基于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)雙重約束的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊 悅，陳仕軍，楊博宇，2，楊承軍

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.國網(wǎng)四川省電力公司信息通信公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

中國共產(chǎn)黨的第十八屆五中全會審議通過了“十三五”規(guī)劃綱要，首次提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大理念，“十三五”期間是全國電力轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)與布局的重要時機(jī)。電力作為最主要的二次能源，電力供應(yīng)和安全事關(guān)國家安全戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全局，在中國能源消費和生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，其結(jié)構(gòu)調(diào)整也是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要組成部分。近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平進(jìn)一步提高，用電需求快速增長。同時，電源結(jié)構(gòu)逐漸向清潔可再生能源轉(zhuǎn)變，用電需求與電源資源的時空分布不協(xié)調(diào)、區(qū)域性過剩和發(fā)展不平衡的矛盾逐漸凸顯。如何在滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活需要的前提下，降低用電成本，充分挖掘可再生電源資源，減少污染物排放，實現(xiàn)綠色電能，是當(dāng)前面臨的一個重要課題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞電源規(guī)劃模型進(jìn)行了一定的探索，研究內(nèi)容上主要圍繞如何協(xié)調(diào)能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三者之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[1]建立了基于環(huán)境約束的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[2]建立了考慮系統(tǒng)調(diào)峰約束的水平年低碳電源規(guī)劃模型，把碳排放量以碳成本的方式計入求總成本最低的目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[3]基于目標(biāo)規(guī)劃理論，建立了考慮剛性需求、柔性需求的目標(biāo)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[4]探討了改進(jìn)的遺傳算法在電源規(guī)劃中的應(yīng)用，提出了環(huán)境友好系數(shù)的概念，建立了機(jī)組的環(huán)境效益模型，反映了發(fā)電機(jī)組在環(huán)境方面的特點。文獻(xiàn)[5]通過微分進(jìn)化算法求解電源規(guī)劃模型，用改進(jìn)熵權(quán)-物元可拓模型求解清潔能源的電源接入配電網(wǎng)對電網(wǎng)可靠性影響的顯著指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]介紹了目標(biāo)規(guī)劃理論的原理、特點、研究現(xiàn)狀以及建模方法，建立了投資決策模型和電源規(guī)劃的生產(chǎn)模型，并通過多階段單純形解法和遺傳算法進(jìn)行求解。

上述研究主要側(cè)重于考慮某一方面目標(biāo)的電源規(guī)劃模型，鮮有綜合考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)約束的電源規(guī)劃模型。下面將運用目標(biāo)規(guī)劃的理論，建立以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，考慮資源約束、技術(shù)條件和政策約束等約束條件的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用“抱團(tuán)式”的規(guī)劃思路[7]求解電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。最后，以四川省電源結(jié)構(gòu)為例，開展實例研究，并與單目標(biāo)模型進(jìn)行對比分析，驗證所建電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的合理性和可行性，以期為電源規(guī)劃決策和調(diào)整提供科學(xué)的依據(jù)，助力能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。

1 電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)主要包括總發(fā)電成本最小和碳排放總量最小兩個方面的目標(biāo)，分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中：C為系統(tǒng)的總成本，億元；Ωm為待規(guī)劃電源類型的集合，包含火電、水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等其他電源；Xm，0為第m類電源的初始裝機(jī)量，107W；Xm，t為第m類電源在t年的新增裝機(jī)量，W；cm，0為第m類電源的標(biāo)桿電價，元/kWh)；cm，t為第m類電源在t年的邊際電價，元/kWh；Hm為第m類電源的利用小時，h。

(2)

式中：E為系統(tǒng)的總碳排放量，108g；em為第m類電源的碳排放量，g。

1.2 約束條件

電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型還需滿足以下約束條件：

1)電量需求約束

電量需求約束即所有電源的發(fā)電量必須滿足全社會用電，包含省內(nèi)電量需求和外送電量需求。其約束條件為

(3)

式中：Din，t為t年的省內(nèi)需求電量；Dex，t為t年的外送電量。

2)可靠性約束

經(jīng)濟(jì)和社會對電力的需求還包括持續(xù)、可靠的供電。電力供應(yīng)的安全性，主要在于一次能源資源供給的可靠程度，風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源由于間歇性和不可控性，對負(fù)荷供電的可靠性較傳統(tǒng)電源效果差。因此電力系統(tǒng)需要一定的備用容量以保證系統(tǒng)的供電可靠性和電源性能，即系統(tǒng)在目標(biāo)年全部可用裝機(jī)容量應(yīng)大于或等于省內(nèi)和省外的最大負(fù)荷與必要的備用容量之和。其約束條件為

(4)

3)最大裝機(jī)容量約束

對于各類電源，由于受可開發(fā)的資源量、設(shè)備生產(chǎn)供應(yīng)能力等的限制，其擴(kuò)展容量存在上限。其約束條件為

(5)

4)電源結(jié)構(gòu)約束

各類電源的發(fā)電裝機(jī)比例應(yīng)該小于目標(biāo)年份該地區(qū)的非化石能源發(fā)電裝機(jī)比例目標(biāo)。其約束條件為

(6)

式中：Xh，0為火電的初始裝機(jī)量；Xh，t為t年的火電擴(kuò)展裝機(jī)量；Pt為t年的非化石能源裝機(jī)比例。

表1 四川省電源裝機(jī)基本參數(shù)

2 實例分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗證上述模型的合理性和可行性，以作為全國優(yōu)質(zhì)清潔能源基地和國家清潔能源示范省的四川省為例開展模型驗證研究。四川省的電源結(jié)構(gòu)以水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等非化石能源發(fā)電為主，同時還包含燃?xì)鈾C(jī)組、燃煤機(jī)組等多種類型的發(fā)電資源。四川省能源資源呈現(xiàn)“水多、氣豐、煤少、油缺”的特點，風(fēng)光資源不多，且主要集中于“三州一市”地區(qū)。為便于計算，結(jié)合四川省電源結(jié)構(gòu)特點，只考慮水電、火電、風(fēng)電和光伏4種電源類型。經(jīng)資料查詢和整理，參考《四川省電力需求預(yù)測研究報告》[8]中負(fù)荷水平數(shù)據(jù)，得到四川省電源裝機(jī)基本參數(shù)如表1所示，四川省電力需求預(yù)測情況如表2所示。

表2 四川省電力需求預(yù)測情況

根據(jù)《四川省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》[9]，到2020年全省非化石能源發(fā)電裝機(jī)比例為83.5%。2025年風(fēng)電和光伏的裝機(jī)量分別要達(dá)到10 GW、5 GW；2030年分別達(dá)到14 GW、7.5 GW。結(jié)合不同開發(fā)時序下各水平年四川水電裝機(jī)規(guī)模情況，2025年、2030年水電裝機(jī)容量上限分別為108.39 GW、124.95 GW?；痣姲济簷C(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、生物質(zhì)機(jī)組和余熱余壓機(jī)組，這里以燃煤火電機(jī)組為優(yōu)化對象。根據(jù)四川省的實際情況，燃煤火電機(jī)組裝機(jī)容量的下限取16 GW、上限取20 GW，生物質(zhì)、天然氣和余熱余壓的總裝機(jī)容量在2025年和2030年分別取4.56 GW和5.06 GW。

將上述數(shù)據(jù)代入電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，所建模型為線性模型，可輸入LINGO軟件進(jìn)行求解。同時，為便于分析兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)境最優(yōu)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的效果，分別將以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)和以環(huán)境最優(yōu)為目標(biāo)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的計算結(jié)果，與雙重目標(biāo)下的計算結(jié)果進(jìn)行對比。

2.2 計算結(jié)果

由于兩個目標(biāo)函數(shù)都需要兼顧，兩者的重要性難以準(zhǔn)確判斷，若直接選取權(quán)重系數(shù)將其轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)的話，得到的結(jié)果受主觀因素影響較大，不盡合理。為了在兩組含義不同的數(shù)據(jù)中間找到平衡，考慮通過碳排放成本對碳排放總量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加以比較綜合經(jīng)濟(jì)與環(huán)境指標(biāo)得出較優(yōu)的組合。

為實現(xiàn)減排目標(biāo)，中國于2017年年底，啟動了全國碳排放交易系統(tǒng)(emission trading scheme，ETS)。在ETS中，碳價格是決定減排目標(biāo)能否實現(xiàn)的關(guān)鍵因素，最優(yōu)碳價格是實現(xiàn)減排目標(biāo)的最小邊際減排成本。目前，中國碳價格太低，無法在地區(qū)排放交易機(jī)制中實現(xiàn)2030年的排放強(qiáng)度目標(biāo)，因此需提高碳價格。最新的一項研究通過模擬中國ETS不同行業(yè)的邊際減排成本曲線，計算了不同行業(yè)覆蓋情景下的最優(yōu)碳價格，其中電力部門承擔(dān)著最大的減排任務(wù)[10]。研究結(jié)果表明，邊際減排成本隨著行業(yè)參與度的增加而降低，為實現(xiàn)到2030年將碳強(qiáng)度從2015年水平降低42%～50%的目標(biāo)，該文獻(xiàn)提出了以下可能性：如果中國ETS只覆蓋電力行業(yè)，碳價格至少1140元/t；如果覆蓋3個行業(yè)，碳價格至少680元/t；如果覆蓋8個行業(yè)，碳價格至少345元/t。這里以345元/t為碳價格進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換比較，得到表3的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

按照上述基礎(chǔ)資料，分別將經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果整理如表4所示。

2.3 結(jié)果分析

由表3可知，采用的規(guī)劃模型不同，規(guī)劃后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)有較大差別。以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的優(yōu)化模型中只考慮經(jīng)濟(jì)成本沒有考慮環(huán)境效益，雖然水電的標(biāo)桿電價比火電小，但其開發(fā)階段投資成本高，邊際電價高于火電，所以在只考慮經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)函數(shù)下火力發(fā)電占很大優(yōu)勢，火電的裝機(jī)容量直接受到清潔能源比例和火電裝機(jī)容量上限的影響。以環(huán)境最優(yōu)的優(yōu)化模型中只考慮環(huán)境效益，因水電的碳排放量遠(yuǎn)小于火電，所以水電的裝機(jī)容量上升，火電裝機(jī)容量減少。此外，由不同水平年對比可知，由于水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源有較好的環(huán)境效益，能夠削減發(fā)電的碳排放量，降低環(huán)境成本，進(jìn)而減少總投資。

表3 兼顧經(jīng)濟(jì)與環(huán)境最優(yōu)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

表4 單目標(biāo)下電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

由表3、表4可知，考慮了碳排放成本后，2025年的兼顧經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果與環(huán)境最優(yōu)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果相同，這說明為了實現(xiàn)我國節(jié)能減排目標(biāo)而設(shè)定的最優(yōu)碳價格下，身負(fù)重任的電力行業(yè)將盡量以環(huán)境最優(yōu)為第一優(yōu)先級考慮電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。2030年的優(yōu)化結(jié)果則與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果相同，這表明在水電開發(fā)日益飽和，未來投資的邊際成本越來越高的情況下，一味想著增加水電裝機(jī)并不是最明智的選擇，應(yīng)該大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔新能源，同時也應(yīng)當(dāng)運用超超臨界技術(shù)適量發(fā)展火電。由此可見，所建立的兼顧經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的結(jié)果更加符合四川省電源的實際情況，更加科學(xué)合理，能夠更好地為四川電力行業(yè)發(fā)展方向提供科學(xué)指導(dǎo)。

3 結(jié) 語

上面建立了兼顧經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并以四川省電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例進(jìn)行實例分析，以碳價格系數(shù)為橋梁進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，得到了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙重利好下的電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。將其與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)和環(huán)境最優(yōu)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了所建電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的合理性和可行性，該模型可為電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電源規(guī)劃提供一種科學(xué)有效的工具。