环境协同的电力系统调度运行:内涵与展望

耿照为,陈启鑫,夏 清,康重庆

(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084;2.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市 100084)

环境协同的电力系统调度运行:内涵与展望

耿照为1,2,陈启鑫1,2,夏 清1,2,康重庆1,2

(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084;2.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市 100084)

中国是当今世界大气污染最严重的国家之一。大气污染治理是中国建设生态文明、实现绿色发展的迫切要求。电力行业是重要的减排控制源,缓解电力行业导致的大气污染具有重要的战略意义和现实意义。然而,传统电力系统调度运行往往没有充分考虑环境因素的影响,以及电力系统运行中产生的污染物排放对于环境的影响。为此,文中提出与环境协同的电力系统调度运行(简称环境协同调度),从环境协同的污染物排放控制和环境敏感的可再生能源消纳两个方面提炼了环境协同调度的内涵,综述了国内外相关研究进展,总结了中国已开展的环境协同调度工作实践,构建了环境协同调度研究思路,展望了环境协同调度领域的主要研究方向。

电力系统;环境协同调度;大气污染排放;空气质量;可再生能源

0 引言

近年来,大气污染成为中国面临的严峻挑战。2014年,中国氮氧化物排放总量2.078 0×107t,二氧化硫排放总量1.974 4×107t,粉尘排放总量1.740 8×107t,中国是世界上大气污染最严重的国家之一[1]。据分析,这些大气污染物的危害可能使人均寿命减少5年[2]。

当前,中国经济正处在发展与转型的关键时期。大气污染物主要来自电力、交通、工业和居民散烧煤。2013年,中国发布《大气污染防治行动计划》[3],指出大气污染治理任务重、难度大、必须付出长期艰苦努力,列出十条治理措施(简称《大气十条》),制定了2017年全国、重点地区、北京市空气质量的具体指标。电力系统排放量大,集中度高,成为了重要的减排控制源。2014年,电力系统贡献了中国31%的SO2排放和30%的NOx排放。《大气十条》中也有多条措施与电力系统相关,例如“加快重点行业脱硫、脱硝、除尘改造工程建设”“加快调整能源结构、增加清洁能源供应”“严格节能环保准入、优化产业空间布局”“建立区域协作机制,统筹区域环境治理”“建立监测预警应急体系,妥善应对重污染天气”等。

多年来,电力行业采取了系列措施减少排放,包括制定更加严格的火电排放标准,逐步安装、升级减排设备来改善机组排放特性,提供补贴以激励清洁能源发展等[4-5]。目前中国装机结构仍然以燃煤为主,燃气、风电、光伏等新能源机组增长迅速;单位发电量对应污染物排放量总体不断下降,但机组之间排放特性差异显著。2015年底,美国白宫提出“清洁能源计划”,量化评估了大气污染物对于人体健康的危害,对以电厂为主的污染源加以严格限制,要求到2030年，相对2005年减排90%的二氧化硫与72%的氮氧化物[6]。为实现上述目标,部分州开始关停一些燃煤电厂,并用燃气替代燃煤[7]。

2015年,美国科学院院刊《PNAS》发表了重要论文[8],从大气科学的角度初步论证了电厂污染物排放与实时环境污染的动态关系。事实上,在大气污染治理过程中,重点区域重污染天气是主要治理对象。区域空气质量与污染物排放量和扩散条件紧密相关。在逆温效应、高气压云团与低风速情况下,大气的扩散能力较差,污染物排放容易累积,并促成空气中的气态污染物(SO2,NOx)等转化为二次雾霾。从环境经济学角度看,环境问题本质上是经济与环境的权衡,环保投入存在边际效应递减,既不能完全以牺牲环境为代价发展经济,也不能过度强调环境而影响经济发展。因此,可以根据气象条件,调整电力生产方式,从而实现环境和经济的平衡。

目前,中国电力系统的生产方式安排大致遵循年度等负荷率的原则(“三公”调度),并考虑机组类型、容量、煤耗、减排设备等因素,给予一定的利用小时倾斜。传统的电力系统调度运行并未充分考虑各类环境因素的影响,也没有充分考虑大气污染物的形成特征以及通过电力系统调度运行保障空气质量。在高比例清洁能源接入背景下,现有运行方式主要关注清洁能源自身发电特性与系统消纳能力。因此,在新形势的要求下,迫切需要在电力系统调度运行中充分考虑其与环境系统的相互影响、相互协同关系,本文称为“环境协同的电力系统调度运行”,简称“环境协同调度”。

1 环境协同调度的内涵阐述

中国电力行业的排放量大,而不同地区的环境承载能力差异巨大,同一时刻,一个互联电网内不同城市的空气质量与污染物扩散能力可能存在很大差异,而不同时段间的动态变化也较剧烈。在目前部分火电机组开展超低排放改造的背景下,不同机组的污染物排放特性存在较大差异。而清洁能源中的环境敏感型电源占比较高,其运行特征、能源消纳受气象条件影响显著。以上三方面是开展环境协同电力系统调度的基本条件。

电力行业是主要污染源之一,但相比其他的一次能源使用方式,电能是相对清洁的。目前中国正在积极推行电动汽车、散烧煤改电采暖等电能替代措施,因此电力负荷在未来的增长仍然可观。发电侧的污染源以集中的大规模火电厂为主,其排放源少、排放量大,容易受到良好的减排管控。因此,在中国开展环境协同的电力系统调度运行研究,无疑具有重要的战略意义和现实意义。具体地,其内涵可阐述为以下两个方面。

首先,在短期内电力系统装机结构不变的情况下,可以通过调度运行控制手段,在制定发电计划时充分考虑环境因素,减少污染物在重污染天气排放时,由于较差的扩散条件所形成的二次细颗粒物转化,降低电力系统污染物排放对空气质量的影响。为此,需要考虑实际环境气象条件的区域分布与动态变化,在满足电力系统安全运行的刚性条件下,协调多类型污染物的排放控制目标,保障空气质量,优化电力系统的运行方式,实现电网安全、发电调度、电热联供、负荷响应、大气污染治理的协同控制。

其次,从中长期来看,解决电力系统排放的根本途径是实现电能的“清洁替代”,逐渐提高清洁能源的装机占比。其中,除核电外大部分的清洁能源是环境敏感型电源,环境气象因素剧烈变化与难以预测性将给电力系统的运行带来越来越大的挑战。因此,必须在电力系统调度运行中充分考虑各种环境因素的变动,从而在保障电力系统安全运行的前提下,考虑环境因素,最大限度消纳随环境气象因素动态变化的新能源发电。

2 环境协同调度的研究进展

环境协同的电力系统调度,其核心是面向电力系统与环境的相互影响与协同关系,相关的研究工作主要包括电力系统的排放特征及其对环境的影响(主要是火电机组),考虑污染物排放的电力系统调度运行方式,以及电力系统中的电源运行特性受环境的影响等方面。具体综述总结如下。

2.1 火电机组排放特性

在排放特性与减排设备方面,文献[9]对燃煤机组的氮氧化物排放特性进行了分析。文献[10]考虑减排设备,研究不同负荷水平下中国燃煤机组的氮氧化物排放特性。文献[11]研究燃气轮机的燃烧原理和排放特点。文献[12]总结了中国的清洁煤技术。文献[13]总结了中国燃煤电厂SO2,NOx,粉尘的排放特征,并给出了排放量的估算公式。文献[14]对锅炉粉尘排放规律进行了测试,文献[15-16]分析了电力生产中PM2.5的减排策略。文献[17]分析了中国4台燃煤机组排放的粉尘颗粒化学构成。

一些学者对比了燃煤与燃气机组的排放特征。文献[18]对比了中国燃煤电厂与燃气电厂主要污染物的排放量,结论是燃气机组的氮氧化物排放量是同容量燃煤机组的15%,二氧化碳排放量是燃煤机组的38%～40%,二氧化硫排放量则相比燃煤机组很少。文献[19]对比了美国燃煤和燃气电厂的排放水平。文献[20]以郑州市为例,分析了火电厂排放对该市空气污染的贡献,以及假设用天然气替代煤、采用减排设备的减排效果。

综上所述,已有国内外文献在热能、化工、环境等学科领域对于火电机组各类污染物排放水平和减排设备进行了比较充分的研究。其关注点主要集中在火电厂内部,主要分析各类火电设备的运行工况与协调关系,并探讨脱硫、脱硝、除尘等清洁发电设备对排放的影响。上述排放特性研究是开展环境协同调度的基础。已有文献尚未从电网调度运行的角度分析考虑减排设备后火电机组整体的运行特性与调度特性,也没有研究考虑排放约束后,机组不同的排放特性对系统运行的影响。

2.2 考虑排放的电力系统调度运行

1971年,Gent和Lamont最先考虑电力系统调度中的排放问题,将NOx排放最小作为调度优化目标[21]。随后,Delson构建了将NOx排放量作为约束[22],以运行成本最小为优化目标的排放约束—经济调度模型。在此基础上,Talaq等在最优潮流问题中考虑NOx排放[23]。Heslin和Hobbs构建多目标调度模型,同时考虑了SO2排放、机组运行成本和失业率[24]。

已有电力系统调度研究中主要有以下4种方式处理排放因素。

1)将排放作为约束条件,最小化运行费用。文献[22]最早提出考虑排放约束的经济调度,对部分机组添加排放约束,并对所构建的模型给出了一种基于等微增率法的求解方法。文献[25]考虑机组、线路故障和负荷不确定性,构建随机机组组合模型,模型中考虑了对单一机组和机组群的SO2,NOx排放约束。文献[26]在日前发电计划中对系统内各机组污染物排放量之和进行逐时段约束。

2)将排放作为最小化目标。文献[27]考虑风电出力不确定性和负荷响应,构建了以最小化排放为目标的日前发电计划模型。

3)将排放和运行费用同时作为最小化目标[28-33]。通常采用权重系数法来确定两个目标的相对权重,并通过改变权重系数给出Pareto最优解。这种模型通常被称为环境经济调度(environmental economic dispatch,EED),一些中国学者称其为绿色调度[34-35]。文献[30-31]在水—火混合电力系统中对比最小化发电成本和最小化排放,并提出综合优化模型,给出Pareto最优解。文献[32]在热电联产系统中考虑最大化盈利与最小化排放。文献[33]考虑风电接入和需求侧响应,最小化发电成本和排放量。

4)将排放和运行费用作为最小化目标,同时将排放量作为约束条件。文献[36]构建了最大化发电机组利润,最小化排放的发电计划模型,对每个机组每个时段考虑排放约束。文献[37]考虑最小化发电成本和分段线性排污费,并基于空气质量考虑分时段排放约束。

从排放约束的对象看,包括限制排放量和限制排放绩效(单位发电量或燃料消耗对应的排放量)。Hobbs对比了限制单位燃料消耗对应排放量以及限制排放总量的减排效果[38]。二者相比,前者可能引起不必要的燃料消耗增加,以及减少区域之间的电力交换,后者减排效果更好。

从排放约束的时空范围看,排放约束可能约束一个机组或电厂的排放量[25],也可能约束系统中每个时段的排放量[26],还可能约束所有电厂所有时段的总排放[39]。文献[28]提出了多区域的环境经济调度问题。

从污染物种类看,研究方向主要集中在NOx,SO2,CO2。大多数早期文献主要考虑单一污染物的排放问题,部分文献考虑了多污染物排放,并在目标函数中根据各种污染物对环境的影响程度进行加权[40-42]。近期,有学者开始关注颗粒物排放的影响[43]。

国内考虑环境的调度模型目前多数基于经济调度模型,不考虑机组开停问题。袁铁江等考虑单时段环境经济调度,目标函数是最小化发电成本和排放成本[44];文献[45-46]考虑多时段环境经济调度;文献[47]在经济调度目标函数中考虑发电成本、SO2和CO2排放量、合约电量偏差。朱永胜研究考虑风电和电动汽车接入的环境经济调度[48]。尹楠和于继来在优化机组年度检修计划与年度电量分解过程中,考虑机组地理位置分布与各月份主导风向,以缓解火电的空气污染贡献[49]。在机组组合问题方面,目前国内考虑排放因素的研究较少,文献 [50-51]构建了考虑风电的环境经济机组组合模型。

综上所述,现有研究主要集中在将排放问题考虑到发电计划模型中,但对于气象环境与电力系统排放之间相互影响的关系分析不多,也没有考虑各类清洁发电设备装置之后的影响。

2.3 环境敏感型电源的运行特性

部分电源的运行特性受到外部气象环境条件的较大影响,本文称为“环境敏感型”电源,例如风电、光伏、水电、燃气电厂等。其中风电、光伏、水电的出力特性高度依赖风、光、降水等气象条件;燃气电厂则是其运行参数会受到气压、气温等因素的影响,从而影响电厂的发电性能。

部分文献从宏观角度研究了环境气象变化对于电源发电特性的影响。文献[52]以美国西部为例,分析了气候变化对环境敏感型电源发电能力的影响。文献[53]分析了水资源变化对世界火电和水电发电能力的影响。

国内外学者对风电运行特征进行了比较充分的研究。因风电出力不可控,其难点是基于气象条件进行预测。文献[54]提出基于数据挖掘和数值天气预报的短期风电功率预测方法。文献[55]研究海上风电出力特性,分析了气象条件对海上风电出力的影响。现有技术水平下风电出力依然难以预测准确,风电的随机性、波动性带来调峰、调频问题,难以完全消纳[56-57]。

光伏出力受到气候、气象、地理等因素影响,因素众多、机理复杂,具有比风电更强的随机性、波动性特征[58]。光伏发电量与照度紧密相关,也随温度的增加而下降[59]。但因为光伏行业发展较晚,同时照度预测设施与技术尚不完善,与风电出力预测相比,光伏出力预测技术尚处于起步阶段。文献[60]提出基于天气类型聚类识别的光伏出力预测方法。文献[61]提出了一种基于Copula理论的光伏发电出力的条件预测误差分布估计方法,可以对天气类型进行聚类,针对不同的天气类型分别建模,提升预测准确度。文献[62]研究了PM2.5浓度对光伏出力的影响。

燃气机组出力也受环境因素影响[63]。在低温、高气压时,气耗较低,最大出力较大;在高温、低气压时,气耗大,最大出力较小。不同气象条件下,燃气机组最大出力可相差10%。

综上所述,现有环境敏感型电源研究工作中,对风电运行特性的研究已经比较充分,对光伏的研究工作正在开展,对燃气机组运行特性的研究较少,水电受环境影响则主要体现在长时间尺度上。整体上,现有研究多集中在电源自身运行特性的分析,但没有精细化考虑气象条件对电源的影响,以及与电力系统的协同运行关系。

3 中国开展环境协同调度的实践探索

当前,中国经济正处在发展与转型的关键时期。中国国民经济和社会发展《十三五规划》纲要明确将“绿色发展”作为五大发展理念之一,指出应“加快建设资源节约型、环境友好型社会,形成人与自然和谐发展现代化建设新格局”[64]。国家发改委、能源局发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》也指出,要推广应用清洁低碳能源开发利用技术,包括可再生能源技术、核能技术、煤炭清洁开发利用技术、油气开发利用技术[65]。为此,中国在火电厂清洁化改造、电力系统的环境友好运行等方面开展了一系列工作,为实践环境协同的电力系统调度运行工作提供了很好的基础。

3.1 火电厂排放改造

中国最早在1991年发布了GB 13223-91《燃煤电厂大气污染物排放标准》,在1996年进行了修订,并更名为《火电厂大气污染物排放标准》,2003年将燃气电厂纳入考核范畴,2011年进行了再次修订,排放要求大幅提升,当时被称为“史上最严格的排放标准”。新标准规定,在重点地区,对于一般燃煤电厂烟尘、二氧化硫、氮氧化物的出口排放浓度分别不得超过20 mg/Nm3,50 mg/Nm3,100 mg/Nm3。对于燃气电厂,烟尘、二氧化硫、氮氧化物出口排放浓度分别不得超过5 mg/Nm3,35 mg/Nm3,50 mg/Nm3。此标准适用于中国东部地区。2015年,全国脱硫、脱硝机组占煤电装机容量比例分别为99%,92%[66]。

值得一提的是,部分地区率先对燃煤机组制定更加严格的排放标准,例如浙江、广东、北京、天津、河北等多地机组最早实施排放改造,燃煤锅炉达到了当地同期燃气轮机组的排放标准,称为“超低排放”或“近零排放”,并向全国逐步推广。2016年底,全国燃煤机组累计完成超低排放改造超过4.8×108kW,约占煤电装机容量的48%[67]。《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》指出,2030年预计超低排放机组占全国机组80%以上[65]。

3.2 环境友好的电力系统调度方式

自2002年“厂网分开”以来,中国电力系统调度遵循“公开、公平、公正”的“三公”原则,相同类型、同容量等级的机组有相似的利用小时数。2007年起,中国在江苏、河南、四川、广东、贵州等省份试点节能发电调度,按照能耗对机组排序,能耗低的机组优先安排发电计划。节能发电调度的目的是节能减排,其中排放重点指的是温室气体排放,因此一定程度上也是低碳调度[39,68]。本质上,碳排放并不是常规大气污染物,其温室效应的作用时间可长达数十年,因此讨论电力系统中的温室气体减排所涉及的时间周期往往较长;而对于常规污染物而言,其对于重污染天气的作用,以及较差气象条件对于电力系统运行的影响往往是短周期的,在一天乃至几个小时以内。因此,低碳调度与环境协同调度在内涵上有着较大的差异。

现有电力系统的调度运行原则中,核电和其他可再生能源一般优先上网。在火电调度过程中,部分省份一定程度上考虑了排放问题,例如浙江对超低排放机组利用小时数相比常规机组每年增加200 h。在污染响应方面,中国大部分地区均已实现空气质量预报预警。当扩散条件不利,空气质量预计变差时,政府提前给出预警,相关行业采取减产、限行等措施来避免空气质量过度恶化。在2016年北京市空气重污染应急预案中,提出了当出现空气污染红色预警时,采取加强清扫、停工、限行、禁烟花烧烤、限制本地发电量等强制性减排措施[69]。上述实践简单考虑了排放问题,并对环境响应进行了初步探索。在中国新一轮的电力市场化改革中,采用了发用电计划有序放开的改革思路,可再生能源将享有优先发电权[70]。因此,市场化改革中也体现了清洁、环保机组优先发电的绿色理念,有利于减少污染物排放量。

4 环境协同调度的研究思路

尽管目前国内外对于环境协同调度领域已经开展了一系列的研究工作和实践探索,但大多集中在微观层面污染物排放特性和宏观层面的考虑排放问题的电力系统调度之上,缺乏结合污染物扩散特征的对电力系统与气象环境的紧密协同研究。环境协同的电力系统调度运行研究需要多方面的关键技术综合突破。为此,本文在深入分析大气环境与电力系统相互作用基础上,探讨环境协同调度的潜在研究方向,对其研究思路进行了总结阐述,具体如图1所示。

图1 环境协同的电力系统调度研究思路Fig.1 Framework of power system dispatching towards environmental synergy

首先,梳理环境协同的电力系统调度的关键要素,包括环境要素、发电要素和排放要素。其次,逐一深入分析要素之间的作用规律,包括气象对环境敏感型电源的影响、电源的排放特征、排放对环境的影响,形成闭环协同的“环境气象—电力系统”复杂系统。在此基础上,研究环境协同的多能源系统调度决策方法。最后,讨论环境因素对电力系统安全稳定的影响及应对的协同调度策略。

5 环境协同调度的研究挑战与展望

5.1 气象条件对电力系统运行方式的影响机理

风电、光伏等可再生电源,以及燃气—蒸汽联合循环机组、热电联产机组的快速发展,将显著改变中国传统以煤电为主的电源结构。与常规煤电不同的是,这些电源品种的运行特性将受到外部环境因素更加显著的影响,如光伏的发电能力将受到雾霾天气、空气透明度等因素的影响,燃气联合循环机组的发电特性将受到气压、温度、空气清洁度等因素的影响,热电联产机组的供热量和调峰能力将受到温度变化的显著影响等。

因此,研究人员需要总结提炼影响电力系统运行方式的环境因素与运行状态;描述电源运行状态受环境影响模型;分析环境因素对发、输、配、用各环节运行方式的影响;研究各种典型综合气象条件下电力系统运行方式呈现的环境敏感程度,分析其与常态运行方式之间的差异;从而实现环境因素、气象条件与电力系统运行方式的耦合建模分析。

5.2 电力系统多维度污染物排放特性

为治理大气污染,对电力系统的污染物排放标准提出了更高的要求,各种清洁发电技术(包括脱硫、脱硝、低氮燃烧、除尘、碳捕集等)得到了广泛的应用,使得不同电源在不同维度的污染物排放特性上表现出较大的差异性。

因此,需对各种清洁发电技术的减排特性和运行机理进行基础性研究,对其在不同运行状态下的技术特性进行抽象提炼与数学描述,并分析发电机组运行状态对清洁发电设备运行状态的影响;考虑各种清洁发电技术的综合应用,描述发电机组在氮氧化物、二氧化硫、细颗粒物、二氧化碳等多维度污染物的排放特征,并分析多维度污染物排放间相互制约、相互协调的关系。

5.3 污染物对空气质量变化的作用规律

在不同气象条件下,同一地区环境对于污染物的扩散能力是不一样的。如:在逆温效应、高气压云团与低风速条件下,大气的扩散能力较差,污染物排放容易累积,并促进雾霾细颗粒物的二次转化。因此,在不同的气象条件下,污染物的排放量及其分布情况对于气象条件形成与空气质量变化的作用规律也是不一样的,而通过改变电力系统的运行方式,可以显著改变不同类型污染物的排放分布。

因此,需要研究各种污染物在不同气象条件下的扩散机理,基于大气动力学等理论构建污染物扩散模型;研究不同城市地貌、人口对排放水平的承载能力,研究适应当地经济水平、环境特点与排放结构的最佳污染标准,提炼与环境气象因素协同的电力系统运行环境约束;分析发电的不同污染物排放水平与区域分布特征对于重污染气象条件形成的贡献,以及对于空气质量指数变化的作用规律。

5.4 环境协同的多能源系统调度决策方法

一个电力系统调度控制区往往覆盖数个省乃至更大的地理区域,区域内不同城市、地区的气象条件与环境因素往往是不同的,且处于不断动态变化的状态之中,其对于污染物的扩散能力是不一样的,需要严格控制扩散条件较差地区在空气质量较差时段的污染物排放水平;而考虑到不同发电机组在不同运行方式下,其多维度污染物排放特征可能存在较为显著的差异,需要在考虑各种环境气象条件的情况下进行协同控制。其次,作为未来的主力规划电源,热电联产机组具有同时提供电能与热能的能力,随着其大规模并网运行,电力系统的运行方式与城市居民、工业的热负荷需求之间的耦合关系愈加紧密,而热负荷需求也将受到气象条件与环境因素的显著影响。

因此,需要对采用不同类型清洁发电技术的“环境敏感型”发电机组的运行模型、技术约束与排放特征函数进行抽象归纳与数学建模,将其与各种环境因素关联起来,成为电力系统调度模型的新的基本组成单元;其次,将电力系统的运行方式与不同气象条件下环境的承载能力关联起来,提炼出不同气象条件下环境的扩散能力,并将其转化为可允许排放的污染物限额,对电力系统的调度运行形成环境约束,并考虑不同污染物排放情况对于空气质量的逆向影响,从而形成一个闭环协同的环境气象—电力调度复杂系统;再次,考虑不同城市、地区环境气象条件的差异与变化情况,将热电联产机组的热力供应与电能供应同时纳为决策变量,考虑电厂、热网与居民建筑的储热能力与热量辐射惯性,协调远方电源基地、城市中心热电机组群的发电计划与输电系统的联络线送电计划。从而构建了以电网为载体,在大电网控制区内大气污染防治、环境因素耦合、电热供应协调、多发电方式协同的复杂巨型能源系统,针对该复杂系统的基础建模、调度技术与决策方法开展全面的研究工作。

5.5 环境条件对于电力系统安全稳定的影响及应对的协同调度策略

考虑不同环境气象条件下对于电力系统各种污染物排放所形成的严格约束,将推动电力系统的运行方式走向其极端的安全边界,增加了电力系统运行的安全风险;其次,考虑各种环境要素的频繁变化,实际气象条件与空气质量变化的时间频度往往在日甚至小时级别,即在日内可能出现多次剧烈的气象条件切换,需要频繁调整不同地区之间电力系统的运行方式,降低了电力系统运行的灵活性与调整裕度,将对新能源消纳产生负面影响。

因此,需要研究大气污染防控带来的电力系统安全稳定问题,例如由于本地发电量急剧减少所引起的电源支撑与电压稳定问题、由于关键断面远距离大功率送电所引起的小干扰与暂态稳定问题、由于运行方式频繁切换所引起的系统爬坡不足问题、由于关键线路潮流阻塞所引起的局部调频与备用不足问题、由于极端发电方式所造成的调峰能力不足与弃风(弃光)问题等。对上述问题进行建模描述,研究考虑上述稳定问题的环境协同供调度策略。

6 结语

本文分析了开展环境协同的电力系统调度运行的时代背景及其内涵,围绕污染物排放特性、考虑排放的系统运行、环境敏感型电源三个方面总结了国内外环境协同调度研究进展,阐述了中国开展环境协同调度实践,构建了环境协同调度研究思路,从气象条件对电力系统运行方式影响机理、电力系统多维污染物排放特性、污染物对空气质量变化作用规律、环境协同的多能源系统决策方法、环境条件对电力系统安全稳定影响及应对的协同调度策略共5个方面深入挖掘了环境协同调度的研究方向,指出了实施环境协同调度所面临的重大挑战与亟待解决的研究问题。

需要指出,环境协同的电力系统调度运行,其本身是一个十分复杂的问题,涉及环境、电工、化工、热能、经济等多个学科交叉。希望本文能够为中国未来环境协同的电力系统调度运行研究提供参考。

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Dispatching and Operation of Power System Towards Environmental Synergy:Connotations and Prospects

GENGZhaowei1，2,CHENQixin1，2,XIAQing1，2,KANGChongqing1，2

(1.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

China is one of the most air-polluted countries in the world.Air pollution control is a requirement for China to build ecological civilization and to realize green development.The power sector is one of the main sources for emission reduction.It is important strategically and practically to mitigate the air pollution from the power sector.Traditionally,power system operation has failed to consider the impact of environmental issues,nor is the impact from power system emissions on the atmosphere environment.This paper proposes dispatching and operation of power system towards environmental dispatch (or environmental synergy dispatch).Two connotations of environmental dispatch are proposed:emission control considering environmental synergy and weather-sensitive energy consumption.Previous work on environmental synergy dispatch is reviewed.Practice related to environmental synergy dispatch in China is summarized.A research framework on environmental synergy dispatch is established.Main research prospects of environmental synergy dispatch are discussed.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51622705) and Fok-Ying-Tung Education Foundation Award (No.151057).

power system;environmental synergy dispatch;air pollution emissions;air quality;renewable energy sources

2017-05-28;

2017-08-22。

上网日期:2017-09-25。

国家自然科学基金资助项目(51622705);霍英东教育基金会资助项目(151057)。

耿照为(1990—),男,博士,主要研究方向:环境协同的电力系统调度。E-mail:gengzw12@tsinghua.org.cn

陈启鑫(1982—),男,副教授,主要研究方向:电力系统优化运行、电力市场、电力系统规划。E-mail:qxchen@tsinghua.edu.cn

夏 清(1957—),男,通信作者,教授,主要研究方向:电力系统规划、电力市场、电力经济与信息。E-mail： qingxia@tsinghua.edu.cn

(编辑代长振)