碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度_高亚静.pdf

：碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度高亚静，李瑞环，梁海峰，张建成（新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，河北省保定市 ）摘要：在低碳及智能电网的背景下，提出了一种考虑碳交易并计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度模型。首先定义了电动汽车换电站虚拟电厂，并介绍了其运行特点，其次对不同电源的碳排放特性进行了分析，从总投资成本的折旧费用、燃料成本、运行维护成本及碳交易成本四个方面对电源成本进行了分析和建模。在此基础上，兼顾碳排放量和电源成本，引入功率平衡、机组及碳捕集系统爬坡、碳捕集效率等约束，建立了碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度模型，并采用基于动态交换和密度距离的混合混沌粒子群优化算法对模型进行了求解，算例结果证明了所提模型及算法的有效性和正确性。关键词：低碳；碳捕集电厂；换电站；虚拟电厂；粒子群优化算法收稿日期：；修回日期：。国家自然科学基金资助项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（）。引言全球气候变暖已经成为当今世界所面临的最严峻挑战之一，排放问题也成为关注的焦点。电力行业作为国民经济中最大的 排放部门，面临巨大的减排压力。因此，以风电为代表的清洁能源逐步得到重视，电动汽车也受到了广泛关注。近年来，国内外学者也对低碳环境下风电和电动汽车的应用进行了研究。文献 在提出的含风电系统的低碳调度模型中考虑了风电运行成本；文献 引入电动汽车集群调度模型，建立了电动汽车、风电、碳捕集与常规火电相结合的输电网“风车协调”调度模型；文献 综合考虑了电动汽车的生产成本、需求及充电站方便程度等因素，提出了最优控制策略以减少 的排放。电力调度是指在负荷预测的基础上，对各类发电机等电气元件的运行方式、状态的决策和调用，并在对应时序上形成一定的调度计划。在低碳环境下，除了需要考虑传统电力调度的经济性等因素外，还需要考虑 排放问题。同时，碳市场的引入也必然会对电力调度的经济性产生影响。文献 综合考虑了低碳电力技术、碳成本及碳约束等因素，建立了低碳电力调度的初步模型；文献 提出的低碳电力调度模型将碳排放作为一种新的决策变量，同时考虑了碳排放成本；文献 提出的调度模型中考虑了碳排放超额惩罚和碳交易等相关因素。本文从系统的低碳性和经济性两方面出发，综合考虑了功率平衡、机组及碳捕集系统爬坡、碳捕集效率等相关约束，提出了兼顾碳排放量和电源成本的电力系统优化调度模型，并采用基于动态交换和密度距离的混合混沌粒子群优化（）算法对模型进行求解。电动汽车换电站虚拟电厂相比于传统火电厂，电动汽车换电站容量较小，很难达到入市门槛。而虚拟电厂技术能够实现分布式电源、可控负荷、储能系统及电动汽车等分布式能源的聚合，将其以一座特殊电厂的形式进行调度，有助于数 量小 但 规 模 大 的分布式 能 源 的 接 入 和 调度 ，已 被 应 用 于 风车、风光、电 动 汽车 等多个方面。因此，本文将所有换电站等效成一座换电站虚拟电厂（），从而进行统一调度。通过电池更换装置，将站内电池与电动汽车使用后的电池进行交换。假设电动汽车换下电池的剩余电量服从（，）的正态分布，概率密度函数（）为：（）槡（）（）式中：，分别为电动汽车换下电池的剩余电量及其期望值和标准差。为了防止电池过充和过放，设定电池允许剩余电量最大为，最小为 ，并假设更换给电动汽车电池的剩余电量为，则时段 中储存电量、最大储存电量 ，及最小储存电第 卷第 期 年月 日 ，量 ，分别为：，（），（），（），（）（），（），（），（）（）（）式中：，为时段 从电网吸收或者注入电网的功率，正值表示从电网吸收功率，负值表示向电网注入功率；，为时段电动汽车换下的电池总电量；，为时段更换给电动汽车的电池总电量；，为时段电动汽车的电池需求；为电池容量；为最小时段，取；为 的电池数量；为电池的充电功率；为每组电池充满电所需最长时间；（）为向上取整函数。假设 有 个充放电机，则 的最大充放电功率分别为：（）（）式中：和 分别为 吸收和注入电网功率的最大值；为电池的放电功率。电源的碳排放特性近零碳排放电源近零碳排放电源主要包括核电、风电及水电等可再生能源，具有 排放量低的特点，因而碳排放量可以忽略不计，即，（）式中：，为时段电源的 排放量。传统火电厂传统火电厂主要通过燃烧煤、天然气、石油等化石燃料产生电能。在此过程中，每 碳燃烧生成 的，并被排放到大气中。此类电源的碳排放量为：，（）式中：为 和 的摩尔质量比；，为时段机组的发电出力；为机组的发电标准煤耗；为标煤的含碳量；为碳氧化率。碳捕集电厂碳捕集电厂在传统火电厂的基础上引入碳捕集系统，对 进行捕集、输送和封存，从而减少了排放，将传统火电厂转换为低碳排放的电源。此类电源的碳排放量为：，（）（）式中：，为时段机组碳捕集系统的捕集效率。向电网注入功率时，不产生 ，相当于近零碳排放电源；为电动汽车提供电能时，能够减少普通汽车的 排放，此时，相当于负碳排放电源，在时段更换的电池可减少的普通汽车 排放量，为：，（）（）式中：为普通汽车单位距离碳排放量；为电动汽车单位电能行驶路程。电源的成本分析不考虑碳市场的电源成本主要由总投资费用的折旧费用、燃料成本、运行维护成本及财务成本构成，因为财务成本是由于电厂贷款利息引起的费用，所以本文在研究中不予考虑。引入碳市场之后，需要在成本函数中加入碳交易成本，则电源成本为：，（）式中：，为时段电源的总成本；，为时段电源总投资费用的折旧成本；，为时段电源的燃料成本；，为时段电源的运行维护成本；，为时段电源的碳交易成本。总投资费用的折旧费用风电、传统火电厂及碳捕集电厂的折旧费用为：，（）式中：为电源的单位电量投资成本。的折旧费用为：，（）燃料成本风电通过风力发电，燃料费用忽略不计。传统火电厂及碳捕集电厂的燃料成本为：，（）式中：为标煤价格。的燃料成本为：，（）式中：，和 ，分别为时段 向电网吸收和注入的电能单价。运行维护成本对于风电和传统火电厂，运行维护成本为：，（），（）（）碳捕集技术高亚静，等碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度，（），烅烄烆（）式中：和为机组发电设备的运行维护成本系数；，为变量，表示时段机组的开停机状态，表示停机，表示运行；（，）为时段机组的开停机费用；，为机组的启动成本；，为机组的停机成本。碳捕集电厂的运行维护费用除了包括发电机组的维护费用外，还需兼顾碳捕集系统的运行维护费用，即，（），（），（），（）（），（），（），烅烄烆（）式中：和为机组碳捕集系统的运行维护成本系数；，为时段机组碳捕集系统的捕集功率；和分别为机组碳捕集系统的单位 捕集能耗及基本运行能耗；，为变量，表示时段机组碳捕集系统的开停机状态，表示停机，表示运行；（，）为时段机组的碳捕集系统启停机费用；，为机组碳捕集系统的开机成本；，为机组碳捕集系统的停机成本。运行维护费用为：，（）式中：和分别为 充放电的维护费用系数；和分别为 更换电池的维护费用系统。碳交易成本风电和 的碳交易成本主要为由清洁发展机制（，）产生的交易成本分别为：，（），（）式中：为 交易价格；，为时段电源因为采用减排技术减少的 排放量。传统火电厂的碳交易成本主要为由排放贸易（，）产生的交易成本和罚金。当传统火电厂碳排放量未超过排放限额时，可以将多余碳排放权卖出，则碳交易成本为：，（）（）式中：为 交易价格；，为时段机组的碳排放配额，为了体现碳排放配额分配的公平和效率，该值可由式（）表示。，（）（），（）式中：，为时段的总负荷；和分别为时段和总的碳排放配额；和 分别为碳捕集电厂和传统火电厂的数量；为机组的装机容量；为研究周期；为权重系数，反映对公平和效率的重视程度。式（）中，根据装机容量分配体现了公平的原则，根据发电标准煤耗的倒数分配体现了效率的原则。当传统火电厂碳排放量超过排放限额时，若购买碳排放权，则碳交易成本如式（）所示；若不购买碳排放权，则碳交易成本如式（）所示。，（）（）式中：为超排后的单位罚金。碳捕集电 厂 的碳 交 易成本主要 为 交易、交易和罚金。与传统火电厂类似，根据是否购买碳排放权，碳交易成本可分为两类，分别如式（）和式（）所示。，（，），（），（，），（）优化模型及求解目标函数）碳排放量最小化 ，（）式中：为系统中电源个数；为 总排放量。）电源成本最小化 ，（）式中：为电源总成本。约束条件）功率平衡 ，（）式中：，为时段传统火电厂或碳捕集电厂的上网功率；，为时段风电上网功率。，（）对于碳捕集电厂，有，（），（）式中：为电厂的厂用电率。对于传统火电厂，有，（）（）电源发电约束 ，烅烄烆（）式中：和 分别为机组在时段的发电上、下限值；，为风电在时段的最大出力，即风功率预测值。）机组爬坡速率约束，（）式中：和分别为机组发电功率的上升和下降速率限值。）最小开停机时间约束 ，（），（），烅烄烆（）式中：，和，分别为机组的最小开、停机时间。）碳捕集系统爬坡速率约束，（）式中：和分别为机组碳捕集功率的上升和下降速率限值。）碳捕集效率约束，（）式中：为机组碳捕集系统的最大捕集效率。）旋转备用约束 ，烅烄烆（）式中：和，和，和分别为由于负荷、风功率及电池需求预测误差而需要增加的上、下旋转备用率。）储存电量约束 ，（）模型求解对于本文的多目标优化问题，首先采用基于动态交 换 和 密 度 距 离 的 混 合 混 沌 算 法 求 解 最优解集，然后再从 最优解集中选取一个最优解。本文采用的 算法首先基于适应度支配概念将初始种群分为支配集和非支配集，每次仅更新支配集中粒子的速度和位置，然后对支配集和非支配集进行动态交换，保证非支配集靠近 前端。动态交换过程如下。步骤：令，为支配集粒子个数。步骤：令 为非支配集粒子个数，若，则转至步骤，否则结束交换。步骤：若，则转至步骤，否则转至步骤。步骤：比较支配集第个粒子和非支配集第个粒子的适应度，若前者的各适应度均优于后者，交换支配集第个粒子和非支配集第个粒子的位置，转至步骤；若前者的各适应度均劣于后者，也转至步骤；若不满足以上两种情况，则，转至步骤。步骤：将支配集第个粒子加入非支配集中，并从支配集中删除。步骤：，转至步骤。为了保证种群的多样性，本文选取非支配集中密度距离最大的粒子作为速度更新方程中的全局最优解。密度距离可表示为：（）式中：和为粒子与非支配集中其余粒子之间最小的两个欧式距离；为粒子周围其他个体的密度大小。由于需要考虑机组的开停机状态，机组的出力不再是一个连续的变量，因此，本文结合了二进制 。二进制 的速度 更新公式与连续 一致，但意义不同，在二进制 中 表示位置 取或的概率。通过 函数映射到区间，的值（）为：（）（）的更新公式为：（）（）（）式中：为区间，上的随机变量。由于二进制 在 时仍有 的概率改变状态，不利于搜索全局最优解，同时也为了解决算法易于早熟的问题，本文引入混沌 。在混碳捕集技术高亚静，等碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度沌搜索时，仅改变电源出力和碳捕集效率，不改变电源的开停状态。本文采用如式（）所示的 映射产生混沌变量。，（），（）式中：为控制变量；为迭代次数；，为混沌变量，其中，。粒子按式（）执行混沌搜索。，（）（）（）（）式中：和分别为当前最优解和混沌搜索后的粒子位置；为调节系数；为邻域半径；为最大迭代次数；（）为就近取整函数。综上，基于动态交换和密度距离的混合混沌 算法的步骤如下。步骤：初始化种群每个粒子的位置和速度。步骤：基于适应度支配概念，将初始种群划分为支配集和非支配集。步骤：更新支配集中的粒子，并与非支配集进行动态交换。步骤：从完成动态交换的支配集中选取部分最优粒子进行混沌搜索，再次与非支配集进行动态交换。步骤：若满足停止条件，则停止计算，输出结果，否则转至步骤。在实际调度中，往往只需要一种调度方案，因此需要从 最优解集中选取出一个最优解。本文采用如式（）所示的方法。（）（）式中：为最优目标值；为权重系数，反映对经济和环境的重视程度；和 ，和 分别为非支配集中粒子两个目标的最小和最大值。算例分析本文采用的机组参数见附录 表 ，成本系数见附录 表 ，负荷、电池需求、风电预测上网容量及通过对负荷聚类分析确定的 充放电单价见附录图。其中，机组和机组为碳捕集电厂。的单位电量投资成本和运行维 护 成 本 系 数 分 别 取 元（）、元（）、元、元辆及 元；充放电机和 电池数分别为 和 ；电 池 容 量 为 ；充放电功率为；和分别取 和 ；，交易价格及罚金分别取 ，元；标煤价格为 元；最小开停机时间取；权重系数和均取；备用系数，分别取，；碳 排 放 总 配 额 为 ；和分 别 取 和 （）；标 煤 含 碳 量 为；碳氧化率为；机组装机容量取相应机组的发电上限；和分别取和；取 ，。本文对不计风电和 、仅计风电、计风电和 三种模式进行分析研究，结果如表所示，机组和机组的碳捕集效率如图所示。表不同模式对比结果 模式 元上旋转备用不足次数下旋转备用不足次数 图碳捕集效率 通过对比发现，在碳排放方面，接入风电后，一方面风电不产生，另一方面，接入风电使火电机组的上网功率需求减少，从而使碳捕集效率升高，减少了 的排放，而在接入 后，由于 需要保证电动汽车的电池需求，因此总体上向电网吸收功率，使火电机组的上网功率需求增加，从而使 排放量增加。但当考虑 减少的 汽 车 排 放 量 时，可 以 求 出 减 少 量 为 ，因此采用 能减少更多的 排放。从成本上看，尽管风电的单位电量投资成本和运行维护成本系数均高于火电机组，但由于风电的燃料费用为，而且可以获得 收益，同时还能提高火电机组的碳捕集效率，既减少了 交易支出又获得了 收益，从而使总成本下降。而当接入 后，需要考虑 的相关成本和由此引起因火电机组上网功率需求增加导致增加的 ，（）成本，因此，接入 后的成本增加。但是，一方面可以通过更换电池获得收益，另一方面，如果将 减少的汽车 排放量纳入 交易，则可进一步减少成本。这两部分的费用分别为 元，元，因此，系统成本也减少了。从旋转备用上来看，当接入风电后，由于火电机组具有足够的下旋转备用，风电能够全额上网，从而使火电机组的上旋转备用增加，上旋转备用不足次数从降到了。由于部分时段负荷过大，使得即使接入风电仍然会出现上旋转备用不足的情况，但相比于模式，接入风电的上旋转备用更大。在接入 后，由于在上旋转备用不足的两个时间段，均在向电网注入功率，进一步增加了上旋转备用。针对模式，不同，交易价格下的 排放量如图所示。图不同交易价格下的 排放量 当 交易价格升高时，项目获得优势，碳排放量显著下降；而当 交易价格继续升高时，由于碳捕集效率、风电出力趋于饱和等原因，碳排放量缓慢减少。当 交易价格升高时，为减少由于火电机组参与 交易产生的成本，项目和发电标准煤耗小的机组获得优势，碳排放量显著下降，当 交易价格继续升高时，同样由于碳捕集效率趋于饱和等原因，碳排放量缓慢降低。结语本文基于 的运行特点、各类电源的碳排放特性和成本，综合考虑功率平衡、机组及碳捕集系统爬坡等约束，提出兼顾碳排放量和电源成本的电力 系 统 优 化 调 度 模 型。并 针 对 不 计 风 电 和 、仅计风电、计风电和 三种模式，采用基于动态交换和密度距离的混合混沌 算法求解该模型，结果表明，接入风电和 能有效降低系统成本和 排放量，并能增加机组的上旋转备用。此外，碳交易价格对系统的碳排放有着重要作用，适当增加 和 交易价格有助于减少 排放。附录 见 本 刊 网 络 版（：）。参 考 文 献国务院 国务院关于印发“十二五”控制温室气体排放工作方案的 通 知 ：陈启鑫，康重庆，夏清，等 电力行业低碳化的关键要素分析及其对电源规划的影响电力系统自动化，（）：，（）：张晓辉，闫柯柯，卢志刚，等基于碳交易的含风电系统低碳经济调度电网技术，（）：，（）：李正烁，孙宏斌，郭庆来，等 计及碳排放的输电网侧“风车协调”研究中国电机工程学报，（）：，（）：，：张伯明高等电力系统分析北京：清华大学出版社，陈启鑫，康重庆，夏清，等低碳电力调度方式及其决策模型电力系统自动化，（）：，（）：，（）：，（）：卫志农，余爽，孙国强，等虚拟电厂的概念与发展电力系统自动化，（）：，（）：，碳捕集技术高亚静，等碳市场环境下计及碳捕集电厂和换电站的电力系统优化调度 ，：陶顺，肖湘宁，彭骋，译有源智能配电网北京：中国电力出版社，（）：刘怡，肖立业，等 中国广域范围内大规模太阳能和风能各时间尺度下的时空互补特性研究中国电机工程学报，（）：，（）：，：李楠，曲福娣 计及低碳排放的阻塞管理模型研究 南方电网技术，（）：，（）：叶发明市场经济下的燃煤火电厂的发电成本分析广东电力，（）：，（）：金欣磊 基于 的多目标优化算法研究及应用 杭州：浙江大学，雷德明，吴智铭基于个体密度距离的多目标进化算法计算机学报，（）：，（）：，：司风琪，顾慧，叶亚兰，等 基于混沌粒子群算法的火电厂厂级负荷在线 优 化 分 配 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，（）：赵开轩 含风电场和换电站的电力系统经济调度研究 保定：华北电力大学，卢斯煜 低碳经济下的电力系统电源规划 武汉：华中科技大学，杨勇平，杨志平，徐钢，等中国火力发电能耗状况及展望中国电机工程学报，（）：，（）：高亚静（），女，通信作者，博士，硕士生导师，主要研究方 向：电 力 系 统 规 划 与 可 靠 性、电 力 市 场。：李瑞环（），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统优化调度。：梁海峰（），男，博士，副教授，主要研究方向：新型输配电技术、新能源发电并网及储能技术。：（编辑孔丽蓓），（，）：，：，（）（）：；，（）