陶葉煒，葉琪，吳昊，丁毅宏，高志野，戴康，宋文達(dá)

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇省蘇州市 215000；2.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川省綿陽市 621000；3.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京市昌平區(qū) 102206；4.三峽集團(tuán)四川能源投資有限公司，四川省成都市 610041）

0 引言

改革開放以來，中國能源消費(fèi)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而快速增長，2017年一次能源消費(fèi)量相比1978年增長了近7倍。但能源生產(chǎn)卻滯后于能源消費(fèi)，能源供需矛盾突出，不僅體現(xiàn)在供需缺口不斷擴(kuò)大，也體現(xiàn)在因環(huán)境政策收緊和電源清潔化轉(zhuǎn)型而導(dǎo)致的能源供應(yīng)質(zhì)量難以滿足新時(shí)代下綠色、清潔和可持續(xù)發(fā)展的要求。布局以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源被認(rèn)為是解決能源危機(jī)，緩解化石能源燃燒造成的環(huán)境問題的有效舉措。歐美發(fā)達(dá)國家已先后提出遠(yuǎn)期建成高比例可再生能源電力系統(tǒng)的發(fā)展藍(lán)圖[1]，根據(jù)規(guī)劃，中國非化石能源在一次能源消費(fèi)占比于2020年、2030年將分別達(dá)到15%與20%的目標(biāo)[2]，預(yù)計(jì)到2050年，可再生能源發(fā)電比例也將達(dá)到60%[3]。黨的十九大報(bào)告提出要構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，電力行業(yè)作為能源部門的核心，是實(shí)施能源革命的關(guān)鍵所在。然而目前區(qū)域電網(wǎng)仍然存在電源結(jié)構(gòu)不盡合理，棄風(fēng)棄光嚴(yán)重等問題。電源規(guī)劃作為電力系統(tǒng)發(fā)展中的重要組成部分，對(duì)未來能源結(jié)構(gòu)升級(jí)轉(zhuǎn)變有不容小覷的影響[4]。因此如何統(tǒng)籌風(fēng)光火電源的開發(fā)建設(shè)，優(yōu)化配置區(qū)域電源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)能源革命和供給側(cè)改革具有重要意義。

在電源規(guī)劃領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了大量研究。一方面集中于在傳統(tǒng)電源規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，引入可再生能源，以規(guī)劃期內(nèi)經(jīng)濟(jì)成本最小或凈收益最大為目標(biāo)進(jìn)行區(qū)域電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[5]以分布式電源為研究對(duì)象，以運(yùn)營商凈收益最大化作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多場景多時(shí)段的電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)研究含風(fēng)電的電源規(guī)劃，考慮風(fēng)電出力的不確定性，構(gòu)建了凈收益最大化的雙層電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[7]在電源規(guī)劃中引入清潔能源，建立了包含環(huán)境友好系數(shù)的環(huán)境效益模型，并基于此構(gòu)建了包含多種類型機(jī)組并網(wǎng)的電源規(guī)劃模型。另一方面，隨著電改力度的深入以及能源氣候政策和低碳技術(shù)的引入，電源規(guī)劃模型進(jìn)一步地復(fù)雜化和多樣化。為合理控制污染氣體排放，文獻(xiàn)[8]考慮環(huán)境成本和需求側(cè)管理(DSM)項(xiàng)目成本，以系統(tǒng)綜合成本最小為目標(biāo)構(gòu)建電源規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[9]探討了二氧化碳減排目標(biāo)和碳稅對(duì)中國發(fā)電結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)減排規(guī)劃和碳稅都有助于調(diào)整發(fā)電結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[10]探求了不同可再生能源補(bǔ)貼及減排政策情景下中國唐山市的電力規(guī)劃方案，結(jié)果表明積極的清潔能源補(bǔ)貼政策能夠降低傳統(tǒng)發(fā)電模式的成本優(yōu)勢，提高電力企業(yè)發(fā)展可再生能源的積極性，有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。除此之外，不少文獻(xiàn)著眼于電源優(yōu)化模型的構(gòu)建，利用不同建模手段分析電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程。文獻(xiàn)[11]重點(diǎn)關(guān)注解決電源規(guī)劃中存在的不確定性問題，以發(fā)電成本最小化為目標(biāo)，利用因子模糊概率規(guī)劃方法構(gòu)建不同碳排放約束及負(fù)荷需求條件下的能源優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[12]考慮碳排放約束及煤炭消耗約束條件下的區(qū)域能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建了基于不確定性的模糊概率兩階段隨機(jī)魯棒規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[13]創(chuàng)造性地將社會(huì)福利的概念引入生物質(zhì)供應(yīng)鏈，構(gòu)建了效益最大化和社會(huì)福利最大化的雙目標(biāo)供應(yīng)鏈非線性整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化模型，從另一個(gè)角度衡量了生物質(zhì)供應(yīng)鏈帶來的綜合效益。同理，考慮到區(qū)域電源優(yōu)化配置問題中環(huán)境效益極為重要，社會(huì)福利函數(shù)不僅能夠度量規(guī)劃模型的低碳效益，而且能從宏觀角度全面刻畫該模型帶來的巨大社會(huì)福利效益，因此，將社會(huì)福利函數(shù)與能源規(guī)劃相結(jié)合，能夠?yàn)槟茉匆?guī)劃提供一個(gè)新的思路。

基于此，本文將在考慮國家能源電力發(fā)展政策及負(fù)荷預(yù)測、碳價(jià)和不同發(fā)展階段各類技術(shù)成本變動(dòng)等不確定性因素的前提下，構(gòu)建一個(gè)考慮碳排放、電力電量平衡和調(diào)峰等約束的全周期投資成本最小及社會(huì)福利最大的多目標(biāo)風(fēng)光火聯(lián)合發(fā)電電源規(guī)劃模型。通過將該模型應(yīng)用于新疆±800 kV天中特高壓直流輸電線路工程進(jìn)行實(shí)例分析，試圖探究該輸電通道配套電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)方案，為相關(guān)決策部門實(shí)施電源配置提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 社會(huì)福利測算

福利經(jīng)濟(jì)學(xué)理論引入能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，能巧妙度量能源政策帶來的社會(huì)福利。該理論認(rèn)為效用函數(shù)能夠有效衡量福利水平，因此本文基于效用理論構(gòu)建社會(huì)福利函數(shù)，并根據(jù)函數(shù)組成進(jìn)行電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置的福利測算。社會(huì)福利函數(shù)把社會(huì)福利看作是個(gè)人福利的總和，所以社會(huì)福利是所有個(gè)人福利總和的函數(shù)，假設(shè)社會(huì)中有n人，則社會(huì)福利函數(shù)W表示為：

式中：ui(xi)是 個(gè)體i的效用函數(shù)，用來衡量個(gè)體對(duì)所獲得商品或服務(wù)的滿意度。其中效用可分為兩部分：經(jīng)濟(jì)效用和非經(jīng)濟(jì)效用。經(jīng)濟(jì)效用是貨幣形式的盈余，而非經(jīng)濟(jì)效用并不能直接以貨幣形式表示。在本文研究中，以電力市場中個(gè)人的經(jīng)濟(jì)盈余來衡量社會(huì)福利，考慮中國電力市場的主要參與者以及電源規(guī)劃中發(fā)展可再生能源帶來的巨大的環(huán)境效益，本文的社會(huì)福利測算公式如公式(2)所示。

式中：CS表 示消費(fèi)者剩余，G表示政府稅收收入，EB表示二氧化碳減排帶來的環(huán)境效益。注：由于政府稅收部分考慮了生產(chǎn)者剩余，因此不單獨(dú)對(duì)生產(chǎn)者剩余進(jìn)行研究。

1.1.1 政府稅收相關(guān)參數(shù)計(jì)算

限于數(shù)據(jù)的可獲得性和整體財(cái)稅核算的繁雜性，本文簡化了政府財(cái)政稅收的計(jì)算過程。參照電力生產(chǎn)-輸配-消費(fèi)全過程流程圖（如圖1所示），并根據(jù)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，以企業(yè)所得稅以及電網(wǎng)購售電過程中產(chǎn)生的增值稅來代表政府稅收。

圖1 電力生產(chǎn)-輸配-消費(fèi)全過程流程圖Fig.1 Flowchart of the whole processof power production, transmission and distribution,and consumption

式中：V表示購售電過程中產(chǎn)生的增值稅；I表示電網(wǎng)企業(yè)上繳的所得稅；Hi,t表示第i類電源第t年平均利用小時(shí)數(shù)；Ci,t表示第i類電源第t年裝機(jī)量；表示第i類電源的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)；表示第i類電源度電成本；ER表示售電收入；表示電網(wǎng)公司第t年的平均輸配電價(jià)；RVAT表示增值稅率；RIT表示所得稅率。

1.1.2 消費(fèi)者剩余相關(guān)參數(shù)計(jì)算

消費(fèi)者剩余是衡量消費(fèi)者福利的重要指標(biāo)，指消費(fèi)者通過以低于他們?cè)敢庵Ц兜淖罡邇r(jià)格的價(jià)格購買產(chǎn)品或服務(wù)而獲得的貨幣收益，并且可以通過需求曲線下高于水平線的面積來表示?？紤]到中國采取固定的電價(jià)，其電力市場不存在真正意義上的供需曲線，因此本文利用電價(jià)需求彈性來擬合需求曲線。由于農(nóng)業(yè)用電占比非常小，在本研究中只考慮居民用電和工商業(yè)用電兩部分。參考文獻(xiàn)[14]中利用雙對(duì)數(shù)模型計(jì)算出中國工業(yè)和商業(yè)電力需求的價(jià)格彈性約為?1.14，文獻(xiàn)[15]利用加總離散/連續(xù)選擇（discrete/continuous chioce,DCC）模型估算了中國居民用電需求的價(jià)格彈性約為?0.34。因此本文分別選擇?1.14和?0.34作為工商業(yè)用電和居民生活用電的價(jià)格彈性系數(shù)進(jìn)行消費(fèi)者剩余的計(jì)算。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年中國居民生活用電量為9685億kW·h，工商業(yè)用電量為56038.86億kW·h，考慮到不同省市電價(jià)各有不同，以及未來一般工商業(yè)平均電價(jià)下調(diào)10%的有關(guān)政策，這里采取居民平均電價(jià)0.55元/(kW·h)，工商業(yè)平均電價(jià)0.6386元/(kW·h)。當(dāng)需求曲線不是直線時(shí)，可利用式（7）計(jì)算消費(fèi)者剩余，并利用MATLAB軟件繪制的相關(guān)電力需求曲線如圖2、圖3所示。

圖2 工商業(yè)用電消費(fèi)者剩余Fig.2 Consumer surplus of industrial and commercial electricity consumption

圖3 居民用電消費(fèi)者剩余Fig.3 Consumer surplusof residential electricity consumption

式中：ACS表示平均消費(fèi)者剩余系數(shù)；表示居民和工商業(yè)用電總量；CS表示消費(fèi)者總剩余；Pmarket是市場平均電價(jià)，取Pmarket的2倍作為Pmax值?？衫蒙鲜?個(gè)公式得到平均消費(fèi)者剩余系數(shù)約為0.4304元/(kW·h)。

1.1.3 環(huán)境效益相關(guān)參數(shù)計(jì)算

式中：AC表 示平均碳減排成本;CER表示規(guī)劃期內(nèi)二氧化碳總減排量。參考國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文中AC取 值為0.01萬元/t，CER的取值由規(guī)劃期內(nèi)同等情況下火電發(fā)電代替風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量確定。

1.2 不確定性因素處理

本研究以三角模糊數(shù)定義能源規(guī)劃中價(jià)格、負(fù)荷預(yù)測及電源出力等模糊不確定性因素，用=(r1,r2,r3)表 示，其中：r1為 模糊數(shù)的下限；r3為模糊數(shù)的上限；r2表示最可能值。參考文獻(xiàn)[16]中不確定性處理方法，進(jìn)行確定性轉(zhuǎn)化。假設(shè)ξ是三角模糊變量，其中 ξ的期望值表示為：

式中：E|ξ|表 示 ξ 的期望值；Me{ξ≥r}表 示{ξ≥r}的模糊值，若E|ξ|能如上表示，則我們有：

式中：ENec|ξ|表 示 ξ 最悲觀期望值；EPos|ξ|表 示 ξ最樂觀期望值；λ表示置信度。

以r3≤0為例，證明如下：

在公式（13）的基礎(chǔ)上，以文中具體變量如第i種電源第t年的單位裝機(jī)建設(shè)成本為例來具體說明確定性轉(zhuǎn)化過程，如下所示，其中模糊置信水平取0.8：

2 模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文考慮規(guī)劃期間新增裝機(jī)產(chǎn)生的建設(shè)費(fèi)用、發(fā)電運(yùn)維費(fèi)用，以燃料成本以及碳交易成本之和最小和電力市場中主要參與方的社會(huì)福利之和最大為雙目標(biāo)分別構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。

1）成本最小化。

式中：f1為 規(guī)劃期內(nèi)產(chǎn)生的建設(shè)成本；f2為發(fā)電過程中產(chǎn)生的運(yùn)行維護(hù)成本；f3為購買煤炭產(chǎn)生的燃料成本；f4為碳交易成本。表達(dá)式分別如下所示：

式中：ui,tΔCi,t為第i種電源在第t年新增裝機(jī)量；ui,t為0?1變量，當(dāng)且僅當(dāng)ui,t=1時(shí)，表示存在新增裝機(jī)容量；表示第i種電源第t年的單位裝機(jī)建設(shè)成本；Ci,t表示第i種電源第t年的裝機(jī)容量；Hi,t表示第i類電源第t年平均利用小時(shí)數(shù)；表示第i種電源第t年單位運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；表示第t年的燃煤價(jià)格；β1,t表示第t年煤電轉(zhuǎn)化效率；表示第t年的碳交易價(jià)格水平；ki表示第i種電源機(jī)組碳排放強(qiáng)度系數(shù)；ηt表示第t階段分到的初始單位電量排放配額。

2）社會(huì)福利最大化。

相關(guān)參數(shù)定義及計(jì)算詳見1.1節(jié)。

2.2 約束條件

1）電力電量平衡約束。

式中：δi,t表示第i種 電源第t年 的出力水平；表示第t年的最大負(fù)荷;γt表示第t年的容量備用率；θloss表 示第t年 的網(wǎng)損率；表示第t年的電量需求。

2）可再生能源滲透率約束。

式中： φprt,t表 示第t年可再生電量最大滲透率。

3）調(diào)峰約束。

式中：ηth表 示火電調(diào)峰深度；分別表示第t年風(fēng)光出力變動(dòng)范圍；ΔDt表示第t年系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差。

4）碳排放量約束。

式中：QCO2,t表示第t年CO2排放量最大限制。

3 實(shí)例分析

隨著“西電東送”戰(zhàn)略的逐步落實(shí)，中國西部豐富的風(fēng)能和太陽能為大力發(fā)展新能源提供了充足的資源優(yōu)勢，因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上[17]，針對(duì)風(fēng)光火電源特性建立風(fēng)光火打捆外送電源多目標(biāo)規(guī)劃模型。本研究以已投產(chǎn)運(yùn)行的±800 kV天中直流輸電通道配套電源為研究對(duì)象，將所構(gòu)建的低碳背景下電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型應(yīng)用于該輸電外送通道，進(jìn)行算例分析。天中直流輸電通道聯(lián)接西部邊疆與中原地區(qū)，承擔(dān)著將新疆風(fēng)光火打捆外送的重要任務(wù)，有利于促進(jìn)西北能源基地的開發(fā)及傳統(tǒng)能源與清潔能源的綜合開發(fā)。該外送通道配套電源輸送電系統(tǒng)如圖4所示。圖4表示風(fēng)光火電源發(fā)電上網(wǎng)后通過輸電通道，分別滿足居民生活用電、農(nóng)業(yè)用電以及工業(yè)用電3種用電需求。

圖4 外送通道配套電源輸送電系統(tǒng)Fig.4 Supporting power transmission system of external transmission channel

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以天中直流配套電源現(xiàn)有裝機(jī)容量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真分析，以三角模糊數(shù)定義各機(jī)組相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)等模糊不確定性因素，見表1，模糊置信水平取0.8。同時(shí)查閱國家數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，哈密地區(qū)屬于Ⅰ類光伏資源區(qū)，Ⅲ類風(fēng)電資源區(qū)，光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.55元/(kW·h)，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為0.49元/(kW·h)。規(guī)劃期間發(fā)生變化的數(shù)據(jù)如平均碳交易價(jià)格、火電機(jī)組免費(fèi)碳排放配額等因素具體設(shè)定情況見表2。負(fù)荷預(yù)測值見表3。

表1 各機(jī)組相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 1 Related economic parametersof generating units

表2 規(guī)劃期內(nèi)碳交易機(jī)制變化情況設(shè)定Table2 Different scenario settingsof CETS

表3 用電量需求預(yù)測數(shù)據(jù)Table 3 Predicted data of electricity consumption

3.2 規(guī)劃結(jié)果

利用優(yōu)化軟件Lingo對(duì)模型進(jìn)行求解，得出如表4和圖5所示的規(guī)劃結(jié)果。

圖5 規(guī)劃期內(nèi)電源結(jié)構(gòu)配置結(jié)果Fig.5 Configuration results of power source structure within the planning period

根據(jù)表4和圖6可知，為滿足電力外送需求不斷上漲，3種發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量都穩(wěn)步增加。雖然可再生電源裝機(jī)占比呈現(xiàn)下降趨勢，但其并網(wǎng)電量比例卻保持平穩(wěn)，主要原因在于可再生機(jī)組平均利用率不斷提升，能源利用效率有效提高。本研究在優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)時(shí)，不一味追求裝機(jī)容量建設(shè)，而通過提升機(jī)組利用效率來增加可再生能源發(fā)電份額，從而規(guī)避電源建設(shè)的高昂成本，并增加社會(huì)福利，在中后期負(fù)荷需求顯著增加時(shí)才進(jìn)一步增加電源裝機(jī)。除效率提升外，本研究的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化還體現(xiàn)在清潔與低碳方面，規(guī)劃期內(nèi)碳排放強(qiáng)度與煤耗強(qiáng)度都?xì)v經(jīng)先增后減的趨勢，拐點(diǎn)出現(xiàn)2025—2030年之間，這與政府承諾的碳排放達(dá)峰時(shí)間相符合。

表4 考慮成本與福利均衡的電源規(guī)劃結(jié)果Table 4 Result of power source planning with the equilibrium of cost and welfare considered

3.3 方案對(duì)比

為響應(yīng)能源革命的客觀訴求，推動(dòng)現(xiàn)代能源體系建設(shè)，本研究以低碳、經(jīng)濟(jì)、高效作為電源規(guī)劃方案的優(yōu)化思路與決策依據(jù)，構(gòu)建了兩個(gè)單目標(biāo)模式與優(yōu)化模式進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)討論不同模式的電源建設(shè)結(jié)果和產(chǎn)生的成本與福利。其中，模式1、2、3分別表示以社會(huì)福利最大化、經(jīng)濟(jì)成本最小化以及同時(shí)考慮兩者為目標(biāo)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。

3.3.1 不同優(yōu)化模式下電源結(jié)構(gòu)演變

在相同案例及規(guī)劃約束下，分別對(duì)以福利最大和成本最小為目標(biāo)的規(guī)劃模型進(jìn)行求解，得出如圖6所示的不同電源結(jié)構(gòu)演變方案。分析可知，圖6展示的不同模式下各電源裝機(jī)變化趨勢受其目標(biāo)函數(shù)的影響而出現(xiàn)差異。具體來看，模式1追求社會(huì)福利最大，這促使各類電源增加并網(wǎng)規(guī)模，因而對(duì)電源投資建設(shè)的約束較寬，使得該模式下火電及可再生電源裝機(jī)容量都最高，相比于風(fēng)電，光伏貢獻(xiàn)了更多的可再生電源裝機(jī)增量，原因在于風(fēng)電初始開發(fā)程度較高且受限于總量約束使得風(fēng)電裝機(jī)增速相對(duì)平穩(wěn)，而在社會(huì)福利最大的模式下，光伏得益于更高的上網(wǎng)電價(jià)使其開發(fā)潛力更高；模式2以成本最小為目標(biāo)，而建設(shè)及運(yùn)維成本在總成本構(gòu)成中占比超過68%，因此相比于模式1，該模式下電源裝機(jī)規(guī)模得到有效控制，在電源建設(shè)投資決策時(shí)優(yōu)先選擇邊際成本更低的火電與風(fēng)電機(jī)組；模式3兼顧了成本與福利的均衡，電源結(jié)構(gòu)配置更加優(yōu)化，新增裝機(jī)以可再生電源為主，當(dāng)電力系統(tǒng)較難應(yīng)對(duì)大規(guī)?？稍偕娏Σ⒕W(wǎng)時(shí)才選擇增加火電機(jī)組以穩(wěn)定電力供需。

圖6 3種模式下電源結(jié)構(gòu)演變方案Fig.6 Evolution scheme of power source structureunder three modes

3.3.2 不同優(yōu)化模式下成本與福利構(gòu)成

基于3種模式的求解結(jié)果及規(guī)劃方案，進(jìn)一步得出相應(yīng)的成本與福利構(gòu)成情況如圖7所示。分析可知，在電源規(guī)劃領(lǐng)域，社會(huì)福利常被決策者所忽視，而計(jì)算顯示相比于經(jīng)濟(jì)成本，電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置能夠帶來更為顯著的社會(huì)福利。本研究核算的社會(huì)福利由稅收、消費(fèi)者剩余及環(huán)境效益3部分構(gòu)成，模式1由于具有最多的可再生電力并網(wǎng)量，故其環(huán)境效益顯著優(yōu)于其余模式，也使其整體福利值最高；由于3種模式需滿足同樣條件下的電量平衡約束，使得不同模式間具有一致的消費(fèi)者剩余；稅收方面則是模式2實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，原因在于模式2更傾向于投資邊際成本較低的火電與風(fēng)電機(jī)組，而這兩類機(jī)組相較于光伏具有更大的利潤空間，從而獲得更多的稅收收入；模式3在稅收方面略低于模式2，但憑借可再生電力并網(wǎng)量的優(yōu)勢使其環(huán)境效益領(lǐng)先模式2，使得該模式下社會(huì)福利優(yōu)于模式2。在成本方面，單一追求社會(huì)福利的模式1不占據(jù)優(yōu)勢，具有最高的經(jīng)濟(jì)成本，而模式2則實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。具體構(gòu)成方面，模式1與模式3由于擁有更多的可再生電力并網(wǎng)量使得二者在煤炭成本與碳交易成本方面優(yōu)于模式2，但也同時(shí)產(chǎn)生了更高的建設(shè)及運(yùn)維成本，模式1更甚。

圖7 3種模式下成本與福利構(gòu)成情況Fig.7 Composition of cost and welfare under three modes

綜合上述分析，模式1在社會(huì)福利最大化目標(biāo)的引導(dǎo)下，大力開發(fā)可再生能源，使得系統(tǒng)碳交易成本及煤耗碳排強(qiáng)度皆最低，但產(chǎn)生了高額經(jīng)濟(jì)成本，呈現(xiàn)出“低碳不經(jīng)濟(jì)”的優(yōu)化結(jié)果；模式2與之相反，過于追求成本最小，使得風(fēng)電光伏受限于建設(shè)及運(yùn)維成本而無法充分開發(fā)；模式3在經(jīng)濟(jì)成本略高于模式2的情況下，獲得較多的社會(huì)福利，節(jié)能減排效應(yīng)也更為顯著，采用該模式進(jìn)行電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置能更好地響應(yīng)“低碳、經(jīng)濟(jì)、安全、高效”的能源開發(fā)利用訴求，實(shí)現(xiàn)成本與福利的均衡。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了低碳環(huán)境下經(jīng)濟(jì)與福利均衡的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了福利經(jīng)濟(jì)學(xué)與電源規(guī)劃學(xué)科交叉，為電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置提供另一種新穎的研究思路。通過對(duì)該優(yōu)化模型進(jìn)行求解分析，得出如下結(jié)論及建議：

1）文章在考慮國家能源政策變化及電力市場發(fā)展帶來的多種不確定性因素的基礎(chǔ)上，引入社會(huì)福利學(xué)，在電源規(guī)劃優(yōu)化中考慮經(jīng)濟(jì)與福利均衡，并將多目標(biāo)優(yōu)化模型與其余兩種單目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，兼顧經(jīng)濟(jì)與福利能更好地實(shí)現(xiàn)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，相比于增加電源裝機(jī)水平，提升機(jī)組利用效率能更好地滿足實(shí)際需要，推動(dòng)電源結(jié)構(gòu)健康有序發(fā)展。

2）從優(yōu)化過程中可以看出，為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，不得不增加火電裝機(jī)為可再生電力并網(wǎng)提供備用容量和調(diào)頻調(diào)峰需要，這與構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系的初衷相悖。因此，應(yīng)大力推廣火電靈活性改造技術(shù)，增強(qiáng)火電靈活性，破解新能源消納難題，推進(jìn)綠色發(fā)展，同時(shí)考慮引進(jìn)儲(chǔ)能、光熱電源等多類型靈活性資源來分擔(dān)調(diào)峰壓力。

3）積極有序發(fā)展新能源，如大型風(fēng)電基地及配套送出工程建設(shè)，除此之外，積極推動(dòng)集中式光伏與分布式光伏發(fā)電同步發(fā)展，同步做好就地消納利用和通道建設(shè)。推行可再生能源配額制，并把清潔能源發(fā)電比例作為企業(yè)績效考核指標(biāo)體系。努力實(shí)現(xiàn)新能源建設(shè)規(guī)劃與布局不斷優(yōu)化，創(chuàng)建電網(wǎng)安全與清潔能源消納統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)與福利的有效均衡。