考慮大規(guī)模光伏發(fā)電接入和co

0低碳電力及電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度隨著世界能源需求的不斷增長(zhǎng)，過度使用石頭和燃料導(dǎo)致的全球氣候變化已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的清潔化、高效化、低碳化已成為世界各國(guó)的共識(shí)。電力工業(yè)作為國(guó)家的基礎(chǔ)性工業(yè),是國(guó)內(nèi)煤炭消耗的主要行業(yè),其CO2排放量已經(jīng)占到全國(guó)排放總量的38.76%,因此,電力工業(yè)的發(fā)展面臨巨大的減排壓力,而如何在發(fā)電調(diào)度中合理地考慮各類低碳因素的影響,在兼顧經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)低碳化,是電力行業(yè)保持可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵。在能源發(fā)展低碳化的大背景下,近幾年來全球光伏發(fā)電出現(xiàn)了爆炸性增長(zhǎng)。光伏發(fā)電不消耗化石能源,無污染,無碳排放,是對(duì)環(huán)境友好的清潔能源。大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè),并提高其發(fā)電利用率是國(guó)內(nèi)電力工業(yè)低碳化的有效途徑。隨著歐洲碳交易體系的建立以及碳交易市場(chǎng)的有效運(yùn)行,有關(guān)電力工業(yè)的低碳化問題已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的研究興趣。文獻(xiàn)全面分析了“低碳電力”的形勢(shì)和特點(diǎn),剖析了這一新研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。文獻(xiàn)利用碳稅作為CO2排放的制約因素引入目標(biāo)函數(shù),以此來考慮在經(jīng)濟(jì)調(diào)度中CO2的減排效益。文獻(xiàn)分析了各類電源的電碳調(diào)度特性以及低碳要素的引入對(duì)最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃的影響,建立了低碳電力調(diào)度決策模型,對(duì)碳捕集電廠引入后系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行了初步探討。文獻(xiàn)深入研究了碳捕集電廠的運(yùn)行機(jī)制和特點(diǎn),提出了含碳捕集電廠的電力系統(tǒng)低碳調(diào)度模型,將碳排放作為一組新的決策變量加以考慮。文獻(xiàn)揭示了碳捕集電廠具有良好的調(diào)峰特性,有助于提高風(fēng)電等清潔能源的接入規(guī)模,能夠降低系統(tǒng)整體的碳排放水平。以上文獻(xiàn)從不同的角度對(duì)低碳環(huán)境下的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及發(fā)電調(diào)度問題進(jìn)行了研究,并且取得了一定的成果。隨著光伏發(fā)電大規(guī)模接入系統(tǒng),其發(fā)電波動(dòng)性、無碳排放特性將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方式產(chǎn)生重大影響,而在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中缺乏對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)背景下含光伏發(fā)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題的研究。因此,如何針對(duì)光伏發(fā)電的特性,在兼顧電能生產(chǎn)安全可靠的前提下,實(shí)現(xiàn)低碳優(yōu)化調(diào)度,促進(jìn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)值得進(jìn)一步深入研究的問題。本文基于低碳經(jīng)濟(jì)理念,將碳交易機(jī)制引入電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度,以此來充分考慮光伏發(fā)電接入和清潔機(jī)組的利用對(duì)碳排放減少的貢獻(xiàn);建立了基于太陽(yáng)輻照度變化特性的光伏發(fā)電出力概率分布模型;對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的不確定性,采用基于Kantorovich距離的場(chǎng)景削減技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電出力場(chǎng)景的有效削減;提出了碳交易環(huán)境下含大規(guī)模光伏電源的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,兼顧了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、低碳性及可靠性。采用本文模型,對(duì)一個(gè)改進(jìn)10機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,分析了光伏發(fā)電接入規(guī)模和碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)電調(diào)度的影響。1碳交易機(jī)制低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低排放、低污染為基礎(chǔ)的發(fā)展模式,而碳交易機(jī)制是為了促進(jìn)溫室氣體減排而提出的市場(chǎng)機(jī)制,是電力調(diào)度需要關(guān)注的重點(diǎn)。1.1建立市場(chǎng)信用保證制度全球碳排放交易市場(chǎng)主要有兩種模式:一種是基于配額的市場(chǎng),比如排放貿(mào)易市場(chǎng);另一種是基于項(xiàng)目的市場(chǎng),比如清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)市場(chǎng)和聯(lián)合履約市場(chǎng)。目前,中國(guó)根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段主要參與CDM交易。基于配額的市場(chǎng)實(shí)行“總量控制與交易”機(jī)制,即預(yù)先設(shè)定碳排放總量并將其分為若干單位,通過一定的方式將初始排放額度分配給各經(jīng)濟(jì)主體,允許各經(jīng)濟(jì)主體進(jìn)行排放額度交易。在規(guī)定的時(shí)期內(nèi),若經(jīng)濟(jì)主體的碳排放量小于分配額度,則可將剩余額度出售獲益;若經(jīng)濟(jì)主體的碳排放量大于分配額度,則必須購(gòu)買超額的排放額度以避免處罰?；陧?xiàng)目的市場(chǎng)實(shí)行“基準(zhǔn)排放與信用”機(jī)制,即預(yù)先對(duì)各經(jīng)濟(jì)主體分配一個(gè)基準(zhǔn),并對(duì)實(shí)際的碳排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在規(guī)定的時(shí)期內(nèi),若經(jīng)濟(jì)主體的碳排放量小于基準(zhǔn)排放量,則可獲得相應(yīng)的信用額度并進(jìn)行交易;若經(jīng)濟(jì)主體的碳排放量大于基準(zhǔn)排放量,則必須購(gòu)買超額的排放信用額度。1.2系統(tǒng)碳交易成本的計(jì)算碳交易機(jī)制的引入改變了電力系統(tǒng)運(yùn)行成本的構(gòu)成,即當(dāng)系統(tǒng)碳排放額度盈余時(shí),可以通過在市場(chǎng)上出售剩余排放額度獲利,從而等效降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本;當(dāng)系統(tǒng)碳排放額度不足時(shí),則需要在市場(chǎng)上購(gòu)買相應(yīng)排放額度或?yàn)槌~部分支付罰金,而這將等效增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本。為了更準(zhǔn)確、更方便地開發(fā)符合國(guó)際CDM規(guī)則以及中國(guó)CDM重點(diǎn)領(lǐng)域的CDM項(xiàng)目,中國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化司研究確定了中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)的基準(zhǔn)線排放因子。本文基于《2013年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》,對(duì)系統(tǒng)的碳排放額度MD,t進(jìn)行分配:式中:N為發(fā)電機(jī)組總數(shù);Pi,t為t時(shí)段發(fā)電機(jī)組i的出力;ε為單位電量排放分配系數(shù),由電量邊際排放因子與容量邊際排放因子加權(quán)得出;Δt為t-1到t時(shí)段的時(shí)間區(qū)間,在本文研究中Δt=1。若系統(tǒng)t時(shí)段的碳排放總量為MC,t,那么系統(tǒng)t時(shí)段的碳交易成本FC,t可以表示為:式中:KCDM為CDM單位交易價(jià)格;KP為超額部分單位排放量所需支付的罰金;ΔMCDM,t為t時(shí)段通過CDM交易獲得的排放額度;ΔMP,t為t時(shí)段通過支付罰金的方式獲得的排放額定;ΔMCDM,t′為t時(shí)段通過CDM交易在市場(chǎng)上出售的排放額度;ΔMt為系統(tǒng)碳排放總量MC,t與分配排放額度MD,t之差;NG為火電機(jī)組總數(shù);PGi,t為t時(shí)段火電機(jī)組i的出力;αi,βi,χi均為火電機(jī)組i的排放因子。采用式(2)計(jì)算系統(tǒng)的碳交易成本可分為如下兩種情況。1)當(dāng)MC,t>MD,t時(shí),表示系統(tǒng)的碳排放量超過分配的排放額度,ΔMt即為超額排放部分,需要通過CDM交易獲得排放額度,或者支付相應(yīng)的罰金,即ΔMt=ΔMCDM,t+ΔMP,t。2)當(dāng)MC,t≤MD,t時(shí),表示系統(tǒng)的碳排放量未超過分配的排放額度,即排放額度有盈余部分,可以通過在市場(chǎng)上交易而獲得經(jīng)濟(jì)收益,從而等效地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本,即ΔMt=ΔMCDM,t′。2太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池的光生伏打效應(yīng),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng),其出力主要與太陽(yáng)輻照度、光伏陣列有效面積和光電轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。2.1a5分布形狀參數(shù)研究表明在一定的時(shí)段內(nèi)(一至幾小時(shí)),太陽(yáng)輻照度近似呈Beta分布:式中:r和rmax分別為該時(shí)段的太陽(yáng)實(shí)際輻照度和最大輻照度;Γ(·)為Gamma函數(shù);α和β為Beta分布形狀參數(shù);μ和σ分別為太陽(yáng)輻照度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力在建立太陽(yáng)輻照度概率模型的基礎(chǔ)上,光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力PPV可以表示為:式中:S為光伏陣列有效面積;η為光電轉(zhuǎn)換效率。通過式(5)和式(8)可以看出,光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力也呈Beta分布:式中:PPVmax為光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大出力。結(jié)合式(9)可以得到光伏發(fā)電出力的期望值E(PPV)和方差D(PPV)分別為:可以看出,光伏發(fā)電出力的隨機(jī)性主要受太陽(yáng)輻照度隨機(jī)波動(dòng)的影響,因此在制定發(fā)電調(diào)度計(jì)劃時(shí)需要考慮光伏發(fā)電出力的不確定性,減少由于光伏發(fā)電出力波動(dòng)帶來的負(fù)面影響。3在碳交易環(huán)境下，有一個(gè)優(yōu)化的規(guī)劃模型，其中包含了大型光明設(shè)備的電源3.1光伏發(fā)電出力場(chǎng)景削減算法在電力調(diào)度的實(shí)際工作中,不可能對(duì)每個(gè)光伏發(fā)電出力場(chǎng)景都進(jìn)行詳細(xì)的分析和評(píng)估,而場(chǎng)景削減技術(shù)可以將原始場(chǎng)景中的相似場(chǎng)景用典型場(chǎng)景表示,繼而形成一組能較好逼近原始場(chǎng)景集的有限場(chǎng)景集,為這一問題提供了有效的解決方法。場(chǎng)景削減有很多不同實(shí)現(xiàn)方法,其關(guān)鍵在于概率距離的選取。目前,廣泛使用的概率距離主要有Kolmogorov距離、Wasserstein距離、Kantorovich距離等。Kolmogorov距離計(jì)算簡(jiǎn)單,但不能很好地反映概率分布的尾部特征;Wasserstein距離能較好地反映尾部特征,但對(duì)于高階矩不能達(dá)到最佳效果;而Kantorovich距離能夠克服上述缺點(diǎn),較好地反映原概率分布。因此,本文基于Kantorovich距離對(duì)光伏發(fā)電出力場(chǎng)景進(jìn)行削減。文獻(xiàn)提出了兩種場(chǎng)景削減算法:前推削減算法和后推削減算法。由于前推削減算法在每次迭代過程中,容易忽略掉某些小概率的極端場(chǎng)景,從而可能導(dǎo)致原始場(chǎng)景中一些重要信息的丟失;而后推削減算法能夠較好地保留初始場(chǎng)景的分布特性,尤其是在初始場(chǎng)景數(shù)規(guī)模較大時(shí)收斂較快。因此,本文采用基于Kantorovich距離的后推削減算法進(jìn)行光伏發(fā)電出力場(chǎng)景削減。若已知兩個(gè)場(chǎng)景集Ω和Ω′,則其Kantorovich距離DK(Ω,Ω′)為:式中:s和s′分別為場(chǎng)景集Ω和Ω′中的場(chǎng)景;ps和ps′分別為場(chǎng)景s和s′在Ω和Ω′中的概率;c(s,s′)為一個(gè)非負(fù)、連續(xù)、對(duì)稱的距離函數(shù);η(s,s′)為場(chǎng)景s和s′的概率乘積。結(jié)合光伏發(fā)電出力的具體情況,若用Ω表示原始場(chǎng)景集,Ω′表示目標(biāo)場(chǎng)景集,則式(12)可以等價(jià)地表示為:式中:T為調(diào)度周期;PsPVt和Ps′PVt分別為場(chǎng)景s和s′中t時(shí)段的光伏發(fā)電出力。通過預(yù)先設(shè)定所需要的目標(biāo)場(chǎng)景數(shù)Ns,根據(jù)式(13)的反復(fù)迭代,即可得到削減后的光伏發(fā)電出力場(chǎng)景。3.2系統(tǒng)的運(yùn)行成本在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下,低碳經(jīng)濟(jì)下含光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)為最大化利用可再生能源,降低碳排放,同時(shí)使運(yùn)行周期內(nèi)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行費(fèi)用F最小,其目標(biāo)函數(shù)表示如下:式中:FR和FC分別為系統(tǒng)發(fā)電能耗成本和碳交易成本;FPV和FLOSS分別為由于光伏發(fā)電隨機(jī)性而帶來的棄光懲罰費(fèi)用和失負(fù)荷懲罰費(fèi)用;FC,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段系統(tǒng)的碳交易成本,可按式(2)計(jì)算;FR,t,s,FPV,t,s,FLOSS,t,s分別為場(chǎng)景s下t時(shí)段系統(tǒng)的發(fā)電成本、棄光懲罰費(fèi)用、失負(fù)荷懲罰費(fèi)用;ui,t為t時(shí)段火電機(jī)組i的運(yùn)行狀態(tài);Si,t為t時(shí)段火電機(jī)組i的啟停成本;ai,bi,ci為火電機(jī)組i的成本系數(shù);PG,i,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段火電機(jī)組i的發(fā)電出力;CPV為單位棄光懲罰費(fèi)用;EPV,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段的棄光電量期望值;CLOSS為單位失負(fù)荷懲罰費(fèi)用;ELOSS,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段的失負(fù)荷電量期望值。3.3機(jī)組相關(guān)約束1)系統(tǒng)功率平衡約束:式中:PPV,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力;PL,t為t時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷。2)常規(guī)火電機(jī)組相關(guān)約束,包括出力上下限約束、啟停約束等。3)碳減排目標(biāo)約束:式中:MC,t,s和MD,t,s分別為場(chǎng)景s下t時(shí)段系統(tǒng)碳排放總量和分配排放額度;ΔMCDM,t,s為場(chǎng)景s下t時(shí)段通過CDM交易獲得的排放額度。4)碳交易額度約束。對(duì)于CDM,由于受到資金、技術(shù)水平等因素的制約,項(xiàng)目所能達(dá)到的減排量會(huì)有一個(gè)上限:5)光伏發(fā)電出力運(yùn)行約束:3.4解決流程在建立優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上,利用商用優(yōu)化軟件CPLEX對(duì)模型進(jìn)行求解,基本流程如圖1所示。4光伏電源負(fù)荷本文基于文獻(xiàn)中的10機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,裝機(jī)規(guī)模為1662MW,并按國(guó)內(nèi)火電機(jī)組的實(shí)際情況進(jìn)行修改。在該系統(tǒng)中接入規(guī)模為340MW的光伏電源,滲透率為23%,相關(guān)參數(shù)采用西部某光伏發(fā)電場(chǎng)的特性參數(shù),S=1300m2,η=0.093;以一天24h為調(diào)度周期,負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖2所示。假設(shè)所有的碳交易均通過CDM進(jìn)行,交易價(jià)格KCDM取20美元/tCO2,單位電量排放分配系數(shù)ε取0.7t/(MW·h),單位棄光懲罰費(fèi)用CPV取100美元/(MW·h),單位失負(fù)荷懲罰費(fèi)用CLOSS取1000美元/(MW·h)。4.1場(chǎng)景削減結(jié)果根據(jù)光伏發(fā)電預(yù)測(cè)出力,利用MonteCarlo方法生成1000個(gè)光伏出力場(chǎng)景,并采用本文第3.1節(jié)提出的方法進(jìn)行場(chǎng)景削減,目標(biāo)場(chǎng)景數(shù)設(shè)置為10個(gè),所得結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?削減后的場(chǎng)景走勢(shì)與原場(chǎng)景集基本一致,但是場(chǎng)景數(shù)量大幅減少。由此可見,本文所采用的場(chǎng)景削減技術(shù)對(duì)于處理光伏發(fā)電的隨機(jī)性是十分有效的。4.2低碳優(yōu)化調(diào)度的成本期望利用本文模型和傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型(不考慮碳排放成本)對(duì)算例系統(tǒng)進(jìn)行24h優(yōu)化調(diào)度,優(yōu)化結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?在傳統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度方案中,系統(tǒng)發(fā)電能耗成本較低,碳交易成本較高,這主要是由于未考慮碳排放因素的影響,排放較低、單位發(fā)電成本較高的清潔機(jī)組得不到充分利用,因此系統(tǒng)CO2排放量較大導(dǎo)致碳交易成本較高。在低碳優(yōu)化調(diào)度中,由于考慮了碳排放因素的影響,清潔機(jī)組能夠得到高效利用,使得系統(tǒng)雖然發(fā)電成本相對(duì)較高,但是碳交易成本大幅減少。兩種調(diào)度方案的棄光電量期望和失負(fù)荷電量期望略有差別,這是由于發(fā)電調(diào)度問題本身屬于混合整數(shù)規(guī)劃,不同開機(jī)方案導(dǎo)致實(shí)際的系統(tǒng)備用容量會(huì)稍有不同。綜合以上因素,低碳優(yōu)化調(diào)度的綜合運(yùn)行費(fèi)用較傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度低。4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放的計(jì)算方法不同光伏滲透率大小將對(duì)系統(tǒng)發(fā)電能耗、CO2排放總量及可靠性產(chǎn)生重要影響,表2給出了不同光伏滲透率下系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)費(fèi)用?？梢钥闯?當(dāng)光伏滲透率為零時(shí)(即光伏發(fā)電未接入系統(tǒng)),系統(tǒng)的發(fā)電成本和碳交易成本均比光伏接入后要高,這是因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)的接入降低了火電機(jī)組的出力,并且在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生碳排放,因此能有效降低系統(tǒng)的發(fā)電能耗和排放量,系統(tǒng)綜合運(yùn)行費(fèi)用也隨之減少。但是,由于光伏發(fā)電出力具有隨機(jī)性,系統(tǒng)在光伏發(fā)電接入后整體棄光電量期望和失負(fù)荷電量期望增加,并且隨著光伏滲透率的增大而增大,因此,在調(diào)度中需要綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行成本與運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),做出合理的調(diào)度安排。4.4cdm價(jià)格下系統(tǒng)能耗及運(yùn)行費(fèi)用的變化圖4反映了CDM價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的影響。CDM價(jià)格的變化主要影響系統(tǒng)的發(fā)電能耗成本和碳交易成本,并進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)綜合運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生影響,具體分析如下。1)系統(tǒng)發(fā)電能耗成本隨著CDM價(jià)格的增加而呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。隨著CDM價(jià)格的不斷增加,系統(tǒng)為了避免支付過高的碳交易成本而使清潔機(jī)組的出力不斷增加,但清潔機(jī)組的單位發(fā)電成本較高,因此造成了系統(tǒng)發(fā)電能耗成本的不斷上升。當(dāng)CDM價(jià)格達(dá)到40美元/tCO2左右時(shí),由于清潔機(jī)組的出力已經(jīng)基本達(dá)到上限,因此系統(tǒng)發(fā)電能耗成本趨于飽和。2)系統(tǒng)的碳交易成本隨著CDM價(jià)格的增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。CDM價(jià)格的增加一方面使得清潔機(jī)組的利用率不斷提高,系統(tǒng)由于排放量降低而獲得減排效益,另一方面,CDM價(jià)格的增加會(huì)引起排放成本增加。在CDM價(jià)格較低時(shí),系統(tǒng)的排放量大于所分配的額度,通過CDM價(jià)格增加獲得的減排效益不足以彌補(bǔ)排放成本的增加,因此,系統(tǒng)碳交易成本呈上升趨勢(shì);而當(dāng)CDM價(jià)格達(dá)到18美元/tCO2左右時(shí),由于系統(tǒng)獲得的減排效益大于排放成本的增加,因此,系統(tǒng)碳交易成本開始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。3)系統(tǒng)綜合運(yùn)行費(fèi)用