階梯碳交易配電網(wǎng)綜合優(yōu)化模型

摘 要： 針對高滲透可再生能源并網(wǎng)所帶來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，考慮完善新型電力系統(tǒng)多能互補的支撐體系和挖掘系統(tǒng)碳減排潛力，基于風、光、水、儲等能源機組和民用、工業(yè)負荷，提出一種考慮階梯碳交易的有功無功綜合優(yōu)化模型。首先考慮階梯碳價約束，以網(wǎng)損、電壓差值、碳排成本為目標函數(shù)，引入萊默加權-多變異協(xié)作策略的差分進化（Lehmer weighted and multi-mutation cooperation differential evolution， LW-MCDE）算法，基于萊默加權、改進多變異協(xié)作、更新種群的策略提升差分進化算法的綜合尋優(yōu)能力。其次，使用LW-MCDE 算法求解有功無功綜合優(yōu)化問題。最后，通過3 種常用的測試函數(shù)檢驗算法的性能，并在改進的IEEE9 節(jié)點系統(tǒng)中驗證模型有效性。算法性能測試表明LW-MCDE 算法的收斂速度和全局尋優(yōu)能力優(yōu)于其他算法；算例結果表明考慮階梯碳交易，網(wǎng)損相較于優(yōu)化前降低56.27%，碳排放量降低10.42%。

關鍵詞： 有功無功綜合優(yōu)化; 階梯碳交易; 碳排放; 多能互補; 萊默加權

中圖分類號： TB9; TM714.3 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0139–09

0 引 言

隨著新型電力系統(tǒng)的建設和“雙碳”目標的推進，電力系統(tǒng)可再生能源的滲透率不斷提高，可再生能源并網(wǎng)的種類不斷增多，高滲透可再生能源的接入對并網(wǎng)后的電能質量和潮流分布產(chǎn)生較大影響，威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。同時，高滲透可再生能源接入電力系統(tǒng)后，電力系統(tǒng)的碳減排潛力得到提升，積極的節(jié)能減排措施有利于電力企業(yè)承擔社會責任。

為了實現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，一些學者從無功補償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，提出采用無功補償設備提高電力系統(tǒng)的無功支撐能力。文獻[1] 將電容器組、有載調壓器進行聯(lián)合調控，實現(xiàn)配電網(wǎng)的無功優(yōu)化；文獻[2] 在建模時將風機視作并網(wǎng)的連續(xù)無功電源，提高系統(tǒng)的無功調節(jié)能力；文獻[3] 針對電力系統(tǒng)接入高滲透分布式電源的電壓和潮流問題，提出重構和無功優(yōu)化兩階魯棒優(yōu)化策略；文獻[4] 將無功優(yōu)化和多能協(xié)同結合進行優(yōu)化調度；文獻[5] 對分布式光伏接入容量及線路有功功率損耗進行了綜合優(yōu)化。上述研究在高滲透可再生能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面卓有成效，但忽略了系統(tǒng)碳減排的潛力。

得益于大量可再生能源并網(wǎng)，雖然電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性下降，但系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和碳減排潛力得到大幅提升，另一些學者從有功調度的角度出發(fā)，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟性和挖掘碳減排潛力，文獻[6] 以階梯碳價實現(xiàn)了低碳性與經(jīng)濟性；文獻[7] 引入階梯式碳交易機制約束優(yōu)化系統(tǒng)，降低碳排量；文獻[8] 提出了優(yōu)化配置混合儲能設施以降低綜合能源系統(tǒng)碳排放的建議。上述研究在經(jīng)濟性的基礎上挖掘系統(tǒng)碳減排的潛力，對于可再生能源的消納和碳減排有重要意義，但沒有考慮網(wǎng)損，且忽略了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

此外，隨著多能互補支撐體系的建設，電力系統(tǒng)涉及多種能源機組和無功補償設備，控制變量的種類繁多、維度更高、計算更復雜。文獻[9] 證實了有功/無功聯(lián)合優(yōu)化優(yōu)于單一的優(yōu)化策略，但并未改進算法進一步提升優(yōu)化效果；文獻[10] 采用改進的遺傳算法對含雙饋感應風機的配電網(wǎng)進行優(yōu)化；文獻[11] 基于回溯迭代搜索-粒子群算法對配電網(wǎng)進行優(yōu)化，改善了算法的尋優(yōu)能力。上述研究的人工智能算法優(yōu)化多能互補綜合模型都有易陷入局部最優(yōu)、收斂精度不高、面對高維變量尋優(yōu)困難等缺點。

綜上，可再生能源并網(wǎng)無功優(yōu)化在挖掘碳減排潛力方面不足，而電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性方面不足。針對以上研究的不足，協(xié)同有功無功優(yōu)化，在多能互補的基礎上，考慮階梯碳價，實現(xiàn)降低網(wǎng)損、改善節(jié)點電壓、挖掘模型的碳減排潛力，建立一種考慮階梯碳價的有功無功綜合優(yōu)化模型。此外，針對多能互補綜合模型優(yōu)化過程中變量維度高，傳統(tǒng)算法尋優(yōu)困難的問題，引入LWMCDE算法，以正反向初始化、萊默加權-多變異協(xié)作策略和更新種群策略改進差分進化算法，提升算法面對高維變量的全局尋優(yōu)能力和收斂速度。最后，通過3 個常用測試函數(shù)檢驗算法性能，并在改進的IEEE9 節(jié)點系統(tǒng)的算例中驗證了模型有效性。