胡佳琳，陳 冰，肖 成，韓 博，鐘嘉慶

(1.中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080；2. 河北省電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，河北 秦皇島 066004；3. 國(guó)網(wǎng)唐山市豐潤(rùn)區(qū)供電分公司，河北 唐山 063000)

面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)提出了低碳生產(chǎn)的理念，研究低碳調(diào)度的方式具有很現(xiàn)實(shí)的意義[1-2]。風(fēng)力發(fā)電是解決電力行業(yè)溫室氣體排放及環(huán)境污染問(wèn)題最有效且實(shí)際的辦法之一,但是風(fēng)電出力的波動(dòng)性與不確定性問(wèn)題給電力系統(tǒng)調(diào)度增加了難度[3-4]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)性，建立了時(shí)序多狀態(tài)風(fēng)電功率輸出模型。將投運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)度作為運(yùn)行可靠性指標(biāo)計(jì)入約束條件。文獻(xiàn)[6-7]將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重系數(shù)或者風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)引入到模型中，并作為風(fēng)險(xiǎn)成本加入到目標(biāo)函數(shù)中。文獻(xiàn)[8]綜合度量了風(fēng)電波動(dòng)的可能性和嚴(yán)重性，建立了計(jì)及大規(guī)模風(fēng)電和柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)供需側(cè)隨機(jī)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[9]考慮了風(fēng)電的概率特性，建立了考慮柔性負(fù)荷調(diào)峰的大規(guī)模風(fēng)電隨機(jī)調(diào)度模型。本文利用柔性負(fù)荷對(duì)風(fēng)電出力的不確定性進(jìn)行相關(guān)處理。文獻(xiàn)[10]針對(duì)計(jì)及閥點(diǎn)效應(yīng)等非線性因素的含風(fēng)電電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題,提出了一種區(qū)間經(jīng)濟(jì)調(diào)度非線性對(duì)偶優(yōu)化方法,將風(fēng)電有功功率描述為區(qū)間數(shù),建立樂(lè)觀及悲觀雙層非線性經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型,結(jié)合非線性對(duì)偶理論及原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法求解雙層非線性悲觀解模型。

專(zhuān)家學(xué)者就碳交易機(jī)制作了較多的研究。文獻(xiàn)[11]文中基于低碳經(jīng)濟(jì)理念，將碳交易機(jī)制引入電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[12]為應(yīng)對(duì)全球變暖,提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益,引入碳交易機(jī)制,以系統(tǒng)發(fā)電能源消耗成本與碳交易成本之和作為目標(biāo)函數(shù),建立了碳交易機(jī)制下電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[13]引入碳排放權(quán)交易成本函數(shù)，建立考慮碳交易成本、燃料成本、環(huán)境成本的冷日電聯(lián)供系統(tǒng)低碳調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[14]合理運(yùn)用相關(guān)理論，引入投票選舉的方式以及加總原理，建立了在求償權(quán)下的電力碳排放權(quán)分配模型。文獻(xiàn)[15]創(chuàng)立了一種基于歷史排放赤字的電力初始碳排放權(quán)公理化分配方法。文獻(xiàn)[16]比較了電力市場(chǎng)環(huán)境下，采用兩種分配準(zhǔn)則，分析了碳交易在增加利潤(rùn)方面的潛力和對(duì)電力行業(yè)的意義。文獻(xiàn)[17-18]分別分析了多準(zhǔn)則情況下碳排放權(quán)的初始分配問(wèn)題和碳排放權(quán)分配的公平性存在嚴(yán)重分歧，均提出碳排放權(quán)初始分配模型，解決了分配過(guò)程中的公平性問(wèn)題。文獻(xiàn)[19]分析了三種傳統(tǒng)分配方式的優(yōu)劣，并對(duì)歐盟的拍賣(mài)分配機(jī)制深入研究，提出符合我國(guó)國(guó)情的分配方式。文獻(xiàn)[20]考慮了拍賣(mài)機(jī)制中拍賣(mài)人對(duì)價(jià)格的保留對(duì)結(jié)果的影響，構(gòu)建了在保留價(jià)影響下，競(jìng)價(jià)策略可變的碳交易拍賣(mài)模型。

1 碳交易的引入

1.1 碳交易內(nèi)涵

碳交易是把碳排放權(quán)看成一種商品進(jìn)行買(mǎi)賣(mài)。其目的是減少碳排放量。為了限制碳排放的總量，監(jiān)督管理部門(mén)將碳排放權(quán)發(fā)給各個(gè)碳排放源。各碳排放源可以將剩余碳排放權(quán)賣(mài)出，獲得利潤(rùn)。當(dāng)碳排放權(quán)不足時(shí)，則可以購(gòu)買(mǎi)，但需要支付碳交易成本。引入碳交易機(jī)制，不但可以使清潔能源得到優(yōu)化配置，而且還會(huì)使碳排放產(chǎn)生成本，碳減排產(chǎn)生負(fù)成本。風(fēng)電非化石能源，因此碳交易機(jī)制只是針對(duì)火電機(jī)組。

1.2 碳排放權(quán)交易

分析發(fā)電機(jī)組碳排放權(quán)交易量考慮以下幾種情況。

a. 當(dāng)火電機(jī)組的碳排放權(quán)額度不足時(shí)，則需購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)。在總成本中包括交易成本及拍賣(mài)成本兩部分，依據(jù)本文，這兩部分碳排放權(quán)都將通過(guò)多輪一階密封拍賣(mài)的方式獲得，總成本為

(1)

(2)

(3)

b. 當(dāng)火電機(jī)組的碳排放權(quán)額度剩余時(shí)，可將其賣(mài)出而獲得一定收入。其收益的公式為

(4)

c. 當(dāng)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際碳排放量大于系統(tǒng)免費(fèi)分配額度，但是小于發(fā)電機(jī)組總分配額度時(shí)，系統(tǒng)的成本公式為

(5)

買(mǎi)家i的最優(yōu)報(bào)價(jià)為

(6)

式中:Ci為買(mǎi)家i的預(yù)算；k為單位成交價(jià)比例；n為買(mǎi)家的個(gè)數(shù)。

2 多輪一階密封拍賣(mài)碳交易機(jī)制下的含風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

傳統(tǒng)拍賣(mài)機(jī)制研究，通常沒(méi)有考慮買(mǎi)家的購(gòu)買(mǎi)能力，即預(yù)算，但買(mǎi)家的資本限制和邊際減排成本都可能會(huì)影響拍賣(mài)效果，所以需要金額的預(yù)算約束考慮到拍賣(mài)過(guò)程中。另外，由于碳交易中的拍賣(mài)方通常是政府管理者委托的碳交易所或者專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，因此，成交后，要考慮傭金的影響。

本文研究的基于多輪一階密封拍賣(mài)也屬于密封拍賣(mài)?？紤]了競(jìng)價(jià)方數(shù)量、預(yù)算、傭金比例等影響因素，求解出最優(yōu)的報(bào)價(jià)策略，使碳排放權(quán)盡多的流向了碳排放量高的電力企業(yè)，不僅鼓勵(lì)了高碳電力企業(yè)減排，而且可以以最佳收益進(jìn)行碳交易，從而進(jìn)一步降低碳交易成本。針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的不確定性問(wèn)題，本文通過(guò)柔性負(fù)荷來(lái)進(jìn)行處理。最終建立了基于多輪一階密封拍賣(mài)的碳交易機(jī)制和基于柔性負(fù)荷的含風(fēng)電系統(tǒng)多目標(biāo)低碳調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 基于多輪一階密封拍賣(mài)的碳交易機(jī)制下的低碳調(diào)度目標(biāo)

現(xiàn)階段的拍賣(mài)機(jī)制具有一階密封拍賣(mài)的性質(zhì)。因此需要用一階密封拍賣(mài)模型來(lái)解釋參與拍賣(mài)的發(fā)電企業(yè)的競(jìng)拍策略，這樣可以反映更加接近實(shí)際且對(duì)買(mǎi)家有利的價(jià)格。根據(jù)本文1.2節(jié)，綜合考慮三種碳交易的情況，其中可將情況二的收益最大化等價(jià)認(rèn)為負(fù)的成本最小化，因此，本文建立了基于多輪一階密封拍賣(mài)的碳交易機(jī)制下低碳調(diào)度目標(biāo)，其表達(dá)式如下：

(7)

2.1.2 基于柔性負(fù)荷的含風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)

柔性負(fù)荷可有效解決風(fēng)電并網(wǎng)不確定性問(wèn)題。這是因?yàn)槠漤憫?yīng)快且較經(jīng)濟(jì)，可依據(jù)用戶的需求安排用電。因此，本文將柔性負(fù)荷應(yīng)用于含風(fēng)電電力系統(tǒng)調(diào)度模型中，其表達(dá)式為

(8)

a. 風(fēng)電全壽命周期內(nèi)的平均發(fā)電成本

風(fēng)電并不消耗化石能源，風(fēng)電成本計(jì)及風(fēng)電投資和運(yùn)行維護(hù)成本。因此，風(fēng)電全壽命周期內(nèi)的平均發(fā)電成本可表示為

(9)

式中:CW為風(fēng)電機(jī)組在調(diào)度時(shí)段t的發(fā)電成本系數(shù)(萬(wàn)元/MWh)。

b. 柔性負(fù)荷成本

柔性負(fù)荷是指中斷負(fù)荷和激勵(lì)負(fù)荷。可中斷負(fù)荷是在風(fēng)功率處于波谷時(shí)段，電網(wǎng)根據(jù)與用戶的協(xié)議支付補(bǔ)償費(fèi)用。此時(shí)，可中斷負(fù)荷充當(dāng)備用容量使用。激勵(lì)負(fù)荷是在風(fēng)功率處于波峰時(shí)段，通過(guò)獎(jiǎng)金和降低電價(jià)的方法激勵(lì)用戶用電。從而可以提高風(fēng)電的利用率，減少棄風(fēng)。

據(jù)以上分析，可中斷負(fù)荷的補(bǔ)償成本函數(shù)為

(10)

式中:ρj為用戶j補(bǔ)償電價(jià)(萬(wàn)元/MWh)；Ujt為負(fù)荷用戶的狀態(tài)，Ujt=1為用戶j的負(fù)荷被中斷，Ujt=0為用戶j的負(fù)荷未被中斷；SILjt為t時(shí)刻被中斷的容量(MW)。

激勵(lì)負(fù)荷的激勵(lì)成本函數(shù)為

(11)

式中:ρk為用戶k的激勵(lì)負(fù)荷電價(jià)(萬(wàn)元/MWh)；Ukt為用戶的增減狀態(tài)，Ukt=1為增加用戶k的負(fù)荷，Ukt=0為不增加用戶k負(fù)荷；SILkt為在t時(shí)刻增加的容量(MW)。

c. 風(fēng)電旋轉(zhuǎn)備用容量補(bǔ)償成本

風(fēng)能雖是清潔能源，但是隨著風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)電預(yù)測(cè)出力的精度問(wèn)題逐漸凸顯，與實(shí)際出力存在很大偏差，為了實(shí)現(xiàn)減少棄風(fēng)量的目標(biāo)，系統(tǒng)為風(fēng)電預(yù)先準(zhǔn)備了足夠的熱備用容量。本文考慮將風(fēng)電預(yù)測(cè)功率的可信度應(yīng)用于風(fēng)電熱備用中。系統(tǒng)在時(shí)段內(nèi)的風(fēng)電旋轉(zhuǎn)備用容量補(bǔ)償成本為

FRT=pRT(1-γt)PWt

(12)

式中:pRT為時(shí)段t內(nèi)的旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)r(jià)格(萬(wàn)元/MWh)；γt為風(fēng)電預(yù)測(cè)功率在時(shí)段t內(nèi)的可信度；PWt為時(shí)段t內(nèi)的風(fēng)電預(yù)測(cè)功率(MW)。

d. 火電機(jī)組的環(huán)境補(bǔ)償成本

由于能源的過(guò)度消耗及環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，全球各國(guó)均對(duì)污染物的排放進(jìn)行控制。因此，本文將火電機(jī)組的排污特性以環(huán)境補(bǔ)償成本的形式表示，在時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組的環(huán)境補(bǔ)償成本為

(13)

式中:pε為時(shí)段t內(nèi)火電機(jī)組單位環(huán)境補(bǔ)償價(jià)格(元/t)；fεit為機(jī)組i在時(shí)段t內(nèi)的排放物質(zhì)量(t)。

feit=?i+βiPit+λiPit2+ζiexp(ξiPit)

(14)

式中:?i、βi、λi、ζi、ξi為火電機(jī)組i的排污特性系數(shù)；Pit為機(jī)組i在時(shí)段t內(nèi)的輸出功率(MW)。

e. 火電機(jī)組發(fā)電成本

汽輪機(jī)進(jìn)氣閥突然開(kāi)啟時(shí)的拔絲現(xiàn)象會(huì)在機(jī)組的耗量特性曲線疊加1個(gè)脈動(dòng)效果，稱(chēng)為點(diǎn)效應(yīng)。所以，發(fā)電成本中應(yīng)該考慮閥點(diǎn)效應(yīng)成本。另外，風(fēng)電出力的隨機(jī)性會(huì)使火電機(jī)組啟停調(diào)度策略發(fā)生變化。由此需將火電機(jī)組的啟停成本加入到經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)中，即：

+Qit]

(15)

式中：FG為火電機(jī)組運(yùn)行的綜合成本(元)；T為系統(tǒng)調(diào)度期間的時(shí)段數(shù)；N為火電機(jī)組數(shù)；PGit為火電機(jī)組i在時(shí)段t的有功出力(MW)；Uit為機(jī)組i在t時(shí)段的狀態(tài)，Uit=1表示開(kāi)機(jī)，Uit=0表示停機(jī)；Si為機(jī)組i的開(kāi)機(jī)費(fèi)用(元)；C(PGit)為火電機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電成本。

(16)

式中：ai、bi、ci為火電機(jī)組i的發(fā)電成本參數(shù)；Qit為閥點(diǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的能耗成本(元)。

Qit=|ei·sin[fi(Pi min-PGit)]|

(17)

式中：ei、fi為閥點(diǎn)效應(yīng)系數(shù)；Pi min為機(jī)組i的出力下限(MW)。

2.2 約束條件

a. 系統(tǒng)功率平衡約束

(18)

式中：PLt為時(shí)段t的系統(tǒng)總負(fù)荷需求量(MW)。

b. 柔性負(fù)荷約束

SILj min≤SILjt≤SILj max

(19)

SHk min≤SHkt≤SHk max

(20)

c. 系統(tǒng)的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束

≥β1

(21)

≥β2

(22)

式中:Rut為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用率；Rdt為系統(tǒng)的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用率；β1、β2為置信水平。

d. 系統(tǒng)爬坡能力約束

(23)

式中:φj為風(fēng)電機(jī)組j可能的最大出力變化率(%/h)；β3、β4為置信水平。

e. 火電機(jī)組出力約束

(24)

f. 機(jī)組爬坡能力約束

(25)

g. 最小啟停時(shí)間約束

(26)

(27)

h. 風(fēng)電出力波動(dòng)范圍約束

風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)往往存在偏差，允許其出力上下偏差±25%，則風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)出力范圍滿足以下約束條件：

0.75PWjt≤PWjt≤1.25PWjt

(28)

i. 風(fēng)電穿透功率極限約束

PWjt≤μPLt

(29)

式中:μ為風(fēng)電穿透功率系數(shù)。

3 算例分析

3.1 優(yōu)化算法

隨機(jī)模擬混合PSO算法是將能逼近隨機(jī)函數(shù)的隨機(jī)模擬應(yīng)用于PSO算法的一種新算法。其基本原理如下：

a. 在原有PSO算法的前提下，把每次迭代的PSO按適應(yīng)值排序；

b. 在群體中選出最好的和最差的一半粒子的位置和速度，將其互換；

c. 保留原來(lái)全體的歷史最優(yōu)值。

將隨機(jī)模擬混合PSO應(yīng)用于低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的求解，提高算法的精度和優(yōu)化速度。在采用隨機(jī)模擬混合PSO算法進(jìn)行求解時(shí)，其核心是對(duì)隨機(jī)變量或隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，流程如圖1所示。

圖1 算法流程

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表1 各火電機(jī)組參數(shù)

圖2 負(fù)荷功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果及分析

3.3.1 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

采用混合PSO算法對(duì)本章模型進(jìn)行求解。假設(shè)免費(fèi)配額比例為3%，碳價(jià)為60元/t。則系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如表2所示。各火電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)的出力變化曲線如圖3所示。

表2 各火電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖3 各機(jī)組出力

從表2及圖3中火電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)在研究周期內(nèi)各時(shí)段的出力數(shù)據(jù)分析可知，本文所提模型在調(diào)度周期內(nèi)，風(fēng)電的實(shí)際出力與其出力的預(yù)測(cè)值基本相同，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電全額上網(wǎng)。圖3中各火電機(jī)組的出力也與系統(tǒng)負(fù)荷的大小變化基本一致。

3.3.2 不同模式對(duì)比分析

為了研究與分析本文所提出的多輪一階密封拍賣(mài)的含風(fēng)電電力系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的優(yōu)越性及其優(yōu)點(diǎn)，給出兩種方案進(jìn)行比較分析。

方案一：基于碳交易的含風(fēng)電系統(tǒng)多目標(biāo)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

方案二：本文所建立的低碳經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)模型，同時(shí)兼顧碳排放量最低、發(fā)電總成本最低，順應(yīng)“低碳經(jīng)濟(jì)”進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)。

在以上各種調(diào)度方案中，均在保證安全的前提下，風(fēng)電全額并網(wǎng)。兩種調(diào)度方案下分別在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)各火電機(jī)組總出力的結(jié)果對(duì)比如圖4所示。兩種調(diào)度方案下，各自優(yōu)化調(diào)度后的目標(biāo)函數(shù)值對(duì)比如表3所示。

圖4 不同模式下各火電機(jī)組總出力對(duì)比

對(duì)圖4進(jìn)行對(duì)比分析可得出以下結(jié)論：在方案一中G2、G3的出力均要比方案二高，而G1、G4的出力卻要比方案二低，這是由于方案二中碳交易機(jī)制中的拍賣(mài)采用了多輪一階密封拍賣(mài)機(jī)制，使得碳排放權(quán)更多地出售給了減排成本較高的機(jī)組G2、G3，讓大部分減排任務(wù)由減排成本較低的機(jī)組G1、G4來(lái)承擔(dān)的原因。這樣既保證了經(jīng)濟(jì)性，又能保證減排高效進(jìn)行。

兩種方案分別在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)下，根據(jù)各自目標(biāo)函數(shù)得出的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)成本和低碳調(diào)度目標(biāo)成本如表3所示。

表3 兩種調(diào)度模式的成本對(duì)比 萬(wàn)元

在方案一中，一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本為152.64萬(wàn)元，碳排放權(quán)交易的成本為-1.87萬(wàn)元，為負(fù)值，也就是說(shuō)通過(guò)碳交易獲得了收益；方案二中經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本僅為145.48萬(wàn)元，比方案一降低了4.69%，說(shuō)明其相比方案一經(jīng)濟(jì)性更好，而碳排放權(quán)交易成本則達(dá)到了-3.11萬(wàn)元，說(shuō)明也獲得了收益，并且比方案一多獲得1.24萬(wàn)元，相當(dāng)于提高了方案一收益的66.31%。這表明，在調(diào)度過(guò)程中，方案二的CO2排放量較少，剩余了免費(fèi)配額，將這部分多余碳排放配額放到碳交易市場(chǎng)上出售獲得了收益，綜合評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本和碳排放權(quán)交易成本均優(yōu)于方案一。這種方案兼顧了電能生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也考慮了低碳性，實(shí)現(xiàn)了“低碳經(jīng)濟(jì)”。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的碳排放權(quán)交易中的拍賣(mài)機(jī)制的不足，本文對(duì)碳排放權(quán)交易的拍賣(mài)機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，從而建立了一種新的拍賣(mài)方式下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。同時(shí)考慮到風(fēng)電出力的不確定性問(wèn)題，引入柔性負(fù)荷，建立了基于柔性負(fù)荷的含風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)。綜合考慮兩個(gè)模型，建立了多輪一階密封拍賣(mài)碳交易機(jī)制下的電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度多目標(biāo)模型。

仿真結(jié)果表明，本文所建立的模型能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電的全額上網(wǎng)，通過(guò)兩種方案的對(duì)比，說(shuō)明了方案二，即本文所提方案的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本更低，同時(shí)碳排放交易較方案一更小，即方案二的收益較高。因此本文所建立模型是有效的，既保證了經(jīng)濟(jì)性，又促進(jìn)了節(jié)能減排的高效進(jìn)行。

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