低碳電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評估樣本

低碳電力技術(shù)基礎(chǔ)

低碳電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估

總結(jié)報(bào)告

【模型背景】

已知某一地區(qū)電網(wǎng)2020年的負(fù)荷預(yù)測情況、現(xiàn)有機(jī)組及待建

機(jī)組的情況，在所給信息的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)該地區(qū)2020年的低碳發(fā)展

方案，在滿足各約束條件的情況下，完成下面的任務(wù)：

1.電源發(fā)展方案設(shè)計(jì)

分別以碳排放和建設(shè)成本最小為目標(biāo)，設(shè)計(jì)兩種不同的電源規(guī)

劃方案，要求滿足負(fù)荷電力電量及正負(fù)備用等約束條件；

2.機(jī)組出力運(yùn)行評估

在兩種所設(shè)計(jì)的電源規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，依據(jù)給定的冬夏兩個(gè)

典型日的日負(fù)荷曲線分別安排各類機(jī)組的出力序列，使得系統(tǒng)滿

足負(fù)荷平衡條件，同時(shí)計(jì)算該地區(qū)2020年發(fā)電側(cè)排放總量和投資

總額，并對各電源發(fā)展方案下的系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

【電源發(fā)展方案設(shè)計(jì)】

1.以碳排放最小為目標(biāo)

11設(shè)計(jì)思路

在給定了2020年負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上，所選取的待建電廠和已有

電廠在滿足了2020年總負(fù)荷電力電量和各時(shí)段的正負(fù)備用約束和

對于各機(jī)組最大最小出力和利用小時(shí)數(shù)的約束前提下，應(yīng)該盡量

使碳排放最小，在本模型中認(rèn)為只有火電才會產(chǎn)生碳排放。這是一

個(gè)線性規(guī)劃問題，構(gòu)造的模型表述如下：

（1）目標(biāo)函數(shù)：

總碳排放最?。?/p>

⑵約束條件：

①機(jī)組年發(fā)電總電量負(fù)荷2020年預(yù)測；

②機(jī)組滿足正備用和負(fù)備用要求

③機(jī)組滿足利用小時(shí)數(shù)的限制

1.2模型建立

決策變量x:向量長度17,用于表示待建的17個(gè)電廠，為兩值變量

只能夠取0和1,分別代表建電廠和不建電廠；

系數(shù)向量capacity:向量長度17,為對應(yīng)17個(gè)電廠的裝機(jī)容量；

系數(shù)向量hour:向量長度17,分別對應(yīng)17個(gè)待建電廠的最大利用

小時(shí)數(shù)；

系數(shù)向量Pmax:向量長度17,表示17個(gè)電廠中可提供備用的可廠

的最大出力（其中風(fēng)電場為0）,考慮到冬季對于水電廠的出力限制,

取冬季的最大出力；

系數(shù)向量Pmin:向量長度17,表示17個(gè)電廠中可提供備用的可廠

的最小出力（其中風(fēng)電場為0）;

系數(shù)向量emission:向量長度17,表示會產(chǎn)生二氧化碳的電廠的容

量，對于不產(chǎn)生二氧化碳的電廠對應(yīng)為0:

對應(yīng)的還有已建電廠的相關(guān)系數(shù)向量，如capacity。,hourO等，其

含義與上面相同，只不過對應(yīng)的是已建電廠的參數(shù)，這里不再贅

述。

目標(biāo)函數(shù)表示式為:

8500*Yx(i)emission(i)

風(fēng)電、核電全部建設(shè)了，另外還有三個(gè)火電。這是由于在本模型中

只有火電才會產(chǎn)生碳排放，因此在建設(shè)區(qū)會有限建設(shè)非火電的電

廠，但由于發(fā)電量的限制還是需要建設(shè)火電廠。

2.以建設(shè)成本最小為目標(biāo)

2.1設(shè)計(jì)思路

在以建設(shè)成本為最小目標(biāo)選擇建設(shè)電廠時(shí)，約束條件并沒有改

變，只有目標(biāo)函數(shù)發(fā)生了改變，因此能夠采用跟上面相同的方法。

2.2模型建立

系數(shù)向量cost:向量長度17,用于表示17個(gè)待建電廠的建設(shè)成本；

決策變量和其它的系數(shù)向量和上面模型中相同。

目標(biāo)函數(shù)：

Zcos/(i)xx(i)

機(jī)組年發(fā)電總量約束表示式為：

，力。〃廠(i)xcapacity(i)xx(i)+xcapacity。。)>=1400>10400

機(jī)組正備用約束為(最大負(fù)荷預(yù)測為2150萬千瓦):

ZPmax(i)xx(i)+ZP0max(j)>=2150x1.1

機(jī)組負(fù)備用約束為(最小負(fù)荷預(yù)測為1020萬千瓦)：

"min(i)xx⑴+￡P(guān)0miMi)v=1020x麗

23模型求解

同樣利用Lingo進(jìn)行求解，程序中計(jì)算部分如下所示：

[objJnnn=@3uni(sn:co3t"x);，目標(biāo)的數(shù)；

[constraintai]:=:r.sx-x-@aum(sm:POmax)>-2150?!.1;:正畝用約束；

[constraints2]6sum(sr:Pmin*x)+@suni(3Tn:POmin)<?1020*0.9;,負(fù)?&用約束；

[constraints3]@sxnn(sr:hour?capacity*x)+8stun(sm:hour0*capacity0)>=1400*10000;1總發(fā)電里約束；

9for(sn(i):?BIN(x(i)));10Y規(guī)劃；

求解得到的結(jié)果如下表所示:

選建電廠名稱容量（萬千瓦）年最大利用小時(shí)數(shù)建設(shè)投資

HP-0B150300025

HP-0D200150

TP-0A150200

TP-0C150180

TP-0D60600025

TP-0E6055

TP-0F6055

TP-0I15020

在以建設(shè)成本最小為目標(biāo)時(shí)，根據(jù)結(jié)果可知，所建設(shè)的電廠有

兩個(gè)水電廠其余均為火電廠，這是由于火電廠單位容量的造價(jià)相

比于其它幾種電廠低，因此由于建造火電廠，可是由于負(fù)備用的約

束，只能夠加兩個(gè)水電廠來提高負(fù)備用?？偟慕ㄔO(shè)成本為540億元。

【機(jī)組出力運(yùn)行評估】

1.在碳排放最小方案下的出力運(yùn)行評估

1.1設(shè)計(jì)思路

在電源的發(fā)展萬案設(shè)計(jì)中，在碳排放最小的目標(biāo)下已經(jīng)確定了

招要建設(shè)的電廠，一共有1。個(gè)電廠，因此現(xiàn)在就是規(guī)劃加上已經(jīng)有

的電廠一共29個(gè)電廠的出力序列。由于設(shè)計(jì)要求中沒有給定目標(biāo)

函數(shù)，這里能夠選取碳排放最少或者發(fā)電成本最低作為目標(biāo)函數(shù),

在本次設(shè)計(jì)中采用碳排放最少作為目標(biāo)函數(shù)。構(gòu)造的模型描述如

下：

目標(biāo)函數(shù)：

碳排放量最??；

約束條件：

①時(shí)刻滿足負(fù)荷平衡約束；

②各機(jī)組的年最大發(fā)電量約束；

③時(shí)刻正備用約束；

④時(shí)刻負(fù)備用約束；

⑤機(jī)組爬坡約束；

⑥機(jī)組出力大小約束；

L2模型建立

機(jī)組年最大發(fā)電量約束、正負(fù)備用約束與在電源發(fā)展方案中的

相似，不再重復(fù)說明。由于發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的負(fù)荷應(yīng)該時(shí)刻相等,

因此所有的發(fā)電機(jī)組出力之和應(yīng)該和預(yù)測負(fù)荷相等，則負(fù)荷五衡

約束的表示式為：

Z/rate](i,j)xcapacity(j)=loadl(i)

.rate2(i,j)xcapacity(j)=load2(i)

各機(jī)組應(yīng)該滿足最大發(fā)電量約束，該約束表示式為：

2,(185xratel(i,j)+18Ox“〃e2(i,j))xcapacity。)<=hour。)xc叩acity。)

在單位時(shí)間內(nèi)，各機(jī)組的出力變化不能超過一個(gè)限定值，在本

模型中認(rèn)為在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，機(jī)組的出力變化不能超過該機(jī)組最大

出力的15%,因此約束表示式為：

Iratel(i,j)-ratel(i+1J)|<=0.15

|rate2(i,j)-rate2(i+1,j)|<=0.15

各機(jī)組處理大小指，機(jī)組出力不能超過此刻機(jī)組可出力的最大

值，不能夠小于機(jī)組出力的最小值，此約束的表示式為：

rarel(i,j)>=rate_min(j)

ra，e2(i,j)>=rate_min(j)

(對任意j成立)

ra/el(i,j)<=ratel_max(j)

m/6?2(i,j)<=rate2max(j)

目標(biāo)函數(shù)如下：

Z.Z/(185xratel(i,j)+180xrate2(i,j))xcapacity(j)xemission(j)

相關(guān)參數(shù)的解釋如下：

決策變量卜〃回(1,j),rale2(i,j)均為24行29列的矩陣，叵畫?］表不在

冬季典型日標(biāo)號為j的機(jī)組在時(shí)間點(diǎn)i時(shí)刻的出力占最大出力的比

例，而叵雙］表示夏季典型日里面標(biāo)號為j的機(jī)組在時(shí)間點(diǎn)i時(shí)刻

的出力占最大出力的比例，由于每臺機(jī)組的年發(fā)電量存在約束，因

此對于冬季典型日和夏季典型日機(jī)組的出力序列應(yīng)該同時(shí)考慮；

系數(shù)向量砌,由0:向量長度為24,分別表示冬夏兩個(gè)典型日各

個(gè)時(shí)刻的預(yù)測負(fù)荷；

系數(shù)向量可加"max11回〃dmax斗:向量長度為24,分別表示冬夏兩

個(gè)典型日的風(fēng)力特性曲線；

系數(shù)向量匹朝：向量長度為29,表示各個(gè)機(jī)組的最小出力比例;

系數(shù)矩陣亦/2_max|：24行29列的系數(shù)矩陣,分別表示冬

夏兩個(gè)典型日中各個(gè)機(jī)組各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的最大允許出力比例；

L3模型求解

利用Lingo對上面構(gòu)造的模型進(jìn)行最優(yōu)化求解，程序的求解部

分如下所示:

(OBJ)min-@3uni(3m(i):

@sum(sn(j):(185*racel(i^j)*180*race2(i/j))?capacity(j)?emission(j));

)；

!(conscraintslj;@FOR(sm(i):!負(fù)荷平街約束；

j):ra-el(工，二?capacity(j))?loadl(x);

Ssumisn:二j:rate2(xrj)?capacity(j))=load2(i);

)；

!(consrraints2);8F0R(sn(j):，年最大發(fā)電里約束；

9sumisn:(i):(185*ra^el(工，二；-180*rare2(1,j))*capacity(j?)<=haur(二，capac工cy:j);

)；

!(constraints3);8F0R(sm(i)s，正■&用約束；

9sumisn(j)|((j#LT#25)#or#(j*eq#29)):ra^el_rr^x(i/j)*capacicy(j))>=loadi(x>?1.1;

9sxmisn(j)|((3*LT*2S)lor*(jteq|29)):rat22_max(1,J)*capacicy(J))>=load2(1)t1.1;

)；

!(constraints4];9F0R(sm(i)s!負(fù)曾用約束；

?sumisn(3)I((3tLTi25)toriOteai29)):ra^a-minC)*capacity(3))<=loadl；i)*0.9:

8sumisn(J)|((J#LT#25)#or#(]#eq#29)):rate_mm(3)*capacity(j))<=load2(1)*0.9;

)；

?[constramcsS];9FOR(sn(j)s!機(jī)組泥筑約束；

@FORlsm(l)|(1#LT#24)：

(ratel(*,二)-racel-))<?0?15;

(ratel—)—(1/j)X-0.15;

(rate2(irj)-rate2(i+1,J)X-0.15;

(rad(i+lrj)-rate2(irj))<-0.15;

)；

SFORlsni(i)|(iteq#l):

(ratel(irj)-ratel(i*23,j))<?0.15;

(ratel("23,j)-racel(i,j))<?0.15;

(rate2(irj)-rate2(1+23,j))<=0.15;

(rare2(1+23,j)-race2(iFj))<=0?15;

);l

):

!(consrraints61;8F0R(sm(i):!出力大小約束；

QFORisn(j):

ratel(lr3)>=rate_nu,n(J);

rate21)-;

race!(x,,j)<-ratel_max(XrJ);

rate2(ir3)<*r?te2_max(irJ);

);

利用Lingo中的函數(shù)將得到的機(jī)組出力序列輸出到Excel表中，詳

細(xì)結(jié)果見附表。在該出力序列下，該地區(qū)電廠年總碳排放為7791.4

萬噸。

2.在建造成本最低方案下的出力運(yùn)行評估

2.1設(shè)計(jì)思路

由于兩種電源規(guī)劃方案不同的地方就是電廠選取的不同，在該

方案下，計(jì)算處理序列時(shí)依然以碳排放最小作為目標(biāo)函數(shù)，求解方

法與上面求解相同。

2.2模型建立

由于在這種方案下，電廠選擇與低碳方案下的選擇不同，可是

對于各個(gè)機(jī)組的卷種約束條件并沒有改變，因此只需修改相關(guān)系

數(shù)的值，約束條件跟上一種方案下的相同，故不再重復(fù)。

23模型求解

由于約束條件均沒有改變，因此利用LINGO計(jì)算的程序只是相

關(guān)的系數(shù)向量或者系數(shù)矩陣發(fā)生了變化，因此程序的求解部分相

同。

同樣將求解得到的各機(jī)組的發(fā)電出力序列輸出到EXCEL中，在

建設(shè)成本最小電源方案下，得到的目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解為9176.9萬

噸。

【不同電源方案評估】

由機(jī)組出力運(yùn)行評估中已經(jīng)計(jì)算得到了兩種不同的電源發(fā)展方

案對應(yīng)的年碳排放。在考慮兩種發(fā)展方案的2020年投資總額時(shí),分

為兩部分：建設(shè)成本和發(fā)電成本。其中建設(shè)成本能夠根據(jù)所建的電

廠計(jì)算得出。對于發(fā)電成本，首先應(yīng)該知道各類發(fā)電機(jī)組的單位發(fā)

電成本，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，我從網(wǎng)上找了一些各類發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成

本，以此作為計(jì)算依據(jù)