位，模型中的决策变量主要包括以下三类：第一类为表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，脚标中a与b均表示区域；当a与b表示同一区域，如为本地容量时，表明该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷；当a与b表示不同区域时，表明该类机组新增容量用于平衡区域b的负荷，为外送容量；第二类为表示第y年区域a向区域b间送电通道的新增容量。第三类为为第y年，典型日d中时段t下，区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的出力；1‑3)建立低碳化电源电网优化模型目标函数：$\min C=\underset{y\in Y}{\Sigma }{(1+r)}^{-y}·[C_y^I+C_y^O+C_y^G+C_y^T+C_y^E]---\left(1\right)$式(1)中，与分别表示系统在第y年的总投资建设成本、固定运行成本、可变运行成本和区域间联络线建设成本，表示碳交易成本；Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率；1‑3‑1)总建设投资成本如式(2)所示：$C_y^I=\underset{a\in A}{\Sigma }\underset{b\in A}{\Sigma }\underset{u\in U}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^N·c_{u,y,a}^I---\left(2\right)$模型对采用等年值分解的形式，将各类电厂的投资成本按折现率平摊到电厂的服役年限中，并忽略电源在规划期后的残值。此外，模型默认固定区域中各类电厂的单位容量投资成本为定值，故式中不再有脚标b；其中A表示模型中各子区域的集合，U表示待规划电源种类的集合；1‑3‑2)固定运行成本$C_y^O=\underset{a\in A}{\Sigma }\underset{u\in U}{\Sigma }{P}_{u,y,a}·c_{u,y,a}^O---\left(3\right)$式中，P_u,y,a和表示第y年区域a中第u类电源的可用容量和单位容量固定运行成本。可用容量P_u,y,a由下式表示：$P_{u,y,a}=\underset{b\in A}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}---\left(4\right)$式中，P_u,y,a,b表示第y年区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的扩展容量，有：$P_{u,y,a,b}=P_{u,0,a,b}+\underset{i=1}{\overset{y}{\Sigma }}{P}_{u,i,a,b}^I-\underset{i=1}{\overset{y}{\Sigma }}{P}_{u,i,a,b}^D---\left(5\right)$式(5)中，P_u,0,a,b表示规划期初区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的已有容量，表示该类电源在第i个规划年中的退役容量；1‑3‑3)区域间联络线建设成本由式(6)表示：$C_y^T=\underset{(a,b)\in B}{\Sigma }{P}_{(a,b),y}^I·c_{(a,b)}^I---\left(6\right)$式中，和表示第y年从区域a至区域b送电通道的新建容量和单位容量建设成本，B表示可选的送电通道的集合；1‑3‑4)可变运行成本可变运行成本为系统发电成本，可由式(7)表示：$C_y^G=\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }\underset{a\in A}{\Sigma }\underset{b\in A}{\Sigma }\underset{u\in U}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^{d,t}·c_{u,y,a}^G·\mathrm{\Delta T}---\left(7\right)$式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本，D为电力系统所有典型运行方式下的日集合，TD为电力系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段持续时长；1‑3‑5)碳排放交易成本具体表示为：$C_y^E=\underset{a\in A}{\Sigma }{\pi }_{y,a}·(E_{y,a}-E_a^{\mathrm{cap}})---\left(8\right)$其中E_y,a表示区域a中第y年的用电碳排放量，表示区域a中第y年的用电碳排放配额，π_y.a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格；E_y,a可由下式表示：$E_{y,a}=\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }\underset{b\in A}{\Sigma }\underset{u\in U}{\Sigma }{P}_{u,y,b,a}^{d,t}·e_{u,b}·\mathrm{\Delta T}---\left(9\right)$式中，e_u,b表示送端区域b中第u类机组的碳势；1‑4)建立低碳化电源电网优化规划模型的约束条件，具体包括：1‑4‑1)电源年发电量约束该约束为对各类电源，其年发电量约束等效于其年发电利用小时数不得超过其年最高可利用小时数T_u,y,a max，也不可低于一定的年最低利用小时T_u,y,a min，因此有：$P_{u,y,a,b}·T_{u,y,a\min }\le \underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }{N}_t·N_d·P_{u,y,a,b}^{d,t}·\mathrm{\Delta T}\le P_{u,y,a,b}·T_{u,y,a\max }---\left(10\right)$式中，N_t和N_d分别代表典型时段t在典型日d中的数量和典型日d在第y年中的数量；1‑4‑2)分区电力供需约束该约束为电力系统每年各类电源的总容量应与该年系统负荷需求保持平衡，同时，各区域中用于平衡本地负荷的电源容量与其他区域对该区域的送入容量之和应不小于该区域的最大负荷，后者是前者的充分条件，即：$\underset{u\in U}{\Sigma }\underset{b\in A}{\Sigma }{P}_{u,y,b,a}\ge P_{y,a\max }---\left(11\right)$式中，P_u,y,b,a表示规划初期区域b中为区域a负荷供电的第u类电源的已有容量，P_y,a max为第y年区域a的最大预测负荷；1‑4‑3)区域电源最大可开发容量约束该约束为各区域的火电发电所消耗的一次能源消耗量之和不得超过一次能源最大可供给量，对区域a，有：$\underset{u\in U_n}{\Sigma }\underset{b\in A}{\Sigma }\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^{d.t}·\mathrm{\Delta T}·f_{u,y,a}\le F_{y,n,a}---\left(\text{12}\right)$式中，f_u,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，U_n则表示所有以一次能源n作为能量输入的电厂集合，F_y,n,a表示该类一次能源n在区域a中的最大供应量；对于风电、水电的约束，应限制其逐年的最大可开发容量，该限制取决于资源的年可开发容量，或者电源设备制造业的最大产量，即有：$P_{u,0,a}+\underset{i=1}{\overset{y}{\Sigma }}{P}_{u,i,a}^N\le P_{u,y,a\max },u\in U---\left(13\right)$式中，P_u,y,a max表示区域a中第u类电源截至第y年的最大可开发容量，P_u,0,a则表示在规划初始该类电源的在役装机容量；1‑4‑4)区域间电量合约约束该约束可表现为区域a中为区域b负荷供电的第u类电源的电量不少于合约电量；即：$\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^{d,t}·\mathrm{\Delta T}\ge G_{u,y,a,b}^C,u\in U---\left(14\right)$式中，为从区域a到区域b的第u类电源的合约电量；1‑4‑5)区域间联络线容量约束该约束为联络线通道容量必须保证区域间电力交换的需求，即：$\underset{u\in U}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}\le P_{(a,b),y},(a,b)\in B,a\ne b---\left(15\right)$式中P_(a,b),y为等值网络中第y年区域a至区域b点对点送电通道的可用容量，具体为：$P_{(a,b),y}=P_{(a,b),0}+\underset{i=1}{\overset{y}{\Sigma }}{P}_{(a,b),i}^I,(a,b)\in B---\left(16\right)$式中P_(a,b),0为规划初期等值网络中区域a至区域b点对点送电通道的已有容量；此外，联络线容量的扩展还需考虑两区域间联络线容量存在上限，即：P_(a,b),y≤P_ab max a,b∈A       (17)对于实际网络中点对点传输的联络线，可直接应用上述区域间联络线容量约束；对于虚拟等效网络中的联络线，式(17)约束则相当于断面约束，(a,b)表示区域a与区域b之间的虚拟联络线集合；1‑4‑6)区域间联络线电量约束对各联络线的年电量约束等效于其年利用小时数不得超过其年最高可利用小时数T_(a,b),y max，即：$\underset{u\in U}{\Sigma }\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^{d.t}·\mathrm{\Delta T}{\le P}_{(a,b),y}·T_{(a,b),y\max }---\left(\text{18}\right)$1‑4‑7)典型日运行调峰与备用约束该约束在典型日给定的负荷曲线下，各区域中的已开机组需满足本区域的最大负荷以及调峰和备用需求。在不考虑日内机组启停的前提下，典型日运行约束具体表示为：$\left\{\begin{array}{c}\underset{a\in A}{\Sigma }\underset{u\in U_d}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}\ge P_{b,y,d\max }·(1+\bar{R})\\ \underset{a\in A}{\Sigma }\underset{u\in U_d}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}·{\alpha }_{a,u}\le P_{b,y,d\min }·(1-\underset{‾}{R})\end{array}\right.y\in Y,d\in D,b\in A---\left(19\right)$式中，U_d表示在典型日d中开机机组的集合，D为典型日集合，α_a,u表示区域a中类型为u的机组最低出力占额定容量的占比；P_b,y,d max和P_b,y,d min表示第y年区域b中典型日d的最大和最小负荷，和表示正备用率和负备用率；1‑4‑8)典型日机组出力约束该约束在给定典型日下，电力系统各类机组的出力不能超过该类型机组的可用容量：$P_{u,y,a,b}^{d,t}\le P_{u,y,a,b}·{\lambda }_{u,y,a}^d---\left(20\right)$同时，系统各类机组的出力不可低于该类型机组的最低出力：$P_{u,y,a,b}^{d,t}\ge P_{u,y,a,b}·{\lambda }_{u,y,a}^d·{\alpha }_{u,a}^d---\left(21\right)$式中，表示第y年，a区域的第u类机组在典型日d中的可用容量占P_u,y,a,b的比值。表示a区域的第u类机组在典型日d中的单位容量最低出力比例；1‑4‑9)电源电网投资建设约束该约束为各地区每年投产的电源和地区间联络线容量的限制，应满足如式(22)所示：$\begin{array}{c}{P}_{u,y,a,b}^N\le P_{u,y,a,b\max }^N\\ P_{(a,b),y}^I\le P_{(a,b),y\max }^I\end{array}---\left(22\right)$1‑4‑10)碳排放交易约束该约束以用电而不是发电作为碳排放计量标准；电力行业在本区域内可购买的配额存在上限，总用电碳排放存在上限，即：$\underset{a\in A}{\Sigma }\underset{u\in U}{\Sigma }\underset{d\in D}{\Sigma }\underset{t\in T_D}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^{d.t}·\mathrm{\Delta T}·e_{u,a}\le F_{\max y,a}---\left(23\right)$式中E_max y,a表示区域a中考虑碳交易后第y年的用电碳排放最大允许值，可由各个区域政府独立制定，当系统所在区域的政府部门有明确的面向电力行业的碳排放控制目标时，E_maxy,a直接给定；1‑4‑11)新建电源非负性约束即所有区域各类电源投产总量需满足非负性约束，如式(24)所示：$\underset{a\in A}{\Sigma }{P}_{u,y,a,b}^N\ge 0---\left(24\right)$1‑4‑12)电量与联络线决策变量非负性约束，如式(25)所示：$\begin{array}{c}{P}_{u,y,a,b}^{d,t}\ge 0\\ P_{(a,b),y}^I\ge 0\end{array}---\left(25\right)$1‑4‑13)联络线合理性约束，表述如式(26)所示：$\underset{(a,b)\in \bar{L}}{\Sigma }{P}_{(a,b),y}^I=0---\left(26\right)$式中，表示不存在能源交换的区域对的集合；2)对低碳化电源电网优化模型的求解所述低碳化电源电网优化模型为线性模型表示为：min c^T·xs.t.A·x≤b                                         (27)A_eq·x＝b_eqx≥0其中A和b表征优化问题中的不等式约束，A_eq和b_eq表征优化问题中的等式约束，x为决策变量，c^T为系统成本项系数；2‑1)将步骤1)所述目标函数中每一类成本均表示为的形式，按公式(2)～(9)构造c_k。令：$c=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{c}_k---\left(28\right)$式中K表示目标函数中成本的个数，由此构造公式(27)中的c；根据步骤1‑4)中各类约束条件，将每一类等式约束和不等式约束均表示为A_i·x≤b_i或A_eqj·x＝b_eqj的形式；按步骤1‑4)构造A_i、b_i和A_eqi、b_eqi：令：$A=\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ A_I\end{array}\right],$$b=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ ·\\ ·\\ ·\\ b_I\end{array}\right],$$A_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{eq}1}\\ A_{\mathrm{eq}2}\\ ·\\ ·\\ ·\\ A_{\mathrm{eq}}J\end{array}\right],$$b_{\mathrm{eq}}=\left[\begin{array}{c}{b}_{\mathrm{eq}1}\\ b_{\mathrm{eq}2}\\ ·\\ ·\\ ·\\ b_{\mathrm{eq}}J\end{array}\right]---\left(29\right)$式(29)中，I和J分别表示不等式约束和等式约束的个数，由此将优化模型中的约束条件转换为可用矩阵计算形式；通过MATLAB编制求解程序，调用CPLEX12.5对所述低碳化电源电网优化模型进行求解，求得电力系统中各类电源及输电线路的低碳化的电源电网优化规划，使得电力系统在低碳发展模式下具有最优的经济效益。