低碳电力系统的设计和评估样本

低碳电力技术基础

低碳电力系统的设计与评估

总结报告

【模型背景】

已知某一地区电网2020年的负荷预测情况、现有机组及待建

机组的情况，在所给信息的基础上设计该地区2020年的低碳发展

方案，在满足各约束条件的情况下，完成下面的任务：

1.电源发展方案设计

分别以碳排放和建设成本最小为目标，设计两种不同的电源规

划方案，要求满足负荷电力电量及正负备用等约束条件；

2.机组出力运行评估

在两种所设计的电源规划方案的基础上，依据给定的冬夏两个

典型日的日负荷曲线分别安排各类机组的出力序列，使得系统满

足负荷平衡条件，同时计算该地区2020年发电侧排放总量和投资

总额，并对各电源发展方案下的系统运行情况进行分析。

【电源发展方案设计】

1.以碳排放最小为目标

11设计思路

在给定了2020年负荷预测的基础上，所选取的待建电厂和已有

电厂在满足了2020年总负荷电力电量和各时段的正负备用约束和

对于各机组最大最小出力和利用小时数的约束前提下，应该尽量

使碳排放最小，在本模型中认为只有火电才会产生碳排放。这是一

个线性规划问题，构造的模型表述如下：

（1）目标函数：

总碳排放最小；

⑵约束条件：

①机组年发电总电量负荷2020年预测；

②机组满足正备用和负备用要求

③机组满足利用小时数的限制

1.2模型建立

决策变量x:向量长度17,用于表示待建的17个电厂，为两值变量

只能够取0和1,分别代表建电厂和不建电厂；

系数向量capacity:向量长度17,为对应17个电厂的装机容量；

系数向量hour:向量长度17,分别对应17个待建电厂的最大利用

小时数；

系数向量Pmax:向量长度17,表示17个电厂中可提供备用的可厂

的最大出力（其中风电场为0）,考虑到冬季对于水电厂的出力限制,

取冬季的最大出力；

系数向量Pmin:向量长度17,表示17个电厂中可提供备用的可厂

的最小出力（其中风电场为0）;

系数向量emission:向量长度17,表示会产生二氧化碳的电厂的容

量，对于不产生二氧化碳的电厂对应为0:

对应的还有已建电厂的相关系数向量，如capacity。,hourO等，其

含义与上面相同，只不过对应的是已建电厂的参数，这里不再赘

述。

目标函数表示式为:

8500*Yx(i)emission(i)

风电、核电全部建设了，另外还有三个火电。这是由于在本模型中

只有火电才会产生碳排放，因此在建设区会有限建设非火电的电

厂，但由于发电量的限制还是需要建设火电厂。

2.以建设成本最小为目标

2.1设计思路

在以建设成本为最小目标选择建设电厂时，约束条件并没有改

变，只有目标函数发生了改变，因此能够采用跟上面相同的方法。

2.2模型建立

系数向量cost:向量长度17,用于表示17个待建电厂的建设成本；

决策变量和其它的系数向量和上面模型中相同。

目标函数：

Zcos/(i)xx(i)

机组年发电总量约束表示式为：

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

机组正备用约束为(最大负荷预测为2150万千瓦):

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

机组负备用约束为(最小负荷预测为1020万千瓦)：

"min(i)xx⑴+£P0miMi)v=1020x丽

23模型求解

同样利用Lingo进行求解，程序中计算部分如下所示：

[objJnnn=@3uni(sn:co3t"x);，目标的数；

[constraintai]:=:r.sx-x-@aum(sm:POmax)>-2150•!.1;:正亩用约束；

[constraints2]6sum(sr:Pmin*x)+@suni(3Tn:POmin)<»1020*0.9;,负•&用约束；

[constraints3]@sxnn(sr:hour«capacity*x)+8stun(sm:hour0*capacity0)>=1400*10000;1总发电里约束；

9for(sn(i):®BIN(x(i)));10Y规划；

求解得到的结果如下表所示:

选建电厂名称容量（万千瓦）年最大利用小时数建设投资

HP-0B150300025

HP-0D200150

TP-0A150200

TP-0C150180

TP-0D60600025

TP-0E6055

TP-0F6055

TP-0I15020

在以建设成本最小为目标时，根据结果可知，所建设的电厂有

两个水电厂其余均为火电厂，这是由于火电厂单位容量的造价相

比于其它几种电厂低，因此由于建造火电厂，可是由于负备用的约

束，只能够加两个水电厂来提高负备用。总的建设成本为540亿元。

【机组出力运行评估】

1.在碳排放最小方案下的出力运行评估

1.1设计思路

在电源的发展万案设计中，在碳排放最小的目标下已经确定了

招要建设的电厂，一共有1。个电厂，因此现在就是规划加上已经有

的电厂一共29个电厂的出力序列。由于设计要求中没有给定目标

函数，这里能够选取碳排放最少或者发电成本最低作为目标函数,

在本次设计中采用碳排放最少作为目标函数。构造的模型描述如

下：

目标函数：

碳排放量最小；

约束条件：

①时刻满足负荷平衡约束；

②各机组的年最大发电量约束；

③时刻正备用约束；

④时刻负备用约束；

⑤机组爬坡约束；

⑥机组出力大小约束；

L2模型建立

机组年最大发电量约束、正负备用约束与在电源发展方案中的

相似，不再重复说明。由于发电侧和用电侧的负荷应该时刻相等,

因此所有的发电机组出力之和应该和预测负荷相等，则负荷五衡

约束的表示式为：

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

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

各机组应该满足最大发电量约束，该约束表示式为：

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

在单位时间内，各机组的出力变化不能超过一个限定值，在本

模型中认为在一个小时内，机组的出力变化不能超过该机组最大

出力的15%,因此约束表示式为：

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

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

各机组处理大小指，机组出力不能超过此刻机组可出力的最大

值，不能够小于机组出力的最小值，此约束的表示式为：

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

ra，e2(i,j)>=rate_min(j)

(对任意j成立)

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

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

目标函数如下：

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

相关参数的解释如下：

决策变量卜〃回(1,j),rale2(i,j)均为24行29列的矩阵，叵画®］表不在

冬季典型日标号为j的机组在时间点i时刻的出力占最大出力的比

例，而叵双］表示夏季典型日里面标号为j的机组在时间点i时刻

的出力占最大出力的比例，由于每台机组的年发电量存在约束，因

此对于冬季典型日和夏季典型日机组的出力序列应该同时考虑；

系数向量砌,由0:向量长度为24,分别表示冬夏两个典型日各

个时刻的预测负荷；

系数向量可加"max11回〃dmax斗:向量长度为24,分别表示冬夏两

个典型日的风力特性曲线；

系数向量匹朝：向量长度为29,表示各个机组的最小出力比例;

系数矩阵亦/2_max|：24行29列的系数矩阵,分别表示冬

夏两个典型日中各个机组各个时间点的最大允许出力比例；

L3模型求解

利用Lingo对上面构造的模型进行最优化求解，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):!负荷平街约束；

j):ra-el(工，二•capacity(j))«loadl(x);

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

)；

!(consrraints2);8F0R(sn(j):，年最大发电里约束；

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■&用约束；

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!负曾用约束；

«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!机组泥筑约束；

@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):!出力大小约束；

QFORisn(j):

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

rate21)-;

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

rate2(ir3)<*r«te2_max(irJ);

);

利用Lingo中的函数将得到的机组出力序列输出到Excel表中，详

细结果见附表。在该出力序列下，该地区电厂年总碳排放为7791.4

万吨。

2.在建造成本最低方案下的出力运行评估

2.1设计思路

由于两种电源规划方案不同的地方就是电厂选取的不同，在该

方案下，计算处理序列时依然以碳排放最小作为目标函数，求解方

法与上面求解相同。

2.2模型建立

由于在这种方案下，电厂选择与低碳方案下的选择不同，可是

对于各个机组的卷种约束条件并没有改变，因此只需修改相关系

数的值，约束条件跟上一种方案下的相同，故不再重复。

23模型求解

由于约束条件均没有改变，因此利用LINGO计算的程序只是相

关的系数向量或者系数矩阵发生了变化，因此程序的求解部分相

同。

同样将求解得到的各机组的发电出力序列输出到EXCEL中，在

建设成本最小电源方案下，得到的目标函数的最优解为9176.9万

吨。

【不同电源方案评估】

由机组出力运行评估中已经计算得到了两种不同的电源发展方

案对应的年碳排放。在考虑两种发展方案的2020年投资总额时,分

为两部分：建设成本和发电成本。其中建设成本能够根据所建的电

厂计算得出。对于发电成本，首先应该知道各类发电机组的单位发

电成本，在进行计算时，我从网上找了一些各类发电机组的发电成

本，以此作为计算依据