基于環境和經濟雙重約束的電源結構優化研究

楊 悅，陳仕軍，楊博宇，2，楊承軍

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.國網四川省電力公司信息通信公司，四川 成都 610041；3.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國共產黨的第十八屆五中全會審議通過了“十三五”規劃綱要，首次提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”五大理念，“十三五”期間是全國電力轉變發展方式、優化電源結構與布局的重要時機。電力作為最主要的二次能源，電力供應和安全事關國家安全戰略和經濟社會發展全局，在中國能源消費和生產中占有舉足輕重的地位，其結構調整也是經濟結構調整的重要組成部分。近年來，隨著中國經濟發展和人民生活水平進一步提高，用電需求快速增長。同時，電源結構逐漸向清潔可再生能源轉變，用電需求與電源資源的時空分布不協調、區域性過剩和發展不平衡的矛盾逐漸凸顯。如何在滿足國民經濟發展和人民生活需要的前提下，降低用電成本，充分挖掘可再生電源資源，減少污染物排放，實現綠色電能，是當前面臨的一個重要課題。

目前，國內外學者圍繞電源規劃模型進行了一定的探索，研究內容上主要圍繞如何協調能源、環境、經濟三者之間的關系。文獻[1]建立了基于環境約束的電源結構優化模型。文獻[2]建立了考慮系統調峰約束的水平年低碳電源規劃模型，把碳排放量以碳成本的方式計入求總成本最低的目標函數。文獻[3]基于目標規劃理論，建立了考慮剛性需求、柔性需求的目標規劃模型。文獻[4]探討了改進的遺傳算法在電源規劃中的應用，提出了環境友好系數的概念，建立了機組的環境效益模型，反映了發電機組在環境方面的特點。文獻[5]通過微分進化算法求解電源規劃模型，用改進熵權-物元可拓模型求解清潔能源的電源接入配電網對電網可靠性影響的顯著指標。文獻[6]介紹了目標規劃理論的原理、特點、研究現狀以及建模方法，建立了投資決策模型和電源規劃的生產模型，并通過多階段單純形解法和遺傳算法進行求解。

上述研究主要側重于考慮某一方面目標的電源規劃模型，鮮有綜合考慮環境和經濟約束的電源規劃模型。下面將運用目標規劃的理論，建立以經濟最優和環境最優為目標函數，考慮資源約束、技術條件和政策約束等約束條件的電源結構優化模型，采用“抱團式”的規劃思路[7]求解電源結構優化問題。最后，以四川省電源結構為例，開展實例研究，并與單目標模型進行對比分析，驗證所建電源結構優化模型的合理性和可行性，以期為電源規劃決策和調整提供科學的依據，助力能源供給側結構性改革。

1 電源結構優化模型

1.1 目標函數

兼顧經濟和環境的電源結構優化模型的目標函數主要包括總發電成本最小和碳排放總量最小兩個方面的目標，分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中：C為系統的總成本，億元；Ωm為待規劃電源類型的集合，包含火電、水電、風電、光伏發電等其他電源；Xm，0為第m類電源的初始裝機量，107W；Xm，t為第m類電源在t年的新增裝機量，W；cm，0為第m類電源的標桿電價，元/kWh)；cm，t為第m類電源在t年的邊際電價，元/kWh；Hm為第m類電源的利用小時，h。

(2)

式中：E為系統的總碳排放量，108g；em為第m類電源的碳排放量，g。

1.2 約束條件

電源結構優化模型還需滿足以下約束條件：

1)電量需求約束

電量需求約束即所有電源的發電量必須滿足全社會用電，包含省內電量需求和外送電量需求。其約束條件為

(3)

式中：Din，t為t年的省內需求電量；Dex，t為t年的外送電量。

2)可靠性約束

經濟和社會對電力的需求還包括持續、可靠的供電。電力供應的安全性，主要在于一次能源資源供給的可靠程度，風電、光伏發電等可再生能源由于間歇性和不可控性，對負荷供電的可靠性較傳統電源效果差。因此電力系統需要一定的備用容量以保證系統的供電可靠性和電源性能，即系統在目標年全部可用裝機容量應大于或等于省內和省外的最大負荷與必要的備用容量之和。其約束條件為

(4)

3)最大裝機容量約束

對于各類電源，由于受可開發的資源量、設備生產供應能力等的限制，其擴展容量存在上限。其約束條件為

(5)

4)電源結構約束

各類電源的發電裝機比例應該小于目標年份該地區的非化石能源發電裝機比例目標。其約束條件為

(6)

式中：Xh，0為火電的初始裝機量；Xh，t為t年的火電擴展裝機量；Pt為t年的非化石能源裝機比例。

表1 四川省電源裝機基本參數

2 實例分析

2.1 基礎數據

為了驗證上述模型的合理性和可行性，以作為全國優質清潔能源基地和國家清潔能源示范省的四川省為例開展模型驗證研究。四川省的電源結構以水電、風電、太陽能發電等非化石能源發電為主，同時還包含燃氣機組、燃煤機組等多種類型的發電資源。四川省能源資源呈現“水多、氣豐、煤少、油缺”的特點，風光資源不多，且主要集中于“三州一市”地區。為便于計算，結合四川省電源結構特點，只考慮水電、火電、風電和光伏4種電源類型。經資料查詢和整理，參考《四川省電力需求預測研究報告》[8]中負荷水平數據，得到四川省電源裝機基本參數如表1所示，四川省電力需求預測情況如表2所示。

表2 四川省電力需求預測情況

根據《四川省“十三五”能源發展規劃》[9]，到2020年全省非化石能源發電裝機比例為83.5%。2025年風電和光伏的裝機量分別要達到10 GW、5 GW；2030年分別達到14 GW、7.5 GW。結合不同開發時序下各水平年四川水電裝機規模情況，2025年、2030年水電裝機容量上限分別為108.39 GW、124.95 GW。火電包含燃煤機組、燃氣機組、生物質機組和余熱余壓機組，這里以燃煤火電機組為優化對象。根據四川省的實際情況，燃煤火電機組裝機容量的下限取16 GW、上限取20 GW，生物質、天然氣和余熱余壓的總裝機容量在2025年和2030年分別取4.56 GW和5.06 GW。

將上述數據代入電源結構優化模型，所建模型為線性模型，可輸入LINGO軟件進行求解。同時，為便于分析兼顧經濟和環境最優的電源結構優化模型的效果，分別將以經濟最優為目標和以環境最優為目標的電源結構優化模型的計算結果，與雙重目標下的計算結果進行對比。

2.2 計算結果

由于兩個目標函數都需要兼顧，兩者的重要性難以準確判斷，若直接選取權重系數將其轉換為單目標函數的話，得到的結果受主觀因素影響較大，不盡合理。為了在兩組含義不同的數據中間找到平衡，考慮通過碳排放成本對碳排放總量數據進行轉換，加以比較綜合經濟與環境指標得出較優的組合。

為實現減排目標，中國于2017年年底，啟動了全國碳排放交易系統(emission trading scheme，ETS)。在ETS中，碳價格是決定減排目標能否實現的關鍵因素，最優碳價格是實現減排目標的最小邊際減排成本。目前，中國碳價格太低，無法在地區排放交易機制中實現2030年的排放強度目標，因此需提高碳價格。最新的一項研究通過模擬中國ETS不同行業的邊際減排成本曲線，計算了不同行業覆蓋情景下的最優碳價格，其中電力部門承擔著最大的減排任務[10]。研究結果表明，邊際減排成本隨著行業參與度的增加而降低，為實現到2030年將碳強度從2015年水平降低42%～50%的目標，該文獻提出了以下可能性：如果中國ETS只覆蓋電力行業，碳價格至少1140元/t；如果覆蓋3個行業，碳價格至少680元/t；如果覆蓋8個行業，碳價格至少345元/t。這里以345元/t為碳價格進行數據的轉換比較，得到表3的電源結構優化結果。

按照上述基礎資料，分別將經濟最優和環境最優的單目標優化結果整理如表4所示。

2.3 結果分析

由表3可知，采用的規劃模型不同，規劃后的經濟指標和環境指標有較大差別。以經濟最優的優化模型中只考慮經濟成本沒有考慮環境效益，雖然水電的標桿電價比火電小，但其開發階段投資成本高，邊際電價高于火電，所以在只考慮經濟的目標函數下火力發電占很大優勢，火電的裝機容量直接受到清潔能源比例和火電裝機容量上限的影響。以環境最優的優化模型中只考慮環境效益，因水電的碳排放量遠小于火電，所以水電的裝機容量上升，火電裝機容量減少。此外，由不同水平年對比可知，由于水電、風電、光伏等可再生能源有較好的環境效益，能夠削減發電的碳排放量，降低環境成本，進而減少總投資。

表3 兼顧經濟與環境最優的電源結構優化結果

表4 單目標下電源結構優化結果

由表3、表4可知，考慮了碳排放成本后，2025年的兼顧經濟最優和環境最優的電源結構優化結果與環境最優的單目標優化結果相同，這說明為了實現我國節能減排目標而設定的最優碳價格下，身負重任的電力行業將盡量以環境最優為第一優先級考慮電源結構的優化。2030年的優化結果則與經濟最優的單目標優化結果相同，這表明在水電開發日益飽和，未來投資的邊際成本越來越高的情況下，一味想著增加水電裝機并不是最明智的選擇，應該大力發展風電、光伏等清潔新能源，同時也應當運用超超臨界技術適量發展火電。由此可見，所建立的兼顧經濟最優和環境最優的電源結構優化模型的結果更加符合四川省電源的實際情況，更加科學合理，能夠更好地為四川電力行業發展方向提供科學指導。

3 結 語

上面建立了兼顧經濟最優和環境最優的電源結構優化模型，并以四川省電源結構優化為例進行實例分析，以碳價格系數為橋梁進行多目標優化求解，得到了經濟與環境雙重利好下的電源結構優化結果。將其與經濟最優和環境最優的單目標優化結果進行對比，驗證了所建電源結構優化模型的合理性和可行性，該模型可為電源結構優化和電源規劃提供一種科學有效的工具。