1、低碳電力技術(shù)基礎(chǔ)低碳電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)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(cè)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(píng)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(duì)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)

2、展方案設(shè)計(jì)】1. 以碳排放最小為目標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)思路在給定了2020年負(fù)荷預(yù)測(cè)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(duì)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(huì)產(chǎn)生碳排放。這是一個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題，構(gòu)造的模型表述如下：（1） 目標(biāo)函數(shù)：總碳排放最小；（2） 約束條件： 機(jī)組年發(fā)電總電量負(fù)荷2020年預(yù)測(cè)； 機(jī)組滿足正備用和負(fù)備用要求 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(zhǎng)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capac

3、ity：向量長(zhǎng)度17，為對(duì)應(yīng)17個(gè)電廠的裝機(jī)容量；系數(shù)向量hour：向量長(zhǎng)度17，分別對(duì)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(zhǎng)度17，表示17個(gè)電廠中可提供備用的電廠的最大出力（其中風(fēng)電場(chǎng)為0），考慮到冬季對(duì)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(zhǎng)度17，表示17個(gè)電廠中可提供備用的電廠的最小出力（其中風(fēng)電場(chǎng)為0）；系數(shù)向量emission：向量長(zhǎng)度17，表示會(huì)產(chǎn)生二氧化碳的電廠的容量，對(duì)于不產(chǎn)生二氧化碳的電廠對(duì)應(yīng)為0；對(duì)應(yīng)的還有已建電廠的相關(guān)系數(shù)向量，如capacity0，hour0等，其含義與上面相同，只不過(guò)對(duì)應(yīng)的是已建電廠的參數(shù)，這里不再贅述。目

4、標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：機(jī)組年發(fā)電總量約束表達(dá)式為：機(jī)組正備用約束為（最大負(fù)荷預(yù)測(cè)為2150萬(wàn)千瓦）：機(jī)組負(fù)備用約束為（最小負(fù)荷預(yù)測(cè)為1020萬(wàn)千瓦）：1.3 模型求解利用Lingo進(jìn)行該線性規(guī)劃的求解，求解程序如下所示（程序中對(duì)系數(shù)賦值部分不再給出，詳細(xì)程序見附件，這里只給出求解部分）：求解得到的結(jié)果如下：選建電廠名稱容量（萬(wàn)千瓦）年最大利用小時(shí)數(shù)建設(shè)投資HP-0A25300025HP-0B150150HP-0C200200HP-0D180180TP-0H60600025TP-0I15055TP-0J15055WP-0A20200020WP-0B2020NP-0A1008000100可見在以碳排放最

5、小為目標(biāo)時(shí)，所得到的要建的電廠中水電、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(huì)產(chǎn)生碳排放，所以在建設(shè)時(shí)會(huì)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(méi)有改變，只有目標(biāo)函數(shù)發(fā)生了改變，所以可以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(zhǎng)度17，用于表示17個(gè)待建電廠的建設(shè)成本；決策變量和其他的系數(shù)向量和上面模型中相同。目標(biāo)函數(shù)：機(jī)組年發(fā)電總量約束表達(dá)式為：機(jī)組正備用約束為（最大負(fù)荷預(yù)測(cè)為2150萬(wàn)千瓦）：機(jī)組負(fù)備用約束為（最小負(fù)荷預(yù)測(cè)為1020

6、萬(wàn)千瓦）：2.3 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：求解得到的結(jié)果如下表所示：選建電廠名稱容量（萬(wàn)千瓦）年最大利用小時(shí)數(shù)建設(shè)投資HP-0B150300025HP-0D200150TP-0A1506000200TP-0C150180TP-0D6025TP-0E6055TP-0F6055TP-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)相比于其他幾種電廠低，所以由于建造火電廠，但是由于負(fù)備用的約束，只能夠加兩個(gè)水電廠來(lái)提高負(fù)備用。總的建設(shè)成本為540億元。【機(jī)組出力運(yùn)行評(píng)估】1. 在碳排放最小方

7、案下的出力運(yùn)行評(píng)估1.1設(shè)計(jì)思路在電源的發(fā)展方案設(shè)計(jì)中，在碳排放最小的目標(biāo)下已經(jīng)確定了將要建設(shè)的電廠，一共有10個(gè)電廠，所以現(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(méi)有給定目標(biāo)函數(shù)，這里可以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)：碳排放量最小；約束條件： 時(shí)刻滿足負(fù)荷平衡約束； 各機(jī)組的年最大發(fā)電量約束； 時(shí)刻正備用約束； 時(shí)刻負(fù)備用約束； 機(jī)組爬坡約束； 機(jī)組出力大小約束；1.2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(shuō)明。由于發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的負(fù)荷應(yīng)該時(shí)刻

8、相等，所以所有的發(fā)電機(jī)組出力之和應(yīng)該和預(yù)測(cè)負(fù)荷相等，則負(fù)荷平衡約束的表達(dá)式為：各機(jī)組應(yīng)該滿足最大發(fā)電量約束，該約束表達(dá)式為：在單位時(shí)間內(nèi)，各機(jī)組的出力變化不能超過(guò)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(guò)該機(jī)組最大出力的15%，因此約束表達(dá)式為：各機(jī)組處理大小指，機(jī)組出力不能超過(guò)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，此約束的表達(dá)式為：（對(duì)任意j成立）目標(biāo)函數(shù)如下：相關(guān)參數(shù)的解釋如下：決策變量：均為24行29列的矩陣，表示在冬季典型日標(biāo)號(hào)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，而表示夏季典型日里面標(biāo)號(hào)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

9、臺(tái)機(jī)組的年發(fā)電量存在約束，所以對(duì)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，：向量長(zhǎng)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(cè)負(fù)荷；系數(shù)向量，：向量長(zhǎng)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：向量長(zhǎng)度為29，表示各個(gè)機(jī)組的最小出力比例；系數(shù)矩陣，：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；1.3模型求解利用Lingo對(duì)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：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(wàn)噸。2. 在

10、建造成本最低方案下的出力運(yùn)行評(píng)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)仍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，但是對(duì)于各個(gè)機(jī)組的各種約束條件并沒(méi)有改變，所以只需修改相關(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)。2.3 模型求解由于約束條件均沒(méi)有改變，所以利用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，所以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

11、.9萬(wàn)噸。【不同電源方案評(píng)估】由機(jī)組出力運(yùn)行評(píng)估中已經(jīng)計(jì)算得到了兩種不同的電源發(fā)展方案對(duì)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)成本可以根據(jù)所建的電廠計(jì)算得出。對(duì)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)，如下所示（假設(shè)2020年的各類發(fā)電機(jī)組的成本不變）：類型水電火電風(fēng)電核電成本（元/KWh）0.10.390.390.24另外，考慮到2020年可能的低碳政策，這里發(fā)電成本計(jì)算碳排放成本，由給出的數(shù)據(jù)碳價(jià)取50元/噸。由此，計(jì)算得到的兩種電源發(fā)展方案下的202

12、0年投資額和碳排放總量匯總?cè)缦拢禾寂欧趴偭拷ㄔO(shè)成本發(fā)電成本投資總額碳排放最小方案7791.4萬(wàn)噸830億元459.3億元1289.3億元建設(shè)成本最小方案9176.9萬(wàn)噸540億元500.0億元1040億元所以得到如下結(jié)論：1.雖然建設(shè)成本最小的電源方案電廠的建設(shè)成本要比碳排放最小方案的建設(shè)成本小，但是當(dāng)考慮了碳價(jià)時(shí)碳排放最小方案對(duì)應(yīng)的發(fā)電成本反而較小；2.碳排放最小的電源發(fā)展方案優(yōu)點(diǎn)在于后期發(fā)電成本較小，相對(duì)于另一種方案更加環(huán)境友好復(fù)合未來(lái)電廠的發(fā)展方向，但是由于電廠的建設(shè)成本較高所以電廠建設(shè)前期相對(duì)投資較多也是其一個(gè)缺點(diǎn)；3.建設(shè)成本最小的電源規(guī)劃方案有點(diǎn)在于其電廠的建設(shè)成本較低，但是其在碳交易體系下的后期發(fā)電成本則相對(duì)另一種方案成本較高。【電網(wǎng)電源規(guī)劃發(fā)展建議】電網(wǎng)電源的發(fā)展方向主要包括這兩種方案，從上面計(jì)算得到的結(jié)果來(lái)說(shuō)，若從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在火電的碳處理技術(shù)沒(méi)有太大改變的前提下，應(yīng)該按照碳排放最小方案方向發(fā)展。雖然電廠的建設(shè)成本較高，但是該類電廠結(jié)構(gòu)后期的發(fā)電成本較低，當(dāng)電廠持續(xù)