楊胡萍 王博宇 彭佳欣 嚴(yán)飛飛

摘 要： 發(fā)電權(quán)的交易在電力市場(chǎng)中扮演重要的角色。為保證整個(gè)電力市場(chǎng)交易過(guò)程能夠向著節(jié)能減排和社會(huì)效益最大化的方向發(fā)展，必須對(duì)發(fā)電權(quán)的交易方向提供一定的參考依據(jù)。提出建立新型交易模型，模型以碳排放量和出力成本為約束條件，以安全運(yùn)行為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)有功出力的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)在發(fā)電權(quán)交易過(guò)程中滿(mǎn)足節(jié)能減排的同時(shí)追求最大的社會(huì)效益。通過(guò)基于約束松弛變量?jī)?nèi)點(diǎn)法模型求取最優(yōu)解，同時(shí)對(duì)三種模型的特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較，并在IEEE 30，39，57和118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證模型的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 發(fā)電權(quán)交易； 電力市場(chǎng)； 碳排放約束； 有功出力優(yōu)化； 社會(huì)效益； 節(jié)能減排

中圖分類(lèi)號(hào)： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）13?0078?05

Abstract： The trade of power generation rights plays a more important role in the electricity market. In order to ensure that the whole electricity market transaction process can develop towards to the direction of energy saving and emission reduction and maximization of social benefits， it is necessary to provide a certain reference to trade direction of power generation right. A new transaction model is proposed. By taking the carbon emissions and generation cost as constraints， and safe operation as the foundation， the active power is optimized to realize both of energy saving and emission reduction， and maximum social benefits in the process of power generation right transaction. The constraint relaxation interior point model is used to obtain the optimal solution， and analyze and compare the characteristics of the three models. The superiority of models is verified with IEEE 30， IEEE 39， IEEE 57 and IEEE 118 node system.

Keywords： power generation right transaction； electricity market； carbon emission constraint； active power optimization； social benefit； energy conservation and emission reduction

0 引 言

當(dāng)前隨著大氣污染問(wèn)題的愈發(fā)嚴(yán)重，節(jié)能減排已經(jīng)成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必然要求和途徑。電力行業(yè)又以中火力發(fā)電作為大氣污染的重要來(lái)源，已經(jīng)成為節(jié)能減排的重點(diǎn)改造區(qū)域。為了順利實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)度，同時(shí)克服老舊電廠污染高、發(fā)電成本大的問(wèn)題，有必要在電力行業(yè)大力推廣發(fā)電權(quán)交易減少老舊機(jī)組的發(fā)電額度。發(fā)電權(quán)交易在參與交易對(duì)象之間起著優(yōu)化社會(huì)資源和減少碳排放量等作用，是火力發(fā)電廠實(shí)施減排的重要研究方向[1]。對(duì)于高效大火電廠和低效小火電廠之間的發(fā)電權(quán)交易也是一個(gè)關(guān)于節(jié)能減排的重要研究方向。通過(guò)將發(fā)電成本高的高能耗機(jī)組將其國(guó)家分配的發(fā)電額度出售給發(fā)電成本低的低能耗機(jī)組，從而達(dá)到降低電力行業(yè)能耗水平，減少碳排放量的目的。水力發(fā)電廠和火力發(fā)電廠之間的發(fā)電權(quán)交易是未來(lái)節(jié)能減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要手段[2]。

文獻(xiàn)[3]中通過(guò)制定出在發(fā)電權(quán)交易過(guò)程中節(jié)能和減排等各項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)對(duì)各種發(fā)電權(quán)交易模型的節(jié)能減排情況進(jìn)行比對(duì)分析，能夠有效地對(duì)交易方向進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)交易過(guò)程進(jìn)行管理。文獻(xiàn)[4]說(shuō)明了發(fā)電成本的組成結(jié)構(gòu)，提供了關(guān)于機(jī)組發(fā)電成本的判斷依據(jù)，為發(fā)電權(quán)交易提供了交易的方向（從高成本機(jī)組到低成本機(jī)組）。文獻(xiàn)[5]驗(yàn)證了所提發(fā)電權(quán)交易模型能夠達(dá)到減少煤耗和增加社會(huì)效益的效果，但并未對(duì)發(fā)電權(quán)交易中的二氧化碳排放量進(jìn)行考慮。文獻(xiàn)[6]提出在電力市場(chǎng)中發(fā)電權(quán)交易可以對(duì)發(fā)電側(cè)節(jié)能減排和利益格局進(jìn)行調(diào)整。并提出將碳排放量作為一種約束引入發(fā)電權(quán)交易，達(dá)到滿(mǎn)足碳排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電權(quán)交易模型。文獻(xiàn)[7]建立一種以碳排放量和靜態(tài)電壓穩(wěn)定為雙目標(biāo)約束的交易模型，模型引入碳排放額度概念，通過(guò)有功出力優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和系統(tǒng)安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[8]提出一種有功出力優(yōu)化模型，直觀反映出力成本和安全裕度的關(guān)系，可以為決策提供優(yōu)化方案和參考依據(jù)。文獻(xiàn)[9]提供了一種基于NBI的優(yōu)化算法和兩種目標(biāo)之間置換度的關(guān)系，可以把問(wèn)題多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化，文獻(xiàn)[10]通過(guò)提出以節(jié)能減排為約束條件，系統(tǒng)有功出力最優(yōu)的交易模型。但上述模型沒(méi)能同時(shí)考慮到如何在滿(mǎn)足節(jié)能減排的條件下取得最大社會(huì)效益。

在上述背景下，以保證系統(tǒng)安全性為基礎(chǔ)，利用發(fā)電權(quán)交易來(lái)實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排的目標(biāo)和發(fā)電權(quán)交易參與雙方取得最大社會(huì)效益問(wèn)題是值得深入研究的。本文在結(jié)合現(xiàn)行電力行業(yè)減排政策和發(fā)電交易基本原理的同時(shí)，提出以碳排放和出力成本為約束，并將碳排放量計(jì)入一種可交易商品的情況下求取系統(tǒng)最大社會(huì)效益的模型。新模型在以系統(tǒng)安全運(yùn)行為前提條件下，能夠兼顧發(fā)電權(quán)交易的經(jīng)濟(jì)性和國(guó)家節(jié)能減排基本要求。

1 發(fā)電權(quán)交易發(fā)電成本模型

1.1 發(fā)電成本計(jì)算

目前我國(guó)發(fā)電廠分為清潔能源發(fā)電廠和非清潔能源發(fā)電廠，其中非清潔能源又以火力發(fā)電廠為主，本文對(duì)于發(fā)電機(jī)組的討論僅限于火電機(jī)組。火力機(jī)組又以燃煤機(jī)組污染較為嚴(yán)重。對(duì)于絕大多數(shù)火力發(fā)電廠而言，其成本大致由燃料成本、輔機(jī)成本和其他成本三部分組成。不同機(jī)組由于技術(shù)原因?qū)е缕淙剂侠寐什煌?，設(shè)備新舊程度不同和地方勞動(dòng)力條件不同導(dǎo)致不同機(jī)組的發(fā)電成本有所不同。所以對(duì)于某一機(jī)組而言，短時(shí)間內(nèi)無(wú)重大外力影響（如機(jī)組升級(jí)更新，以氣代煤等）其發(fā)電成本系數(shù)是不變的（具體參考文獻(xiàn)[11]）。

1.2 發(fā)電成本的優(yōu)化模型

目前我國(guó)發(fā)電權(quán)交易方向以國(guó)家政策指導(dǎo)為主，大致包含用大機(jī)組取代小機(jī)組、關(guān)停小機(jī)組火電站、調(diào)整電源結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方向。因?yàn)槿鄙僮分鹄麧?rùn)的空間導(dǎo)致電力市場(chǎng)能動(dòng)性不高。因此，本文提出通過(guò)追求社會(huì)效益來(lái)確定新發(fā)電權(quán)交易方向。因?yàn)榘l(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中，不同的機(jī)組發(fā)電成本系數(shù)不一樣，且短時(shí)間難以改變或改變成本過(guò)大。因此可以利用發(fā)電權(quán)交易，通過(guò)改變不同機(jī)組有功出力方式，縮減高成本發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量份額，增加低成本發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量份額。從而使整個(gè)系統(tǒng)在總的發(fā)電額度不變的情況下，降低系統(tǒng)整體發(fā)電成本，達(dá)到增加社會(huì)效益的目的。

2 碳排放模型

2.1 碳排放量額度

根據(jù)《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》所提出的計(jì)劃要求，政府提出2015年全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2010年下降17%的目標(biāo)。面對(duì)國(guó)家制定的減排目標(biāo)，火力發(fā)電作為電力行業(yè)的CO2排放整改目標(biāo)，對(duì)碳排放量的減少已經(jīng)刻不容緩。對(duì)于國(guó)家大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須進(jìn)行一些行業(yè)和地區(qū)的任務(wù)分?jǐn)?。電力行業(yè)作為減排的標(biāo)志行業(yè)，面對(duì)國(guó)家減排計(jì)劃，必須提出碳排放額度這一概念。根據(jù)像大燃煤機(jī)組，小燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組等不同的類(lèi)型火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)碳排放強(qiáng)度會(huì)有較大的差異。但同一種機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中認(rèn)為其碳排放強(qiáng)度是大致不變的。因此只需要保證在發(fā)電過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組碳排放總量要小于規(guī)定的碳排放額度就可以實(shí)現(xiàn)國(guó)家減排計(jì)劃，具體參考文獻(xiàn)[8]：

2.2 碳排放量?jī)?yōu)化目標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)可行的減排措施主要分為三種：

1） 減少化石能源的使用，提高清潔能源比重；

2） 采用碳捕集技術(shù)，文獻(xiàn)[4]對(duì)CCS技術(shù)做了詳細(xì)介紹；

3） 用排放強(qiáng)度低的機(jī)組取代排放強(qiáng)度高的機(jī)組，實(shí)現(xiàn)設(shè)備升級(jí)。

由于技術(shù)1和技術(shù)2的推廣還存在一些問(wèn)題（如造價(jià)太高，清潔能源稀少等）難以大面積推廣，因此主要研究討論第三種減排技術(shù)。本文提出一種新的發(fā)電權(quán)交易模型，模型通過(guò)碳排放額度的約束使得發(fā)電權(quán)的交易方向由高污染機(jī)組向低污染機(jī)組轉(zhuǎn)移。模型通過(guò)交易調(diào)整得到系統(tǒng)最優(yōu)的有功出力方式使高能耗機(jī)組減少其發(fā)電份額，低成本、低能耗的機(jī)組獲得更多的發(fā)電份額。模型構(gòu)建如下：

2.3 碳排放量經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)化模型

隨著國(guó)家政策的實(shí)施，節(jié)能減排的力度也將不斷加大，對(duì)于碳排放量的要求也將會(huì)有越來(lái)越嚴(yán)格的要求。對(duì)于電力行業(yè)而言，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)同時(shí)也是機(jī)遇，當(dāng)發(fā)電企業(yè)的碳排放量超過(guò)政府分配的碳排放量額度時(shí)，企業(yè)需要接受相關(guān)規(guī)定的處罰。所以就某方面而言，碳排放權(quán)或排放指標(biāo)已經(jīng)成為一種流通的商品，并且具有一定價(jià)值。碳排放水平高的機(jī)組超過(guò)碳排放額度時(shí)就可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)其他企業(yè)的碳排放權(quán)來(lái)免除高額處罰，碳排放水平低的機(jī)組可以將剩余的碳排放權(quán)通過(guò)出售給碳排放量超標(biāo)的企業(yè)來(lái)獲得利潤(rùn)。因此在未來(lái)電力行業(yè)發(fā)展中，碳排放強(qiáng)度低的機(jī)組將有著更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于整個(gè)電力行業(yè)的產(chǎn)能升級(jí)。因此將碳排放權(quán)具體量化成一種特殊商品，并鼓勵(lì)排放量低的機(jī)組將剩余的碳排放權(quán)出售進(jìn)行獲利，從而提高行業(yè)的減排積極性。設(shè)置碳排放量?jī)r(jià)格為[kc]，單位為元/t。優(yōu)化模型為：

3 優(yōu)化收益模型

3.1 優(yōu)化收益模型的建立

通過(guò)電力市場(chǎng)發(fā)電權(quán)交易，整個(gè)市場(chǎng)的總售電量并沒(méi)有改變，但是不同機(jī)組的發(fā)電成本不一致，碳排放量不同，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程中參加發(fā)電權(quán)交易的電廠都會(huì)產(chǎn)生一定的收益。這種收益就是使交易自發(fā)運(yùn)行的動(dòng)力。在考慮發(fā)電成本和碳排放量的情況下以社會(huì)效益最優(yōu)為目標(biāo)的模型需要分析系統(tǒng)交易后的可控發(fā)電機(jī)的有功出力方式，通過(guò)有功出力方式的優(yōu)化，挖掘出交易過(guò)程中產(chǎn)生的最大社會(huì)效益。新模型運(yùn)行過(guò)程中以安全性和穩(wěn)定性為原則，以?xún)?yōu)化有功出力方式為手段，取得最大社會(huì)效益為目的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型結(jié)算時(shí)間設(shè)為1 h，新模型可表達(dá)為：

其中：式（7）和式（8）為運(yùn)行點(diǎn)和極限點(diǎn)的潮流約束方程；式（9）和式（10）分別為機(jī)組有功出力約束和電壓幅值約束；式（11）和式（12）為機(jī)組的無(wú)功約束；式（13）為社會(huì)效益約束；式（14）為負(fù)荷裕度約束。式（15）為碳排放量約束。

4 算例分析

在IEEE 30，39，57和118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上驗(yàn)證模型的有效性。對(duì)于以下算例，都設(shè)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就是系統(tǒng)在運(yùn)行點(diǎn)的數(shù)據(jù)。負(fù)荷增長(zhǎng)因子[λp]取10%，增長(zhǎng)方式[b]為等比例增長(zhǎng)，負(fù)荷裕度閾值[λref]設(shè)為1.05，0.9，1.35和0.75。采用參考文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù)，取得碳排放約束值[Ce]，上網(wǎng)電價(jià)取[Qc=]69美元/MW?h。利用參考文獻(xiàn)[10]的數(shù)據(jù)得到發(fā)電成本系數(shù)。利用參考文獻(xiàn)[11]得到數(shù)據(jù)[kc=]6.5美元/t。

以測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表1）為依據(jù)，分別對(duì)本文提出三種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，得到每種模型的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，社會(huì)效益表示系統(tǒng)能夠取得的經(jīng)濟(jì)效益，碳排放率表示系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程的二氧化碳排放量，即該系統(tǒng)的環(huán)保性能的高低。而網(wǎng)損率表示系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)，在一定程度上體現(xiàn)模型的節(jié)能性，本文不做深入分析，只作為一個(gè)參考量。

1） 只考慮碳排放約束下的社會(huì)效益優(yōu)化模型，通過(guò)優(yōu)化后系統(tǒng)的碳排放量得到系統(tǒng)網(wǎng)損率及系統(tǒng)能夠取得的社會(huì)效益，如表2所示。

由表2可知，在考慮碳排放約束優(yōu)化模型中，測(cè)試系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)碳排放量測(cè)試結(jié)果都小于碳排放額度[Ce]。由于滿(mǎn)足約束條件式（7）～式（14）可知，系統(tǒng)滿(mǎn)足安全性要求，從利潤(rùn)結(jié)果分析可知，優(yōu)化后的模型社會(huì)效益大于測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的社會(huì)效益。系統(tǒng)優(yōu)化后雖然取得一定的減排效果，但取得的社會(huì)效益并不是很多，模型還有待改進(jìn)。

2） 只考慮發(fā)電成本約束下社會(huì)效益最優(yōu)模型，通過(guò)優(yōu)化后系統(tǒng)的社會(huì)效益得到系統(tǒng)網(wǎng)損率及系統(tǒng)的碳排放量，如表3所示。

對(duì)表3數(shù)據(jù)分析，通過(guò)對(duì)比考慮發(fā)電成本約束下的優(yōu)化模型和前面兩種模型可知，優(yōu)化模型中各節(jié)點(diǎn)得到的社會(huì)效益均大于測(cè)試系統(tǒng)和考慮碳排放量的優(yōu)化模型，但值得注意的是，表3中的碳排放量大于系統(tǒng)測(cè)試中的碳排放量閾值，特別是IEEE 39和IEEE 118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，碳排放量超過(guò)了166.747 t和114.141 t。說(shuō)明模型2在一定程度是靠犧牲環(huán)境來(lái)提高利潤(rùn)的。

3） 考慮碳排放量和發(fā)電成本雙約束下社會(huì)效益最優(yōu)模型，其優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

對(duì)比優(yōu)化模型1和3可知，雖然碳排放量有所增加，但總體的碳排放量卻沒(méi)有超過(guò)碳排放額度要求，且社會(huì)效益又有著明顯的增長(zhǎng)，以IEEE 39和IEEE 118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，同比碳排放量增加為0.86%和1.12%，同比例經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率為1.58%和2.49%。因此模型3比模型1更有經(jīng)濟(jì)性。對(duì)比優(yōu)化模型2和3可知，同比例碳排放量下降了17.81%和7.78%，但是同比例經(jīng)濟(jì)僅下降0.02%和0.09%。所以在降低能耗方面，模型3比模型2更加具有減排環(huán)保的特性，結(jié)合3個(gè)模型可知，模型3有著更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。同時(shí)考慮到模型的網(wǎng)損率水平較低，模型更具有一定的節(jié)能性。

5 結(jié) 論

本文提出把出力成本和碳排放量作為約束的發(fā)電權(quán)交易優(yōu)化模型，模型把碳排放權(quán)轉(zhuǎn)化為一種特殊的經(jīng)濟(jì)商品。根據(jù)商品的價(jià)格特性可以將其轉(zhuǎn)化為另一種形式的機(jī)組發(fā)電成本。從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、減排性和安全性等多方面考慮，模型在多種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型系統(tǒng)上運(yùn)行結(jié)果證明如下：

1） 在僅僅考慮碳排放約束下進(jìn)行交易優(yōu)化時(shí)，雖然能保證系統(tǒng)發(fā)電過(guò)程中總的碳排放量不會(huì)超過(guò)設(shè)定的碳排放額度，滿(mǎn)足國(guó)家減排政策的需求。但其整體社會(huì)效益不高，根據(jù)市場(chǎng)追利的特性。這種方法并不能有效促進(jìn)電力交易市場(chǎng)的活力，增加交易成功率。在只考慮成本約束下的發(fā)電權(quán)交易中，雖然能夠取得很大的社會(huì)效益，對(duì)于發(fā)電權(quán)交易雙方而言，本身都是具有很大吸引力的交易模型，但是這種模式下的碳排放量超過(guò)了碳排量的最高額度，與國(guó)家節(jié)能減排的口號(hào)相矛盾，不利于國(guó)家環(huán)保政策的實(shí)施。

2） 為了在滿(mǎn)足減排政策的同時(shí)追求最大社會(huì)效益，保持電力市場(chǎng)活力，可在交易中設(shè)置碳排放約束和發(fā)電成本約束，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)有功出力方式，滿(mǎn)足系統(tǒng)減少碳排放量和追求最大社會(huì)效益的雙目標(biāo)。為了保證整個(gè)發(fā)電權(quán)交易都是在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全性的條件下進(jìn)行，需要在電壓臨界點(diǎn)處建立潮流方程進(jìn)行約束。

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