尚美美, 董福貴

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京102206)

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含清潔能源的電源結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化

尚美美, 董福貴

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京102206)

促進(jìn)清潔能源并網(wǎng)是緩解化石能源約束趨緊與環(huán)境日益惡化的重要手段，并網(wǎng)后電源結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)優(yōu)化將直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于含優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)規(guī)劃理論，建立了以環(huán)境效益為第一優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)函數(shù)。將滿足社會(huì)用電需求和電源穩(wěn)定性作為剛性約束條件，煤炭消耗以及污染物和CO2排放作為主要控制條件，同時(shí)考慮各電源發(fā)電量未來的變化情況對(duì)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多場景分析。最后應(yīng)用LINGO軟件求解得出2020年3個(gè)場景下各類電源的發(fā)電比例。

電源結(jié)構(gòu)；清潔能源；目標(biāo)規(guī)劃；多場景分析

0　引言

合理的電源結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，深入研究電源結(jié)構(gòu)，確保不同電源形式間的協(xié)調(diào)優(yōu)化是保障電力安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。我國煤炭在儲(chǔ)量上與其他能源相比有一定優(yōu)勢(shì)，這也形成了以火電為主，輔以水電、風(fēng)電、核電等其他電源形式的電源結(jié)構(gòu)。但煤炭儲(chǔ)量面對(duì)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生的用電需求仍顯不足。而且，化石燃料的大量消耗給環(huán)境帶來了相當(dāng)大的污染。我國承諾到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右，就目前清潔能源的利用情況來看，依然任重而道遠(yuǎn)[1]。

改善以火電為主的電源結(jié)構(gòu)不僅有利于緩解化石燃料面臨枯竭的危機(jī)，而且有利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[2]建立了基于多目標(biāo)決策的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并應(yīng)用遺傳算法求解得出內(nèi)蒙古地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]考慮如何在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，建立了以經(jīng)濟(jì)優(yōu)先和環(huán)境優(yōu)先的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[4]通過分析內(nèi)蒙古的三大發(fā)電能源可用資源狀況以及其可開發(fā)利用的潛力，通過與國外的電源結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，總結(jié)出內(nèi)蒙古電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向。文獻(xiàn)[5]分析了我國發(fā)電側(cè)CO2減排途徑，建立了不同目標(biāo)下的發(fā)電調(diào)度優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[6]基于目標(biāo)規(guī)劃建立了分別以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境為目標(biāo)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，應(yīng)用微分遺傳算法得出電源結(jié)構(gòu)。仔細(xì)分析上述文獻(xiàn)，因分析問題的角度不同，選取污染物種類以及電源種類不同得出的結(jié)論差異較大，電源結(jié)構(gòu)考慮不全面；目標(biāo)規(guī)劃方法的應(yīng)用中全部采用柔性約束，忽略了剛性約束，使得分析結(jié)果往往與實(shí)際情況有一定沖突；多場景分析只針對(duì)單一因素，缺乏靈活性。

本文分析了發(fā)電過程中產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx以及煙塵排放，選取電源種類包括：火電、水電、風(fēng)電、核電、光伏發(fā)電以及其他電源；建立了含剛性約束條件的目標(biāo)規(guī)劃模型；應(yīng)用多場景理論分析了2020年3種限制條件下的電源結(jié)構(gòu)。

1　基于目標(biāo)規(guī)劃理論的電源結(jié)構(gòu)分析

對(duì)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化是目前促進(jìn)清潔能源并網(wǎng)的重要舉措[7]。在化石能源約束趨緊以及環(huán)境日益惡化的雙重背景下，以環(huán)境效益為目標(biāo)對(duì)含清潔能源的電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)具有重要意義，但是由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，在以環(huán)境效益為目標(biāo)的情況下，還必須要滿足經(jīng)濟(jì)、能源等方面的約束條件。目標(biāo)規(guī)劃是求一組變量的值，在滿足一組目標(biāo)約束(柔性約束)和資源約束(剛性約束)條件下，實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)和實(shí)際可能完成的目標(biāo)之間偏差最小[8]。所以目標(biāo)規(guī)劃在優(yōu)化含清潔能源的電源結(jié)構(gòu)這一問題上具有很強(qiáng)的適用性。

1.1假設(shè)條件

含清潔能源的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化要綜合考慮各種復(fù)雜因素，鑒于模型的構(gòu)建方便和數(shù)據(jù)的可獲得性，需對(duì)此模型做出如下假設(shè)：

(1)火電燃料只有煤炭，統(tǒng)計(jì)歷年發(fā)電數(shù)據(jù)可知，火電廠發(fā)電燃料包括：煤炭、燃油、燃?xì)狻⒚喉肥?、生物質(zhì)、垃圾、余溫余壓等，為方便計(jì)算，其他燃料忽略不計(jì)[9]。

(2)只考慮發(fā)電過程中的污染物排放，其余過程中產(chǎn)生的污染物忽略不計(jì)。

1.2目標(biāo)函數(shù)

引入含優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)函數(shù)的通用形式如式(1)所示：

(1)

1.3剛性約束

本文建立的目標(biāo)規(guī)劃模型旨在嚴(yán)格滿足社會(huì)用電需求和電源穩(wěn)定性的前提下，以環(huán)境效益為主要目標(biāo)，故應(yīng)滿足的剛性約束如下：

(1)電力需求約束

電力需求約束即發(fā)電量必須滿足全社會(huì)用電需求。含清潔能源的電源結(jié)構(gòu)也必須以滿足社會(huì)電力需求為主要目的。其約束條件為：

(2)

式中：i取值為1～6，表示6類電源，分別是火電、水電、風(fēng)電、核電、光伏發(fā)電、其他電源；xi表示第i類電源在目標(biāo)年的發(fā)電量；D表示目標(biāo)年用電需求總量。

(2)可靠性約束

電力系統(tǒng)的電源容量除了滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求外，還需要一定的備用容量以保證系統(tǒng)的供電可靠性和電源性能[10]。系統(tǒng)在目標(biāo)年全部可用裝機(jī)容量應(yīng)大于或等于最大負(fù)荷與必要的備用容量之和，如式(3)。

(3)

式中：G表示電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量；r表示電力備用率(%)，國際要求：12%～25%，取最低要求比例12%；L表示目標(biāo)年最大負(fù)荷需求。

1.4柔性約束

一些約束條件可以通過引入偏差變量，使得剛性約束轉(zhuǎn)為柔性約束，彌補(bǔ)剛性約束缺少靈活性的特點(diǎn)，從而增加最優(yōu)解的求解機(jī)會(huì)。

(1)煤炭消耗約束

化石能源的緊缺與環(huán)境的日益惡化致使不得不對(duì)煤炭的消耗采取一定限制。則需滿足約束條件x1×C≤Q，引入偏差變量后表示為

(4)

(2)環(huán)境約束

由于作為清潔能源的風(fēng)電和光伏具有清潔、無污染的特點(diǎn)，所以其對(duì)環(huán)境的污染影響忽略不計(jì)。所以環(huán)境約束主要考慮火電對(duì)大氣排放的污染物，火電廠的污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、煙塵等。

SO2排放量：

SO2排放應(yīng)滿足x1×αSO2≤LS，引入偏差變量后則表示如下式：

(5)

NOx排放量：

NOx排放應(yīng)滿足x1×αNOx≤LN，引入偏差變量后則表示如下式：

(6)

煙塵排放量：

煙塵排放應(yīng)滿足x1×αy≤Ly，引入偏差變量后則表示如下式：

(7)

CO2排放量：

CO2排放應(yīng)滿足x1×αCO2≤LC，引入偏差變量后則表示如下式：

(8)

(3)電源占比約束

(9)

1.5目標(biāo)規(guī)劃模型

根據(jù)以上分析，建立的目標(biāo)規(guī)劃模型如下：

(10)

(11)

2　基于3種場景的電源結(jié)構(gòu)分析

2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

據(jù)中電聯(lián)預(yù)測，2020年全國全社會(huì)用電量為77 000億kW·h[11]。本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于文獻(xiàn)[12，13]。文獻(xiàn)提出我國火電主要大氣污染物控制目標(biāo)中，預(yù)計(jì)到2020年，火電燃煤量為23～24億t；電力行業(yè)煙塵、二氧化硫、氮氧化物、溫室氣體排放量分別降至20～30萬t、100～150萬t、100～150萬t、47～50.2億t，其排放績效分別為0.04～0.06 g/(kW·h)、0.21～0.31 g/(kW·h)、0.21～0.31 g/(kW·h)、855 g/(kW·h)，本文分別取其均值。分析中采用的其他電力行業(yè)數(shù)據(jù)，如發(fā)電廠用電率、利用小時(shí)數(shù)、各電源發(fā)電量年均增長(降低)比例限制等均來自于中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒》[14]、《電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)資料匯編》[15]。發(fā)電廠用電率取值為4.83%，發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)取值為4 318 h時(shí)。為直觀表現(xiàn)，涉及到的具體數(shù)據(jù)如表1,2所示。

表1　約束限值及績效

表2　發(fā)電量增長率約束　%

其中，火電單位平均發(fā)電煤耗取值為310 g/(kW·h)。(數(shù)據(jù)來源：2015年12月國務(wù)院常務(wù)會(huì)議中決定，在2020年前，使所有現(xiàn)役電廠每千瓦時(shí)平均煤耗低于310 g。)

其中，發(fā)電量年均增長率下限取近6年數(shù)據(jù)的最低值，增長率上限取近6年數(shù)據(jù)的平均值[2]45。

2.23種場景分析

根據(jù)所得數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將煤耗總量和限制排放總量數(shù)據(jù)分為3種場景做具體的多場景分析。場景一限制較為寬松，體現(xiàn)了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求強(qiáng)烈，要求不超過預(yù)計(jì)值的最大值即可；場景二限制程度次之，體現(xiàn)了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境發(fā)展并重，要求不超過預(yù)計(jì)值的平均值；場景三限制較為嚴(yán)格，體現(xiàn)了國家以高質(zhì)量環(huán)境為主要目標(biāo)，要求不超過預(yù)計(jì)值的最小值。具體如表3所示。

表3　場景分析表　萬t

應(yīng)用LINGO軟件解出每一種場景下電源結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4　3種場景下的電源結(jié)構(gòu)

3種場景下對(duì)應(yīng)的煤耗量以及排放物的排放量見表5。

表5　3種場景煤耗量以及排放物量　萬t

由表4和表5可知，場景一中煤耗量和減排量限制相對(duì)較為寬松，結(jié)果顯示要求火電占比為64.00%，水電占比21.34%，風(fēng)電占比6.21%；場景二中由于約束條件相對(duì)嚴(yán)格，所以火電占比與場景一相比有所下降，為62.44%；場景三在約束最嚴(yán)格的基礎(chǔ)上得出的電源結(jié)構(gòu)中，火電占比49.95%，水電25.31%，風(fēng)電14.85%。3個(gè)場景經(jīng)計(jì)算得出的電源結(jié)構(gòu)確實(shí)可以有效地實(shí)現(xiàn)降低煤耗量、減少溫室氣體和污染物的排放量，但其電源結(jié)構(gòu)與2015年火電占比73.12%、水電占比19.89%、風(fēng)電占比3.35%的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比還有很大一段差距，考慮到現(xiàn)實(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、電網(wǎng)調(diào)峰的困難性、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的嚴(yán)重性，要實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)[12]所預(yù)測的2020年煤耗量、CO2排放量以及污染物排放量目標(biāo)，單靠清潔能源替代是不現(xiàn)實(shí)的。

3　結(jié)論

通過對(duì)2020年的電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即使在最寬松的限制條件之下，火電比例仍要降到64%才能滿足預(yù)計(jì)的節(jié)能減排要求。就我國目前的發(fā)電情況來看，僅僅通過調(diào)整發(fā)電側(cè)電源結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要從降低發(fā)電煤耗、CO2排放績效、污染物排放績效、強(qiáng)化污染防治等幾個(gè)方面同時(shí)入手，大力發(fā)展燃煤脫硫脫硝技術(shù)，促進(jìn)火電清潔化。由于搜集到的資料有限，建立的目標(biāo)規(guī)劃模型可以從約束條件方面進(jìn)一步完善，得到更精確、更接近實(shí)際的結(jié)果，為發(fā)電側(cè)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)提供參考。

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The Optimization of Power Structure with Clean Energy

SHANG Meimei, DONG Fugui

(School of Economic and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

As an important means to relieve the increasingly serious problems of fossil energy constraints and worsening environment, promoting the grid-connection of the clean energy power gets more and more attention. Optimization of power structure with clean energy affects the safe and reliable operation of the directly. Based on the objective programming-theory, an objective function which takes environment benefit as the first priority is built. Power structure under multiple scenarios is analyzed, taking social electricity demand and power stability as rigid constraints, coal consumption, emissions of pollutants and CO2as main control conditions, and the future changes of power generating capacity are also considered. The results under the three scenarios in 2020 are obtained by LINGO software.

power structure; clean energy; goal programming; multi-scenarios analysis

2016-05-10。

教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目(15YJA630011)。

尚美美(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)，E-mail：sdm1543422736@163.com。

F407.61

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.006