中国电力资源跨区域优化配置模型研究

摘要

中国电力资源与负荷分布呈逆向分布，电力资源主要分布在西部、北部地区，而负荷则主要分布在东部地区，由此造成中国电力工业供电成本高昂，风电消纳困难，输电损耗严重，电力投资臃肿等窘况。对社会而言，造成一系列负外部性效应，其提高了社会用电成本，降低了能源利用效率，也加剧了大气污染程度。如何协调电力资源与负荷分布，实现电力资源的跨区域优化配置已经成为制约电力工业低碳化、可持续发展的关键问题。 传统模式下电力资源的跨区域配置主要依赖一次能源运输的模式实现，远距离输电技术的发展在一定程度上缓解了传统能源运输通道的压力，丰富了电力资源跨区配置的形式。中国正致力建设跨区域输电通道，强化区域间电网架构，通过区域间的发电置换优化清洁能源的利用水平，缓解受端区域发电排污压力。在此背景下，围绕中国电力资源跨区域优化配置展开研究，重点研究了电力资源与负荷分布的协调状况，区域间电力资源配置要素的因果传递关系，区域间电源与电网协调规划，大规模风电跨区域消纳以及跨区域配置下发电企业利益分配、交易谈判等问题。 电力资源与负荷分布协调的程度决定了电力资源跨区域配置的难度与深度。围绕中国电力负荷与煤炭、水能、风能三类能源的分布进行分析，借助基尼系数对负荷与能源分布的协调程度进行测算。分析结果表明煤炭、水能、风能的分布与负荷的协调程度都比较低，但水电与风电开发的倾向性在一定程度上缓解了一次能源与负荷分布的不协调。 电力资源跨区域配置受到输电线路容量、输电价格、风电消纳水平等客观因素的制约，这些因素影响了能源产业链实物量与价值量的传递与反馈，有鉴于此，构建了区域间电力资源供需的系统动力学模型。通过因果关系图与流积图描绘系统中各变量之间因果传递关系，借助Vensim软件对区域间电力资源供需关系与价格的变化趋势进行仿真模拟，并以煤炭供应、经济增长率、风电利用小时以及输电容量等因素为敏感因子对电力资源的跨区域配置状况进行敏感性分析。 电力资源跨区域配置受区域间电力规划的限制，反之，电力规划也在一定程度上左右了电力规划的走势。以规划年内发电综合成本最小为目标，考虑了电力平衡、发电备用、建设成本的约束条件，构建了多类型发电机组与跨区域输电网协调发展的优化模型，通过优化协调了电源与电网的建设容量与建设时点，既保证区域间电力资源配置的发展进程，提高能源综合利用效率，同时避免了因发电与电网建设不协调而导致投资的浪费。 区域间输电通道的建设扩大了风电的消纳空间，在一定程度上降低了弃风水平。中短期而言，风电可与火电打捆通过输电专线输送至受端区域;以机组组合模型为基础，考虑风电调峰、输电功率波动等约束构建了风火联合外送的调度模型，对参与电力外送的风电与火电进行实时输出功率的协调优化。中长期而言，风电的消纳可以借鉴电力库模式;配合需求侧负荷对电价的响应机制以及储能系统对风电反负荷特性的调节能力，通过改变负荷与出力的时间分布以扩大风电的消纳水平。 电力资源跨区域配置将影响电力市场参与者的市场份额，因此，理顺各市场参与者的利益关系是推进电力资源跨区域配置的基础。关于风电与火电联合外送中双方利润分配的问题，以双方对联盟效益的贡献度为依据，借助Shapley值法与核心法对双方进行利益分配，并以区域碳交易价差以及输电波动约束作为敏感因子，研究其对利益分配份额的影响。关于区域间火电机组发电权交易谈判的问题，基于Zeuthen决策以及贝叶斯学习提出一个双方逐步估算对方底价，逐步收敛双方报价差的谈判模型，尽可能使双方效用达到最大化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 负荷与能源逆向分布

1．1．2 环境污染日益恶化

1．1．3 化石能源供应紧张

1．1．4 清洁能源发电兴起

1．1．5 输电技术规模发展

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 关于区域能源供需关系的研究

1．2．2 关于电力规划的研究

1．2．3 关于风电消纳优化模式研究

1．2．4 关于联盟合作的研究

1．2．5 关于区域能源配置效益的研究

1．3 主要研究内容与创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．3．3 主要创新点

第2章 中国电力资源供需区域分布与输送

2．1 中国电力需求分布状况

2．2．1 电力需求总量分布

2．1．2 电力需求增长分布

2．2 中国电力资源分布状况

2．2．1 煤炭资源分布状况

2．1．2 水能资源分布状况

2．2．3 风能资源分布状况

2．3 跨区域电力资源配置状况

2．3．1 输煤网络输送能力与规划

2．3．2 输电网络输送能力与规划

2．3．3 输煤与输电模式的对比

2．4 跨区域资源配置主要影响因素

2．4．1 能源布局

2．4．2 输送成本

2．4．3 土地资源

2．4．4 环境政策

2．5 本章小结

第3章 电力资源跨区域配置的动态均衡模型

3．1 系统动力学相关概念

3．1．1 系统动力学原理

3．1．2 因果回路图

3．1．3 流积图

3．1．4 关系函数

3．2 基于系统动力学的电力资源跨区域供需模型

3．2．1 因果回路图

3．2．2 流积图

3．2．3 系统关系函数

3．3 模拟分析

3．3．1 基础数据

3．3．2 模拟结果

3．3．3 敏感性分析

3．4 本章小结

第4章 跨区域电力系统规划优化模型

4．1 电力规划基本模型

4．1．1 电源规划模型

4．1．2 电网规划模型

4．2 跨区域电力系统规划模型

4．2．1 优化目标函数

4．2．2 优化约束条件

4．3 算例仿真

4．3．1 基础数据

4．3．2 不考虑碳排放约束的优化结果

4．3．3 考虑碳排放约束的优化结果

4．4 本章小结

第5章 跨区域风电消纳途径优化模型

5．1 风电消纳主要途径

5．1．1 发电侧促进风电消纳途径

5．1．2 电网侧促进风电消纳途径

5．1．3 需求侧促进风电消纳途径

5．2 风火电联合外送优化模型

5．2．1 风火联合外送模型

5．2．2 能源独立外送模型

5．2．3 算例仿真

5．3 计及需求响应与储能的风电消纳模型

5．3．1 需求侧电价响应模型

5．3．2 储能系统充放电模型

5．3．3 含风电的发电调度模型

5．3．4 跨区域多方联合调度优化模型

5．4．5 模型求解

5．3．6 算例仿真

5．4 本章小结

第6章 电力资源跨区域配置效益分配与交易模型

6．1 电力资源跨区域配置参与方

6．1．1 电力资源跨区域流向框架

6．1．2 参与方角色定位

6．2 电力资源跨区域配置效益分配模型

6．2．1 基于核心法的利润分配模型

6．2．2 基于Shapley值的利润分配模型

6．2．3 利润分配优化结果

6．3 跨区域发电置换交易谈判模型

6．3．1 Zeuthen策略模型

6．3．2 贝叶斯学习模型

6．3．3 发电权交易谈判模型

6．3．4 实例仿真

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

作者简介