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文檔簡介
低碳電力技術(shù)基礎(chǔ)
低碳電力系統(tǒng)的設(shè)計與評估
總結(jié)報告
【模型背景】
已知某一地區(qū)電網(wǎng)2020年的負荷預(yù)測情況、現(xiàn)有機組及待建
機組的情況,在所給信息的基礎(chǔ)上設(shè)計該地區(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
分別以碳排放和建設(shè)成本最小為目標,設(shè)計兩種不同的電源規(guī)
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(shè)計的電源規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上,依據(jù)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(tǒng)滿
足負荷平衡條件,同時計算該地區(qū)2020年發(fā)電側(cè)排放總量和投資
總額,并對各電源發(fā)展方案下的系統(tǒng)運行情況進行分析。
【電源發(fā)展方案設(shè)計】
1.以碳排放最小為目標
11設(shè)計思路
在給定了2020年負荷預(yù)測的基礎(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(shù)的約束前提下,應(yīng)該盡量
使碳排放最小,在本模型中認為只有火電才會產(chǎn)生碳排放。這是一
個線性規(guī)劃問題,構(gòu)造的模型表述如下:
(1)目標函數(shù):
總碳排放最小;
⑵約束條件:
①機組年發(fā)電總電量負荷2020年預(yù)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(shù)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(shù)向量capacity:向量長度17,為對應(yīng)17個電廠的裝機容量;
系數(shù)向量hour:向量長度17,分別對應(yīng)17個待建電廠的最大利用
小時數(shù);
系數(shù)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(fēng)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(shù)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(fēng)電場為0);
系數(shù)向量emission:向量長度17,表示會產(chǎn)生二氧化碳的電廠的容
量,對于不產(chǎn)生二氧化碳的電廠對應(yīng)為0:
對應(yīng)的還有已建電廠的相關(guān)系數(shù)向量,如capacity。,hourO等,其
含義與上面相同,只不過對應(yīng)的是已建電廠的參數(shù),這里不再贅
述。
目標函數(shù)表示式為:
8500*Yx(i)emission(i)
風(fēng)電、核電全部建設(shè)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(chǎn)生碳排放,因此在建設(shè)區(qū)會有限建設(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
2.1設(shè)計思路
在以建設(shè)成本為最小目標選擇建設(shè)電廠時,約束條件并沒有改
變,只有目標函數(shù)發(fā)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(shù)向量cost:向量長度17,用于表示17個待建電廠的建設(shè)成本;
決策變量和其它的系數(shù)向量和上面模型中相同。
目標函數(shù):
Zcos/(i)xx(i)
機組年發(fā)電總量約束表示式為:
,力?!◤S(i)xcapacity(i)xx(i)+xcapacity。。)>=1400>10400
機組正備用約束為(最大負荷預(yù)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(yù)測為1020萬千瓦):
"min(i)xx⑴+£P(guān)0miMi)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(shù);
[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(fā)電里約束;
9for(sn(i):?BIN(x(i)));10Y規(guī)劃;
求解得到的結(jié)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(shù)建設(shè)投資
HP-0B150300025
HP-0D200150
TP-0A150200
TP-0C150180
TP-0D60600025
TP-0E6055
TP-0F6055
TP-0I15020
在以建設(shè)成本最小為目標時,根據(jù)結(jié)果可知,所建設(shè)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(shè)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(shè)計思路
在電源的發(fā)展萬案設(shè)計中,在碳排放最小的目標下已經(jīng)確定了
招要建設(shè)的電廠,一共有1。個電廠,因此現(xiàn)在就是規(guī)劃加上已經(jīng)有
的電廠一共29個電廠的出力序列。由于設(shè)計要求中沒有給定目標
函數(shù),這里能夠選取碳排放最少或者發(fā)電成本最低作為目標函數(shù),
在本次設(shè)計中采用碳排放最少作為目標函數(shù)。構(gòu)造的模型描述如
下:
目標函數(shù):
碳排放量最?。?/p>
約束條件:
①時刻滿足負荷平衡約束;
②各機組的年最大發(fā)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(fā)電量約束、正負備用約束與在電源發(fā)展方案中的
相似,不再重復(fù)說明。由于發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的負荷應(yīng)該時刻相等,
因此所有的發(fā)電機組出力之和應(yīng)該和預(yù)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(yīng)該滿足最大發(fā)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(nèi),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(nèi),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(shù)如下:
Z.Z/(185xratel(i,j)+180xrate2(i,j))xcapacity(j)xemission(j)
相關(guān)參數(shù)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(fā)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(yīng)該同時考慮;
系數(shù)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(yù)測負荷;
系數(shù)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(fēng)力特性曲線;
系數(shù)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(shù)矩陣亦/2_max|:24行29列的系數(shù)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(gòu)造的模型進行最優(yōu)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(fā)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(shù)將得到的機組出力序列輸出到Excel表中,詳
細結(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
萬噸。
2.在建造成本最低方案下的出力運行評估
2.1設(shè)計思路
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,計算處理序列時依然以碳排放最小作為目標函數(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,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(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)。
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(guān)的系數(shù)向量或者系數(shù)矩陣發(fā)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(fā)電出力序列輸出到EXCEL中,在
建設(shè)成本最小電源方案下,得到的目標函數(shù)的最優(yōu)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(jīng)計算得到了兩種不同的電源發(fā)展方
案對應(yīng)的年碳排放。在考慮兩種發(fā)展方案的2020年投資總額時,分
為兩部分:建設(shè)成本和發(fā)電成本。其中建設(shè)成本能夠根據(jù)所建的電
廠計算得出。對于發(fā)電成本,首先應(yīng)該知道各類發(fā)電機組的單位發(fā)
電成本,在進行計算時,我從網(wǎng)上找了一些各類發(fā)電機組的發(fā)電成
本,以此作為計算依據(jù)
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