CN107317325A - 一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型 - Google Patents

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刘晓明
付木
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张丽娜
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Abstract

本发明公开了一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，目标函数如下：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，目标函数中第五项表示碳交易成本，其中与由投资问题描述，

Description

一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型
技术领域
本发明涉及电网规划和运行领域，尤其是一种考虑碳排放流的低碳电源电 网规划模型。
背景技术
电力系统规划包括电源规划与电网规划两个层面，是电力系统发展的一项 重要的前期工作，电力规划的根本目的是根据对某一区域在某一时期内负荷预 测的结果，寻求一个最经济的电力发展方案，使之够满足运行可靠性的要求。 我国提出了“2020年单位GDP碳排放强度比2005年下降40％～45％”的低碳 发展目标。该目标的实现一方面取决于我国能源结构的低碳化，另一方面取决 于产业结构和用能方式的优化，不同地区的产业结构、能源禀赋不同，对该目 标的贡献能力亦存在差异。
针对我国低碳发展目标，碳排放计量方法的不同也将对电力行业的规划带 来影响。已有的研究结果表明，不同碳排放计算口径对区域电力碳排放的统计 差异接近50％，这对低碳发展目标完成情况的核算将产生巨大的影响。由于电 能属于清洁的二次能源，在使用过程中并不产生碳排放，传统基于宏观统计法 的碳排放计算在核算诸如单位GDP碳排放强度下降的低碳目标时将对电能输 出地区不公平，同时难以调动能源输入省份节能减排工作的积极性。由此，迫 切需要实现碳排放计量从发电环节向用电环节的转变，而这种转变也将为面向 低碳目标的电源电网规划带来新的挑战，碳排放流是实现这种转变的重要工 具。
碳排放流的核心思想是将发电环节的碳排放分摊至用电环节，从用户侧实 现电力消费对应碳排放的计量。已有的考虑碳排放流和用电碳排放约束的跨区 域电力传输模型均以平均发电(或用电)碳排放强度作为外送电力流的碳流密 度。此种分析方法忽略了能源基地外送电能的实际情况，难以考虑多区域互联 网络中不同区域间的双边电量合约。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，模型将 在传统电力规划的投资问题中尝试应用碳排放流对用电环节的碳排放约束、跨 行业碳排放交易、区域间电量合约等要素进行描述，并综合考虑不同地区间碳 价差异、系统运行的调峰备用约束，形成完整的规划方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，本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，表明 该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷，为本地容量；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；
目标函数如下：
式中，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，目标函数中第五项表 示碳交易成本，其中与由投资问题描述，由运行子问题描述， Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率。
进一步地，总建设投资成本
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，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，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。
进一步地，总固定运行成本
式中，Pu,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Pu,y,a可由下式表示：
式中，Pu,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：
式中，Pu,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。
进一步地，区域间联络线建设成本可由下式表示：
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，此处的送电通道指改进的等值 网络中的直送通道。
进一步地，总可变运行成本为系统发电成本，可由下式表示：
式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本。D为系统所有 典型运行方式下的日集合，TD为系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段 持续时长。
进一步地，碳排放交易成本项的含义是当系统各自子域的用电总排放量高 于总允许的排放配额时，系统需要购买额外的排放配额从而造成成本；而当系 统总排放量低于排放配额时，可出售剩余配额获得利润，具体可表示为：
其中Ey,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，πy,a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格，本模型认为碳 排放配额为外部给定值，Ey,a可由下式表示：
式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势。
进一步地，电源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Tu,y,a max，也不可低于一定的年最低利用小时Tu,y,a min，最高利 用小时数主要来源于一次能源约束、机组检修，最低利用小时数来源于政策规 定、水电强迫出力或维持电厂运营需要，因此有：
式中，Nt和Nd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。
进一步地，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，即：
式中，Pu,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，Py,a max为第y年区域a的最大预测负荷。
进一步地，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，体现为系统火电年最大电量约束，对区域a，有：
式中，fu,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，Un则表示所有以一次能 源n作为能量输入的电厂集合，Fy,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、水电不需要耗费燃料的电源，不需遵守上式的约束，而应限制 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：
式中，Pu,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，Pu,0,a则 表示在规划初始该类电源的在役装机容量。
进一步地，不同区域间可自由签订双边电量合约，作为区域间电量交换乃 至碳排放流的依据，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：
式中，为从区域a到区域b的第u类电源的合约电量；
联络线通道容量必须保证区域间电力交换的需求，即：
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：
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，联络线容量的扩展还需考虑地理和施工条件等因素的限制，两区域间联络线容 量存在上限，即：
本发明的有益效果是，
本发明从碳排放流的分析角度，电力规划方案的不同将显著改变系统中的 碳流、碳势等物理量的分布，由此对用电环节碳排放统计的结果也将有所变化， 这是基于宏观分析法的碳排放分析所不能达到的。在电力规划中考虑碳排放 流，一方面可以更加精确地考虑电网中碳流分布对于全网碳排放计算的变化， 综合考虑面向低碳的电源规划与电网规划间的相互影响，使得规划的全局性更 强，规划更客观；另一方面，可以从用电侧的角度对碳排放的使用进行合理的 分摊，为将来碳交易、碳减配额度的分配等相关政策的制定提供支撑。
具体实施方式
本模型考虑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，如时， 表明该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷，为本地容量。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。
目标函数如下：
式中，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，目标函数中第五项表 示碳交易成本。其中与由投资问题描述，由运行子问题描述。 Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率。目标函数中各成本项的具体表达 式可由以下公式计算得到。
总建设投资成本
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；
总固定运行成本
式中，Pu,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Pu,y,a可由下式表示：
式中，Pu,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：
式中，Pu,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。
区域间联络线建设成本
区域间联络线建设成本可由下式表示：
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，此处的送电通道指改进的 等值网络中的直送通道。
总可变运行成本
总可变运行成本为系统发电成本，可由下式表示：
式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本。D为系统 所有典型运行方式下的日集合，TD为系统在典型日D中的时段集合，ΔT为 时段持续时长。
碳排放交易成本项
引入碳排放交易成本项的含义是：当系统各自子域的用电总排放量高于总 允许的排放配额时，系统需要购买额外的排放配额从而造成成本；而当系统总 排放量低于排放配额时，可出售剩余配额获得利润。具体可表示为：
其中Ey,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，πy.a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格。本模 型认为碳排放配额为外部给定值。Ey,a可由下式表示：
式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势。
约束条件
电源年发电量约束
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Tu,y,a max(最高利用小时数主要来源于一次能源约束、机组检修 等)，也不可低于一定的年最低利用小时Tu,y,a min(最低利用小时数来源于政策 规定、水电强迫出力或维持电厂运营需要)，因此有：
式中，Nt和Nd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。
分区电力供需约束
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：
式中，Pu,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，Py,a max为第y年区域a的最大预测负荷。
区域电源最大可开发容量约束
于火电机组，电源发电需要消耗一次能源，主要为煤炭、天然气、石油等。 显然，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，体现为系统火电年最大电量约束，对区域a，有：
式中，fu,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，Un则表示所有以一 次能源n作为能量输入的电厂集合，Fy,n,a表示该类一次能源n在区域a中的最 大供应量。本模型中不直接考虑一次能源运输约束和成本。
对于风电、水电不需要耗费燃料的电源，不需遵守上式的约束，而应限制 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：
式中，Pu,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， Pu,0,a则表示在规划初始该类电源的在役装机容量。
区域间电量合约约束
同的区域间可自由签订双边电量合约，作为区域间电量交换乃至碳排放流 的依据。以区域a和区域b存在的合约为例，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：
式中，为从区域a到区域b的第u类电源的合约电量。
区域间联络线容量约束
联络线通道容量必须保证区域间电力交换的需求，即：
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：
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地理和施工条件等因素的限制，两区域 间联络线容量存在上限，即：
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围 的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域 技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保 护范围以内。

Claims (10)

1.一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，本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，表明该类机组新增容量用于平衡区域a本地负荷，为本地容量；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；
目标函数如下：
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，目标函数中第五项表示碳交易成本，其中与由投资问题描述，由运行子问题描述，Y表示所有待规划年份，r代表通货膨胀率。
2.如权利要求1所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，总建设投资成本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，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，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。
3.如权利要求1所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，总固定运行成本式中，Pu,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Pu,y,a可由下式表示：
式中，Pu,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：
式中，Pu,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。
4.如权利要求1所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，区域间联络线建设成本可由下式表示：
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，此处的送电通道指改进的等值网络中的直送通道。
5.如权利要求1所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，总可变运行成本为系统发电成本，可由下式表示：
式中，表示第y年区域a中第u类电源的单位发电成本，D为系统所有典型运行方式下的日集合，TD为系统在典型日D中的时段集合，ΔT为时段持续时长。
6.如权利要求1所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，碳排放交易成本项的含义是当系统各自子域的用电总排放量高于总允许的排放配额时，系统需要购买额外的排放配额从而造成成本；而当系统总排放量低于排放配额时，可出售剩余配额获得利润，具体可表示为：
其中Ey,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，πy,a表示区域a中第y年单位碳排放配额的价格，本模型认为碳排放配额为外部给定值，Ey,a可由下式表示：
式中，eu,b表示送端区域b中第u类机组的碳势。
7.如权利要求1至6任一项权利要求所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，电源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Tu,y,a max，也不可低于一定的年最低利用小时Tu,y,a min，最高利用小时数主要来源于一次能源约束、机组检修，最低利用小时数来源于政策规定、水电强迫出力或维持电厂运营需要，因此有：
式中，Nt和Nd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。
8.如权利要求1至6任一项权利要求所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，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，即：
式中，Pu,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，Py,a max为第y年区域a的最大预测负荷。
9.如权利要求1至6任一项权利要求所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，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，体现为系统火电年最大电量约束，对区域a，有：
式中，fu,y,a表示区域a中火电厂单位发电量的能耗，Un则表示所有以一次能源n作为能量输入的电厂集合，Fy,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、水电不需要耗费燃料的电源，不需遵守上式的约束，而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：
式中，Pu,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，Pu,0,a则表示在规划初始该类电源的在役装机容量。
10.如权利要求1至6任一项权利要求所述的一种考虑碳排放流的低碳电源电网规划模型，其特征在于，不同区域间可自由签订双边电量合约，作为区域间电量交换乃至碳排放流的依据，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：
式中，为从区域a到区域b的第u类电源的合约电量；
联络线通道容量必须保证区域间电力交换的需求，即：
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：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>y</mi> </munderover> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mi>I</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>B</mi> <mo>,</mo> </mrow>
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，联络线容量的扩展还需考虑地理和施工条件等因素的限制，两区域间联络线容量存在上限，即：
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