低碳電力技術基礎

低碳電力系統的設計與評估

總結報告

【模型背景】

已知某一地區電網2020年的負荷預測情況、現有機組及待建

機組的情況，在所給信息的基礎上設計該地區2020年的低碳發展

方案，在滿足各約束條件的情況下，完成下面的任務：

1.電源發展方案設計

分別以碳排放和建設成本最小為目標，設計兩種不同的電源規

劃方案，要求滿足負荷電力電量及正負備用等約束條件；

2.機組出力運行評估

在兩種所設計的電源規劃方案的基礎上，依據給定的冬夏兩個

典型日的日負荷曲線分別安排各類機組的出力序列，使得系統滿

足負荷平衡條件，同時計算該地區2020年發電側排放總量和投資

總額，并對各電源發展方案下的系統運行情況進行分析。

【電源發展方案設計】

1.以碳排放最小為目標

11設計思路

在給定了2020年負荷預測的基礎上，所選取的待建電廠和已有

電廠在滿足了2020年總負荷電力電量和各時段的正負備用約束和

對于各機組最大最小出力和利用小時數的約束前提下，應該盡量

使碳排放最小，在本模型中認為只有火電才會產生碳排放。這是一

個線性規劃問題，構造的模型表述如下：

（1）目標函數：

總碳排放最小；

⑵約束條件：

①機組年發電總電量負荷2020年預測；

②機組滿足正備用和負備用要求

③機組滿足利用小時數的限制

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；

系數向量capacity:向量長度17,為對應17個電廠的裝機容量；

系數向量hour:向量長度17,分別對應17個待建電廠的最大利用

小時數；

系數向量Pmax:向量長度17,表示17個電廠中可提供備用的可廠

的最大出力（其中風電場為0）,考慮到冬季對于水電廠的出力限制,

取冬季的最大出力；

系數向量Pmin:向量長度17,表示17個電廠中可提供備用的可廠

的最小出力（其中風電場為0）;

系數向量emission:向量長度17,表示會產生二氧化碳的電廠的容

量，對于不產生二氧化碳的電廠對應為0:

對應的還有已建電廠的相關系數向量，如capacity。,hourO等，其

含義與上面相同，只不過對應的是已建電廠的參數，這里不再贅

述。

目標函數表示式為:

8500*Yx(i)emission(i)

風電、核電全部建設了，另外還有三個火電。這是由于在本模型中

只有火電才會產生碳排放，因此在建設區會有限建設非火電的電

廠，但由于發電量的限制還是需要建設火電廠。

2.以建設成本最小為目標

2.1設計思路

在以建設成本為最小目標選擇建設電廠時，約束條件并沒有改

變，只有目標函數發生了改變，因此能夠采用跟上面相同的方法。

2.2模型建立

系數向量cost:向量長度17,用于表示17個待建電廠的建設成本；

決策變量和其它的系數向量和上面模型中相同。

目標函數：

Zcos/(i)xx(i)

機組年發電總量約束表示式為：

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

機組正備用約束為(最大負荷預測為2150萬千瓦):

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

機組負備用約束為(最小負荷預測為1020萬千瓦)：

"min(i)xx⑴+￡P0miMi)v=1020x麗

23模型求解

同樣利用Lingo進行求解，程序中計算部分如下所示：

[objJnnn=@3uni(sn:co3t"x);，目標的數；

[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?&用約束；

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

9for(sn(i):?BIN(x(i)));10Y規劃；

求解得到的結果如下表所示:

選建電廠名稱容量（萬千瓦）年最大利用小時數建設投資

HP-0B150300025

HP-0D200150

TP-0A150200

TP-0C150180

TP-0D60600025

TP-0E6055

TP-0F6055

TP-0I15020

在以建設成本最小為目標時，根據結果可知，所建設的電廠有

兩個水電廠其余均為火電廠，這是由于火電廠單位容量的造價相

比于其它幾種電廠低，因此由于建造火電廠，可是由于負備用的約

束，只能夠加兩個水電廠來提高負備用。總的建設成本為540億元。

【機組出力運行評估】

1.在碳排放最小方案下的出力運行評估

1.1設計思路

在電源的發展萬案設計中，在碳排放最小的目標下已經確定了

招要建設的電廠，一共有1。個電廠，因此現在就是規劃加上已經有

的電廠一共29個電廠的出力序列。由于設計要求中沒有給定目標

函數，這里能夠選取碳排放最少或者發電成本最低作為目標函數,

在本次設計中采用碳排放最少作為目標函數。構造的模型描述如

下：

目標函數：

碳排放量最小；

約束條件：

①時刻滿足負荷平衡約束；

②各機組的年最大發電量約束；

③時刻正備用約束；

④時刻負備用約束；

⑤機組爬坡約束；

⑥機組出力大小約束；

L2模型建立

機組年最大發電量約束、正負備用約束與在電源發展方案中的

相似，不再重復說明。由于發電側和用電側的負荷應該時刻相等,

因此所有的發電機組出力之和應該和預測負荷相等，則負荷五衡

約束的表示式為：

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

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

各機組應該滿足最大發電量約束，該約束表示式為：

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

在單位時間內，各機組的出力變化不能超過一個限定值，在本

模型中認為在一個小時內，機組的出力變化不能超過該機組最大

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

各機組處理大小指，機組出力不能超過此刻機組可出力的最大

值，不能夠小于機組出力的最小值，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)

目標函數如下：

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

相關參數的解釋如下：

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

冬季典型日標號為j的機組在時間點i時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號為j的機組在時間點i時刻

的出力占最大出力的比例，由于每臺機組的年發電量存在約束，因

此對于冬季典型日和夏季典型日機組的出力序列應該同時考慮；

系數向量砌,由0:向量長度為24,分別表示冬夏兩個典型日各

個時刻的預測負荷；

系數向量可加"max11回〃dmax斗:向量長度為24,分別表示冬夏兩

個典型日的風力特性曲線；

系數向量匹朝：向量長度為29,表示各個機組的最小出力比例;

系數矩陣亦/2_max|：24行29列的系數矩陣,分別表示冬

夏兩個典型日中各個機組各個時間點的最大允許出力比例；

L3模型求解

利用Lingo對上面構造的模型進行最優化求解，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中的函數將得到的機組出力序列輸出到Excel表中，詳

細結果見附表。在該出力序列下，該地區電廠年總碳排放為7791.4

萬噸。

2.在建造成本最低方案下的出力運行評估

2.1設計思路

由于兩種電源規劃方案不同的地方就是電廠選取的不同，在該

方案下，計算處理序列時依然以碳排放最小作為目標函數，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

對于各個機組的卷種約束條件并沒有改變，因此只需修改相關系

數的值，約束條件跟上一種方案下的相同，故不再重復。

23模型求解

由于約束條件均沒有改變，因此利用LINGO計算的程序只是相

關的系數向量或者系數矩陣發生了變化，因此程序的求解部分相

同。

同樣將求解得到的各機組的發電出力序列輸出到EXCEL中，在

建設成本最小電源方案下，得到的目標函數的最優解為9176.9萬

噸。

【不同電源方案評估】

由機組出力運行評估中已經計算得到了兩種不同的電源發展方

案對應的年碳排放。在考慮兩種發展方案的2020年投資總額時,分

為兩部分：建設成本和發電成本。其中建設成本能夠根據所建的電

廠計算得出。對于發電成本，首先應該知道各類發電機組的單位發

電成本，在進行計算時，我從網上找了一些各類發電機組的發電成

本，以此作為計算依據