碳排放约束下考虑社会效益最优的发电权交易优化

杨胡萍 王博宇 彭佳欣 严飞飞

摘 要： 发电权的交易在电力市场中扮演重要的角色。为保证整个电力市场交易过程能够向着节能减排和社会效益最大化的方向发展，必须对发电权的交易方向提供一定的参考依据。提出建立新型交易模型，模型以碳排放量和出力成本为约束条件，以安全运行为基础，通过对有功出力的优化来实现在发电权交易过程中满足节能减排的同时追求最大的社会效益。通过基于约束松弛变量内点法模型求取最优解，同时对三种模型的特点进行分析和比较，并在IEEE 30，39，57和118节点系统验证模型的优越性。

关键词： 发电权交易； 电力市場； 碳排放约束； 有功出力优化； 社会效益； 节能减排

中图分类号： TN99?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）13?0078?05

Abstract： The trade of power generation rights plays a more important role in the electricity market. In order to ensure that the whole electricity market transaction process can develop towards to the direction of energy saving and emission reduction and maximization of social benefits， it is necessary to provide a certain reference to trade direction of power generation right. A new transaction model is proposed. By taking the carbon emissions and generation cost as constraints， and safe operation as the foundation， the active power is optimized to realize both of energy saving and emission reduction， and maximum social benefits in the process of power generation right transaction. The constraint relaxation interior point model is used to obtain the optimal solution， and analyze and compare the characteristics of the three models. The superiority of models is verified with IEEE 30， IEEE 39， IEEE 57 and IEEE 118 node system.

Keywords： power generation right transaction； electricity market； carbon emission constraint； active power optimization； social benefit； energy conservation and emission reduction

0 引 言

当前随着大气污染问题的愈发严重，节能减排已经成为我国可持续发展的必然要求和途径。电力行业又以中火力发电作为大气污染的重要来源，已经成为节能减排的重点改造区域。为了顺利实现电力行业产业升级过度，同时克服老旧电厂污染高、发电成本大的问题，有必要在电力行业大力推广发电权交易减少老旧机组的发电额度。发电权交易在参与交易对象之间起着优化社会资源和减少碳排放量等作用，是火力发电厂实施减排的重要研究方向[1]。对于高效大火电厂和低效小火电厂之间的发电权交易也是一个关于节能减排的重要研究方向。通过将发电成本高的高能耗机组将其国家分配的发电额度出售给发电成本低的低能耗机组，从而达到降低电力行业能耗水平，减少碳排放量的目的。水力发电厂和火力发电厂之间的发电权交易是未来节能减排目标实现的重要手段[2]。

文献[3]中通过制定出在发电权交易过程中节能和减排等各项指标。同时对各种发电权交易模型的节能减排情况进行比对分析，能够有效地对交易方向进行指导，对交易过程进行管理。文献[4]说明了发电成本的组成结构，提供了关于机组发电成本的判断依据，为发电权交易提供了交易的方向（从高成本机组到低成本机组）。文献[5]验证了所提发电权交易模型能够达到减少煤耗和增加社会效益的效果，但并未对发电权交易中的二氧化碳排放量进行考虑。文献[6]提出在电力市场中发电权交易可以对发电侧节能减排和利益格局进行调整。并提出将碳排放量作为一种约束引入发电权交易，达到满足碳排放标准的发电权交易模型。文献[7]建立一种以碳排放量和静态电压稳定为双目标约束的交易模型，模型引入碳排放额度概念，通过有功出力优化来实现节能减排和系统安全运行。文献[8]提出一种有功出力优化模型，直观反映出力成本和安全裕度的关系，可以为决策提供优化方案和参考依据。文献[9]提供了一种基于NBI的优化算法和两种目标之间置换度的关系，可以把问题多目标优化转化为单目标优化，文献[10]通过提出以节能减排为约束条件，系统有功出力最优的交易模型。但上述模型没能同时考虑到如何在满足节能减排的条件下取得最大社会效益。

在上述背景下，以保证系统安全性为基础，利用发电权交易来实现国家节能减排的目标和发电权交易参与双方取得最大社会效益问题是值得深入研究的。本文在结合现行电力行业减排政策和发电交易基本原理的同时，提出以碳排放和出力成本为约束，并将碳排放量计入一种可交易商品的情况下求取系统最大社会效益的模型。新模型在以系统安全运行为前提条件下，能够兼顾发电权交易的经济性和国家节能减排基本要求。

1 发电权交易发电成本模型

1.1 发电成本计算

目前我国发电厂分为清洁能源发电厂和非清洁能源发电厂，其中非清洁能源又以火力发电厂为主，本文对于发电机组的讨论仅限于火电机组。火力机组又以燃煤机组污染较为严重。对于绝大多数火力发电厂而言，其成本大致由燃料成本、辅机成本和其他成本三部分组成。不同机组由于技术原因导致其燃料利用率不同，设备新旧程度不同和地方劳动力条件不同导致不同机组的发电成本有所不同。所以对于某一机组而言，短时间内无重大外力影响（如机组升级更新，以气代煤等）其发电成本系数是不变的（具体参考文献[11]）。

1.2 发电成本的优化模型

目前我国发电权交易方向以国家政策指导为主，大致包含用大机组取代小机组、关停小机组火电站、调整电源结构等几个方向。因为缺少追逐利润的空间导致电力市场能动性不高。因此，本文提出通过追求社会效益来确定新发电权交易方向。因为发电厂在运行过程中，不同的机组发电成本系数不一样，且短时间难以改变或改变成本过大。因此可以利用发电权交易，通过改变不同机组有功出力方式，缩减高成本发电机组的发电量份额，增加低成本发电机组的发电量份额。从而使整个系统在总的发电额度不变的情况下，降低系统整体发电成本，达到增加社会效益的目的。

2 碳排放模型

2.1 碳排放量额度

根据《“十二五”控制温室气体排放工作方案》所提出的计划要求，政府提出2015年全国单位国内生产总值CO2排放量比2010年下降17%的目标。面对国家制定的减排目标，火力发电作为电力行业的CO2排放整改目标，对碳排放量的减少已经刻不容缓。对于国家大目标的实现，必须进行一些行业和地区的任务分摊。电力行业作为减排的标志行业，面对国家减排计划，必须提出碳排放额度这一概念。根据像大燃煤机组，小燃煤机组和燃气机组等不同的类型火力发电机组运行时碳排放强度会有较大的差异。但同一种机组在运行过程中认为其碳排放强度是大致不变的。因此只需要保证在发电过程中单位时间内系统中各个机组碳排放总量要小于规定的碳排放额度就可以实现国家减排计划，具体参考文献[8]：

2.2 碳排放量优化目标

目前国内可行的减排措施主要分为三种：

1） 减少化石能源的使用，提高清洁能源比重；

2） 采用碳捕集技术，文献[4]对CCS技术做了详细介绍；

3） 用排放强度低的机组取代排放强度高的机组，实现设备升级。

由于技术1和技术2的推广还存在一些问题（如造价太高，清洁能源稀少等）难以大面积推广，因此主要研究讨论第三种减排技术。本文提出一种新的发电权交易模型，模型通过碳排放额度的约束使得发电权的交易方向由高污染机组向低污染机组转移。模型通过交易调整得到系统最优的有功出力方式使高能耗机组减少其发电份额，低成本、低能耗的机组获得更多的发电份额。模型构建如下：

2.3 碳排放量经济效益转化模型

随着国家政策的实施，节能减排的力度也将不断加大，对于碳排放量的要求也将会有越来越严格的要求。对于电力行业而言，这是一个很大的挑战同时也是机遇，当发电企业的碳排放量超过政府分配的碳排放量额度时，企业需要接受相关规定的处罚。所以就某方面而言，碳排放权或排放指标已经成为一种流通的商品，并且具有一定价值。碳排放水平高的机组超过碳排放额度时就可以通过购买其他企业的碳排放权来免除高额处罚，碳排放水平低的机组可以将剩余的碳排放权通过出售给碳排放量超标的企业来获得利润。因此在未来电力行业发展中，碳排放强度低的机组将有着更强的市场竞争力，有利于整个电力行业的产能升级。因此将碳排放权具体量化成一种特殊商品，并鼓励排放量低的机组将剩余的碳排放权出售进行获利，从而提高行业的减排积极性。设置碳排放量价格为[kc]，单位为元/t。优化模型为：

3 优化收益模型

3.1 优化收益模型的建立

通过电力市场发电权交易，整个市场的总售电量并没有改变，但是不同机组的发电成本不一致，碳排放量不同，导致整个过程中参加发电权交易的电厂都会产生一定的收益。这种收益就是使交易自发运行的动力。在考虑发电成本和碳排放量的情况下以社会效益最优为目标的模型需要分析系统交易后的可控发电机的有功出力方式，通过有功出力方式的优化，挖掘出交易过程中产生的最大社会效益。新模型运行过程中以安全性和稳定性为原则，以优化有功出力方式为手段，取得最大社会效益为目的。为了简化计算，模型结算时间设为1 h，新模型可表达为：

其中：式（7）和式（8）為运行点和极限点的潮流约束方程；式（9）和式（10）分别为机组有功出力约束和电压幅值约束；式（11）和式（12）为机组的无功约束；式（13）为社会效益约束；式（14）为负荷裕度约束。式（15）为碳排放量约束。

4 算例分析

在IEEE 30，39，57和118节点系统上验证模型的有效性。对于以下算例，都设定系统的基础数据就是系统在运行点的数据。负荷增长因子[λp]取10%，增长方式[b]为等比例增长，负荷裕度阈值[λref]设为1.05，0.9，1.35和0.75。采用参考文献[8]的数据，取得碳排放约束值[Ce]，上网电价取[Qc=]69美元/MW?h。利用参考文献[10]的数据得到发电成本系数。利用参考文献[11]得到数据[kc=]6.5美元/t。

以测试系统计算参数（见表1）为依据，分别对本文提出三种模型的计算结果进行对比和分析，得到每种模型的优缺点。其中，社会效益表示系统能够取得的经济效益，碳排放率表示系统在发电过程的二氧化碳排放量，即该系统的环保性能的高低。而网损率表示系统的节能指标，在一定程度上体现模型的节能性，本文不做深入分析，只作为一个参考量。

1） 只考虑碳排放约束下的社会效益优化模型，通过优化后系统的碳排放量得到系统网损率及系统能够取得的社会效益，如表2所示。

由表2可知，在考虑碳排放约束优化模型中，测试系统中各节点碳排放量测试结果都小于碳排放额度[Ce]。由于满足约束条件式（7）～式（14）可知，系统满足安全性要求，从利润结果分析可知，优化后的模型社会效益大于测试系统产生的社会效益。系统优化后虽然取得一定的減排效果，但取得的社会效益并不是很多，模型还有待改进。

2） 只考虑发电成本约束下社会效益最优模型，通过优化后系统的社会效益得到系统网损率及系统的碳排放量，如表3所示。

对表3数据分析，通过对比考虑发电成本约束下的优化模型和前面两种模型可知，优化模型中各节点得到的社会效益均大于测试系统和考虑碳排放量的优化模型，但值得注意的是，表3中的碳排放量大于系统测试中的碳排放量阈值，特别是IEEE 39和IEEE 118节点系统，碳排放量超过了166.747 t和114.141 t。说明模型2在一定程度是靠牺牲环境来提高利润的。

3） 考虑碳排放量和发电成本双约束下社会效益最优模型，其优化结果如表4所示。

对比优化模型1和3可知，虽然碳排放量有所增加，但总体的碳排放量却没有超过碳排放额度要求，且社会效益又有着明显的增长，以IEEE 39和IEEE 118节点系统为例，同比碳排放量增加为0.86%和1.12%，同比例经济增长率为1.58%和2.49%。因此模型3比模型1更有经济性。对比优化模型2和3可知，同比例碳排放量下降了17.81%和7.78%，但是同比例经济仅下降0.02%和0.09%。所以在降低能耗方面，模型3比模型2更加具有减排环保的特性，结合3个模型可知，模型3有着更好的经济性和环保性。同时考虑到模型的网损率水平较低，模型更具有一定的节能性。

5 结 论

本文提出把出力成本和碳排放量作为约束的发电权交易优化模型，模型把碳排放权转化为一种特殊的经济商品。根据商品的价格特性可以将其转化为另一种形式的机组发电成本。从系统的经济性、减排性和安全性等多方面考虑，模型在多种节点类型系统上运行结果证明如下：

1） 在仅仅考虑碳排放约束下进行交易优化时，虽然能保证系统发电过程中总的碳排放量不会超过设定的碳排放额度，满足国家减排政策的需求。但其整体社会效益不高，根据市场追利的特性。这种方法并不能有效促进电力交易市场的活力，增加交易成功率。在只考虑成本约束下的发电权交易中，虽然能够取得很大的社会效益，对于发电权交易双方而言，本身都是具有很大吸引力的交易模型，但是这种模式下的碳排放量超过了碳排量的最高额度，与国家节能减排的口号相矛盾，不利于国家环保政策的实施。

2） 为了在满足减排政策的同时追求最大社会效益，保持电力市场活力，可在交易中设置碳排放约束和发电成本约束，通过优化系统有功出力方式，满足系统减少碳排放量和追求最大社会效益的双目标。为了保证整个发电权交易都是在满足系统安全性的条件下进行，需要在电压临界点处建立潮流方程进行约束。

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