耿照為,陳啟鑫,夏 清,康重慶

(1.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084;2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室,清華大學(xué),北京市 100084)

環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行:內(nèi)涵與展望

耿照為1,2,陳啟鑫1,2,夏 清1,2,康重慶1,2

(1.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084;2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室,清華大學(xué),北京市 100084)

中國是當今世界大氣污染最嚴重的國家之一。大氣污染治理是中國建設(shè)生態(tài)文明、實現(xiàn)綠色發(fā)展的迫切要求。電力行業(yè)是重要的減排控制源,緩解電力行業(yè)導(dǎo)致的大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。然而,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)度運行往往沒有充分考慮環(huán)境因素的影響,以及電力系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的污染物排放對于環(huán)境的影響。為此,文中提出與環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行(簡稱環(huán)境協(xié)同調(diào)度),從環(huán)境協(xié)同的污染物排放控制和環(huán)境敏感的可再生能源消納兩個方面提煉了環(huán)境協(xié)同調(diào)度的內(nèi)涵,綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究進展,總結(jié)了中國已開展的環(huán)境協(xié)同調(diào)度工作實踐,構(gòu)建了環(huán)境協(xié)同調(diào)度研究思路,展望了環(huán)境協(xié)同調(diào)度領(lǐng)域的主要研究方向。

電力系統(tǒng);環(huán)境協(xié)同調(diào)度;大氣污染排放;空氣質(zhì)量;可再生能源

0 引言

近年來,大氣污染成為中國面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。2014年,中國氮氧化物排放總量2.078 0×107t,二氧化硫排放總量1.974 4×107t,粉塵排放總量1.740 8×107t,中國是世界上大氣污染最嚴重的國家之一[1]。據(jù)分析,這些大氣污染物的危害可能使人均壽命減少5年[2]。

當前,中國經(jīng)濟正處在發(fā)展與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。大氣污染物主要來自電力、交通、工業(yè)和居民散燒煤。2013年,中國發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》[3],指出大氣污染治理任務(wù)重、難度大、必須付出長期艱苦努力,列出十條治理措施(簡稱《大氣十條》),制定了2017年全國、重點地區(qū)、北京市空氣質(zhì)量的具體指標。電力系統(tǒng)排放量大,集中度高,成為了重要的減排控制源。2014年,電力系統(tǒng)貢獻了中國31%的SO2排放和30%的NOx排放?！洞髿馐畻l》中也有多條措施與電力系統(tǒng)相關(guān),例如“加快重點行業(yè)脫硫、脫硝、除塵改造工程建設(shè)”“加快調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、增加清潔能源供應(yīng)”“嚴格節(jié)能環(huán)保準入、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)空間布局”“建立區(qū)域協(xié)作機制,統(tǒng)籌區(qū)域環(huán)境治理”“建立監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急體系,妥善應(yīng)對重污染天氣”等。

多年來,電力行業(yè)采取了系列措施減少排放,包括制定更加嚴格的火電排放標準,逐步安裝、升級減排設(shè)備來改善機組排放特性,提供補貼以激勵清潔能源發(fā)展等[4-5]。目前中國裝機結(jié)構(gòu)仍然以燃煤為主,燃氣、風(fēng)電、光伏等新能源機組增長迅速;單位發(fā)電量對應(yīng)污染物排放量總體不斷下降,但機組之間排放特性差異顯著。2015年底,美國白宮提出“清潔能源計劃”,量化評估了大氣污染物對于人體健康的危害,對以電廠為主的污染源加以嚴格限制,要求到2030年，相對2005年減排90%的二氧化硫與72%的氮氧化物[6]。為實現(xiàn)上述目標,部分州開始關(guān)停一些燃煤電廠,并用燃氣替代燃煤[7]。

2015年,美國科學(xué)院院刊《PNAS》發(fā)表了重要論文[8],從大氣科學(xué)的角度初步論證了電廠污染物排放與實時環(huán)境污染的動態(tài)關(guān)系。事實上,在大氣污染治理過程中,重點區(qū)域重污染天氣是主要治理對象。區(qū)域空氣質(zhì)量與污染物排放量和擴散條件緊密相關(guān)。在逆溫效應(yīng)、高氣壓云團與低風(fēng)速情況下,大氣的擴散能力較差,污染物排放容易累積,并促成空氣中的氣態(tài)污染物(SO2,NOx)等轉(zhuǎn)化為二次霧霾。從環(huán)境經(jīng)濟學(xué)角度看,環(huán)境問題本質(zhì)上是經(jīng)濟與環(huán)境的權(quán)衡,環(huán)保投入存在邊際效應(yīng)遞減,既不能完全以犧牲環(huán)境為代價發(fā)展經(jīng)濟,也不能過度強調(diào)環(huán)境而影響經(jīng)濟發(fā)展。因此,可以根據(jù)氣象條件,調(diào)整電力生產(chǎn)方式,從而實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟的平衡。

目前,中國電力系統(tǒng)的生產(chǎn)方式安排大致遵循年度等負荷率的原則(“三公”調(diào)度),并考慮機組類型、容量、煤耗、減排設(shè)備等因素,給予一定的利用小時傾斜。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度運行并未充分考慮各類環(huán)境因素的影響,也沒有充分考慮大氣污染物的形成特征以及通過電力系統(tǒng)調(diào)度運行保障空氣質(zhì)量。在高比例清潔能源接入背景下,現(xiàn)有運行方式主要關(guān)注清潔能源自身發(fā)電特性與系統(tǒng)消納能力。因此,在新形勢的要求下,迫切需要在電力系統(tǒng)調(diào)度運行中充分考慮其與環(huán)境系統(tǒng)的相互影響、相互協(xié)同關(guān)系,本文稱為“環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行”,簡稱“環(huán)境協(xié)同調(diào)度”。

1 環(huán)境協(xié)同調(diào)度的內(nèi)涵闡述

中國電力行業(yè)的排放量大,而不同地區(qū)的環(huán)境承載能力差異巨大,同一時刻,一個互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)不同城市的空氣質(zhì)量與污染物擴散能力可能存在很大差異,而不同時段間的動態(tài)變化也較劇烈。在目前部分火電機組開展超低排放改造的背景下,不同機組的污染物排放特性存在較大差異。而清潔能源中的環(huán)境敏感型電源占比較高,其運行特征、能源消納受氣象條件影響顯著。以上三方面是開展環(huán)境協(xié)同電力系統(tǒng)調(diào)度的基本條件。

電力行業(yè)是主要污染源之一,但相比其他的一次能源使用方式,電能是相對清潔的。目前中國正在積極推行電動汽車、散燒煤改電采暖等電能替代措施,因此電力負荷在未來的增長仍然可觀。發(fā)電側(cè)的污染源以集中的大規(guī)模火電廠為主,其排放源少、排放量大,容易受到良好的減排管控。因此,在中國開展環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行研究,無疑具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。具體地,其內(nèi)涵可闡述為以下兩個方面。

首先,在短期內(nèi)電力系統(tǒng)裝機結(jié)構(gòu)不變的情況下,可以通過調(diào)度運行控制手段,在制定發(fā)電計劃時充分考慮環(huán)境因素,減少污染物在重污染天氣排放時,由于較差的擴散條件所形成的二次細顆粒物轉(zhuǎn)化,降低電力系統(tǒng)污染物排放對空氣質(zhì)量的影響。為此,需要考慮實際環(huán)境氣象條件的區(qū)域分布與動態(tài)變化,在滿足電力系統(tǒng)安全運行的剛性條件下,協(xié)調(diào)多類型污染物的排放控制目標,保障空氣質(zhì)量,優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行方式,實現(xiàn)電網(wǎng)安全、發(fā)電調(diào)度、電熱聯(lián)供、負荷響應(yīng)、大氣污染治理的協(xié)同控制。

其次,從中長期來看,解決電力系統(tǒng)排放的根本途徑是實現(xiàn)電能的“清潔替代”,逐漸提高清潔能源的裝機占比。其中,除核電外大部分的清潔能源是環(huán)境敏感型電源,環(huán)境氣象因素劇烈變化與難以預(yù)測性將給電力系統(tǒng)的運行帶來越來越大的挑戰(zhàn)。因此,必須在電力系統(tǒng)調(diào)度運行中充分考慮各種環(huán)境因素的變動,從而在保障電力系統(tǒng)安全運行的前提下,考慮環(huán)境因素,最大限度消納隨環(huán)境氣象因素動態(tài)變化的新能源發(fā)電。

2 環(huán)境協(xié)同調(diào)度的研究進展

環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度,其核心是面向電力系統(tǒng)與環(huán)境的相互影響與協(xié)同關(guān)系,相關(guān)的研究工作主要包括電力系統(tǒng)的排放特征及其對環(huán)境的影響(主要是火電機組),考慮污染物排放的電力系統(tǒng)調(diào)度運行方式,以及電力系統(tǒng)中的電源運行特性受環(huán)境的影響等方面。具體綜述總結(jié)如下。

2.1 火電機組排放特性

在排放特性與減排設(shè)備方面,文獻[9]對燃煤機組的氮氧化物排放特性進行了分析。文獻[10]考慮減排設(shè)備,研究不同負荷水平下中國燃煤機組的氮氧化物排放特性。文獻[11]研究燃氣輪機的燃燒原理和排放特點。文獻[12]總結(jié)了中國的清潔煤技術(shù)。文獻[13]總結(jié)了中國燃煤電廠SO2,NOx,粉塵的排放特征,并給出了排放量的估算公式。文獻[14]對鍋爐粉塵排放規(guī)律進行了測試,文獻[15-16]分析了電力生產(chǎn)中PM2.5的減排策略。文獻[17]分析了中國4臺燃煤機組排放的粉塵顆?；瘜W(xué)構(gòu)成。

一些學(xué)者對比了燃煤與燃氣機組的排放特征。文獻[18]對比了中國燃煤電廠與燃氣電廠主要污染物的排放量,結(jié)論是燃氣機組的氮氧化物排放量是同容量燃煤機組的15%,二氧化碳排放量是燃煤機組的38%～40%,二氧化硫排放量則相比燃煤機組很少。文獻[19]對比了美國燃煤和燃氣電廠的排放水平。文獻[20]以鄭州市為例,分析了火電廠排放對該市空氣污染的貢獻,以及假設(shè)用天然氣替代煤、采用減排設(shè)備的減排效果。

綜上所述,已有國內(nèi)外文獻在熱能、化工、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域?qū)τ诨痣姍C組各類污染物排放水平和減排設(shè)備進行了比較充分的研究。其關(guān)注點主要集中在火電廠內(nèi)部,主要分析各類火電設(shè)備的運行工況與協(xié)調(diào)關(guān)系,并探討脫硫、脫硝、除塵等清潔發(fā)電設(shè)備對排放的影響。上述排放特性研究是開展環(huán)境協(xié)同調(diào)度的基礎(chǔ)。已有文獻尚未從電網(wǎng)調(diào)度運行的角度分析考慮減排設(shè)備后火電機組整體的運行特性與調(diào)度特性,也沒有研究考慮排放約束后,機組不同的排放特性對系統(tǒng)運行的影響。

2.2 考慮排放的電力系統(tǒng)調(diào)度運行

1971年,Gent和Lamont最先考慮電力系統(tǒng)調(diào)度中的排放問題,將NOx排放最小作為調(diào)度優(yōu)化目標[21]。隨后,Delson構(gòu)建了將NOx排放量作為約束[22],以運行成本最小為優(yōu)化目標的排放約束—經(jīng)濟調(diào)度模型。在此基礎(chǔ)上,Talaq等在最優(yōu)潮流問題中考慮NOx排放[23]。Heslin和Hobbs構(gòu)建多目標調(diào)度模型,同時考慮了SO2排放、機組運行成本和失業(yè)率[24]。

已有電力系統(tǒng)調(diào)度研究中主要有以下4種方式處理排放因素。

1)將排放作為約束條件,最小化運行費用。文獻[22]最早提出考慮排放約束的經(jīng)濟調(diào)度,對部分機組添加排放約束,并對所構(gòu)建的模型給出了一種基于等微增率法的求解方法。文獻[25]考慮機組、線路故障和負荷不確定性,構(gòu)建隨機機組組合模型,模型中考慮了對單一機組和機組群的SO2,NOx排放約束。文獻[26]在日前發(fā)電計劃中對系統(tǒng)內(nèi)各機組污染物排放量之和進行逐時段約束。

2)將排放作為最小化目標。文獻[27]考慮風(fēng)電出力不確定性和負荷響應(yīng),構(gòu)建了以最小化排放為目標的日前發(fā)電計劃模型。

3)將排放和運行費用同時作為最小化目標[28-33]。通常采用權(quán)重系數(shù)法來確定兩個目標的相對權(quán)重,并通過改變權(quán)重系數(shù)給出Pareto最優(yōu)解。這種模型通常被稱為環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度(environmental economic dispatch,EED),一些中國學(xué)者稱其為綠色調(diào)度[34-35]。文獻[30-31]在水—火混合電力系統(tǒng)中對比最小化發(fā)電成本和最小化排放,并提出綜合優(yōu)化模型,給出Pareto最優(yōu)解。文獻[32]在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中考慮最大化盈利與最小化排放。文獻[33]考慮風(fēng)電接入和需求側(cè)響應(yīng),最小化發(fā)電成本和排放量。

4)將排放和運行費用作為最小化目標,同時將排放量作為約束條件。文獻[36]構(gòu)建了最大化發(fā)電機組利潤,最小化排放的發(fā)電計劃模型,對每個機組每個時段考慮排放約束。文獻[37]考慮最小化發(fā)電成本和分段線性排污費,并基于空氣質(zhì)量考慮分時段排放約束。

從排放約束的對象看,包括限制排放量和限制排放績效(單位發(fā)電量或燃料消耗對應(yīng)的排放量)。Hobbs對比了限制單位燃料消耗對應(yīng)排放量以及限制排放總量的減排效果[38]。二者相比,前者可能引起不必要的燃料消耗增加,以及減少區(qū)域之間的電力交換,后者減排效果更好。

從排放約束的時空范圍看,排放約束可能約束一個機組或電廠的排放量[25],也可能約束系統(tǒng)中每個時段的排放量[26],還可能約束所有電廠所有時段的總排放[39]。文獻[28]提出了多區(qū)域的環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度問題。

從污染物種類看,研究方向主要集中在NOx,SO2,CO2。大多數(shù)早期文獻主要考慮單一污染物的排放問題,部分文獻考慮了多污染物排放,并在目標函數(shù)中根據(jù)各種污染物對環(huán)境的影響程度進行加權(quán)[40-42]。近期,有學(xué)者開始關(guān)注顆粒物排放的影響[43]。

國內(nèi)考慮環(huán)境的調(diào)度模型目前多數(shù)基于經(jīng)濟調(diào)度模型,不考慮機組開停問題。袁鐵江等考慮單時段環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度,目標函數(shù)是最小化發(fā)電成本和排放成本[44];文獻[45-46]考慮多時段環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度;文獻[47]在經(jīng)濟調(diào)度目標函數(shù)中考慮發(fā)電成本、SO2和CO2排放量、合約電量偏差。朱永勝研究考慮風(fēng)電和電動汽車接入的環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度[48]。尹楠和于繼來在優(yōu)化機組年度檢修計劃與年度電量分解過程中,考慮機組地理位置分布與各月份主導(dǎo)風(fēng)向,以緩解火電的空氣污染貢獻[49]。在機組組合問題方面,目前國內(nèi)考慮排放因素的研究較少,文獻 [50-51]構(gòu)建了考慮風(fēng)電的環(huán)境經(jīng)濟機組組合模型。

綜上所述,現(xiàn)有研究主要集中在將排放問題考慮到發(fā)電計劃模型中,但對于氣象環(huán)境與電力系統(tǒng)排放之間相互影響的關(guān)系分析不多,也沒有考慮各類清潔發(fā)電設(shè)備裝置之后的影響。

2.3 環(huán)境敏感型電源的運行特性

部分電源的運行特性受到外部氣象環(huán)境條件的較大影響,本文稱為“環(huán)境敏感型”電源,例如風(fēng)電、光伏、水電、燃氣電廠等。其中風(fēng)電、光伏、水電的出力特性高度依賴風(fēng)、光、降水等氣象條件;燃氣電廠則是其運行參數(shù)會受到氣壓、氣溫等因素的影響,從而影響電廠的發(fā)電性能。

部分文獻從宏觀角度研究了環(huán)境氣象變化對于電源發(fā)電特性的影響。文獻[52]以美國西部為例,分析了氣候變化對環(huán)境敏感型電源發(fā)電能力的影響。文獻[53]分析了水資源變化對世界火電和水電發(fā)電能力的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電運行特征進行了比較充分的研究。因風(fēng)電出力不可控,其難點是基于氣象條件進行預(yù)測。文獻[54]提出基于數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)值天氣預(yù)報的短期風(fēng)電功率預(yù)測方法。文獻[55]研究海上風(fēng)電出力特性,分析了氣象條件對海上風(fēng)電出力的影響?，F(xiàn)有技術(shù)水平下風(fēng)電出力依然難以預(yù)測準確,風(fēng)電的隨機性、波動性帶來調(diào)峰、調(diào)頻問題,難以完全消納[56-57]。

光伏出力受到氣候、氣象、地理等因素影響,因素眾多、機理復(fù)雜,具有比風(fēng)電更強的隨機性、波動性特征[58]。光伏發(fā)電量與照度緊密相關(guān),也隨溫度的增加而下降[59]。但因為光伏行業(yè)發(fā)展較晚,同時照度預(yù)測設(shè)施與技術(shù)尚不完善,與風(fēng)電出力預(yù)測相比,光伏出力預(yù)測技術(shù)尚處于起步階段。文獻[60]提出基于天氣類型聚類識別的光伏出力預(yù)測方法。文獻[61]提出了一種基于Copula理論的光伏發(fā)電出力的條件預(yù)測誤差分布估計方法,可以對天氣類型進行聚類,針對不同的天氣類型分別建模,提升預(yù)測準確度。文獻[62]研究了PM2.5濃度對光伏出力的影響。

燃氣機組出力也受環(huán)境因素影響[63]。在低溫、高氣壓時,氣耗較低,最大出力較大;在高溫、低氣壓時,氣耗大,最大出力較小。不同氣象條件下,燃氣機組最大出力可相差10%。

綜上所述,現(xiàn)有環(huán)境敏感型電源研究工作中,對風(fēng)電運行特性的研究已經(jīng)比較充分,對光伏的研究工作正在開展,對燃氣機組運行特性的研究較少,水電受環(huán)境影響則主要體現(xiàn)在長時間尺度上。整體上,現(xiàn)有研究多集中在電源自身運行特性的分析,但沒有精細化考慮氣象條件對電源的影響,以及與電力系統(tǒng)的協(xié)同運行關(guān)系。

3 中國開展環(huán)境協(xié)同調(diào)度的實踐探索

當前,中國經(jīng)濟正處在發(fā)展與轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展《十三五規(guī)劃》綱要明確將“綠色發(fā)展”作為五大發(fā)展理念之一,指出應(yīng)“加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,形成人與自然和諧發(fā)展現(xiàn)代化建設(shè)新格局”[64]。國家發(fā)改委、能源局發(fā)布的《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》也指出,要推廣應(yīng)用清潔低碳能源開發(fā)利用技術(shù),包括可再生能源技術(shù)、核能技術(shù)、煤炭清潔開發(fā)利用技術(shù)、油氣開發(fā)利用技術(shù)[65]。為此,中國在火電廠清潔化改造、電力系統(tǒng)的環(huán)境友好運行等方面開展了一系列工作,為實踐環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行工作提供了很好的基礎(chǔ)。

3.1 火電廠排放改造

中國最早在1991年發(fā)布了GB 13223-91《燃煤電廠大氣污染物排放標準》,在1996年進行了修訂,并更名為《火電廠大氣污染物排放標準》,2003年將燃氣電廠納入考核范疇,2011年進行了再次修訂,排放要求大幅提升,當時被稱為“史上最嚴格的排放標準”。新標準規(guī)定,在重點地區(qū),對于一般燃煤電廠煙塵、二氧化硫、氮氧化物的出口排放濃度分別不得超過20 mg/Nm3,50 mg/Nm3,100 mg/Nm3。對于燃氣電廠,煙塵、二氧化硫、氮氧化物出口排放濃度分別不得超過5 mg/Nm3,35 mg/Nm3,50 mg/Nm3。此標準適用于中國東部地區(qū)。2015年,全國脫硫、脫硝機組占煤電裝機容量比例分別為99%,92%[66]。

值得一提的是,部分地區(qū)率先對燃煤機組制定更加嚴格的排放標準,例如浙江、廣東、北京、天津、河北等多地機組最早實施排放改造,燃煤鍋爐達到了當?shù)赝谌細廨啓C組的排放標準,稱為“超低排放”或“近零排放”,并向全國逐步推廣。2016年底,全國燃煤機組累計完成超低排放改造超過4.8×108kW,約占煤電裝機容量的48%[67]?！赌茉瓷a(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》指出,2030年預(yù)計超低排放機組占全國機組80%以上[65]。

3.2 環(huán)境友好的電力系統(tǒng)調(diào)度方式

自2002年“廠網(wǎng)分開”以來,中國電力系統(tǒng)調(diào)度遵循“公開、公平、公正”的“三公”原則,相同類型、同容量等級的機組有相似的利用小時數(shù)。2007年起,中國在江蘇、河南、四川、廣東、貴州等省份試點節(jié)能發(fā)電調(diào)度,按照能耗對機組排序,能耗低的機組優(yōu)先安排發(fā)電計劃。節(jié)能發(fā)電調(diào)度的目的是節(jié)能減排,其中排放重點指的是溫室氣體排放,因此一定程度上也是低碳調(diào)度[39,68]。本質(zhì)上,碳排放并不是常規(guī)大氣污染物,其溫室效應(yīng)的作用時間可長達數(shù)十年,因此討論電力系統(tǒng)中的溫室氣體減排所涉及的時間周期往往較長;而對于常規(guī)污染物而言,其對于重污染天氣的作用,以及較差氣象條件對于電力系統(tǒng)運行的影響往往是短周期的,在一天乃至幾個小時以內(nèi)。因此,低碳調(diào)度與環(huán)境協(xié)同調(diào)度在內(nèi)涵上有著較大的差異。

現(xiàn)有電力系統(tǒng)的調(diào)度運行原則中,核電和其他可再生能源一般優(yōu)先上網(wǎng)。在火電調(diào)度過程中,部分省份一定程度上考慮了排放問題,例如浙江對超低排放機組利用小時數(shù)相比常規(guī)機組每年增加200 h。在污染響應(yīng)方面,中國大部分地區(qū)均已實現(xiàn)空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警。當擴散條件不利,空氣質(zhì)量預(yù)計變差時,政府提前給出預(yù)警,相關(guān)行業(yè)采取減產(chǎn)、限行等措施來避免空氣質(zhì)量過度惡化。在2016年北京市空氣重污染應(yīng)急預(yù)案中,提出了當出現(xiàn)空氣污染紅色預(yù)警時,采取加強清掃、停工、限行、禁煙花燒烤、限制本地發(fā)電量等強制性減排措施[69]。上述實踐簡單考慮了排放問題,并對環(huán)境響應(yīng)進行了初步探索。在中國新一輪的電力市場化改革中,采用了發(fā)用電計劃有序放開的改革思路,可再生能源將享有優(yōu)先發(fā)電權(quán)[70]。因此,市場化改革中也體現(xiàn)了清潔、環(huán)保機組優(yōu)先發(fā)電的綠色理念,有利于減少污染物排放量。

4 環(huán)境協(xié)同調(diào)度的研究思路

盡管目前國內(nèi)外對于環(huán)境協(xié)同調(diào)度領(lǐng)域已經(jīng)開展了一系列的研究工作和實踐探索,但大多集中在微觀層面污染物排放特性和宏觀層面的考慮排放問題的電力系統(tǒng)調(diào)度之上,缺乏結(jié)合污染物擴散特征的對電力系統(tǒng)與氣象環(huán)境的緊密協(xié)同研究。環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行研究需要多方面的關(guān)鍵技術(shù)綜合突破。為此,本文在深入分析大氣環(huán)境與電力系統(tǒng)相互作用基礎(chǔ)上,探討環(huán)境協(xié)同調(diào)度的潛在研究方向,對其研究思路進行了總結(jié)闡述,具體如圖1所示。

圖1 環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度研究思路Fig.1 Framework of power system dispatching towards environmental synergy

首先,梳理環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度的關(guān)鍵要素,包括環(huán)境要素、發(fā)電要素和排放要素。其次,逐一深入分析要素之間的作用規(guī)律,包括氣象對環(huán)境敏感型電源的影響、電源的排放特征、排放對環(huán)境的影響,形成閉環(huán)協(xié)同的“環(huán)境氣象—電力系統(tǒng)”復(fù)雜系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,研究環(huán)境協(xié)同的多能源系統(tǒng)調(diào)度決策方法。最后,討論環(huán)境因素對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響及應(yīng)對的協(xié)同調(diào)度策略。

5 環(huán)境協(xié)同調(diào)度的研究挑戰(zhàn)與展望

5.1 氣象條件對電力系統(tǒng)運行方式的影響機理

風(fēng)電、光伏等可再生電源,以及燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組的快速發(fā)展,將顯著改變中國傳統(tǒng)以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)。與常規(guī)煤電不同的是,這些電源品種的運行特性將受到外部環(huán)境因素更加顯著的影響,如光伏的發(fā)電能力將受到霧霾天氣、空氣透明度等因素的影響,燃氣聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電特性將受到氣壓、溫度、空氣清潔度等因素的影響,熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱量和調(diào)峰能力將受到溫度變化的顯著影響等。

因此,研究人員需要總結(jié)提煉影響電力系統(tǒng)運行方式的環(huán)境因素與運行狀態(tài);描述電源運行狀態(tài)受環(huán)境影響模型;分析環(huán)境因素對發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)運行方式的影響;研究各種典型綜合氣象條件下電力系統(tǒng)運行方式呈現(xiàn)的環(huán)境敏感程度,分析其與常態(tài)運行方式之間的差異;從而實現(xiàn)環(huán)境因素、氣象條件與電力系統(tǒng)運行方式的耦合建模分析。

5.2 電力系統(tǒng)多維度污染物排放特性

為治理大氣污染,對電力系統(tǒng)的污染物排放標準提出了更高的要求,各種清潔發(fā)電技術(shù)(包括脫硫、脫硝、低氮燃燒、除塵、碳捕集等)得到了廣泛的應(yīng)用,使得不同電源在不同維度的污染物排放特性上表現(xiàn)出較大的差異性。

因此,需對各種清潔發(fā)電技術(shù)的減排特性和運行機理進行基礎(chǔ)性研究,對其在不同運行狀態(tài)下的技術(shù)特性進行抽象提煉與數(shù)學(xué)描述,并分析發(fā)電機組運行狀態(tài)對清潔發(fā)電設(shè)備運行狀態(tài)的影響;考慮各種清潔發(fā)電技術(shù)的綜合應(yīng)用,描述發(fā)電機組在氮氧化物、二氧化硫、細顆粒物、二氧化碳等多維度污染物的排放特征,并分析多維度污染物排放間相互制約、相互協(xié)調(diào)的關(guān)系。

5.3 污染物對空氣質(zhì)量變化的作用規(guī)律

在不同氣象條件下,同一地區(qū)環(huán)境對于污染物的擴散能力是不一樣的。如:在逆溫效應(yīng)、高氣壓云團與低風(fēng)速條件下,大氣的擴散能力較差,污染物排放容易累積,并促進霧霾細顆粒物的二次轉(zhuǎn)化。因此,在不同的氣象條件下,污染物的排放量及其分布情況對于氣象條件形成與空氣質(zhì)量變化的作用規(guī)律也是不一樣的,而通過改變電力系統(tǒng)的運行方式,可以顯著改變不同類型污染物的排放分布。

因此,需要研究各種污染物在不同氣象條件下的擴散機理,基于大氣動力學(xué)等理論構(gòu)建污染物擴散模型;研究不同城市地貌、人口對排放水平的承載能力,研究適應(yīng)當?shù)亟?jīng)濟水平、環(huán)境特點與排放結(jié)構(gòu)的最佳污染標準,提煉與環(huán)境氣象因素協(xié)同的電力系統(tǒng)運行環(huán)境約束;分析發(fā)電的不同污染物排放水平與區(qū)域分布特征對于重污染氣象條件形成的貢獻,以及對于空氣質(zhì)量指數(shù)變化的作用規(guī)律。

5.4 環(huán)境協(xié)同的多能源系統(tǒng)調(diào)度決策方法

一個電力系統(tǒng)調(diào)度控制區(qū)往往覆蓋數(shù)個省乃至更大的地理區(qū)域,區(qū)域內(nèi)不同城市、地區(qū)的氣象條件與環(huán)境因素往往是不同的,且處于不斷動態(tài)變化的狀態(tài)之中,其對于污染物的擴散能力是不一樣的,需要嚴格控制擴散條件較差地區(qū)在空氣質(zhì)量較差時段的污染物排放水平;而考慮到不同發(fā)電機組在不同運行方式下,其多維度污染物排放特征可能存在較為顯著的差異,需要在考慮各種環(huán)境氣象條件的情況下進行協(xié)同控制。其次,作為未來的主力規(guī)劃電源,熱電聯(lián)產(chǎn)機組具有同時提供電能與熱能的能力,隨著其大規(guī)模并網(wǎng)運行,電力系統(tǒng)的運行方式與城市居民、工業(yè)的熱負荷需求之間的耦合關(guān)系愈加緊密,而熱負荷需求也將受到氣象條件與環(huán)境因素的顯著影響。

因此,需要對采用不同類型清潔發(fā)電技術(shù)的“環(huán)境敏感型”發(fā)電機組的運行模型、技術(shù)約束與排放特征函數(shù)進行抽象歸納與數(shù)學(xué)建模,將其與各種環(huán)境因素關(guān)聯(lián)起來,成為電力系統(tǒng)調(diào)度模型的新的基本組成單元;其次,將電力系統(tǒng)的運行方式與不同氣象條件下環(huán)境的承載能力關(guān)聯(lián)起來,提煉出不同氣象條件下環(huán)境的擴散能力,并將其轉(zhuǎn)化為可允許排放的污染物限額,對電力系統(tǒng)的調(diào)度運行形成環(huán)境約束,并考慮不同污染物排放情況對于空氣質(zhì)量的逆向影響,從而形成一個閉環(huán)協(xié)同的環(huán)境氣象—電力調(diào)度復(fù)雜系統(tǒng);再次,考慮不同城市、地區(qū)環(huán)境氣象條件的差異與變化情況,將熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱力供應(yīng)與電能供應(yīng)同時納為決策變量,考慮電廠、熱網(wǎng)與居民建筑的儲熱能力與熱量輻射慣性,協(xié)調(diào)遠方電源基地、城市中心熱電機組群的發(fā)電計劃與輸電系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線送電計劃。從而構(gòu)建了以電網(wǎng)為載體,在大電網(wǎng)控制區(qū)內(nèi)大氣污染防治、環(huán)境因素耦合、電熱供應(yīng)協(xié)調(diào)、多發(fā)電方式協(xié)同的復(fù)雜巨型能源系統(tǒng),針對該復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)建模、調(diào)度技術(shù)與決策方法開展全面的研究工作。

5.5 環(huán)境條件對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響及應(yīng)對的協(xié)同調(diào)度策略

考慮不同環(huán)境氣象條件下對于電力系統(tǒng)各種污染物排放所形成的嚴格約束,將推動電力系統(tǒng)的運行方式走向其極端的安全邊界,增加了電力系統(tǒng)運行的安全風(fēng)險;其次,考慮各種環(huán)境要素的頻繁變化,實際氣象條件與空氣質(zhì)量變化的時間頻度往往在日甚至小時級別,即在日內(nèi)可能出現(xiàn)多次劇烈的氣象條件切換,需要頻繁調(diào)整不同地區(qū)之間電力系統(tǒng)的運行方式,降低了電力系統(tǒng)運行的靈活性與調(diào)整裕度,將對新能源消納產(chǎn)生負面影響。

因此,需要研究大氣污染防控帶來的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題,例如由于本地發(fā)電量急劇減少所引起的電源支撐與電壓穩(wěn)定問題、由于關(guān)鍵斷面遠距離大功率送電所引起的小干擾與暫態(tài)穩(wěn)定問題、由于運行方式頻繁切換所引起的系統(tǒng)爬坡不足問題、由于關(guān)鍵線路潮流阻塞所引起的局部調(diào)頻與備用不足問題、由于極端發(fā)電方式所造成的調(diào)峰能力不足與棄風(fēng)(棄光)問題等。對上述問題進行建模描述,研究考慮上述穩(wěn)定問題的環(huán)境協(xié)同供調(diào)度策略。

6 結(jié)語

本文分析了開展環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行的時代背景及其內(nèi)涵,圍繞污染物排放特性、考慮排放的系統(tǒng)運行、環(huán)境敏感型電源三個方面總結(jié)了國內(nèi)外環(huán)境協(xié)同調(diào)度研究進展,闡述了中國開展環(huán)境協(xié)同調(diào)度實踐,構(gòu)建了環(huán)境協(xié)同調(diào)度研究思路,從氣象條件對電力系統(tǒng)運行方式影響機理、電力系統(tǒng)多維污染物排放特性、污染物對空氣質(zhì)量變化作用規(guī)律、環(huán)境協(xié)同的多能源系統(tǒng)決策方法、環(huán)境條件對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響及應(yīng)對的協(xié)同調(diào)度策略共5個方面深入挖掘了環(huán)境協(xié)同調(diào)度的研究方向,指出了實施環(huán)境協(xié)同調(diào)度所面臨的重大挑戰(zhàn)與亟待解決的研究問題。

需要指出,環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行,其本身是一個十分復(fù)雜的問題,涉及環(huán)境、電工、化工、熱能、經(jīng)濟等多個學(xué)科交叉。希望本文能夠為中國未來環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度運行研究提供參考。

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Dispatching and Operation of Power System Towards Environmental Synergy:Connotations and Prospects

GENGZhaowei1，2,CHENQixin1，2,XIAQing1，2,KANGChongqing1，2

(1.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

China is one of the most air-polluted countries in the world.Air pollution control is a requirement for China to build ecological civilization and to realize green development.The power sector is one of the main sources for emission reduction.It is important strategically and practically to mitigate the air pollution from the power sector.Traditionally,power system operation has failed to consider the impact of environmental issues,nor is the impact from power system emissions on the atmosphere environment.This paper proposes dispatching and operation of power system towards environmental dispatch (or environmental synergy dispatch).Two connotations of environmental dispatch are proposed:emission control considering environmental synergy and weather-sensitive energy consumption.Previous work on environmental synergy dispatch is reviewed.Practice related to environmental synergy dispatch in China is summarized.A research framework on environmental synergy dispatch is established.Main research prospects of environmental synergy dispatch are discussed.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51622705) and Fok-Ying-Tung Education Foundation Award (No.151057).

power system;environmental synergy dispatch;air pollution emissions;air quality;renewable energy sources

2017-05-28;

2017-08-22。

上網(wǎng)日期:2017-09-25。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51622705);霍英東教育基金會資助項目(151057)。

耿照為(1990—),男,博士,主要研究方向:環(huán)境協(xié)同的電力系統(tǒng)調(diào)度。E-mail:gengzw12@tsinghua.org.cn

陳啟鑫(1982—),男,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、電力市場、電力系統(tǒng)規(guī)劃。E-mail:qxchen@tsinghua.edu.cn

夏 清(1957—),男,通信作者,教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力市場、電力經(jīng)濟與信息。E-mail： qingxia@tsinghua.edu.cn

(編輯代長振)