CN107069834A - 一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法 - Google Patents

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喻洁
孙旻
刘莉莉
陈波
何昊
熊俊杰
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Abstract

一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，包括以下步骤：（1）将区域电网的碳排放配额根据负荷预测进行分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致；（2）根据分解的区域电网碳排放配额，建立以区域电网实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数的优化模型；（3）根据负荷预测、新能源发电出力预测和常规火力发电机组发电出力数据，以区域电网当前状态下的常规火力发电机组的实际发电出力和新能源发电出力作为初始值，以常规火力发电机组的发电出力变化量和新能源发电出力变化量为控制变量，建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型，并进行迭代求解，不断修正常规火力发电机组发电出力和新能源发电出力预测值。

Description

一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法
技术领域
本发明涉及一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，属电力优化调度技术领域。
背景技术
近年来，能源短缺和环境污染成为世界关注的焦点问题，转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，大力推进节能减排，发展以低能耗、低排放、低污染为标志的“低碳经济”，实现可持续发展，正在成为世界各国经济发展的共同选择。
对于我国而言，电力行业作为国民经济和社会发展过程中最重要的基础能源产业，是主要的碳排放部门，也是碳排放权交易的市场主体。发挥电网提高能源利用效率、推进节能减排技术发展的作用，对低碳经济的发展具有非常重要的战略意义。低碳发展已经对电力系统运行和规划的各个方面产生了显著影响。因此，在低碳经济的背景下，电力行业内部如何将初始碳排放权在各发电机组之间进行合理分配显得尤为重要。
随着环境问题的日益突出，碳交易日益成为全世界关注的前沿问题。碳交易是通过建立合法的碳排放权并允许这种权利进行买卖，从而实现碳排放量减少的交易机制，是通过经济手段解决环境问题的市场机制。引入碳排放权机制后，需要考虑电网的低碳排放，使得电网产生的碳排放总量满足碳排放约束的要求。本发明提出基于模型预测控制的含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是，为了考虑电网的低碳排放，使得电网产生的碳排放总量满足碳排放约束的要求，本发明提出一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，该方法是基于模型预测控制的电网碳排放优化调度方法。
实现本发明的技术方案如下：一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，包括以下步骤：
(1)将区域电网的碳排放配额根据负荷预测进行分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致；
(2)模型预测控制，采用滚动式的有限时域优化策略；根据分解的区域电网碳排放配额，建立以区域电网实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数的优化模型；
(3)根据负荷预测、新能源发电出力预测和常规火力发电机组发电出力数据，以区域电网当前状态下的常规火力发电机组的实际发电出力和新能源发电出力作为初始值，以常规火力发电机组的发电出力变化量和新能源发电出力变化量为控制变量，基于模型预测控制建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型，并进行迭代求解，不断修正常规火力发电机组发电出力和新能源发电出力预测值。
所述区域电网碳排放配额的分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致，按下式计算：
Elimit(t)＝a(t)×ERG；
式中，T为调度周期的时段数，t0为初始调度时刻，L(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值，a(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值占调度周期T的总负荷的比值，ERG为调度周期T内区域电网的碳排放配额，Elimit(t)为区域电网在t时刻的碳排放配额。
所述目标函数的优化模型包括：
(1)区域电网目标函数
根据所述区域电网的碳排放配额，区域电网以实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数：
其中，
式中，T为调度周期的时段数，t0为初始调度时刻，E(t)为区域电网在t时刻的碳排放量，Elimit(t)为区域电网在t时刻的碳排放配额，N为区域电网的常规火力发电机组台数，PGi(t)为常规火力发电机组i在t时刻的发电出力，ai为常规火力发电机组i的碳排放系数；
(2)区域电网约束条件
功率平衡约束：
式中，N为区域电网的常规火力发电机组台数，PGi(t)为常规火力发电机组i在t时刻的发电出力，M为区域电网的新能源发电机组台数，PNGj(t)为新能源发电机组j在t时刻的发电出力，PD(t)为区域电网在t时刻的负荷用电功率，Ploss(t)为区域电网在t时刻的网损；
常规火力发电机组发电出力上下限约束：
式中，为常规火力发电机组i的发电出力最小值，为常规火力发电机组i的发电出力最大值；
新能源发电出力上下限约束，区域电网考虑的新能源发电包括风力发电、光伏发电和储能单元三种类型：
式中，x、y和z分别为风力发电、光伏发电和储能单元数量，则有X+Y+Z＝M，Pwindx(t)为风力发电机组x在t时刻的发电出力，为风力发电机组x的发电出力最小值，为风力发电机组x的发电出力最大值；Ppvy(t)为光伏发电y在t时刻的发电出力，为光伏发电y的发电出力最小值，为光伏发电y的发电出力最大值；PSOCz(t)为储能单元z在t时刻的可用有功出力，为储能单元z的可用有功出力最小值，为储能单元z的可用有功出力最大值；
常规火力发电机组发电出力爬坡约束：
式中，为常规火力发电机组发电出力爬坡最小值，为常规火力发电机组发电出力爬坡最大值；
新能源发电出力爬坡约束：
式中，为风力发电出力爬坡最小值，为风力发电出力爬坡最大值，为光伏发电出力爬坡最小值，为光伏发电出力爬坡最大值，为储能单元可用有功出力增量最小值，为储能单元可用有功出力增量最大值。
所述建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型如下：
式中，PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻常规火力发电机组有功出力值；PGi(t0)为常规火力发电机组的发电出力初始值；△PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内常规火力发电机组发电出力变化量；
Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻风力发电有功出力值；Pwindx(t0)为风力发电机组的发电出力初始值；△Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内风力发电出力变化量；
Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻光伏发电有功出力值；Ppvy(t0)为光伏发电出力初始值；△Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内光伏发电出力变化量；
PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻储能单元可用有功出力值PSOCz(t0)为储能单元可用有功出力的初始值；△PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内储能单元可用有功出力变化量。
本发明的有益效果是，本发明针对区域电网的碳排放约束，提出基于模型预测控制的含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，可以将区域电网的碳排放限制在碳排放配额的约束范围，实现区域电网的低碳调度。
附图说明
图1为本发明含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法的流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1流程所示。
本实施例一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，包括以下步骤：
(1)将区域电网的碳排放配额根据负荷预测进行分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致。
本实施例的区域电网碳排放配额分解。因碳交易属于中长期交易，区域电网分配到的碳排放配额是一个根据碳排放配额分配方法计算得到的数值，本实施例将区域电网分配到的碳排放配额按照负荷预测进行分解，得到各个调度时段的碳排放配额，计算式如下：
Elimit(t)＝a(t)×ERG；
式中，T为调度周期的时段数，t0为初始调度时刻，L(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值，a(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值占调度周期T的总负荷的比值，ERG为调度周期T内区域电网的碳排放配额，Elimit(t)为区域电网在t时刻的碳排放配额。
(2)根据分解的区域电网碳排放配额，建立以区域电网实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数的优化模型。
①功率平衡约束：
式中，N为区域电网的常规火力发电机组台数，PGi(t)为常规火力发电机组i在t时刻的发电出力，M为区域电网的新能源发电机组台数，PNGj(t)为新能源发电机组j在t时刻的发电出力，PD(t)为区域电网在t时刻的负荷用电功率，Ploss(t)为区域电网在t时刻的网损。
②常规火力发电机组发电出力上下限约束：
式中，为常规火力发电机组i的发电出力最小值，为常规火力发电机组i的发电出力最大值。
③新能源发电出力上下限约束：
在本发明中，区域电网考虑的新能源发电包括风力发电、光伏发电和储能单元三种类型：
式中，x、y和z分别为风力发电、光伏发电和储能单元数量，则有X+Y+Z＝M，Pwindx(t)为风力发电机组x在t时刻的发电出力，为风力发电机组x的发电出力最小值，为风力发电机组x的发电出力最大值，Ppvy(t)为光伏发电y在t时刻的发电出力，为光伏发电y的发电出力最小值，为光伏发电y的发电出力最大值，PSOCz(t)为储能单元z在t时刻的可用有功出力，为储能单元z的可用有功出力最小值，为储能单元z的可用有功出力最大值。
④常规火力发电机组发电出力爬坡约束：
式中，为常规火力发电机组发电出力爬坡最小值，为常规火力发电机组发电出力爬坡最大值。
⑤新能源发电出力爬坡约束：
式中，为风力发电出力爬坡最小值，为风力发电出力爬坡最大值，为光伏发电出力爬坡最小值，为光伏发电出力爬坡最大值，为储能单元可用有功出力增量最小值，为储能单元可用有功出力增量最大值。
(3)基于模型预测控制分别建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型。
本实施例模型预测控制，采用滚动式的有限时域优化策略。根据负荷预测、新能源发电出力预测和常规火力发电机组发电出力数据，以区域电网当前状态下的常规火力发电机组的实际发电出力和新能源发电出力作为初始值，以常规火力发电机组的发电出力变化量和新能源发电出力变化量为控制变量，基于模型预测控制建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型，并进行迭代求解，不断修正常规火力发电机组发电出力和新能源发电出力预测值。
式中，
PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻常规火力发电机组有功出力值，PGi(t0)为常规火力发电机组的发电出力初始值，△PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内常规火力发电机组发电出力变化量；
Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻风力发电有功出力值，Pwindx(t0)为风力发电机组的发电出力初始值，△Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内风力发电出力变化量；
Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻光伏发电有功出力值，Ppvy(t0)为光伏发电出力初始值，△Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内光伏发电出力变化量；
PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻储能单元可用有功出力值，PSOCz(t0)为储能单元可用有功出力的初始值，△PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内储能单元可用有功出力变化量。
根据计算模型进行迭代求解，不断修正常规火力发电机组发电出力和新能源发电出力。

Claims (4)

1.一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将区域电网的碳排放配额根据负荷预测进行分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致；
(2)根据分解的区域电网碳排放配额，建立以区域电网实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数的优化模型；
(3)模型预测控制，采用滚动式的有限时域优化策略；根据负荷预测、新能源发电出力预测和常规火力发电机组发电出力数据，以区域电网当前状态下的常规火力发电机组的实际发电出力和新能源发电出力作为初始值，以常规火力发电机组的发电出力变化量和新能源发电出力变化量为控制变量，基于模型预测控制建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型，并进行迭代求解，不断修正常规火力发电机组发电出力和新能源发电出力预测值。
2.如权利要求1所述的一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，其特征在于，所述区域电网碳排放配额的分解，使区域电网的碳排放配额与调度时段在时间尺度上一致，按下式计算：
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Elimit(t)＝a(t)×ERG；
式中，T为调度周期的时段数，t0为初始调度时刻，L(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值，a(t)为区域电网在t时刻的负荷预测值占调度周期T的总负荷的比值，ERG为调度周期T内区域电网的碳排放配额，Elimit(t)为区域电网在t时刻的碳排放配额。
3.如权利要求1所述的一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，其特征在于，所述目标函数的优化模型包括：
(1)区域电网目标函数
根据所述区域电网的碳排放配额，区域电网以实际碳排放与碳排放配额的偏差最小为目标函数：
其中，
式中，T为调度周期的时段数，t0为初始调度时刻，E(t)为区域电网在t时刻的碳排放量，Elimit(t)为区域电网在t时刻的碳排放配额，N为区域电网的常规火力发电机组台数，PGi(t)为常规火力发电机组i在t时刻的发电出力，ai为常规火力发电机组i的碳排放系数；
(2)区域电网约束条件
功率平衡约束：
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式中，N为区域电网的常规火力发电机组台数，PGi(t)为常规火力发电机组i在t时刻的发电出力，M为区域电网的新能源发电机组台数，PNGj(t)为新能源发电机组j在t时刻的发电出力，PD(t)为区域电网在t时刻的负荷用电功率，Ploss(t)为区域电网在t时刻的网损；
常规火力发电机组发电出力上下限约束：
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式中，为常规火力发电机组i的发电出力最小值，为常规火力发电机组i的发电出力最大值；
新能源发电出力上下限约束，区域电网考虑的新能源发电包括风力发电、光伏发电和储能单元三种类型：
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常规火力发电机组发电出力爬坡约束：
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式中，为常规火力发电机组发电出力爬坡最小值，为常规火力发电机组发电出力爬坡最大值；
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式中，为风力发电出力爬坡最小值，为风力发电出力爬坡最大值，为光伏发电出力爬坡最小值，为光伏发电出力爬坡最大值，为储能单元可用有功出力增量最小值，为储能单元可用有功出力增量最大值。
4.如权利要求1所述的一种含新能源发电区域电网碳排放优化调度方法，其特征在于，所述建立常规火力发电机组和新能源发电的计算模型如下：
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式中，PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻常规火力发电机组有功出力值；PGi(t0)为常规火力发电机组的发电出力初始值；△PGi(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内常规火力发电机组发电出力变化量；
Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻风力发电有功出力值；Pwindx(t0)为风力发电机组的发电出力初始值；△Pwindx(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内风力发电出力变化量；
Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻光伏发电有功出力值；Ppvy(t0)为光伏发电出力初始值；△Ppvy(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内光伏发电出力变化量；
PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算未来t0+t时刻储能单元可用有功出力值PSOCz(t0)为储能单元可用有功出力的初始值；△PSOCz(t0+t|t0)为在t0时刻计算得到未来[t0+(t-1),t0+t]时段内储能单元可用有功出力变化量。
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