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西安交通大学杨青润,丁涛等:考虑电-气-碳综合交易的跨国电网分散式电力调度——以规划的东北亚跨国电网为例


本文得到国家重点研发计划(2016YFB0901900)、全球能源互联网集团有限公司科技项目资助。


原文发表在《全球能源互联网》2019年第6期,欢迎品读。(点击查看)


作者:杨青润1,丁涛1*,曾子彧1,宁叶2,文亚2


单位:1.西安交通大学电气工程学院;2.全球能源互联网发展合作组织


文章摘要

为了实现跨国电网的有序发展与协调运行,跨国层面的电力交易、天然气交易和碳交易的有机结合十分关键。为此,以电力系统为核心,考虑天然气交易与碳交易的相关耦合因素,建立了跨国电-气-碳综合交易模型。在上述综合交易的框架下,建立了跨国电网的动态电力调度模型,以实现全局效益的最大化。进一步地,为了保护各个国家的工业信息隐私,提出了分散式的跨国电力调度算法,将全局优化问题转化为各个国家的子问题迭代求解,得到满足给定精度的全局最优解。最后,对东北亚跨国电网仿真算例进行测试,分析讨论在不同电-气-碳综合交易情景下的跨国电力调度结果,说明跨国电网中电-气-碳综合交易框架有利于可再生能源的消纳与运行经济性的提高。

文章亮点

1

建立了以电力系统为核心的跨国电-气-碳综合交易模型

2

给出了分散式的跨国电力调度算法,保护各个国家的工业信息隐私

3

分析了不同场景下的东北亚跨国电网仿真算例结果

主要内容

考虑电-气-碳综合交易的跨国电网动态电力调度模型

本文综合考虑电、气、碳三种因素的交易对电力调度的影响,建立相应的跨国电网动态电力调度模型。在每个国家中,火力发电和可再生能源发电通过国内的电力传输线路向本国的负荷供给电力;在各个国家之间,通过跨国电力联络线相互联结成为跨国电力互联网,实现国家间的电力交易。同时,各个国家之间也存在着天然气交易和碳交易,这两种因素经由不同的耦合方式对电力系统产生不同的影响。

跨国能源互联互通示意图

电力、天然气和碳交易在物理基础层面上存在诸多不同,在交易合同履行过程中的也存在其他特点。

电力、天然气、碳交易特点对比

跨国电网调度分散式算法

在跨国电网中,各个国家为了保护自身的工业信息因素,不可能分享各自的所有电力调度所需信息,也不允许建立拥有全局调度权的调度中心。因此,本文引入分散式调度算法,将全局优化问题通过解耦过程转化为各个国家的子问题迭代求解,最终得到满足给定精度的全局最优解。

迭代过程如下:

步骤1:任意给定各个变量与乘子的初始值。

步骤2:按照国家编号,依次求解每个国家的子问题。

步骤3:相邻两国间更新乘子。

步骤4:判断松弛约束是否在给定精度范围内成立。若是,则迭代结束;若否,返回步骤2。

东北亚跨国电网案例分析

东北亚跨国电网是全球能源互联网的重要组成部分,主要包括6个国家或地区:中国华北和东北地区、蒙古、朝鲜、韩国、日本以及俄罗斯远东地区。

东北亚跨国电网仿真算例示意图

下表给出了集中式与分散式电力调度的求解结果。可以粗略地看出,设定的松弛误差为0.1 GW基本可以保证模型中所有变量误差均小于此值。总的来说,所提出的分散式算法可以在一定的迭代次数内得出理想的优化结果。

集中式与分散式电力调度求解结果

下图给出了夏季和冬季典型情况下有无跨国电网时东北亚各国弃风、弃光率。可以看出,在东北亚国家和地区之间进行电-气-碳综合交易后,弃风、弃光率较未连接之前有了较大幅度的下降。这是由于国家之间若无跨国电力交易,则蒙古、俄罗斯远东等地区可再生能源电力无法有效外送,而自身的低水平负荷造成了低消纳能力,只能通过弃风、弃光满足功率平衡;若东北亚地区各国电网之间有效互联,则蒙古和俄罗斯远东地区丰富的可再生能源就能够通过跨国电力联络线传输到中国东北和华北地区、韩国和日本等负荷较大的国家(地区),弃风、弃光率得以大幅降低。

夏季典型情况下东北亚各国弃风、弃光率

冬季典型情况下东北亚各国弃风、弃光率

下表给出了夏季场景不同时差情况下跨国电网的运行成本与弃风弃光率。其中,真实场景为现实中各地区时差,对应“是否考虑时差”一栏“是”的情况。“否”和“将时差扩大3倍”为虚拟场景,分别表示各地区时差为0,与时差比现实扩大3倍的情况。可以看出,真实场景下无论是跨国电网运行成本还是弃风弃光率均低于时差为0的虚拟场景。而随着时差的扩大,运行成本和弃风弃光率的降低更为明显。跨国电网中各国时差的存在有利于整个系统经济清洁运行,且横跨时区范围越大,效果越明显。

夏季不同时差对东北亚跨国电网调度结果的影响

作者简介

杨青润


硕士研究生


研究方向为电力系统优化运行

E-mail:

yqr1996@stu.xjtu.edu.cn

丁涛


博士,副教授


主要研究方向为电力系统优化运行、综合能源系统、电力市场。通信作者

E-mail:tding15@mail.xjtu.edu.cn。

曾子彧


硕士研究生


研究方向为电力系统优化运行,

E-mail:silentzeng@126.com。

宁叶


博士


研究方向为基础设施投融资、绿色金融、国际金融,

E-mail:ye-ning@geidco.org。

文亚


博士


研究方向为能源金融、电力市场、碳金融、风险管理,

E-mail:ya-wen@geidco.org。

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编辑:李锡

审核:白恺


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