水电煤电协同发展促进电力系统低碳转型方案评价

刘泳 陈帝伊 张猛 王航 赵子文 田刘杨

摘要：为协同开发水电（抽蓄），积极谋划煤电退役规模与时序、整合风光资源，保证系统稳定低碳过渡，以及探究电力系统转型（主要考虑水电发展与煤电发展）中多指标、多层次的综合效益问题，以新疆维吾尔自治区电力系统转型方案为例，构建了详细考虑水库运行条件与机组运行特性的电力系统机组组合模型，依据地区发展规划制定基础退役、水电改造、煤电改造、增加抽蓄以及加速退役5种转型场景，结合层次分析法-熵权法建立了经济、环境、技术与社会4个维度的综合评价指标体系。结果表明：① 在协同煤电转型下增加抽水蓄能可有效降低电力系统弃风弃光量与系统失负荷概率；② 增加抽蓄并合理规划退役煤电未增加电力系统年度成本，且可以减少系统碳排放；③ 加速退役场景的综合评价得分最高，为71.53。研究成果可为新型电力系统构建与水电（抽蓄）开发、煤电退役以及整合风光资源提供理论支撑。

关 键 词：新型电力系统；抽水蓄能；煤电退役；综合评价；新疆

中图法分类号：TM612；TV743

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.030

0 引 言

为实现“碳达峰、碳中和”目标，构建新型电力系统时需逐步淘汰电力系统中的煤电，提高风电、光伏等可再生能源的渗透率^［1-2］。水电与抽水蓄能作为重要的灵活性调节电源，是整合风电、光伏，促进新型电力系统低碳转型的支柱^［3-4］。而煤电退役规模和时序与清洁能源扩张速度、负荷增长不匹配，步伐过快将导致电力系统灵活性缺失与稳定性降低，步伐过慢将限制清洁能源的接入，增加了环境污染和能源消耗的风险。因此，如何处理好水电（抽蓄）开发、煤电退役、整合风光三者之间的协同关系，是构建新型电力系统过程中亟待解决的关键问题。

为探究关于水电在电力系统转型中的贡献，张博庭^［5］、程春田^［6，7］、李萌^［8］等阐明了水电在电力系统转型中面临的问题、角色定位转变以及水电安全性与经济性的巨大优势。除此之外，Zhao^［9］、罗小林^［10］、原一方^［11］等阐述了电力系统中水电巨大的灵活性潜能以及不同类型水电的灵活性改造提升方案。关于煤电退役转型研究，赵毅^［12］、文云峰^［13］、Zhang^［14］、胡殿刚^［15］等从煤电发展空间、煤电价格机制、电网支撑能力、煤电与储能协同等方面分析了电力系统转型。综上所述，电力系统转型背景下，水电和煤电在电力系统转型中相互协同发展路径仍不清晰。针对电力系统转型规划结果评价方面，聂龑等^［16］基于社会-技术系统理论从宏观环境层、中观体制层和微观利基层的视角出发评价中国电力系统的低碳演化进程，分析了中国电力系统的发展规律，揭示其演化机理。但更多文献是以单一角度指标为切入点，如低碳性^［17］、灵活性^［18］等对电力系统规划路径进行评价分析。对于水电在促进电力系统转型以及与煤电改造等其他电力系统转型方案相结合时的综合效益缺乏详细研究。

本文探究区域电力系统中水电发展与煤电退役转型的协同效果，从经济、技术、环境与社会4个维度建立电力系统转型的指标评价体系，采取层次分析法与熵权法综合评估不同的电力系统转型方案，以期为电力系统转型方案选取提供理论支撑。

1 模型构建与数据介绍

1.1 模型构建

为评估煤电退役与水电转型对电力系统的影响，本文构建了电力系统机组组合模型，包含灵活性资源煤电和水电（抽水蓄能），以及风电、光伏等可再生能源。

1.1.1 目标函数与约束条件

电力系统机组组合模型是评估水电与抽水蓄能灵活性潜力、制定合理脱碳路径的重要工具。其考虑风光大幅并网对调节性电源如火电、水电、抽水蓄能的运行特征及约束条件的影响，并提供多种方案进行比较和优化。目标函数与相关约束条件如下。

（1）目标函数。以电力系统运行成本最小化为优化目标函数，包括所有类型机组启动成本、停机成本、固定成本、可变成本、爬坡成本、失负荷成本等。

式中：I为总时间间隔，C_min为系统成本最小优化目标；C_s、C_f、C_v、C_r、C_l、C_o分别是机组在i时段运行机组所产生的启停成本、固定成本、可变成本、爬坡成本、传输成本和失负荷成本。

启停成本：

式中：N为机组总台数，C_s，i是第t台机组i时段启停过程中产生的费用，x_i表示机组的起停状态（x_i=1为开启或关闭，x_i=0为保持开启或持续关闭状态）。

固定成本：

式中：C_f，i为第t台机组i时段内发电并网1 h所产生的固定成本。

可变成本：

式中：C_v，i为第t台机组i时段为产生的可变成本，P_i为i时段的发电量

爬坡成本：

式中：γ_t是机组爬坡成本因子，P_t，i是第t台机组i时段的出力。

传输成本：

式中：c_l为单位发电量传输成本，P_i是i时段的发电量。

失负荷成本：

式中：c_o为单位失负荷对应的成本，d_i为i时段失负荷电量。

（2）电力系统供需平衡约束。

式中：P_i，L为i时刻区域总负荷需求；P_i，q为i时段系统失负荷量；P_i，p为i时段区域所有机组有功功率；T_i为i时段电力净传输功率。

（3）电网传输约束。

式中：T_i，min为i时刻最小传输容量；T_i，max为i时段最大传输容量。

（4）切负荷约束。

式中：L_max为区域最大切负荷量；L_i为区域i时段区域切负荷量。

（5）功率输出范围约束。电力系统中发电机组的功率输出必须大于机组出力下限（通常为最小稳定出力水平），小于机组的出力上限（通常为机组额定发电容量）。

式中：P^s_min，i、P^s_max，i分别为i时段水电最小和最大输出功率；P^h_min，i、P^h_max，i分别为i时段火电最小和最大输出功率；P^s_i、P^h_i分别为i时刻水电和火电输出功率。

间歇性电源（风电、光伏、径流式水电）的功率输出由机组额定容量与出力有效系数决定。

式中：P_i，a为i时段间歇性电源的出力；P_i，N为i时段间歇性电源额定容量；α为出力有效系数。

对于抽水蓄能机组，某小时的抽水量由机组的抽水量、抽水范围和抽水效率决定。

式中：η_c为抽水效率；w为机组抽水功率；s_min为最小抽水范围；s_max为最大抽水范围；Q_i为i时段实际抽水量。

为了促进电力系统低碳转型，可考虑每个省域节点的碳排放上限约束。该约束条件将在一定程度上改变火电机组的出力计划。

（6）碳排放约束：

式中：F_K为机组的排放系数；P_S为区域火电总发电量；F_n，max为省域的碳排放上限。

（7）水库库容受水库最小与最大库容约束。水库库容约束指的是机组调度问题中需要考虑水库的水位变化对发电计划的影响。

式中：S_min为水库最小发电库容，S_max表示水库最大发电库容；S_i为i时段的水库库容。

任意时刻下水库的库容必须满足：

式中：B_i为i时段水库最小库容下限，该曲线由水库的类型、航运需求、下游灌溉需求等因素共同决定。ΣNn-1S_i，r为i时段上游径流累计入库流量；S₀为初始库容。

（8）发电工况下的库容约束：

式中：P_i，h为i时段机组发电量；η_G为机组发电效率；S_i，x为i时段水库下泄流量；S_i，s为i时段机组弃水量；S_i，r为i时段上游径流入库流量。

（9）抽水工况下的约束为

式中：S_i，c为水库i时段的可存储水量。

1.1.2 模型求解方法

考虑电力需求的变化、机组设备运行的限制因素，首先利用二进制变量对各类发电机组的启停状态进行调度；然后将优化期内总功率需求分配给每个可用机组，使得电力系统成本最小。采用混合整数线性规划（MILP）求解模型。

MILP能够处理大量的离散和整数变量，如水电系统中的水库容量、水轮机出力、水头、流量等；能处理更加复杂的限制条件，如水电调度中存在水位限制、发电机出力范围限制等多种限制条件；可同时优化多个决策变量（出力、蓄水位、弃水等），更加准确地描述这些变量之间的相互作用^［19］。

1.2 数据来源

新疆维吾尔自治区被确定为国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中重要的清洁能源基地^［20］。新疆是中国风能资源最为丰富的地区之一，风能资源总储量达8.9亿kW，技术可开发量为7.8亿kW，占全国技术可开发量的15.4%。同时，该地区太阳能资源也非常充足，技术可开发量为1.6×10⁷亿kW·h，占全国技术可开发量的40%，居全国第一^［21］。新疆存在广阔的未利用土地，非常适合规模化建设太阳能发电工程。新疆可开发的抽水蓄能电站储备规模为3 660万kW，将为新型电力系统建设提供重要支撑，提高该地区电力系统的调节能力。新疆能源结构如图1所示。

根据2019年国家发布的新疆维吾尔自治区典型日负荷曲线以及2021年中国电力年鉴中新疆维吾尔自治区用电量和外送电量增速，假设该地区到2030年的年均用电量增速保持在4%，外送电量增速为30%。依据上述假设预测到2030年，新疆年电力负荷总量达4 645亿kW·h，外送总量为13 234亿kW·h。同时采用文献［22-23］提出的五段式模拟方法，分别得到新疆2030年典型日负荷和外送曲线（一年分4～10月与11月至次年3月），如图2所示。

1.3 场景制定

基于新疆资源条件禀赋、现阶段电力系统转型规划可能方向以及近几年开发与拟建的抽水蓄能电站，假定在现阶段基础之上煤电机组装机容量不再增加，拟定以下5种电力系统转型场景：① 基础退役场景（AF），按机组退役年限（30 a）退役煤电机组；② 煤电改造场景（MDGZ），对部分容量小于300 MW机组（745万kW）进行升级改造，改造后机组爬坡率增大为5%/min，机组运行区间扩大为30%～100%；③ 水电改造场景（SDGZ），非径流式水电机组（187万kW）进行升级改造，改造后机组爬坡率增大为45%/min，机组运行区间扩大为35%～100%；④ 增加抽蓄场景（ZJCX），结合新疆维吾尔自治区抽水蓄能发展规划、近年投标开建抽水蓄能电站现状以及抽水蓄能电站建设时间（7～8 a），加快发展抽水蓄能规模达到（1 990万kW）；⑤ 加速退役场景（DTY），在增加抽蓄场景基础上加速退役部分机组（500万kW）。具体见表1。

1.4 综合评价方法

层次分析法^［24］着重于对各评估指标的主观分析，通过思维决策的数学化过程，实现对非完全定量复杂系统的决策。相比层次分析法，熵权法更偏重客观赋权，更能体现数据分布的不确定性，其实质是以熵值的大小来体现变量自身数据的不确定性和离散性，与变量类型及变量之间的联系无关^［25］。为了量化不同转型路径对电力系统的影响，考虑到经济、技术、环境和社会等相关因素，构建指标综合评价层次结构体系如图3所示。

2 不同转型方案下区域电力系统运行特征

为了揭示不同的脱碳路径对电力系统的影响。首先分析不同转型路径对各类型机组出力的变化特点。其次，采用各类能源出力、弃风弃光量、抽水蓄能发电工况功率次数与累计功率变化来量化不同脱碳转型路径下的区域电力系统运行特点。

2.1 电力系统典型周出力

为分析各发电电源出力与电力系统负荷的匹配程度，图4展示了2030年基础退役场景下的典型周（4月1～7日）内各能源出力情况。由图可知，电力系统总出力基本满足负荷加外送需求，当风光不确定能源出力不满足电力系统需求时，火电以及抽水蓄能等能源根据需求与风光出力缺额调整各自出力，在外送需求较大的时段，光伏出力也相对增加。当全部能源出力超出负荷需求与送电需求时，抽水蓄能机组将抽水，一旦能源出力超出负荷需求加外送的部分高出抽蓄容量，则电力系统会出现弃风弃光现象。当能源出力部分低于系统用电需求时，系统将出现失负荷现象，如图中标识区域所示。

2.2 弃风弃光

为了评估风光利用情况，分析不同转型路径下的电力系统小时时间尺度的弃风弃光情况，如图5所示。

如图5所示，在5种不同转型场景下，0～15 h与20～24 h的弃风光现象加剧，15～20 h内的电力系统弃风弃光量明显小于其他时间的弃风弃光量。在周尺度下，全年每周均存在系统弃风弃光现象，而在风光资源丰富的周内，系统弃风弃光现象更加明显。在加速退役与增加抽蓄场景下，系统总体弃风弃光量分别为2 576 196 MW与1 082 463 MW，相对其他场景更少，造成这种现象的原因是其他场景之中系统灵活性资源以及抽水蓄能装机不足。其中，水电改造场景下年弃风弃光总量最高，为7 928 045 MW；加速退役场景下，系统年弃风弃光总量最低，为1 633 196 MW。该场景下灵活性电源相对较多，系统能更好地消纳风光资源，因此年弃风弃光量较低。

2.3 抽水蓄能发电工况功率次数与累计功率变化

为进一步量化抽水蓄能功率变化特性，引入抽水蓄能发电工况功率次数与累计功率变化的指标，结果如图6～7所示。

由图6可知，增加抽蓄场景与加速退役场景下的抽水蓄能功率增长变化更快且增长幅度最大，分别为42 622 400 MW、43 409 900 MW，这是由于两种场景下抽水蓄能装机更多，为1 900万kW，因此能吸收更多的风光资源，提供更多的灵活性资源。相比之下，煤电改造场景下的抽水蓄能功率增长变化最慢，且累计最低，仅为16 850 400 MW，这是因为在煤电改造场景下煤电机组改造后灵活性增强，抽水蓄能机组累计功率相对减少。基础退役场景与水电改造场景下抽水蓄能累计功率变化趋势基本一致，说明该场景下水电装机容量较其他3个场景装机容量较低，对电力系统灵活性影响较小。

如图7所示，5种场景下抽水蓄能的小时级发电功率大小与次数存在较大差异。从抽水蓄能发电功率出现次数上看，在基础退役场景与水电改造场景、加速退役场景与增加抽蓄场景中，抽水蓄能发电功率出现次数集中趋势基本一致，大多集中于100次、50次以下，说明抽水蓄能发电调节更加频繁。相比之下，煤电改造场景下发电功率出现次数更为分散，整体分布在0～800次之间，说明抽水蓄能场景下煤电机组出力变化更加频繁。

从抽水蓄能发电功率分布上看，基础退役、水电改造与煤电改造场景发电功率大小集中在1 000～6 000 MW之间，呈正态分布。而在增加抽蓄场景与加速退役场景下的发电功率集中于3 000～11 000 MW之间，呈正态分布，但加速退役场景发电出力相对偏高，这是由于该场景下煤电机组减少，抽蓄机组则需提供更多不同深度的系统灵活性。

3 不同转型方案对区域电力系统作用的综合评价

3.1 经济指标

为了评估电力系统的可行性、可持续性和发展前景，本节选取建设成本与运行成本两个指标，为电力系统的规划、设计和运营提供重要的参考和指导。其中，建设成本包括抽蓄建设成本（5 500元/kW）及相关机组改造成本，由于5种场景之中光伏与风电装机一致，成本计算中未考虑风电与光伏装机。

如图8所示，增加抽蓄与加速退役场景建设成本最多，均为1 034亿元，其次为水电改造、煤电改造与基础退役场景，分别为396亿元、514亿元、410亿元。这是由于总体抽蓄建设成本明显高于水电改造成本，水电改造成本高于煤电改造成本，并且机组建设装机与改造装机大小也对建设成本产生影响。

从年度运行成本来看，增加抽蓄场景运行成本最少，为452亿元，而水电改造场景最多，为1 920亿元。相比之下，基础退役和煤电改造场景的运行成本较水电改造场景更低。尽管水电机组改造后具有更强的灵活性和更宽的运行区间，但水电改造场景系统总发电量与风光消纳更多；煤电改造场景相比水电改造场景年度运行成本低，这是煤电机组改造容量比水电机组改造容量更大所致。

3.2 环境指标

不同场景下的碳排放量、大气污染物排放量等环境指标如图9所示。场景分析中环境指标包括CO₂、SO₂、NO₂与粉尘排放量。

由图9可知，水电改造场景4种指标排放量最高，分别为8.91 Mt（SO₂）、80.69 Mt（NO₂）、4.44 Mt（粉尘）与273.96 Mt（CO₂），这是由于电力系统总出力增多，水电改造规模较小，导致煤电出力增加。对于抽水蓄能装机的增加，污染物排放量的减少趋势较低，如增加抽蓄场景下的各项指标，8.89 Mt（SO₂）、80.53 Mt（NO₂）、4.43 Mt（粉尘）与273.4 Mt（CO₂）；而对于煤电装机的减少，污染物排放量的减少较多，如加速退役场景下的各项指标，8.77 Mt（SO₂）、79.38 Mt（NO₂）、4.37 Mt（粉尘）与269.5 Mt（CO₂）。这是由于电力系统中抽水蓄能消纳更多的风光资源，可在用电高峰期代替一部分的煤电出力并满足一定煤电机组装机的减少。

3.3 技术指标

为了评估电力系统的可持续性、效率，并确定如何将其转向更加环保、可靠和经济的方向，采用5个指标进行分析，结果如表2所列。

由表2可知，随着灵活性水电的增加，弃风弃光率从4.04%减少到0.08%，净负荷可变系数从0.55减少到0.41。表明增加抽水蓄能装机可以提升电力系统灵活性，更好地消纳风光资源并平抑净负荷波动；耗水量（3.39亿～3.34亿t）随着煤电机组装机减少以及水电机组可承担调节电源装机而减少；系统失负荷概率在增加抽蓄场景下最低，为0.7%，这说明电力系统很少出现失负荷情况；在加速退役场景下供电保证率为4.0%，与基础退役、煤电改造、水电改造场景大致相同，说明增加抽蓄场景有助于电力系统退役一定的煤电机组，并保持电力系统稳定性。

3.4 社会指标

就业机会与区域发展指标均是通过对区域发展指标的定义和衡量，可以评估电力系统转型对当地和周边地区的影响和贡献，为电力系统转型的决策提供参考。采用专家打分的评价方法，对于就业机会指标与区域发展指标，根据相关文献，对5种方案下的就业机会与区域发展进行对比评估，结果如表3所列。

3.5 综合评价

为体现不同转型路径下电力系统转型的综合效果以及四大类指标独立评估得分在综合得分的占比，采用层次分析法与熵权法计算主、客观权重以及组合权重，如表4所列，并绘制综合评价结果图，如图10所示。

由表4计算得到经济、技术、环境以及社会指标权重结果。对于层次分析法而言，其相对看重电力系统转型的建设成本与运行成本，权重分别为0.192和0.137，高于其他指标；对于熵权法而言，其失负荷概率指标高于其他指标，权重达到0.160；经过指标综合权重公式计算得到的综合权重可知，建设成本、运行成本、CO₂排放量指标和失负荷概率指标累计权重超过50%。结果表明，在层次分析法与熵权法综合评估过程中更看重经济指标、碳排放量与系统失负荷对电力系统转型的影响作用。

由图10可知，加速退役场景下的综合评估结果最高，为71.53；水电改造场景下的综合评估结果最低，为44.26。对于不同转型路径的评价结果，经济、环境、技术与社会类指标在综合评价结果中的占比存在较大差异。除了加速退役场景外，其他4种场景的综合评估结果中经济类得分均相对较高，说明在综合评估过程中更注重经济成本考量。具体而言，基础退役场景的经济得分为21.25，水电改造场景的经济得分为18.86，煤电改造场景的经济得分为20.98，增加抽蓄场景的经济得分为31.51。这表明尽管转型路径有所差异，但经济因素在决策中扮演了主导作用，经济成本的控制和效益实现是低碳转型的关键考虑因素。然而，在加速退役场景中，环境类指标在综合评估结果中的占比最高，为24.52，而经济得分较低，为16.60。这可能反映了对碳排放减少和可再生能源利用等环境因素的重视，以应对气候变化等环境挑战。

综上所述，根据不同转型路径的评价结果和权重分配，除了加速退役场景外，其他4个场景更加注重经济成本方面的考虑。加速退役场景则更加关注环境效益，尤其在环境类指标上得分较高。这些评价结果可为制定转型策略和决策提供参考，需要综合考虑各项指标的权重和优势，以实现经济、环境和社会的可持续发展目标。

4 结 论

本文建立了详细考虑水库运行条件与机组运行特性的电力系统机组组合模型，综合对比了新疆维吾尔自治区基础场景、煤电改造、水电改造、增加抽蓄以及加速退役场景下区域电力系统运行特征，并进一步采用层次分析法与熵权法，从经济、技术、环境与社会4个维度对水电在电力系统转型中的助力作用层面进行了综合评价，对比了不同转型路径的综合评价指标规律。主要结论如下：

（1）增加抽蓄场景与加速退役场景的弃风弃光率分别为1.28%与0.08%，说明抽水蓄能装机相对煤电机组占比越大（增加抽蓄场景与加速退役场景）的电力系统其弃风弃光越少。

（2）加速退役场景年度运行成本1 592亿元，碳排放量为269.5 Mt，低于基础退役场景、煤电改造场景与水电改造场景，说明增加抽蓄协同退役煤电并未增加电力系统年度成本，且可以降低系统碳排放。

（3）加速退役场景的综合评价得分最高，为71.53，表明通过加速开发水电与抽水蓄能来协同煤电退役，整合风光电，其在经济、技术、环境以及社会角度上都是切实可行的。

本文未定量探究增加抽水蓄能规划的同时可退役多少数量的煤电，未来将收集更多的政策、地区规划等资料以及采取先进的科学方法，根据地区资源禀赋、政策激励、市场机制等探究有效的水电助力电力系统脱碳转型路径，并综合评估各方案的可行性。

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（编辑：郭甜甜）

Evaluation on low-carbon transformation scheme in power system promoted by coordinated

development of hydropower and coal-fired power

LIU Yong，CHEN Diyi，ZHANG Meng，WANG Hang，ZHAO Ziwen，TIAN Liuyang

（College of Water Resources & Architectural Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，China）

Abstract：In order to coordinate the development of hydropower （pumped storage），actively plan the scale and timing of coal-fired power decommissioning，incorporate wind and solar resources，ensure the stable and low-carbon transition of the system，and explore the multi-index and multi-level comprehensive benefits in power system transformation （mainly considering hydropower development and coal-fired power development），taking the power system transformation plan of Xinjiang Uygur Autonomous Region as an example，a power system unit commitment model was constructed by considering reservoir operation conditions and unit operation characteristics.Five transformation scenarios of basic decommissioning，hydropower transformation，coal-fired power transformation，increasing pumped storage and accelerating decommissioning were formulated by the regional development plan.The comprehensive evaluation index system of four dimensions of economy，environment，technology and society was established by combining the analytic hierarchy process-entropy weight method.The results showed that：① increasing pumped storage under the coordinated coal-electricity transformation could effectively reduce the abandoned amount of wind and solar electricity generating and the load loss probability in the power system；② increasing pumped storage and rational planning of withdrawing coal-fired power wouldnt increase the annual cost of the power system，and could reduce the carbon emissions of the system；③ the comprehensive evaluation score of the accelerated decommissioning scenario was the highest，which was 71.53.The research results can provide theoretical support for the construction of new power system，the development of hydropower （pumped storage），the decommissioning of coal power and the integration of wind and solar resources.

Key words：new power system；pumped storage；coal-fired power decommissioning；comprehensive evaluation；Xinjiang Uygur Autonomous Region