趙冬梅, 張 松, 王浩翔
(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)
作為全球碳排放量最大的國家,發(fā)展低碳經(jīng)濟,是我國的必由之路。我國在《巴黎協(xié)定》中承諾,到2030年實現(xiàn)碳排放強度下降60%~65%的目標。為此,國家制定了一系列政策機制,包括設(shè)立碳稅、建立碳交易市場等,為碳減排提供思路、營造環(huán)境,以燃煤發(fā)電為主要發(fā)電方式的電力行業(yè)更應(yīng)承擔其重大減排責任。為了推動我國電力行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型,核電作為清潔能源發(fā)展速度逐漸加快,核電機組在電力系統(tǒng)中的占比不斷提高[1],已成為繼火電、水電后的第三大發(fā)電能源[2,3]。
經(jīng)過國內(nèi)外核電機組的運行驗證,核電機組采取日調(diào)峰運行并不會對燃料性能產(chǎn)生影響,也不會造成一回路冷卻劑放射性濃度的上升[4-7],日負荷跟蹤運行的可行性以及壓水堆的可靠性得到了充分驗證,核電機組具備系統(tǒng)調(diào)峰的潛力[8],但目前仍多以基荷方式運行。
對于核電占比較高的電網(wǎng),核電如果繼續(xù)基荷運行,會擠壓風光等清潔能源的出力,而風光具有隨機波動性,未被消納的風光出力又會反作用于電網(wǎng),導(dǎo)致峰谷差不斷加大,因此核電機組有必要參與系統(tǒng)調(diào)峰。但考慮安全因素核電又不適合單獨承擔調(diào)峰任務(wù),需與電網(wǎng)中其他電源協(xié)同配合才能滿足調(diào)峰需要和自身安全性要求。
目前,核電機組參與系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰的運行模式尚在探索中,并且與碳交易機制的聯(lián)系也涉及較少。文獻[9-10]總結(jié)了核電機組負荷跟蹤的運行方式,通過仿真算例分析了核電機組參與調(diào)峰對緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力的重要意義。文獻[11]以法國核電機組調(diào)峰運行經(jīng)驗為基礎(chǔ),從調(diào)峰深度和調(diào)節(jié)速率兩方面說明了核電機組具備一定的調(diào)峰靈活性。文獻[12]在廣泛調(diào)查研究基礎(chǔ)上,對核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰的運行方式、核電與其他調(diào)峰電源的聯(lián)合調(diào)峰策略等問題進行了綜述。文獻[13]對比分析了采用“12-3-6-3”的負荷跟蹤模式和核電基荷運行時的運行成本,結(jié)論表明核電機組參與調(diào)峰對降低火電機組煤耗有顯著作用。文獻[14]詳細分析了核電與抽水蓄能機組聯(lián)合參與電網(wǎng)調(diào)峰時所產(chǎn)生的問題,提出了核電與抽水蓄能聯(lián)合運行的三種模式,但核電采用固定模式運行,靈活性有所欠缺。文獻[15-16]以電力盈余容量和下調(diào)峰盈余容量作為核電是否參與調(diào)峰的判據(jù),建立了多階段動態(tài)調(diào)峰優(yōu)化模型。文獻[17]以核電安全調(diào)節(jié)域為約束,采用兩階段調(diào)度方法,協(xié)調(diào)優(yōu)化風-光-核-水-火多源系統(tǒng),但其考慮風光全額消納,未考慮棄風棄光情景。文獻[18]考慮了核電調(diào)峰成本及安全約束,構(gòu)建了核-火-抽水蓄能聯(lián)合調(diào)峰模型,但其采用了3檔固定調(diào)峰深度的方法對核電機組進行優(yōu)化,無法在調(diào)峰過程中實現(xiàn)較為精確的調(diào)度。
目前鮮有文獻考慮燃氣機組對核電參與系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰的影響,作為一類重要的調(diào)峰資源,燃氣機組啟停能力更加突出,靈活性更強;當下電力系統(tǒng)中多源并存的格局日益明顯,考慮一種或兩種電源參與調(diào)峰已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求;電力系統(tǒng)碳排放問題已不容忽視,減少各能源之間碳排放強度、構(gòu)建清潔電網(wǎng)是大勢所趨。針對上述問題,本文基于低碳經(jīng)濟的調(diào)度理念,在傳統(tǒng)模型里引入碳交易機制,構(gòu)建兼顧經(jīng)濟性與低碳性的風-核-火-氣-抽水蓄能協(xié)調(diào)運行機制,建立聯(lián)合調(diào)峰模型,并調(diào)用GUROBI[19]求解器對模型進行求解,最后結(jié)合算例驗證了所建模型的合理性和有效性。
本文構(gòu)建的風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度模型中,核電、火電、燃氣機組與風電共同擔當系統(tǒng)的有功電源,抽水蓄能機組可以在負荷低谷時通過抽水儲存能量,消耗系統(tǒng)低谷時多發(fā)電能,在負荷高峰時充當發(fā)電機釋放能量,滿足系統(tǒng)高峰用電需求。
本文在以運行成本最小為目標的傳統(tǒng)調(diào)度模型中,引入碳排放成本,并利用成本加和的形式將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題,以聯(lián)合調(diào)峰成本最低為目標優(yōu)化各機組出力。
1.1.1 基于碳交易的系統(tǒng)低碳化目標
在控制碳排放總量的前提下,政府將碳排放權(quán)分配給各排放源[20]。發(fā)電機組可以根據(jù)自身實際碳排放量通過碳交易市場購買或出售相應(yīng)的碳排放權(quán)。本文采用基于發(fā)電量的免費初始碳排放權(quán)分配方法,即不同類型的發(fā)電機組碳排放限額與發(fā)電量近似成正比[21]。含風電場的發(fā)電系統(tǒng)所分配到的碳排放配額為
(1)
所建模型中碳排放來源主要為火電機組和燃氣機組,則碳排放量為
(2)
系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)基于碳交易的低碳化目標可統(tǒng)一表示為
minF1=minCCO2(EQ-ED)
(3)
式中:CCO2為碳交易價格,元/t;F1為負時表示實際碳排放量小于碳排放配額,系統(tǒng)可通過出售碳排放權(quán)獲得收益。
1.1.2 考慮棄風懲罰的經(jīng)濟調(diào)度目標
本文在目標函數(shù)中加入棄風懲罰項,所構(gòu)造的成本函數(shù)為
minF2=min(Ff+FN+Fg+Fc+Fw)
(4)
式中:Ff、FN、Fg、Fc分別為火電機組、核電機組、燃氣機組和抽水蓄能機組的運行成本;Fw為風電棄風成本。
1) 火電機組運行成本。
火電機組運行成本包括燃煤成本和機組啟停成本,可統(tǒng)一表示為
(5)
機組啟停成本可表示為
(6)
2) 核電機組運行成本。
將核電調(diào)峰成本計入運行成本[18]中,可表示為
(7)
3) 燃氣機組運行成本。
由于氣源的不同,天然氣的消耗量不能用流量簡單代替,而需要用統(tǒng)一的熱值來衡量[23],故以天然氣熱值建立的成本函數(shù)為
(8)
4) 抽水蓄能機組運行成本。
抽水蓄能機組的運行成本與系統(tǒng)平均發(fā)電成本及自身轉(zhuǎn)化效率有關(guān),可表示為
(9)
5) 風電棄風成本。
(10)
1.1.3 聯(lián)合調(diào)度總目標函數(shù)
綜合考慮以上各類成本,風-核-火-氣-抽水蓄能聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度目標函數(shù)為
minF=min(F1+F2)
(11)
目標函數(shù)的優(yōu)化過程中也需滿足系統(tǒng)及各電源自身約束條件的限制,主要包括實時功率平衡約束、正負旋轉(zhuǎn)備用約束、各電源運行約束等。
(12)
PL,t(1+L%)
(13)
PL,t(1-L%)
(14)
1) 機組出力上下限約束
(15)
2) 機組爬坡約束
(16)
3) 機組啟停時間約束
(17)
根據(jù)系統(tǒng)實際情況,核電機組可通過改變調(diào)峰深度、低功率運行時間及調(diào)節(jié)速率來靈活參與電網(wǎng)調(diào)度。為盡可能滿足核電機組參與調(diào)峰的靈活性需求,本文將額定功率50%~100%的范圍定為核電的安全調(diào)峰深度范圍,并將其均分為sN檔[24],則第n檔調(diào)峰深度可表示為
(18)
對應(yīng)的核電低功率階段功率可表示為
(19)
第n檔調(diào)峰深度下核電機組各功率階段及狀態(tài)如圖1所示。
圖1 第n檔調(diào)峰深度下核電各功率階段及狀態(tài)Fig. 1 Each power stage and state of nuclear power at the peak load shaving depth of n
核電機組升降功率時間一般為1~3 h,故在每檔調(diào)峰深度下設(shè)置3個升降功率狀態(tài):升降功率時間為3 h時設(shè)置兩個狀態(tài),dn,3和dn,1;升降功率時間為2 h時設(shè)置一個狀態(tài),dn,2;升降功率時間為1 h時不設(shè)置功率狀態(tài)。按照狀態(tài)劃分其對應(yīng)的核電功率可表示為
(20)
式中:j=1,2,3,為升降功率的狀態(tài)標號。
則核電機組i在第t時段的功率可表示為
(21)
式中:qt為滿功率運行標志;ln,t為第n檔調(diào)峰深度下t時刻的低功率運行標志;dn,j,t為第n檔調(diào)峰深度、第j個狀態(tài)、第t時段的升降功率運行標志。
為保證核電機組只運行于一個功率下,還應(yīng)滿足如下約束
(22)
核電機組在滿低功率狀態(tài)運行時,需持續(xù)穩(wěn)定運行一定時間以上,則需滿足的約束為
(23)
升降功率時,運行標志還需要滿足時間耦合約束[25]。升降功率時間為2 h時運行標志耦合約束為
(24)
升降功率時間為3 h時運行標志耦合約束為
(25)
燃氣機組具有快速啟停的特性,但頻繁啟停會增加機組的運行成本和縮短維護周期,故將天然氣機組的啟停次數(shù)作為約束條件之一[23]。
(26)
(1) 出力約束
在發(fā)電工況下,需滿足
(27)
在抽水工況下,需滿足
(28)
(2) 水量平衡約束
在調(diào)度周期內(nèi)抽水蓄能電站還應(yīng)滿足抽水量與發(fā)電用水量平衡約束。
(29)
為滿足安全性要求,核電機組最大調(diào)峰深度不超過額定功率的50%,在此調(diào)節(jié)范圍內(nèi),調(diào)峰深度被均分為50檔,以實現(xiàn)核電機組調(diào)峰時的精確優(yōu)化。對于所建聯(lián)合調(diào)度模型,本文通過在MATLAB界面調(diào)用YALMIP工具箱進行程序編寫,并使用GUROBI求解器進行高效求解。在考慮核電日調(diào)峰次數(shù)的情況下,合理安排機組進行調(diào)峰,從而制定各類機組的日前出力計劃。核電參與下的多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解流程如圖2所示。
圖2 多源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解流程Fig. 2 Solving process of multi-source joint optimal scheduling model
本文以我國某省典型的能源結(jié)構(gòu)為依據(jù)構(gòu)造算例,包含2臺650 MW核電機組、1個容量為300 MW的風電場、6臺火電機組、2臺燃氣機組和1臺抽水蓄能機組。該算例的電量排放因子取為0.895 9,容量排放因子為0.364 8,二者各以50%權(quán)重加權(quán)平均得到電網(wǎng)基準線排放因子為0.630 35,碳排放交易價格為120元/t。風電功率預(yù)測數(shù)據(jù)、機組數(shù)據(jù)見附錄。
核-火聯(lián)合調(diào)峰是指考慮風電場棄風時,核電、火電共同跟蹤系統(tǒng)負荷,平抑負荷波動。該模式下的運行結(jié)果如圖3、圖4所示,系統(tǒng)棄風率及各運行成本如表1所示。
圖3 火電機組出力Fig. 3 Output of thermal power unit
圖4 核電機組出力Fig. 4 Output of nuclear power units
表1 核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運行結(jié)果表
在核-火聯(lián)合調(diào)峰運行下,核電機組1的調(diào)峰深度為45.78%,核電機組2的調(diào)峰深度為35.29%,低功率運行時間均為6小時。棄風主要集中在負荷低谷的1~6時,在這個時段里火電5、火電6均未出力,處于停機狀態(tài),火電1、火電2、火電3、火電4多數(shù)時刻達到出力下限或爬坡極限,下調(diào)峰能力接近飽和。
下面通過在核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)中依次加入燃氣機組、抽水蓄能機組的方法,分析不同場景下的運行結(jié)果。
在核-火聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝兩臺燃氣機組,構(gòu)建核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)。運行結(jié)果如圖5、圖6所示,棄風率及各運行成本如表2所示。
圖5 核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運行結(jié)果Fig. 5 Operation results of nuclear-fire-gas combined peak shaving system
圖6 核電機組出力Fig. 6 Output of nuclear power units
表2 核-火-氣聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運行結(jié)果表
燃氣機組的加入拓寬了系統(tǒng)的出力上下限,使系統(tǒng)的棄風率由2.44%降低到1.44%,棄風時刻集中在負荷低谷的3~6時。此外,燃氣機組具有較快的爬坡速率,其快速響應(yīng)能力減少了火電機組的啟停,因而該模式下系統(tǒng)的運行成本、煤耗成本相比模式1均有所下降。燃氣機組的加入同樣會對核電機組的調(diào)峰模式產(chǎn)生影響,此時核電機組1的調(diào)峰深度為32.31%,核電機組2的調(diào)峰深度為29.23%,與模式1相比,模式2分別減少了13.47%和6.06%。
在模式2的基礎(chǔ)上再加裝1臺抽水蓄能機組,構(gòu)建含有多種異質(zhì)電源的風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。運行結(jié)果如圖7、圖8所示,棄風率及各運行成本如表3所示。
圖7 核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運行結(jié)果Fig. 7 Operation results of nuclear-fire-gas-pumped storage combined peak shaving system
圖8 核電機組出力Fig. 8 Output of nuclear power units
表3 核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)運行結(jié)果表
抽水蓄能機組加入后,利用其負荷低谷時抽水充電、負荷高峰時放水發(fā)電的能力提高了系統(tǒng)的爬坡水平,進而增加了風電的滲透率,使棄風成本大幅下降。在抽水蓄能機組與燃氣機組的共同優(yōu)化下,系統(tǒng)的總運行成本、煤耗成本均下降明顯,并且核電機組1的調(diào)峰深度優(yōu)化為14.15%,核電機組2的調(diào)峰深度優(yōu)化為5.85%。多源聯(lián)合調(diào)度改善了核電機組的出力方式,增強了運行中核電機組的安全性。
該模式下火電機組的運行工況得到了明顯改善。裝機容量為120 MW的火電機組以及1臺390 MW的火電機組整個調(diào)度時段均不出力,剩余3臺390 MW機組全天開機運行,不進行啟停調(diào)峰,這有利于系統(tǒng)逐步減少對火電機組的使用,為以后火電機組的全部退出創(chuàng)造條件。
三種模式各部分成本情況見表4,不同模式風電調(diào)度出力見圖9。由表4可知:模式2相比于模式1,核電機組采取日負荷跟蹤時調(diào)峰成本下降。模式2碳排放量為1.894萬噸,其中火電機組碳排放量為1.640 2萬噸,燃氣機組碳排放量為0.253 4萬噸,比模式1減少了14.68%,這是因為在碳交易機制的引導(dǎo)下,燃氣機組的加入替代了一部分時段燃煤機組的出力,且由于燃氣機組碳排放強度遠低于燃煤機組,約為燃煤機組的三分之一,所產(chǎn)生二氧化碳量小于燃煤機組,導(dǎo)致模式2碳排放量減少,因此發(fā)電廠通過出售碳排放權(quán)產(chǎn)生的額外收益增加,加之棄風成本減少與燃煤機組出力下降導(dǎo)致的煤耗成本減少,使得總運行成本小于模式1;模式3相比于模式2,總調(diào)峰深度由61.54%降至20%,核電調(diào)峰成本進一步減少,抽水蓄能機組運行中不會產(chǎn)生碳排放,風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰使3臺火電機組全天處于停機狀態(tài),碳排放量降低6.35%,碳收益增加,并且抽水蓄能機組削峰填谷特性減少了系統(tǒng)棄風量,棄風成本下降明顯,以致總運行成本比模式2降低73.08萬元。
圖9 不同模式風電調(diào)度出力Fig. 9 Different modes of wind power dispatching output
表4 各模式成本比較Tab.4 Cost comparison of each model
上述模式同時考慮了棄風與棄核,下面在模式3的基礎(chǔ)上構(gòu)造兩個場景單獨對棄風、棄核的經(jīng)濟性進行評估。
場景一:風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)下,核電滿發(fā),只考慮棄風。
場景二:風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng)下,風電完全消納,只考慮棄核。
兩種場景下調(diào)度運行結(jié)果如圖10、11所示,運行結(jié)果對比如表5所示。
圖10 場景一Fig. 10 Scene one
圖11 場景二Fig. 11 Scene two
表5 運行結(jié)果對比表Tab.5 Comparison table of running results
通過運行結(jié)果對比可知,雖然兩種場景的碳排放量相差無幾,但是不管是從總運行成本還是煤耗成本上,場景二要比場景一更為經(jīng)濟;并且場景二下核電機組1的調(diào)峰深度為6.15%,核電機組2的調(diào)峰深度為14.77%,核電調(diào)峰成本為5.51萬元,相對較少,說明了核電機組參與調(diào)峰可以保證風電的盡可能消納,既能滿足系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟性和核電安全性又不與國家提倡消納風電等清潔能源的政策相違背。
為驗證本文調(diào)度模型引入碳交易機制的有效性,基于模式3采用2種調(diào)度模型進行對比分析。
模型1:考慮火電機組和燃氣機組的碳交易模型,目標函數(shù)僅包含系統(tǒng)運行成本,不包含碳交易成本。
模型2:考慮火電機組和燃氣機組的碳交易模型,將碳交易成本計入目標函數(shù)中,即本文模型。
此時調(diào)度模型結(jié)果如表6所示。
表6 不同模型調(diào)度結(jié)果對比Tab.6 Scheduling results comparison among different models
由表6可知,與模型1相比,模型2棄風率、碳排放量與總運行成本均為最少。模型2在傳統(tǒng)調(diào)度目標函數(shù)中引入碳交易機制,促使系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)用較為清潔的機組,清潔機組的發(fā)電量增加,相應(yīng)的碳排放量減少,系統(tǒng)獲得的碳收益隨之增加;在碳交易機制的作用下,核電機組的調(diào)峰深度產(chǎn)生變化,總調(diào)峰深度由22.31%下降為20%,核電機組運行時的安全性更利于保證。綜上可知,本文所提考慮碳交易成本的調(diào)度模型更適合核電參與時的多能互補場景,既提高了風電消納量,降低了系統(tǒng)運行成本和碳排放量,又能保證核電機組更加安全平穩(wěn)地運行。
隨著碳達峰碳中和等目標的提出,電力行業(yè)作為碳排放大戶要求更為嚴格,監(jiān)管部門對其碳排放的管控力度也會隨之加強。為了研究系統(tǒng)運行對碳交易價格的敏感性,針對模式3多能聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng),繪制了風電消納率、系統(tǒng)總運行成本、碳排放量及碳交易成本與碳交易價格的關(guān)系曲線,如圖12、圖13所示。
圖12 碳交易價格對風電消納率和總成本的影響Fig. 12 Impact of carbon trading price on wind power consumption rate and total cost
圖13 碳交易價格對碳排放量和碳交易成本的影響Fig. 13 Impact of carbon trading price on carbon emission and carbon emission cost
由圖12、13可知,當碳交易價格較低時,低碳目標的權(quán)重較小,碳排放量下降緩慢,系統(tǒng)運行主要以經(jīng)濟目標為主,隨著碳交易價格的上升,低碳目標逐漸發(fā)揮作用,風電消納率、碳收益在逐步增加;碳交易價格上升到80元/t時,低碳目標占據(jù)優(yōu)勢,系統(tǒng)發(fā)電開始轉(zhuǎn)向更清潔環(huán)保的燃氣機組和抽水蓄能機組,碳排放量顯著下降,碳收益隨之增加,另外燃氣機組和抽水蓄能機組響應(yīng)速度較快,使風電消納率增加,棄風成本減少,故總運行成本呈下降趨勢;碳交易價格超過200元/t時,清潔機組出力接近飽和,系統(tǒng)對碳交易價格的變化不再敏感,風電消納率和碳排放量變化緩慢,碳收益與總運行成本曲線趨于平穩(wěn);并且整個調(diào)度過程中核電機組總調(diào)峰深度均在20%左右,碳交易價格的變動不會影響核電機組調(diào)峰安全性。
綜上,適當增加碳交易價格,可以減少碳排放量,使系統(tǒng)運行成本和碳收益大幅增加,符合電力行業(yè)節(jié)能減排的要求。
本文充分考慮核電、燃氣、抽水蓄能機組的運行特性,構(gòu)建了風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)峰系統(tǒng),并通過引入碳交易機制,實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度與低碳調(diào)度的均衡與協(xié)調(diào)。仿真算例驗證了所建模型的有效性,并得出以下結(jié)論:
(1) 燃氣機組加入到調(diào)峰系統(tǒng)后,系統(tǒng)的調(diào)峰能力增強,運行成本、棄風成本減少,核電機組1、2的調(diào)峰深度有所下降。燃氣機組的加入替代了部分時段火電機組的出力,使二氧化碳排放量降低。
(2) 風-核-火-氣-抽蓄聯(lián)合調(diào)度有利于提升系統(tǒng)消納風電的能力,降低核電的調(diào)峰深度,削減火電機組在線運行的數(shù)量。此外,通過對比棄風不棄核、棄核不棄風兩種場景可知,核電機組參與調(diào)峰既能提高系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟效益,又能保證風電的全額消納。
(3) 本文所有模式均考慮了系統(tǒng)的碳交易成本,建立了以聯(lián)合調(diào)峰成本最小為目標的多源互補調(diào)度模型。以模式3為依據(jù),構(gòu)造了兩種模型進行對比,驗證了文中所建模型可兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟性和低碳性。通過敏感性分析,說明了碳交易價格對系統(tǒng)調(diào)度的影響,可為監(jiān)管部門決策提供理論參考。