基于電碳耦合的配電網(wǎng)電源規(guī)劃

施 勇，顧唯華，劉 睿，徐 韜，陳 聰，沈海丹，賀 康

(1.國網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150； 2.上海電力大學(xué)，上海 200090)

“節(jié)能”“減排”“可持續(xù)發(fā)展”已然成為當(dāng)著世界能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢，電力行業(yè)也提出了低碳環(huán)保的新要求。

在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)“低碳”主要有兩種方法[1]：一種是吸收和固定二氧化碳，在電力系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在電廠碳捕集能力的提升；另一種是提高清潔能源的比例，減少對化石能源的過度依賴，在電力系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在風(fēng)、光等可再生能源裝機(jī)容量的增加[2-4]。由于碳捕集存在諸多限制，因此高比例可再生能源接入電網(wǎng)就成為大趨勢，隨之也帶來了電源規(guī)劃方面的轉(zhuǎn)變。

1 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃

以常規(guī)電源為主的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源規(guī)劃，首先是進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，然后根據(jù)峰荷確定電源容量，并留有一定量的備用，這樣就能夠保障電量、電力供需之間的平衡。

傳統(tǒng)電源(火電、水電)既能保證穩(wěn)定性又能提供靈活性，滿足負(fù)荷側(cè)靈活性需求。文獻(xiàn)[5]建立了以規(guī)劃期內(nèi)費用最小為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)電源規(guī)劃模型，其中靈活性需求主要來源于負(fù)荷側(cè)的波動。

2 新型電力系統(tǒng)的電源規(guī)劃

在新型電力系統(tǒng)中，高碳機(jī)組(火電)在系統(tǒng)中的裝機(jī)比例降低及可再生能源(風(fēng)電及光伏)的大幅接入電網(wǎng)導(dǎo)致整個系統(tǒng)的靈活性需求急劇增加，電力系統(tǒng)的靈活性問題迫切需要解決。在這種情況下，就需要添加靈活性資源來滿足系統(tǒng)的靈活性需求[6-7]。

目前國內(nèi)外有不少關(guān)于各側(cè)靈活性資源如何協(xié)調(diào)配置的研究。文獻(xiàn)[8]在電源的規(guī)劃方面將風(fēng)光等分布式電源、主動負(fù)荷及大電網(wǎng)供電納入考慮范疇，并將其都視為等效電源，建立每類電源的成本-時間曲線，求解最小費用目標(biāo)函數(shù)；文獻(xiàn)[9]分別設(shè)置微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲能及需求響應(yīng)作為靈活性資源，建立了含高比例可再生能源的電源雙層規(guī)劃模型，上層為規(guī)劃層目標(biāo)是電源的中長期規(guī)劃成本最小，下層為運行層求解年運行成本的最優(yōu)解，上層模型提供配置方案，下層模型提供運行策略，雙層模型不斷迭代求得最優(yōu)解；文獻(xiàn)[10]選取源層(DG運營商)-網(wǎng)層(配電公司)-荷側(cè)(需求側(cè)響應(yīng))三方利益協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，追求三側(cè)的經(jīng)濟(jì)型求解最優(yōu)的電源規(guī)劃方案；文獻(xiàn)[11]采用K-means聚類將負(fù)荷與風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，處理了風(fēng)電和負(fù)荷之間的相互不確定性問題，在此基礎(chǔ)上建立了風(fēng)-火-儲-可中斷負(fù)荷聯(lián)合電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[12]對各類型靈活性資源進(jìn)行建模，并代入了靈活性定量評估的環(huán)節(jié)來保證系統(tǒng)充足的靈活性，考慮運行與規(guī)劃兩個時間尺度，建立了中長期的電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[13]考慮到風(fēng)電出力與負(fù)荷預(yù)測的不確定性，在模型中加入考慮系統(tǒng)總預(yù)測誤差不確定性的旋轉(zhuǎn)備用容量約束，建立了基于碳交易的考慮風(fēng)、荷不確定性的低碳電源規(guī)劃模型，采用隨機(jī)機(jī)會約束規(guī)劃法將不確定約束條件確定化；文獻(xiàn)[14]對電力系統(tǒng)的靈活性供需關(guān)系進(jìn)行分析，提出了靈活性充裕度與靈活性運行安全域，同時以儲能為主要的靈活性資源，提出了考慮靈活性供需平衡的源-網(wǎng)-儲一體化規(guī)劃方法。

3 基于電碳耦合的配電網(wǎng)電源規(guī)劃

本文在考慮碳約束的情況下建立源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同電源規(guī)劃模型，選擇以火電機(jī)組、水電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組及光伏電池作為電源。模型中考慮高比例的風(fēng)電和光伏資源，而這些資源具有明顯的波動性和隨機(jī)性。因此，為了保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文分別在源端、荷端和儲端安排靈活性資源對源端出力及負(fù)荷側(cè)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，建立了由投資成本模型和生產(chǎn)模擬運行成本模型組成的電源規(guī)劃模型。

系統(tǒng)的總規(guī)劃成本可由投資成本及生產(chǎn)運維成本求和得到。

Ccost=Cinv+Cp

(1)

式中Ccost——系統(tǒng)的總規(guī)劃成本；Cinv——新型電力系統(tǒng)在規(guī)劃年內(nèi)的投資建設(shè)成本；Cp——系統(tǒng)整體的生產(chǎn)運維成本。

3.1 投資成本模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Cinv,a,t——電力系統(tǒng)中常規(guī)電源的投資建設(shè)成本；Cinv,b,t——源端、荷端及儲端配置的靈活性資源的投資成本；daτ——第τ年是否支付投資建設(shè)成本，0，1變量；T——規(guī)劃期；M——風(fēng)電機(jī)組、光伏電池、水電廠、火電廠、生物質(zhì)能五類常規(guī)電源；N——源端、荷端及儲端配置的靈活性資源；Paτ和caτ——第τ年常規(guī)電源增加的裝機(jī)容量和單位裝機(jī)容量建設(shè)成本；Ya——各類電源的使用壽命；θ——利率。

3.1.2 約束條件

(1)電力約束

(7)

(8)

(9)

(2)電量備用約束

(10)

式中Hat、Dt、Sdt——第t規(guī)劃年各類常規(guī)電源的年利用小時數(shù)、全年社會用電需求和用電量備用率。

(3)電源利用小時數(shù)約束

(11)

(4)資源稟賦約束

(12)

(5)電源比例約束

(13)

式中 分子、分母——第t年清潔能源發(fā)電與整個系統(tǒng)的總發(fā)電量，發(fā)電量由年利用小時數(shù)與最終裝機(jī)容量的乘積得出；εt——第t年清潔能源發(fā)電量的最小占比。

(6)碳排放約束

(14)

(7)其他約束

(15)

3.2 生產(chǎn)模擬運行成本模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(16)

(17)

(18)

Eat=ΔPatHat

(19)

(20)

3.2.2 約束條件

(1)機(jī)組出力上下限約束

(21)

(2)功率平衡約束

(22)

式中Pt,d——運維過程中各個時刻的負(fù)荷需求。

4 實證分析

以上海崇明電網(wǎng)作為算例，進(jìn)行中長期電源規(guī)劃。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況設(shè)置靈活性資源：源端(燃?xì)怆姀S)、荷端(電動汽車)、儲端(儲能裝置)。

4.1 負(fù)荷情況分析

根據(jù)崇明電網(wǎng)數(shù)據(jù)，過去10 a崇明電網(wǎng)的峰荷情況如表1及圖1所示。

表1 2010—2020年崇明電網(wǎng)年最高負(fù)荷及其增長率

圖1 2010—2020年崇明電網(wǎng)年最高負(fù)荷及其增長率

由圖1可以看出，崇明在過去10 a里峰荷有3次較大幅度的下降，分別在2011年、2014年及2018年。年最高負(fù)荷總體呈現(xiàn)上升趨勢，并且在2018年之后隨著崇明生態(tài)島產(chǎn)業(yè)布局的逐步實施，“十四五”期間年最高負(fù)荷增長率將呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。

2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會用電量及其增長率情況如表2及圖2所示。

表2 2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會用電量及其增長率

圖2 2010—2020年崇明電網(wǎng)全社會用電量及其增長率

由圖2可以看出，崇明電網(wǎng)2012和2014年受經(jīng)濟(jì)增長放緩、天氣異常等因素影響，全社會用電量有所下降，全社會用電量增長率也因此下降，但隨著全社會用電量的平緩提升，其增長率也將平穩(wěn)增長。

隨著“崇明世界級生態(tài)島”概念的提出，工業(yè)將逐步遷出崇明島，崇明島用電量增長放緩。后續(xù)隨著崇明生態(tài)島新形態(tài)的開發(fā)，崇明全社會用電量將呈穩(wěn)定增長趨勢。

4.2 場景建立

根據(jù)《崇明供電公司鄉(xiāng)村電網(wǎng)規(guī)劃報告》，“十四五”期間崇明電網(wǎng)全社會用電量年均增長率為7.03%、峰荷年均增長率為8.22%，2025—2035年全社會用電量年均增長率為0.58%，峰荷年均增長率為1.44%。

本文根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果建立初始場景一，為了方便計算取“十四五”期間全社會用電量年均增長率為7%，峰荷年均增長率為8%，2025—2030年全社會用電量年均增長率為0.5%，峰荷年均增長率為1.5%。故場景一中2021—2030年內(nèi)負(fù)荷及全社會用電量預(yù)測結(jié)果如表3所示。

表3 場景一2021—2030年崇明電網(wǎng)峰荷及會社會用電量預(yù)測

考慮到負(fù)荷的波動性，本文在場景一的基礎(chǔ)上將各時期峰荷及全社會用電量增長率增加0.5%建立場景二，在場景一的基礎(chǔ)上將各時期峰荷及全社會用電量增長率增加1%建立場景三，各場景情況如表4所示。

表4 各場景峰荷及全社會用電量變化率 %

4.3 電源基本數(shù)據(jù)

本文在對崇明電力系統(tǒng)電源進(jìn)行規(guī)劃時，為了預(yù)防新能源的過度裝機(jī)及考慮崇明生態(tài)島的低碳屬性，根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的電源數(shù)據(jù)及其規(guī)劃年內(nèi)資源剩余可開發(fā)潛力，對各類電源規(guī)劃期內(nèi)的最大新增裝機(jī)進(jìn)行限制，其中負(fù)荷側(cè)靈活性資源的響應(yīng)潛力假設(shè)為規(guī)劃年的10%。具體電源數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 現(xiàn)有電源數(shù)據(jù)及其規(guī)劃年內(nèi)的裝機(jī)限制 MW

4.4 規(guī)劃結(jié)果及分析

本文以前文建立的規(guī)劃模型為基礎(chǔ)，針對崇明生態(tài)島的負(fù)荷及電源數(shù)據(jù)，利用Cplex軟件進(jìn)行求解，得到各個場景2030年的規(guī)劃結(jié)果如表6所示。

場景一中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.0%，相比初始裝機(jī)時的53.9%已有較大改進(jìn)，同時也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場景一與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加178 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲側(cè)靈活性資源提供。同時電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲能裝機(jī)要求。

表6 多類型靈活性資源規(guī)劃結(jié)果 MW

場景二中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.0%，相比初始裝機(jī)時的53.9%已有較大改進(jìn)，同時也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場景二與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加178 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲側(cè)靈活性資源提供。同時電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲能裝機(jī)要求。

場景三中，2030年可再生能源發(fā)電占比為60.9%，相比初始裝機(jī)時的53.9%已有較大改進(jìn)，同時也達(dá)到了規(guī)劃目標(biāo)中在2030年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到60%的目標(biāo)。場景三與初始裝機(jī)相比光伏裝機(jī)增加200 MW，剩余負(fù)荷由荷側(cè)、儲側(cè)靈活性資源提供。同時電源配置符合可再生能源配備至少15%的儲能裝機(jī)要求。

4.5 低碳約束對規(guī)劃結(jié)果的影響分析

以崇明生態(tài)島的電力數(shù)據(jù)為基本算例建立源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同規(guī)劃模型，順應(yīng)國家碳達(dá)峰、碳中和要求，為了達(dá)到生態(tài)島低碳要求設(shè)置了兩種約束對整個電力系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行約束。

針對兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，可以將一個具體場景展開為4種情況進(jìn)行分析，研究兩種約束條件對系統(tǒng)規(guī)劃年內(nèi)規(guī)劃結(jié)果的影響。首先對場景一～場景三進(jìn)行分析，將3個場景分為4種情況：兩種低碳約束條件都考慮(條件一)；不考慮碳排放約束(條件二)；不考慮電源比例約束(條件三)；兩個約束都不考慮(條件四)。規(guī)劃的具體結(jié)果如表7～9所示。

對場景一～場景三的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)場景一和場景二在兩種低碳約束條件都考慮和只考慮電源比例約束時的規(guī)劃結(jié)果相同，另外兩種情況的規(guī)劃結(jié)果相同。但是，場景三的4種條件下的規(guī)劃結(jié)果均相同。對3個場景的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行分析可以得出：兩個低碳約束條件僅會影響系統(tǒng)的光伏裝機(jī)及儲端可再生資源的裝機(jī)。在場景三中，光伏裝機(jī)容量達(dá)到規(guī)定值不再變化，故在不同低碳約束條件下的規(guī)劃結(jié)果都保持相同。

表7 場景一各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

表8 場景二各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

表9 場景三各種情況下的規(guī)劃結(jié)果 MW

為了對兩種低碳約束條件對生態(tài)島電力系統(tǒng)的規(guī)劃結(jié)果的影響進(jìn)行評估，需要對約束條件真正影響的指標(biāo)進(jìn)行分析。本文采用兩個低碳約束條件的目的是為了達(dá)到生態(tài)島電力系統(tǒng)低碳的要求，因此可以采用高碳機(jī)組的裝機(jī)容量在整個生態(tài)島電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量的占比來描述兩種約束條件的效果。

各場景在不同約束條件下高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比如表10所示。

表10 各場景在不同約束條件下高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比 %

如表10分析結(jié)果所示，在不加兩個低碳約束條件限制時高碳機(jī)組裝機(jī)容量在總裝機(jī)容量的占比要大于考慮兩種低碳約束條件的情況，可以證明低碳約束條件達(dá)到了低碳的效果。另外對場景一和場景二的高碳機(jī)組裝機(jī)容量占比進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)碳排放約束對高碳機(jī)組裝機(jī)容量占比沒有體現(xiàn)，對低碳效果指標(biāo)起到作用的是電源比例約束。對兩種低碳約束條件的作用進(jìn)行分析也易得此結(jié)論，因為碳排放約束并不會影響生態(tài)島電力系統(tǒng)中各電源的裝機(jī)占比，僅對高碳機(jī)組進(jìn)行限制，而真正影響占比的是電源比例約束。

5 結(jié)語

從投資和運行維護(hù)兩個部分對電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲各側(cè)電源裝機(jī)容量進(jìn)行中長期規(guī)劃，建立了電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同優(yōu)化配置模型。以崇明生態(tài)島電力系統(tǒng)為基本算例，結(jié)合地域相關(guān)政策及當(dāng)?shù)貙嶋H情況對崇明生態(tài)島的電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，針對不同場景給出相應(yīng)的電源規(guī)劃情況，可為電力系統(tǒng)的可靠供電提供建設(shè)性意見。對兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，研究了兩種低碳約束條件達(dá)到低碳效果的不同形式，分析了兩種低碳約束條件都存在時對電源裝機(jī)容量規(guī)劃結(jié)果的影響，討論了系統(tǒng)在高碳機(jī)組裝機(jī)容量受到限制無法擴(kuò)建時，采用光伏及儲能調(diào)節(jié)系統(tǒng)中可再生能源的占比。

本文沒有考慮電力系統(tǒng)的靈活性量化的問題，若可以將靈活性轉(zhuǎn)化為數(shù)值指標(biāo)，就可以對各種靈活性資源的靈活性進(jìn)行評估，這對解決如今新型電力系統(tǒng)面臨的靈活性資源選擇的問題有很大幫助。通過對兩種低碳約束條件進(jìn)行分析，采用高碳機(jī)組裝機(jī)容量的占比(可再生能源裝機(jī)容量占比)來對兩種低碳約束條件進(jìn)行評估，但是碳排放約束在低碳上的效果沒有體現(xiàn)出來。因此，為了描述低碳約束條件的作用，需要一個可以對碳排放約束進(jìn)行評估的指標(biāo)。