孟婧，梁才浩*，宋福龍，陳晨，蘇盛

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京市 西城區(qū) 100031；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省 長(zhǎng)沙市 410114）

0 引言

大力發(fā)展清潔能源是解決當(dāng)前化石能源短缺和環(huán)境污染問題、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的必然選擇，已成為全球共識(shí)[1]。發(fā)電側(cè)碳減排是各國(guó)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的主要途徑，也是能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要目標(biāo)之一[2-3]。在能源開發(fā)方面實(shí)施清潔替代，并依托全球能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)清潔能源的充分共享，可有效減少全球碳排放[4-5]。建立清潔低碳的電源結(jié)構(gòu)是清潔能源電力充分共享的重要基礎(chǔ)。

基于全球能源互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)架[6]，未來電源規(guī)劃需要考慮一些新的影響因素和要求，主要表現(xiàn)在：①規(guī)劃的前提是各國(guó)間實(shí)現(xiàn)清潔電力充分共享，電源結(jié)構(gòu)的低碳、可持續(xù)成為重要的電源規(guī)劃原則；②統(tǒng)籌考慮以多個(gè)國(guó)家為整體的規(guī)劃對(duì)象，即電源規(guī)劃結(jié)果既要滿足各國(guó)能源電力發(fā)展目標(biāo)，又要滿足多國(guó)所在區(qū)域的整體發(fā)展需要；③約束設(shè)置需要充分考慮各國(guó)能源資源的稟賦特點(diǎn)及差異性優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)考慮碳排放約束的電源規(guī)劃已經(jīng)展開了一定的研究。文獻(xiàn)[7]提出了面向多個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)期電源和燃?xì)庀到y(tǒng)的聯(lián)合規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[8]以經(jīng)濟(jì)成本最小、綜合能效最大為目標(biāo)構(gòu)建了碳交易下電源規(guī)劃優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[9-10]考慮風(fēng)電、光伏出力的間歇性、波動(dòng)性，以發(fā)電運(yùn)行成本、CO2處理成本最小為電源規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，建立了考慮碳減排效益的電源規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[11-12]提出應(yīng)用基于區(qū)域比較的碳排放權(quán)分配機(jī)制，求解低碳電源規(guī)劃問題。上述文獻(xiàn)將碳排放約束引入電源規(guī)劃模型，但優(yōu)化模型多以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)重新設(shè)計(jì)電源結(jié)構(gòu)，未能在模型求解中充分考慮調(diào)度運(yùn)行的相關(guān)約束，難以評(píng)價(jià)新建電源方案疊加現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[13]建立了投資成本最小的高比例可再生能源電源規(guī)劃模型，同時(shí)利用生產(chǎn)模擬仿真進(jìn)行求解，但該方法以固定系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，尚未考慮面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)的跨國(guó)電源規(guī)劃研究需求。

基于上述分析，本文建立了考慮碳排放約束的跨國(guó)電源優(yōu)化規(guī)劃模型，并將其與生產(chǎn)模擬模型相結(jié)合，進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)滿足碳排放目標(biāo)且經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的跨國(guó)電源規(guī)劃方案求解。

1 考慮碳排放約束的跨國(guó)電源規(guī)劃框架

考慮碳排放約束的跨國(guó)電源規(guī)劃目的是解決未來大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、高參數(shù)大功率發(fā)電機(jī)組普及且成本大幅降低的情況下，利用各國(guó)清潔能源資源形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)的電力生產(chǎn)環(huán)境。

考慮碳排放約束的跨國(guó)電源優(yōu)化規(guī)劃框架如圖1所示。首先，應(yīng)用考慮碳排放約束的跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型，以每個(gè)國(guó)家不同類型新增電源的裝機(jī)規(guī)模為求解目標(biāo)，求解電源規(guī)劃方案，約束條件包括各國(guó)能源電力發(fā)展需求、資源儲(chǔ)量及開發(fā)政策限制、碳排放及可再生能源消納目標(biāo)等；其次，應(yīng)用考慮碳排放成本的生產(chǎn)模擬模型進(jìn)行全年8760 h仿真，優(yōu)化調(diào)整跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型參數(shù)，迭代求解電源規(guī)劃方案，最終形成滿足碳排放目標(biāo)及成本最小的跨國(guó)電源規(guī)劃方案。生產(chǎn)模擬仿真模型中綜合考慮多類型電源的發(fā)電特性及經(jīng)濟(jì)特性，并在化石燃料機(jī)組中構(gòu)建了碳排放模型。

圖1 電源優(yōu)化規(guī)劃框架Fig.1 Framework of generation optimization planning

該規(guī)劃框架利用跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型求解電源結(jié)構(gòu)和裝機(jī)規(guī)模，并利用生產(chǎn)模擬仿真模型分析系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)。生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果與規(guī)劃目標(biāo)的偏差將通過矯正參數(shù)的方式反饋到下一次的跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型中，進(jìn)而修正電源規(guī)劃結(jié)果。通過跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型的求解和生產(chǎn)模擬計(jì)算的迭代，將規(guī)劃與運(yùn)行整合，使電源規(guī)劃方案滿足系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)綜合成本最小。

2 考慮碳排放約束的跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型

考慮碳排放約束的跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型以多國(guó)所在區(qū)域整體電源建設(shè)和發(fā)電運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)，滿足各類電源裝機(jī)出力、電量、可靠性、碳排放等約束。應(yīng)用線性規(guī)劃方法求解各個(gè)國(guó)家各類電源的最優(yōu)裝機(jī)。模型中，帶有上橫線的參數(shù)來自生產(chǎn)模擬仿真的計(jì)算結(jié)果。求解變量為每個(gè)區(qū)域各類電源的新增裝機(jī)量。

目標(biāo)函數(shù)：

式中：IC表示年化單位投資成本，美元/MW；下標(biāo)r為國(guó)家標(biāo)識(shí)，R表示規(guī)劃國(guó)家總數(shù)；c為新增裝機(jī)，MW，是求解變量；Co為運(yùn)行成本，美元/MWh；為仿真計(jì)算出的某類電源平均發(fā)電小時(shí)數(shù)，h；iTH表示第i類非水常規(guī)電源；iHY表示第i類水電電源；iRE表示第i類非水可再生能源電源；iE表示第i類儲(chǔ)能電源；NTHr表示第r個(gè)國(guó)家非水常規(guī)電源類型數(shù)；NHYr表示第r個(gè)國(guó)家水電電源類型數(shù)，按照流域特性的不同進(jìn)行劃分；NREr表示第r個(gè)國(guó)家非水可再生能源電源類型數(shù)；NEr表示第r個(gè)國(guó)家儲(chǔ)能電源類型數(shù)。

優(yōu)化模型中構(gòu)造的約束條件，既要滿足各個(gè)國(guó)家自身的約束，又要滿足多國(guó)所在區(qū)域的整體要求，當(dāng)國(guó)家標(biāo)識(shí)r等于R+1時(shí)，代表多國(guó)所在的整體區(qū)域。優(yōu)化模型中考慮如下約束條件：

式 （2）至 （5）分別表示非水常規(guī)電源、水電電源、非水可再生能源及儲(chǔ)能的最大新增裝機(jī)約束及最小新增裝機(jī)約束。其中，Cmax為最大裝機(jī)容量，MW，受各國(guó)各類能源資源的可開發(fā)量限制[14-17]；Cmin表示最小裝機(jī)容量，MW，由各國(guó)能源開發(fā)目標(biāo)確定。

式 （6）表示電量約束。式中：EAr表示國(guó)家r規(guī)劃年度用電量預(yù)測(cè)值，MWh；EEr表示現(xiàn)狀電網(wǎng)已投運(yùn)的電源機(jī)組年度發(fā)電量預(yù)期總和，MWh。

式（7）、式（8）分別為高峰時(shí)段和低谷時(shí)段新增裝機(jī)總?cè)萘康募s束，即總新增有效裝機(jī)大于等于考慮系統(tǒng)裕度要求下的裝機(jī)缺額。非水常規(guī)機(jī)組及儲(chǔ)能認(rèn)定為全部容量均有效；水電裝機(jī)有效容量由電站預(yù)想出力確定；非水可再生能源由于具有間歇性、不確定性，對(duì)負(fù)荷高峰、低谷時(shí)段的容量貢獻(xiàn)存在差異，因此需要分別構(gòu)建高峰和低谷時(shí)段的裝機(jī)容量約束，風(fēng)電、光伏等非水可再生能源需經(jīng)過等效折算[18-19]后，累計(jì)計(jì)入系統(tǒng)有效裝機(jī)。

式中：RHY為預(yù)想出力系數(shù)，取值為0到1，由水電站水文條件確定；為有效帶載能力，取值為0到1，表示相同可靠性前提下，間歇性電源可替代常規(guī)機(jī)組的能力[20]；PAr表示國(guó)家r規(guī)劃年負(fù)荷峰值，MW；Mc為容量裕度，%；CEr表示現(xiàn)狀電網(wǎng)已投運(yùn)的電源機(jī)組有效裝機(jī)量總和，MW；Fv為谷段調(diào)節(jié)系數(shù)；和為容量需求的調(diào)節(jié)系數(shù)，分別表示負(fù)荷高峰時(shí)段和負(fù)荷低谷時(shí)段系統(tǒng)缺供電力最大值與最大負(fù)荷之比，該調(diào)節(jié)系數(shù)由生產(chǎn)模擬仿真結(jié)果得出。

式（9）表示可再生能源的消納目標(biāo)約束，即規(guī)劃系統(tǒng)的可再生能源新增消納電量大于或等于國(guó)家可再生能源消納量的目標(biāo)與現(xiàn)有可再生能源消納電量間的偏差。

式中：ERETr為國(guó)家r的可再生能源消納電量目標(biāo)，MWh；EREEr為國(guó)家r已有可再生能源裝機(jī)的可消納電量，MWh。

式（10）表示碳排放目標(biāo)約束，即系統(tǒng)碳排放總量小于等于各個(gè)國(guó)家的碳排放控制目標(biāo)之和。該約束中，僅考慮化石能源機(jī)組的排放情況。

式中：EMTr為國(guó)家r的碳排放控制目標(biāo)，t；EMEr為國(guó)家r已有電源裝機(jī)的碳排放量，t；REMr為機(jī)組排放率，t/MWh。

3 考慮碳排放成本的生產(chǎn)模擬仿真模型

生產(chǎn)模擬用來仿真分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程，可以在輸電約束和運(yùn)行約束的限制下，使發(fā)電成本最小。本文生產(chǎn)模擬仿真模型是對(duì)規(guī)劃年全年進(jìn)行逐小時(shí)仿真，需根據(jù)各國(guó)資源特性，構(gòu)建規(guī)劃年水電、風(fēng)電、光伏等可再生能源的理論出力曲線，并根據(jù)負(fù)荷需求、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等約束，開展考慮碳排放成本的機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度。仿真完成后，統(tǒng)計(jì)分析包括碳排放總量在內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)。生產(chǎn)模擬仿真模型如圖2所示。

圖2 時(shí)序生產(chǎn)模擬仿真流程Fig.2 Process of production cost simulation

3.1 考慮碳排放成本的機(jī)組組合模型

機(jī)組組合的優(yōu)化目標(biāo)是系統(tǒng)發(fā)電成本最小，包括發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)成本、運(yùn)行成本以及碳排放成本等，即

式中：目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)總發(fā)電成本；pi（t）和Ii（t）為決策變量，pi（t）為機(jī)組i在t時(shí)段的實(shí)際出力，Ii（t）=1表示機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)，Ii（t）=0表示機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)；Ci[pi（t）]為機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電運(yùn)行成本；Si（t）為機(jī)組i在t時(shí)段的啟動(dòng)成本；M為機(jī)組數(shù)；T為總時(shí)段數(shù)。

Ci[Pi（t）]用二次函數(shù)表示為

式中：ai、bi、ci為機(jī)組i的發(fā)電成本特性函數(shù)參數(shù)，其中ci為空載成本，在機(jī)組組合模型中可將二次函數(shù)進(jìn)行線性化以便于求解；REMi為機(jī)組排放率，t/MWh；Tr為r區(qū)域碳排放價(jià)格，美元/t。

機(jī)組組合模型的約束條件如下。

1）系統(tǒng)功率平衡約束。

式中：Pd（t）為t時(shí)段系統(tǒng)的總負(fù)荷。

2）發(fā)電機(jī)最大和最小出力約束。

式中：Pimin、Pimax分別為機(jī)組i的最小、最大出力。

3）機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量約束。

式中：SD（t）為t時(shí)段系統(tǒng)總的備用容量需求。

4）爬坡率限制約束。

式中：URi、DRi分別為機(jī)組i每個(gè)時(shí)段允許的上、下調(diào)出力。

5）機(jī)組最小運(yùn)行與停機(jī)持續(xù)時(shí)間約束。

最小開機(jī)時(shí)間約束：

最小停機(jī)時(shí)間約束：

式中：、分別為機(jī)組i的最小啟、停時(shí)間；Tion（t? 1）、Tioff（t? 1）分別為機(jī)組i在t時(shí)段前的持續(xù)開、關(guān)機(jī)時(shí)間。

3.2 考慮碳排放成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

經(jīng)濟(jì)調(diào)度在機(jī)組組合確定的機(jī)組啟停計(jì)劃基礎(chǔ)上，以電力系統(tǒng)運(yùn)行方案經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷預(yù)測(cè)，在經(jīng)濟(jì)調(diào)度周期內(nèi)，決定每臺(tái)開機(jī)機(jī)組的輸出功率，滿足源荷有功平衡、機(jī)組運(yùn)行特性和電網(wǎng)安全等約束。

目標(biāo)函數(shù)為

式中：NG為系統(tǒng)常規(guī)機(jī)組數(shù)；pi和ph分別為常規(guī)機(jī)組i和可再生能源機(jī)組h的有功功率；Ci（pi）和Ch（ph）分別為機(jī)組i和h的運(yùn)行成本，常規(guī)機(jī)組成本模型包含碳排放成本。

經(jīng)濟(jì)調(diào)度約束條件如下。

1）系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束。

式中：Dk為母線負(fù)荷；NLD為負(fù)荷母線的個(gè)數(shù)。

2）機(jī)組出力上下限約束。

式中：pimax、pimin分別為發(fā)電機(jī)組i發(fā)電功率的上、下限。

3）機(jī)組加減負(fù)荷速度約束。

式中：Δpi為機(jī)組i每時(shí)段可加減負(fù)荷的最大值。

4）可再生能源發(fā)電約束。

式中：Ph為機(jī)組h的可再生能源機(jī)組理論出力。

4 算例分析

本文采用南美洲3個(gè)主要國(guó)家作為電源規(guī)劃的研究對(duì)象，選取2035年為目標(biāo)規(guī)劃年，2015年為系統(tǒng)現(xiàn)狀年。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)EIA （Energy Information Administration）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，南美A、B、C三國(guó)2015年度最大負(fù)荷分別24 030 MW、85 710 MW和9920 MW?，F(xiàn)狀電力系統(tǒng)裝機(jī)情況如表1所示。

表1 現(xiàn)狀電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)Table 1 Generation mix for existing power system

基于生產(chǎn)模擬仿真結(jié)果，2015年系統(tǒng)無缺供電量，CO2排放總量為8200萬t。主要發(fā)電類型電源的發(fā)電小時(shí)數(shù)如表2所示。

表2 現(xiàn)狀電力系統(tǒng)各類機(jī)組發(fā)電小時(shí)數(shù)Table 2 Generation hours for existing power system h

4.2 約束假設(shè)

針對(duì)2035年，設(shè)定低碳、可再生能源以及供電可靠性等指標(biāo)：①2035年3個(gè)國(guó)家CO2排放總量不超過2015年排放量2倍的水平，即總排放量不超過16 400萬t，燃煤、燃油碳排放率為0.85 t/MWh，燃?xì)馓寂欧怕蕿?.42 t/MWh[21]；②鼓勵(lì)非水可再生能源開發(fā)，風(fēng)電和光伏發(fā)電的消納總電量至少達(dá)到年度需供電量的10%；③2035年3個(gè)國(guó)家總需電量為1676 TWh，總負(fù)荷為256 587 MW，年度缺供電量不超過年度需供電量的0.1%；④根據(jù)相關(guān)氣象組織提供的10~30 a風(fēng)速、太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù)以及各流域多年水文特性[22]分別計(jì)算出風(fēng)電、光伏及水電新增裝機(jī)的出力特性[23-26]；⑤根據(jù)各國(guó)電力調(diào)度中心和電力交易所的相關(guān)數(shù)據(jù)，3國(guó)負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段分別為當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午3點(diǎn)和凌晨4點(diǎn)，光伏電源在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段的有效帶載能力分別為20%和0[27]，風(fēng)電在負(fù)荷高峰和低谷時(shí)段的有效帶載能力分別為20%和30%；⑥根據(jù)RGGI、EIA、IEA及BP等機(jī)構(gòu)發(fā)布的信息，化石機(jī)組的碳排放成本約為0.004 4美元/kWh，約占其變動(dòng)成本的10%。2035年電源投資成本、變動(dòng)成本及使用年限如表3所示。

表3 各類機(jī)組發(fā)電參數(shù)Table 3 Parameters of each type of generator

續(xù)表

4.3 結(jié)果分析

考慮碳排放約束的情景下，根據(jù)跨國(guó)電源規(guī)劃流程，進(jìn)行電源優(yōu)化、生產(chǎn)模擬、矯正參數(shù)、電源再優(yōu)化和仿真的循環(huán)計(jì)算，在進(jìn)行3次迭代后，完成電源優(yōu)化過程，如表4所示。優(yōu)化過程首先應(yīng)用2015年各類電源的平均發(fā)電小時(shí)數(shù)作為電源優(yōu)化模型的初始參數(shù)。第一次電源優(yōu)化方案仿真后，CO2排放量和風(fēng)光消納電量均達(dá)到目標(biāo)要求，但缺供電量為0.32%，超過了缺供電量0.1%的供電可靠性要求。在第二次電源優(yōu)化中，根據(jù)前次仿真獲得的各類機(jī)組的發(fā)電小時(shí)數(shù)以及可靠性約束進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。第二次電源優(yōu)化的仿真結(jié)果依然顯示缺供電量超標(biāo)，需要繼續(xù)矯正優(yōu)化參數(shù)。第三次電源優(yōu)化方案中，風(fēng)電新增141 000 MW、光伏新增222 790 MW，水電新增1615 MW，能夠滿足CO2排放、風(fēng)光消納電量占比以及缺供電量的要求，電源規(guī)劃過程結(jié)束。

表4 優(yōu)化過程分析Table 4 Analysis of optimization process

新增電源以風(fēng)電、光伏和水電為主，主要原因是：①煤油氣機(jī)組為碳排放的主要來源，碳排放約束嚴(yán)格限制了這類電源的新建規(guī)模及發(fā)電量；②可再生能源中，風(fēng)光機(jī)組單位投資成本相對(duì)較低，且由于資源稟賦好，發(fā)電小時(shí)數(shù)高，風(fēng)光機(jī)組綜合成本低于水電機(jī)組，成為主要新增裝機(jī)類型。

優(yōu)化后，南美A、B、C三國(guó)的電源結(jié)構(gòu)由2015年以水電、化石能源機(jī)組為主，調(diào)整為2035年的以風(fēng)電光伏為主、常規(guī)電源為輔，如表5所示。經(jīng)過生產(chǎn)模擬仿真校驗(yàn)，該電源結(jié)構(gòu)可以滿足A、B、C三國(guó)碳排放量、新能源消納以及供電可靠性等多重目標(biāo)。

表5 2035年考慮碳排放約束的規(guī)劃電源結(jié)構(gòu)Table 5 Planned generation mix by 2035 with carbon emission constraints

4.4 關(guān)鍵約束影響分析

若不考慮碳排放約束，規(guī)劃結(jié)果新增電源以光伏和燃?xì)鈾C(jī)組為主，主要原因是：①在常規(guī)機(jī)組中，燃?xì)鈾C(jī)組綜合成本低于燃煤機(jī)組，且燃?xì)鈾C(jī)組有效裝機(jī)容量貢獻(xiàn)率與新能源相比，是風(fēng)電、光伏裝機(jī)的3~4倍，燃?xì)馀c風(fēng)光機(jī)組間變動(dòng)成本的差距大幅縮小，使得燃?xì)庥行ЬC合成本最低；②優(yōu)化方案中，風(fēng)光消納電量占比是優(yōu)化求解的約束條件之一，即風(fēng)光電量至少占年度供電電量的10%，因此需要新增風(fēng)光裝機(jī)。考慮到光伏機(jī)組投資成本和運(yùn)行成本均低于風(fēng)電機(jī)組，因此電源優(yōu)化規(guī)劃模型以優(yōu)先選擇新增光伏機(jī)組為主。

相比考慮碳排放約束情景的結(jié)果，不考慮碳排放約束情景下的CO2排放總量大幅提升，達(dá)到43 000萬t，但新建電源裝機(jī)量降低了57%，成本降低了66%，如表6所示。

表6 碳排放約束影響分析Table 6 Impact analysis of CO2 emission constraint

除碳排放約束外，是否考慮跨國(guó)共享也將直接影響電源規(guī)劃結(jié)果。假設(shè)各國(guó)電源規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)電源跨國(guó)共享為前提：①在三國(guó)總排放量16 400萬t目標(biāo)不變的基礎(chǔ)上，將排放指標(biāo)按照現(xiàn)狀系統(tǒng)中的化石能源機(jī)組發(fā)電量的比例分配給每個(gè)國(guó)家；②每個(gè)國(guó)家的新能源消納總電量至少達(dá)到該國(guó)年度需供電量的10%；③每個(gè)國(guó)家年度缺供電量不超過該國(guó)年度需供電量的0.1%。

對(duì)比跨國(guó)電源規(guī)劃與各國(guó)獨(dú)立進(jìn)行電源規(guī)劃的算例結(jié)果，如表7所示。在考慮碳排放約束的情況下，各國(guó)獨(dú)立規(guī)劃和跨國(guó)電源規(guī)劃方案中的新增電源結(jié)構(gòu)相似，均以風(fēng)電、光伏和水電為主，但獨(dú)立電源規(guī)劃的新建電源總裝機(jī)比跨國(guó)電源規(guī)劃的新建裝機(jī)總量增加47%，總成本高56%，主要原因是獨(dú)立規(guī)劃時(shí)，各國(guó)無法發(fā)揮跨國(guó)電源間的互補(bǔ)互濟(jì)作用， A、B、C每個(gè)國(guó)家的新增清潔能源裝機(jī)只能夠?qū)Ρ緡?guó)碳排放和供電目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，無法為三國(guó)整體和其他國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳排放及供電目標(biāo)提供幫助。

表7 跨國(guó)電源規(guī)劃與各國(guó)獨(dú)立電源規(guī)劃Table 7 Comparison between multi-states generation planning and independent state generation planning MW

根據(jù)表8的匯總結(jié)果，通過分析碳排放約束和跨國(guó)共享對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響可知，為滿足清潔低碳的用電需求，電源規(guī)劃中需要考慮碳排放約束，但也會(huì)因此提升新增裝機(jī)量，增加相應(yīng)成本，引入跨國(guó)共享后，則可以減少裝機(jī)需求總量。因此同時(shí)考慮碳排放約束和跨國(guó)共享的電源優(yōu)化規(guī)劃，可以達(dá)到清潔低碳、相對(duì)經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)目標(biāo)。

表8 各場(chǎng)景電源規(guī)劃匯總Table 8 Summary of generation planning for different scenarios

5 結(jié)論

本文提出了考慮碳排放約束的跨國(guó)電源優(yōu)化規(guī)劃方法，該方法將跨國(guó)電源最優(yōu)規(guī)劃模型和考慮碳排放成本的生產(chǎn)模擬仿真模型相結(jié)合，通過迭代尋優(yōu)，獲得在實(shí)際運(yùn)行方式下能夠滿足低碳、經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)目標(biāo)的規(guī)劃方案。

應(yīng)用該方法，本文對(duì)南美三國(guó)電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過對(duì)比分析碳排放約束、跨國(guó)共享對(duì)電源規(guī)劃結(jié)果的影響可知，考慮碳排放約束后新建電源裝機(jī)總量及成本會(huì)有所提升，但通過跨國(guó)共享，可有效降低裝機(jī)總量及成本，實(shí)現(xiàn)多國(guó)整體電力消納的低碳、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。優(yōu)化后的南美A、B、C三國(guó)電源結(jié)構(gòu)以風(fēng)光為主、常規(guī)電源為輔，可以滿足三國(guó)碳排放量、新能源消納以及供電可靠性等多重目標(biāo)。算例分析體現(xiàn)出本文提出的優(yōu)化規(guī)劃方法在跨國(guó)多類型電源規(guī)劃研究與工程實(shí)踐中的實(shí)用性。

在現(xiàn)有優(yōu)化規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，下一階段的規(guī)劃研究將進(jìn)一步拓展方法的應(yīng)用范圍，以電網(wǎng)充分互聯(lián)和電源清潔替代作為整體規(guī)劃目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)滿足區(qū)域低碳約束的網(wǎng)源協(xié)同最優(yōu)規(guī)劃。