計及風(fēng)電消納的電力系統(tǒng)低碳優(yōu)化

計及風(fēng)電消納的電力系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度內(nèi)容摘要：在我國及全世界人口都在持續(xù)增加的環(huán)境大背景下,對于能源的需求更是一天比一天多，一天比一天的急迫。為了解決這個問題，各國科學(xué)家都在尋找開發(fā)新能源以此來代替化石燃料。通過研究發(fā)現(xiàn)截至到目前風(fēng)能是當(dāng)前新能源的最優(yōu)選擇之一。大規(guī)模的風(fēng)電接入會極大提高風(fēng)電在系統(tǒng)中的占比，但是風(fēng)電的波動性對系統(tǒng)有很大的影響。故此希望可以研究出考慮到含有模糊機會的約束條件的模型并且引入低碳經(jīng)濟調(diào)度的因素。引入碳價計算，而碳交易的計算可以通過階梯分時段進行，這樣又可以降低碳排放量，又可以提高風(fēng)電消納。為了解決不確定的影響，本文通過研究把模糊機會引入，把松弛約束來確定風(fēng)電的不確定性，然后梯形模糊參數(shù)來對進一步對為風(fēng)電消納低碳優(yōu)化模型進行清晰化，最后進行求解，這個可以求助于cplex軟件包。求解的結(jié)果表明風(fēng)電消納量大為提高，碳配額滿足目前要求，甚至有剩余。關(guān)鍵詞：風(fēng)電；風(fēng)電消納；低碳調(diào)度目錄1緒論 [12]搭建風(fēng)電調(diào)度模型，該模型考慮發(fā)電用電兩端的不確定性，對風(fēng)電并網(wǎng)的使用提供自己的意見。1.4本文的研究內(nèi)容搭建計及風(fēng)電的模型，考慮碳排放，考慮風(fēng)電的約束條件研究計及風(fēng)力發(fā)電的配電網(wǎng)低碳優(yōu)化調(diào)度,具體的研究內(nèi)容如下:1.調(diào)查研究課題概況。通過閱讀翻譯中外文文獻，來盡可能全面地了解目前世界風(fēng)電的發(fā)展進程，理解已有的研究方法以及眾多學(xué)者提出的未來研究前景等；2.建立風(fēng)力強度和風(fēng)電發(fā)電出力的模型，考慮風(fēng)力發(fā)電的約束條件并考慮會影響風(fēng)力發(fā)電的各種因素；3.在第二步的基礎(chǔ)上對搭建的模型進行優(yōu)化，加入碳排放按時間段的計算等的約束，使得模型在運行中更平滑，讓結(jié)果更靠，有說服力。4.對模型進行求解仿真2電力系統(tǒng)功率平衡特性分析2.1電力系統(tǒng)源荷不確定性分析在搭建模型的同時需要考慮各種約束條件的平衡，也需要提供足夠的備用容量讓發(fā)電設(shè)備安全平穩(wěn)的運行。關(guān)于研究風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電功率全世界已經(jīng)有了很多的方法，但是誤差依舊較大。在考慮大規(guī)模使用風(fēng)電的時候這誤差就不可以忽略。在模型的搭建中有變量和不變量，其中變的有風(fēng)電風(fēng)電每天各時段的出力情況和負荷各時刻的功率。為解決這兩個變量要求引入兩個參數(shù)來約束變量，這兩個參數(shù)就是風(fēng)電模糊的參數(shù)和負荷模糊的參數(shù)。2.2風(fēng)電和負荷不確定性對功率平衡的干擾功率平衡的約束條件：(2-1)旋轉(zhuǎn)備用平衡約束條件：（2-2）其中，——該設(shè)備在運行過程中t時電負荷預(yù)測值；——該設(shè)備在運行過程中t時負荷的預(yù)測誤差；——該設(shè)備在運行過程中t時風(fēng)電預(yù)測值；——該設(shè)備在運行過程中t時風(fēng)電的預(yù)測誤差；——該設(shè)備在運行過程中t刻風(fēng)電的棄風(fēng)量；——該設(shè)備在運行過程中在t時刻的出力；——該設(shè)備在運行過程中的最大出力；——指的是在整個模擬模型系通中的火電機組數(shù)量；——在運行過程中在t時刻的電功率；——在運行過程中的最大電出力值；——機組數(shù)量。風(fēng)力發(fā)電存在不確定性,因此以往的平衡條件，約束條件就已經(jīng)不再適用。要想繼續(xù)使用功率平衡條件和旋轉(zhuǎn)備用約束就要對它們做出改變。在研究安排風(fēng)電出力的時候，要考慮風(fēng)電的不確定性。因此采用上文提出的引入風(fēng)電模糊參數(shù)與負荷模糊參數(shù)，將上面的功率約束平衡公式（2-1）、（2-2）轉(zhuǎn)變?yōu)闂l件下，讓轉(zhuǎn)換后的平衡約束條件成功幾率始終大于。構(gòu)造的不確定因素集：（2-3）（2-4）其中，表示事件的可信性。提供備用使得功率及負荷達到目標要求，這個問題我們可以通過用普通的火電和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)機組同時提供開解決，這將大大增加了備用容量。將公式（2-3）、（2-4）的優(yōu)化過程進行全面展開，然后通過與確定性約束研究比較，比較結(jié)果優(yōu)化后的約束已經(jīng)對風(fēng)電中的不確定性進行了處理，系統(tǒng)機組的出力已包含備用功率，不用考慮單獨設(shè)置。2.3利用模糊機會約束來求解不確定性問題解決問題的思路是：允許在一定的范圍內(nèi)模型運算后的顯示出結(jié)果不符合初始設(shè)定的約束條件，但是硬性要求模型運行出來的結(jié)果成立的可能性始終大于設(shè)定的值。列出模型：（2-5）其中，x——決策向量；——作為模型中的參數(shù)向量；——作為模型中的目標函數(shù)；——作為模型中的約束函數(shù)；——作為模型中的系統(tǒng)置信度水平。2.4碳排放成本計算模型接下來計算碳排放量，本文的計算方法是基準線法。通過研究發(fā)現(xiàn)可以把碳配額和火電機組出力視為正比，這樣就可以進行計算。計算公式為：（2-6）（2-7）其中，——碳排放配額；T——作為一個運行周期時長；Ε——單位排放配額；——作為發(fā)電機組在t時刻總的發(fā)電量；——t時的發(fā)電功率。風(fēng)電發(fā)電不會向大氣排放二氧化碳氣體，因此不用考慮風(fēng)電，所以碳排放大部分來源于其他發(fā)電機組，系統(tǒng)碳排量計算公式為：（2-8）其中，——總的碳排放量；——的碳排放強度；——的碳排放強度。碳排放具體計算為：（2-9）其中，——火力發(fā)電所需要的碳排放花費；μ——火力發(fā)電所需要的碳配額中碳交易價格；d——價格變化的區(qū)間長度；k——增長幅度3考慮模糊機會約束的低碳經(jīng)濟調(diào)度模型3.1目標函數(shù)計算系統(tǒng)運行的總花費目標函數(shù)為：（3-1）其中，——發(fā)電機組的運行總花費；——普通火電花費；——CHP發(fā)電花費；——風(fēng)電運維花費。火電機組的花費成本：（3-2）其中，、、——的燃料花費系數(shù)。CHP機組的花費：（3-3）（3-4）其中，——表示CHP機組在時間為t的電出力；——出力功率；——儲熱功率；、、——燃料成本系數(shù)；——電出力的減小值。風(fēng)電成本：（3-5）其中，——運維成本系數(shù)。3.2約束條件（1）火電機組相關(guān)約束。機組出力約束：（3-6）其中，——i的最大出力值，——i的最小出力值。機組爬坡約束：(3-7)其中，——向下爬坡的最大速率，——向上爬坡的最大速率。（2）CHP機組約束。CHP機組約束有兩種有功率約束和爬坡約束，因為爬坡和機械的進汽量的變化二者有緊密的聯(lián)系，所以計算時要注意折算。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)機組約束為：（3-8）其中，——電出力的下限；——電出力的上限；——熱出力值；——熱出力的最小值；——熱出力的最大值；——向上爬坡的最大功率；——向下爬坡的最大功率。（3）儲熱裝置約束。容量約束：（3-9）其中，——最小儲熱值；——最大儲熱值；——t時的儲熱量。儲、放熱功率約束：（3-10）其中，——儲熱裝置的最大儲熱功率，——儲熱裝置的最大放熱功率。儲放熱約束為：（3-11）其中，Ph,tc——作為功率變化過程中Ph,tf——作為功率變化過程中儲熱裝置在開始和結(jié)束的時候兩個時刻裝置的儲熱量是相等的，因此發(fā)現(xiàn)約束條件為：（3-12）其中，C0——初CT——結(jié)束（4）線路傳輸容量約束。（3-13）其中，Bij——節(jié)點、之間的導(dǎo)納；θi,t——作為節(jié)點的電壓相角；θj,t——作為節(jié)點的電壓相角；Pij,max——節(jié)點、之間線路的最大傳輸容量。3.3模型求解機會約束是本文的關(guān)鍵。針對難易程度的不同，學(xué)者們提出了解決不同水平問題的方法。本文采用簡單問題處理方法將約束條件中參數(shù)和變量單獨列出，當(dāng)研究發(fā)現(xiàn)二者存在所認知，所熟知的某一種或多種線性關(guān)系時，就可以將模糊參數(shù)與決策變量二者容易的轉(zhuǎn)化為清晰等價類來進行處理，最后求解即可。可以使用等價類處理方法來解決遇到的問題。本文對于置信水平的要求不會太低，不能太低。當(dāng)≥1/2時，機會約束的清晰等價類為：（3-14）其中，?k+(x)?0(x)參考文獻REF_Ref102229371\r\h[16]rk1?梯形模糊參數(shù)的表達式為：（3-15）其中，P?——作為系統(tǒng)中的模糊參數(shù)；Pfcc——作r1?r4w1?w4將上文中的公式（2-3）、（2-4）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)等價類為：（3-16）旋轉(zhuǎn)備用清晰等價類為：（3-17）其中，Pwt1、PwPLt3、PL轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進行求解。4算例分析4.1基本數(shù)據(jù)和參數(shù)本文利用IEEE30節(jié)點系統(tǒng)進行模擬運行，如圖4-1，在本文模型搭建中可以用CHP來代替圖中顯示的火電機組，它們的編號為一號和二號，參數(shù)見文獻［14］，在本文模型搭建中也可以用風(fēng)電場替換圖中的四號火電機組，剩余的3臺火電機組參數(shù)可以參考表2的數(shù)據(jù)參考然后編入我們的程序中，燃煤機組的數(shù)據(jù)見表4-1[15]。查找文獻找出本文模型運行過程中需要的儲熱裝置的儲熱值的數(shù)據(jù)，其中最大的儲熱值為350MW·h、最小的儲熱值為150MW·h，最大儲熱功率為150MW、放熱功率為150MW。儲熱裝置開始儲熱量均為200MW·h、結(jié)束的儲熱量也為200MW·h，也是相等的。表4-1關(guān)于常規(guī)火電機組的碳排放強度火電機組碳排放CHP機組碳排放G0.86CHP0.889G1.31CHP1.3104G1.31圖4-1IEEE30節(jié)點系統(tǒng)表4-2關(guān)于機組常規(guī)參數(shù)火電機組上限/MW下限/MW爬坡率系數(shù)abcG7525350.1139248398G4117210.1112238188G4513250.1119191421本文選取的研究對象根據(jù)所設(shè)的的要求進行選取，要求具有代表性，根據(jù)這一天的熱負荷、電負荷和風(fēng)電出力的繪制預(yù)測曲線。由于冬天為熱負荷高峰期，所以選取冬天發(fā)熱量高的一天，見圖4-2。根據(jù)表4-3[16]可以選取參數(shù)取值記放入模型中。模型運行過程中，通過尋找文獻發(fā)現(xiàn)目前以每噸五十元的價位交易碳配額，每多排放五十噸價格就上漲四分之一排放因子劃定為0.75，假設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運行維護花費為150元／MW圖4-2電負荷、熱負荷及風(fēng)電出力的預(yù)測曲線表4-3梯形模糊隸屬參數(shù)對象wwww風(fēng)電0.70.891.091.35電負荷1.00.981.061.094.2算例調(diào)度結(jié)果分析當(dāng)α=0.95，考慮到各種成分，各種需要計算的部分的情況下，通過計算得出整個系統(tǒng)的綜合成本為每單位85.27萬元，通過計算發(fā)現(xiàn)碳排放成本在總體的占比并不高僅占綜合成本的16.5%，為每單位15.18萬，通過計算得到的系統(tǒng)碳配額為7622.4t，然而通過尋找資料調(diào)查以及他人的幫助發(fā)現(xiàn)實際碳排放量為9918.4t與計算的有較大的出入，通過以上數(shù)據(jù)得出系統(tǒng)的棄風(fēng)率僅為6.87%。得出出力圖圖4-5，圖4-3、圖4-4也完整顯示文中模型運行得出的運行圖。圖4-3CHP機組與儲熱裝置熱出力調(diào)度值圖4-4風(fēng)電預(yù)測功率及實際消納功率圖4-5各機組發(fā)電功率調(diào)度結(jié)果各機組的調(diào)度出力本身就存在一定的備用容量，在數(shù)據(jù)的分析中可以不擔(dān)心也可以不考慮不確定性。熱負荷值較準確，因此本文中不計該誤差，可以看作真實值來計算。通過圖4-3看出，熱負荷包含兩部分，一部分是CHP的，另一部分是儲熱裝置，二者的和即顯示為熱負荷的輸出。通過觀察圖中的曲線，可以明顯的看出無論何時電負荷和熱負荷得值都在一定程度上“相反”。比如說在上午八點到下午四點時電負荷的數(shù)值很高相當(dāng)于高峰，而此時熱負荷的數(shù)值很低位于低谷期；在凌晨一點到上午七點、晚上九點到晚上十二點時，熱負荷的數(shù)值很大，此時電負荷的值很低。因此，通過圖4-3發(fā)現(xiàn)在相同的調(diào)度日內(nèi)顯現(xiàn)“相反”現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)CHP出力有耦合性，并且通過對比發(fā)現(xiàn)它的燃料成本是比較低的，故此，通過比較發(fā)現(xiàn)，電負荷在處于接近甚至等于最大值的時候，也就是熱負荷處于接近甚至等于最小值的時候低谷，電力系統(tǒng)的儲熱裝置自動的將一定程度的熱量提供給處于低谷的熱負荷，通過這種提供熱量的方式把機組的熱出力降低，最后結(jié)果顯示提高了電的出力，這樣就降低了火電出力實現(xiàn)了我們的目標。通過觀察圖4-4可得到在熱負荷處于高峰的時候，該時間為在凌晨一點到上午七點、晚上九點到晚上十二點時，電負荷的值很低，這幾個時間段的變化導(dǎo)致棄風(fēng)率增加。同時風(fēng)力發(fā)電的機組運行維修也需要很多的費用。棄風(fēng)率在為降低花費的同時也不得不提高。4.3模型對比本文采用三種模型來對比。模型1：該模型搭建的條件要求功率平衡，為解決不確定性的影響，對旋轉(zhuǎn)備用容量進行重新設(shè)定，在模型1中僅調(diào)試為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)總發(fā)電量的20%以及規(guī)定把電負荷預(yù)測值的15%放入模型中，然后把計算碳價的公式代入。模型2：該模型搭建的條件要求采用約束條件模型，為解決不確定性對發(fā)電造成的影響引入模糊機會，把計算碳價的公式代入，本模型只計算系統(tǒng)運行成本，其他的不作考慮。模型3：在模型2的基礎(chǔ)上加入碳交易成本。置信水平α=0.95，調(diào)度結(jié)果如表4-4所示。表4-4不同模型調(diào)度結(jié)果對比模型棄風(fēng)量/％碳排放量/t綜合成本/萬元總備用容量/MW177.5412301.0125.302393.9241.1310272.086.361227.637.069938.984.171244.0通過表4-4可以看出，模型3的結(jié)果顯示該模型的棄風(fēng)量與前兩個模型相比來說是最少的，并且也發(fā)現(xiàn)碳排放量與前兩個模型相比來說是最少的，綜合成本雖與模型2的成本相近但是依舊是模型3的最少。通過對模型1和2進行對比，得出了一個明顯的結(jié)果那就是模糊機會約束與確定性調(diào)度模型相比前者會大大降低成本，通過計算得出降低了進45.1%，碳排放量也降低了近五分之一，設(shè)備的總備用量也大大減少，為電力系統(tǒng)節(jié)約了1166.3MW。其中模型1的確定性模型的成立條件也較為苛刻，只有在功率平衡時成立，所以要求誤差值要為零。為了讓系統(tǒng)可以持續(xù)有效的運行需要提高備用容量以備不時之需。本篇文章要求系統(tǒng)在=0.95置信水平的條件下保證電力系統(tǒng)的功率平衡，達到初始設(shè)計搭建模型的初衷。通過比較明顯展示了模糊機會約束的眾多優(yōu)點，凸顯了選擇比較的正確性。通過模型2和3比較發(fā)現(xiàn)，相比2來說模型3極大的緩解了棄風(fēng)的情況。并且在2的基礎(chǔ)上碳排放量再次的降低333.1噸，二者綜合成本相差數(shù)值為2.19萬元，與模型2來說下降2.60%，與此同時電力系統(tǒng)的總備用容量上漲了16.4MW。通過以上的比較可以發(fā)現(xiàn)考慮機會約束和碳價可以明顯降低系統(tǒng)成本，運用該模型可以極大的增大風(fēng)電消納量，同時也對碳排放量進行控制不斷降低。置信水平在整個模型運行過程中有很大的作用，將模型3作為代表來看，改變系統(tǒng)置信水平會帶來一系列的變化，如下表4-5所示表4-5不同置信水平下的調(diào)度水平置信度棄風(fēng)率/%總成本/萬元總備用容量/MW0.6523.7075.11725.10.7020.6676.29806.40.7517.5177.68890.40.8014.5879.24976.10.8511.7880.741063.40.909.3182.311152.90.956.9484.021244.2通過表4-5可以發(fā)現(xiàn)，隨著置信水平的降低，棄風(fēng)率確實有了很大的提高。備用容量可以防止因負荷及風(fēng)電的波動對系統(tǒng)造成影響。但是過多的安排備用容量會增加成本，然而不足的備用容量會導(dǎo)致系統(tǒng)可能發(fā)生運行錯誤。備用容量與有密切聯(lián)系，置信水平降低，會導(dǎo)致系統(tǒng)安全性降低，備用容量也降低，相反經(jīng)濟性卻有所提高，在工作的實際運行中需要根據(jù)目標來調(diào)整。在大環(huán)境的要求碳價會增加，結(jié)果如下圖。4-6（a）碳交易價格對風(fēng)電消納率的影響4-6（b）碳交易價格對總成本的影響圖4-6碳交易價格對風(fēng)電消納率和總成本的影響4-7（a）碳交易價格對碳排放量的影響4-7（b）碳交易價格對碳排放成本的影響圖4-7碳交易的影響通過圖4-6（a）(b)、4-7(a)（b）可以發(fā)現(xiàn)，模型3在α=0.85時，碳價與風(fēng)電消納量趨勢相同都在上升，碳排放量呈現(xiàn)下降趨勢，綜合考慮發(fā)現(xiàn)整體的碳排放成本變化趨勢和總成本的變化趨勢相同都為上升事態(tài)。當(dāng)碳價在每噸三十元的范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)整體的的風(fēng)電消納量以及整個系統(tǒng)結(jié)果顯示的碳排放量變化的異常明顯；當(dāng)碳價格高于每噸三十元的價格后，則變化的很緩慢。因此得出結(jié)論在一定范圍內(nèi)碳價、風(fēng)電消納量、備用成本的變化趨勢相同同增同減，當(dāng)超過該范圍，變化變的很微小。并且由于火電的影響，風(fēng)電占據(jù)的比例不可能一直升高，所以最后變化趨勢變緩成為定局。綜上所述，一定范圍內(nèi)對碳交易進行上漲，會導(dǎo)致經(jīng)濟性有所降低，但是會有效的提高風(fēng)電消納量，并且極大的減少了碳排放量，符合本文模型搭設(shè)的初衷。5結(jié)論與展望根據(jù)本文搭建的模型可以發(fā)現(xiàn)其中不確定因素對發(fā)的的影響，也同時展現(xiàn)了模糊機會約束的優(yōu)異，結(jié)論如下。（1）通過將碳交易的價格與風(fēng)電、負荷不確定性進行關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電用電兩端波動對于并網(wǎng)的眾多影響。通過設(shè)置置信水平，極大降低了棄風(fēng)率。（2）與傳統(tǒng)模式相比本文提出的模型來說，此文搭建的模型有極大的可能性可以解決風(fēng)電消納的問題，算例分析后，本文通過比較使用模型3可以有效提高風(fēng)電消納率，也可以降低發(fā)電成本，很好的完成了目標。參考文獻陳厚合,茅文玲，張儒峰等，基于碳排放流理論的電力系統(tǒng)源-荷協(xié)調(diào)低碳優(yōu)化調(diào)度[J]，電力系統(tǒng)保護與控制，2012,49(10):1-11.婁素華，胡斌，吳耀武等碳交易環(huán)境下含大規(guī)模光伏電源的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[J]，電力系統(tǒng)自動化，2014，38(17):91-97.李建偉,張新燕,王衡.計及風(fēng)電消納的共享儲能優(yōu)化模型，安徽大學(xué)學(xué)報，2021，45(1):60-66.周天睿，康重慶，徐乾耀等.電力系統(tǒng)碳排放流分析理論初探[J]，電力系統(tǒng)自動化，2012.36(7):38-43.姚春曉,劉文穎,郭虎等.多形態(tài)可控負荷參與風(fēng)電消納的荷源優(yōu)化模型[J],可再生能源,2019,37(6):872-878.趙冬梅王浩翔陶然，計及風(fēng)電-負荷不確定性的風(fēng)-火-核-碳捕集多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度[R],電工技術(shù)學(xué)報,2021.陳煌，黃漢昌，黎值源等，基于碳交易的含大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)中抽水蓄能優(yōu)化調(diào)度[J],電子器件，2020,43(3):569-573.易林，張玉榮，李楊等.低碳經(jīng)濟下含風(fēng)儲聯(lián)合電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[J],2018,36(4):213-216.劉明濤，謝俊，張秋艷等.碳交易環(huán)