碳排放約束下考慮社會效益最優的發電權交易優化

楊胡萍 王博宇 彭佳欣 嚴飛飛

摘 要： 發電權的交易在電力市場中扮演重要的角色。為保證整個電力市場交易過程能夠向著節能減排和社會效益最大化的方向發展，必須對發電權的交易方向提供一定的參考依據。提出建立新型交易模型，模型以碳排放量和出力成本為約束條件，以安全運行為基礎，通過對有功出力的優化來實現在發電權交易過程中滿足節能減排的同時追求最大的社會效益。通過基于約束松弛變量內點法模型求取最優解，同時對三種模型的特點進行分析和比較，并在IEEE 30，39，57和118節點系統驗證模型的優越性。

關鍵詞： 發電權交易； 電力市場； 碳排放約束； 有功出力優化； 社會效益； 節能減排

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0078?05

Abstract： The trade of power generation rights plays a more important role in the electricity market. In order to ensure that the whole electricity market transaction process can develop towards to the direction of energy saving and emission reduction and maximization of social benefits， it is necessary to provide a certain reference to trade direction of power generation right. A new transaction model is proposed. By taking the carbon emissions and generation cost as constraints， and safe operation as the foundation， the active power is optimized to realize both of energy saving and emission reduction， and maximum social benefits in the process of power generation right transaction. The constraint relaxation interior point model is used to obtain the optimal solution， and analyze and compare the characteristics of the three models. The superiority of models is verified with IEEE 30， IEEE 39， IEEE 57 and IEEE 118 node system.

Keywords： power generation right transaction； electricity market； carbon emission constraint； active power optimization； social benefit； energy conservation and emission reduction

0 引 言

當前隨著大氣污染問題的愈發嚴重，節能減排已經成為我國可持續發展的必然要求和途徑。電力行業又以中火力發電作為大氣污染的重要來源，已經成為節能減排的重點改造區域。為了順利實現電力行業產業升級過度，同時克服老舊電廠污染高、發電成本大的問題，有必要在電力行業大力推廣發電權交易減少老舊機組的發電額度。發電權交易在參與交易對象之間起著優化社會資源和減少碳排放量等作用，是火力發電廠實施減排的重要研究方向[1]。對于高效大火電廠和低效小火電廠之間的發電權交易也是一個關于節能減排的重要研究方向。通過將發電成本高的高能耗機組將其國家分配的發電額度出售給發電成本低的低能耗機組，從而達到降低電力行業能耗水平，減少碳排放量的目的。水力發電廠和火力發電廠之間的發電權交易是未來節能減排目標實現的重要手段[2]。

文獻[3]中通過制定出在發電權交易過程中節能和減排等各項指標。同時對各種發電權交易模型的節能減排情況進行比對分析，能夠有效地對交易方向進行指導，對交易過程進行管理。文獻[4]說明了發電成本的組成結構，提供了關于機組發電成本的判斷依據，為發電權交易提供了交易的方向（從高成本機組到低成本機組）。文獻[5]驗證了所提發電權交易模型能夠達到減少煤耗和增加社會效益的效果，但并未對發電權交易中的二氧化碳排放量進行考慮。文獻[6]提出在電力市場中發電權交易可以對發電側節能減排和利益格局進行調整。并提出將碳排放量作為一種約束引入發電權交易，達到滿足碳排放標準的發電權交易模型。文獻[7]建立一種以碳排放量和靜態電壓穩定為雙目標約束的交易模型，模型引入碳排放額度概念，通過有功出力優化來實現節能減排和系統安全運行。文獻[8]提出一種有功出力優化模型，直觀反映出力成本和安全裕度的關系，可以為決策提供優化方案和參考依據。文獻[9]提供了一種基于NBI的優化算法和兩種目標之間置換度的關系，可以把問題多目標優化轉化為單目標優化，文獻[10]通過提出以節能減排為約束條件，系統有功出力最優的交易模型。但上述模型沒能同時考慮到如何在滿足節能減排的條件下取得最大社會效益。

在上述背景下，以保證系統安全性為基礎，利用發電權交易來實現國家節能減排的目標和發電權交易參與雙方取得最大社會效益問題是值得深入研究的。本文在結合現行電力行業減排政策和發電交易基本原理的同時，提出以碳排放和出力成本為約束，并將碳排放量計入一種可交易商品的情況下求取系統最大社會效益的模型。新模型在以系統安全運行為前提條件下，能夠兼顧發電權交易的經濟性和國家節能減排基本要求。

1 發電權交易發電成本模型

1.1 發電成本計算

目前我國發電廠分為清潔能源發電廠和非清潔能源發電廠，其中非清潔能源又以火力發電廠為主，本文對于發電機組的討論僅限于火電機組。火力機組又以燃煤機組污染較為嚴重。對于絕大多數火力發電廠而言，其成本大致由燃料成本、輔機成本和其他成本三部分組成。不同機組由于技術原因導致其燃料利用率不同，設備新舊程度不同和地方勞動力條件不同導致不同機組的發電成本有所不同。所以對于某一機組而言，短時間內無重大外力影響（如機組升級更新，以氣代煤等）其發電成本系數是不變的（具體參考文獻[11]）。

1.2 發電成本的優化模型

目前我國發電權交易方向以國家政策指導為主，大致包含用大機組取代小機組、關停小機組火電站、調整電源結構等幾個方向。因為缺少追逐利潤的空間導致電力市場能動性不高。因此，本文提出通過追求社會效益來確定新發電權交易方向。因為發電廠在運行過程中，不同的機組發電成本系數不一樣，且短時間難以改變或改變成本過大。因此可以利用發電權交易，通過改變不同機組有功出力方式，縮減高成本發電機組的發電量份額，增加低成本發電機組的發電量份額。從而使整個系統在總的發電額度不變的情況下，降低系統整體發電成本，達到增加社會效益的目的。

2 碳排放模型

2.1 碳排放量額度

根據《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》所提出的計劃要求，政府提出2015年全國單位國內生產總值CO2排放量比2010年下降17%的目標。面對國家制定的減排目標，火力發電作為電力行業的CO2排放整改目標，對碳排放量的減少已經刻不容緩。對于國家大目標的實現，必須進行一些行業和地區的任務分攤。電力行業作為減排的標志行業，面對國家減排計劃，必須提出碳排放額度這一概念。根據像大燃煤機組，小燃煤機組和燃氣機組等不同的類型火力發電機組運行時碳排放強度會有較大的差異。但同一種機組在運行過程中認為其碳排放強度是大致不變的。因此只需要保證在發電過程中單位時間內系統中各個機組碳排放總量要小于規定的碳排放額度就可以實現國家減排計劃，具體參考文獻[8]：

2.2 碳排放量優化目標

目前國內可行的減排措施主要分為三種：

1） 減少化石能源的使用，提高清潔能源比重；

2） 采用碳捕集技術，文獻[4]對CCS技術做了詳細介紹；

3） 用排放強度低的機組取代排放強度高的機組，實現設備升級。

由于技術1和技術2的推廣還存在一些問題（如造價太高，清潔能源稀少等）難以大面積推廣，因此主要研究討論第三種減排技術。本文提出一種新的發電權交易模型，模型通過碳排放額度的約束使得發電權的交易方向由高污染機組向低污染機組轉移。模型通過交易調整得到系統最優的有功出力方式使高能耗機組減少其發電份額，低成本、低能耗的機組獲得更多的發電份額。模型構建如下：

2.3 碳排放量經濟效益轉化模型

隨著國家政策的實施，節能減排的力度也將不斷加大，對于碳排放量的要求也將會有越來越嚴格的要求。對于電力行業而言，這是一個很大的挑戰同時也是機遇，當發電企業的碳排放量超過政府分配的碳排放量額度時，企業需要接受相關規定的處罰。所以就某方面而言，碳排放權或排放指標已經成為一種流通的商品，并且具有一定價值。碳排放水平高的機組超過碳排放額度時就可以通過購買其他企業的碳排放權來免除高額處罰，碳排放水平低的機組可以將剩余的碳排放權通過出售給碳排放量超標的企業來獲得利潤。因此在未來電力行業發展中，碳排放強度低的機組將有著更強的市場競爭力，有利于整個電力行業的產能升級。因此將碳排放權具體量化成一種特殊商品，并鼓勵排放量低的機組將剩余的碳排放權出售進行獲利，從而提高行業的減排積極性。設置碳排放量價格為[kc]，單位為元/t。優化模型為：

3 優化收益模型

3.1 優化收益模型的建立

通過電力市場發電權交易，整個市場的總售電量并沒有改變，但是不同機組的發電成本不一致，碳排放量不同，導致整個過程中參加發電權交易的電廠都會產生一定的收益。這種收益就是使交易自發運行的動力。在考慮發電成本和碳排放量的情況下以社會效益最優為目標的模型需要分析系統交易后的可控發電機的有功出力方式，通過有功出力方式的優化，挖掘出交易過程中產生的最大社會效益。新模型運行過程中以安全性和穩定性為原則，以優化有功出力方式為手段，取得最大社會效益為目的。為了簡化計算，模型結算時間設為1 h，新模型可表達為：

其中：式（7）和式（8）為運行點和極限點的潮流約束方程；式（9）和式（10）分別為機組有功出力約束和電壓幅值約束；式（11）和式（12）為機組的無功約束；式（13）為社會效益約束；式（14）為負荷裕度約束。式（15）為碳排放量約束。

4 算例分析

在IEEE 30，39，57和118節點系統上驗證模型的有效性。對于以下算例，都設定系統的基礎數據就是系統在運行點的數據。負荷增長因子[λp]取10%，增長方式[b]為等比例增長，負荷裕度閾值[λref]設為1.05，0.9，1.35和0.75。采用參考文獻[8]的數據，取得碳排放約束值[Ce]，上網電價取[Qc=]69美元/MW?h。利用參考文獻[10]的數據得到發電成本系數。利用參考文獻[11]得到數據[kc=]6.5美元/t。

以測試系統計算參數（見表1）為依據，分別對本文提出三種模型的計算結果進行對比和分析，得到每種模型的優缺點。其中，社會效益表示系統能夠取得的經濟效益，碳排放率表示系統在發電過程的二氧化碳排放量，即該系統的環保性能的高低。而網損率表示系統的節能指標，在一定程度上體現模型的節能性，本文不做深入分析，只作為一個參考量。

1） 只考慮碳排放約束下的社會效益優化模型，通過優化后系統的碳排放量得到系統網損率及系統能夠取得的社會效益，如表2所示。

由表2可知，在考慮碳排放約束優化模型中，測試系統中各節點碳排放量測試結果都小于碳排放額度[Ce]。由于滿足約束條件式（7）～式（14）可知，系統滿足安全性要求，從利潤結果分析可知，優化后的模型社會效益大于測試系統產生的社會效益。系統優化后雖然取得一定的減排效果，但取得的社會效益并不是很多，模型還有待改進。

2） 只考慮發電成本約束下社會效益最優模型，通過優化后系統的社會效益得到系統網損率及系統的碳排放量，如表3所示。

對表3數據分析，通過對比考慮發電成本約束下的優化模型和前面兩種模型可知，優化模型中各節點得到的社會效益均大于測試系統和考慮碳排放量的優化模型，但值得注意的是，表3中的碳排放量大于系統測試中的碳排放量閾值，特別是IEEE 39和IEEE 118節點系統，碳排放量超過了166.747 t和114.141 t。說明模型2在一定程度是靠犧牲環境來提高利潤的。

3） 考慮碳排放量和發電成本雙約束下社會效益最優模型，其優化結果如表4所示。

對比優化模型1和3可知，雖然碳排放量有所增加，但總體的碳排放量卻沒有超過碳排放額度要求，且社會效益又有著明顯的增長，以IEEE 39和IEEE 118節點系統為例，同比碳排放量增加為0.86%和1.12%，同比例經濟增長率為1.58%和2.49%。因此模型3比模型1更有經濟性。對比優化模型2和3可知，同比例碳排放量下降了17.81%和7.78%，但是同比例經濟僅下降0.02%和0.09%。所以在降低能耗方面，模型3比模型2更加具有減排環保的特性，結合3個模型可知，模型3有著更好的經濟性和環保性。同時考慮到模型的網損率水平較低，模型更具有一定的節能性。

5 結 論

本文提出把出力成本和碳排放量作為約束的發電權交易優化模型，模型把碳排放權轉化為一種特殊的經濟商品。根據商品的價格特性可以將其轉化為另一種形式的機組發電成本。從系統的經濟性、減排性和安全性等多方面考慮，模型在多種節點類型系統上運行結果證明如下：

1） 在僅僅考慮碳排放約束下進行交易優化時，雖然能保證系統發電過程中總的碳排放量不會超過設定的碳排放額度，滿足國家減排政策的需求。但其整體社會效益不高，根據市場追利的特性。這種方法并不能有效促進電力交易市場的活力，增加交易成功率。在只考慮成本約束下的發電權交易中，雖然能夠取得很大的社會效益，對于發電權交易雙方而言，本身都是具有很大吸引力的交易模型，但是這種模式下的碳排放量超過了碳排量的最高額度，與國家節能減排的口號相矛盾，不利于國家環保政策的實施。

2） 為了在滿足減排政策的同時追求最大社會效益，保持電力市場活力，可在交易中設置碳排放約束和發電成本約束，通過優化系統有功出力方式，滿足系統減少碳排放量和追求最大社會效益的雙目標。為了保證整個發電權交易都是在滿足系統安全性的條件下進行，需要在電壓臨界點處建立潮流方程進行約束。

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