技术领域
本发明属于电力系统中再生能源并网运行技术领域，特别涉及一种市场经济环境下考虑经济成本的可再生能源并网规划方法。
背景技术
在电力系统中，为了降低运行成本和提高可再生能源在发电组合中的渗透率，从电源侧实施扩展具有重要的意义。为减少温室气体排放，减轻化石燃料价格变化可能带来的风险，世界各国政府大力支持对可再生能源的投资，同时电网运营部门专注于利用不同的发电技术，降低生产成本、增强电网稳定性、优化备用分配，最终为负荷提供经济可靠的电力供应。
国际标准化组织倾向于通过增加可再生能源的渗透率，来规避化石能源短缺带来的电力需求缺口以及环境方面的污染问题，但由于可再生能源相关的发电技术具有不确定性，这对电网的稳定运行是一个严重的挑战。且可再生能源机组的前期资本投入巨大，再加上其发电的不确定性进一步降低了回报率。因此政府提出了一系列的导向性政策来支持发电侧的容量扩张和结构性改革。
面向可再生能源投资的支持机制，虽然这些机制在提高发电能力方面是有效的，但与基于峰值负荷需求减少的政策相比，它们的效率较低。目前刺激市场需求被认为是改变最终用户行为的一个基本方法。通过优化确定可再生能源和其他能源的最佳发电组合，电网运营部门能够在不减少负荷的情况下降低成本，提高电网运行可靠性和服务质量。因此，迫切需要提出一个长期规划框架，以评估基于各种激励和支助机制以及负荷侧需求反应对可再生能源生产力的影响。另一方要准确评估对私营部门投资的支持程度，也需要事先进行技术经济分析。
本发明通过对电力系统长期规划以及可再生能源集成方面的影响，评估分时电价机制下负荷需求响应在促进电网扩展及降低成本方面的成效，提出了一个两阶段的动态优化框架，旨在服务于可再生能源的规划并网。
发明内容
本发明的目的是提供一种市场经济环境下考虑经济成本的可再生能源并网规划方法，其特征在于，所述可再生能源并网规划方法，包括：
步骤1：根据可再生能源并网的导向指导，以装机容量和以能源生产进行规划；
步骤2：以市场经济环境下分时电价的工作机制，基于线性化技术对分时电价进行描述，为后续目标函数的构建提供重要的模型基础；
步骤3：提出两阶段动态扩展优化模型，用于研究市场经济条件下可再生能源的并网规划和运行控制；
步骤4：给出动态扩展优化模型的具体表达式，具体表现为规划阶段和运行阶段；
步骤5：根据系统运行需要以及不同阶段的侧重点，构建各种等式约束条件和不等式约束条件。
所述步骤1中，以装机容量和以能源生产进行规划，其装机容量旨在鼓励私营企业参与能源生产，以缓解尖峰负荷情况下的切负荷量，最大限度保障用户的需求；以能源生产激励投资者进行低成本发电，包括化石能源的高效率发电以及基于可再生能源的清洁发电，改善人类生态环境。
所述步骤2中，以市场经济环境下分时电价的工作机制，提出已消费者购买成本最小的数学模型，具体表达式见式(1)所示；
约束条件见式(2)-(5)
上述公式中，ND表示总的负荷节点数，NB表示负荷持续时间曲线的分块数，NT表示运行时间段，SRU表示向上的爬坡率，SRD表示向下的爬坡率，μ表示单位时间内允许负荷增加或减少的受限比例；l是负荷节点的索引，b是负荷曲线的分块索引，t是时间索引；
PD
上述不等式(2)表示了应用分时电价政策后负荷需求的最大变化，负荷的波动幅度用爬坡率(SRU、SRD)来表示，分别如式(3)和式(4)所示。
所述步骤3中提出的两阶段动态扩展优化模型，主要涉及两个方面，一是规划阶段用于确定最优发电组合，即根据燃料类型和不同发电技术，选择最佳的发电组合来满足负荷需求，保证系统在满足不同时间尺度负荷需求的前提下成本和风险最小化；一是运行阶段用于确定最优运行点，通过设置各种目标函数，如减少排放、提高可靠性和降低风险，保证系统的运行以最低的成本满足负荷需求；考虑到影响最佳工作点确定的变量可细分为两类：连续的和离散的；因此通过定义二进制变量来指定设备的运行状态，将提出的优化问题转换成一个混合整数线性规划问题，以便问题的描述和求解。
所述步骤4中动态扩展优化模型细分为规划阶段和运行阶段，其中规划阶段用于确定发电组合变量，运行阶段用于确定系统的运行变量，且发电组合变量直接影响运行节点，但从时段分析的角度出发又是相互独立的；其中，时段相互独立是指在选择了某个设备后，其可用性状态在运行阶段不再是一个变量，而是作为一项可用性资产使用；该设备在运行阶段可以使用，也可以不使用，因此，针对每个资产设备都设置两个二进制变量，一个应用于设计规划阶段，一个应用于运行阶段，两个变量虽然相互依赖但又相互独立；由此构建出如式(6)所示的目标函数，
Min TC＝INVC+OPC (6)
上式中，NY表示规划年度，NG表示总的发电机节点数，NB的含义同上文所述，NCU和NCL分别表示新增备选机组的总数和新增备选输电线路的总数，b的含义同上，i是发电节点的索引，k是设备单元的索引，j是输电线路的索引，y是年度索引，GI和TI分别表示发电单元和输电单元的投资成本，Gn和Ln分别表示发电单元和输电单元的投资状态，PL表示输电线路上流动的功率，PG表示发电单元的输出功率，OC表示运行成本，d表示利率，上标max,C表示待投运资产相关变量的上限值，DT
所述目标函数中的总投资成本(TC)由电源规划成本(INVC)和电网运行成本(OPC)两部分组成，且运行成本与机组的发电成本有关；其中电源规划的投资成本定义为主函数，因此主函数需要研究投资成本以及相关的约束条件；电网的运行成本定义为子函数，因此子函数用于评估现有发电机组的运行成本，以及有主函数确定的新增机组的运行成本。
所述主函数的约束条件如下所示：
Gn
Ln
上式中，MTGI和MTTI分别表示发电和输电的最短安装时间，TGI和TTI分别表示发电和输电的最大投资预算，TGC和TTC分别表示发电和输电的最大扩容量，其他变量的含义同上文所述。
所述子函数的约束条件如下所示：
δ
上式中，δ表示母线电压相角，IG表示发电单元的运行状态，E和C分别是现有和备选资产的索引，NEU和NEL分别表示现有机组的总数和现有输电线路的总数，B表示输电线路的电纳值，α和β分别表示备用容量指数的最小值和最大值，max和min分别表示变量的最大值和最小值，IB表示总的激励预算值，M是一个常数。
本发明的有益效果是提出的考虑经济成本的可再生能源并网规划方法，通过优化确定可再生能源和其他能源的最佳发电组合，电网运营部门能够在不减少负荷的情况下降低成本，提高电网运行可靠性和服务质量；可以鼓励私营部门在可再生能源方面的投资，增加电网的备用容量，增强电网的柔韧性。
附图说明
图1是本发明提出的市场经济环境下考虑经济成本的可再生能源规划方法的流程图；
图2是本发明的方法中长期规划背景下两阶段动态优化框架。
具体实施方式
本发明提供一种市场经济环境下考虑经济成本的可再生能源并网规划方法，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是市场经济环境下考虑经济成本的可再生能源规划方法的流程图，本发明提出的可再生能源规划方法包括：
步骤1：根据可再生能源并网的导向性指导，以装机容量和以能源生产进行规划；
步骤2：以市场经济环境下分时电价的工作机制，基于线性化技术对分时电价进行描述，为后续目标函数的构建提供重要的模型基础；
步骤3：提出两阶段动态扩展优化模型，用于研究市场经济条件下可再生能源的并网规划和运行控制；
步骤4：给出动态扩展优化模型的具体表达式，具体表现为规划阶段和运行阶段；
步骤5：根据系统运行需要以及不同阶段的侧重点，构建各种等式约束条件和不等式约束条件。
其中步骤1：根据可再生能源并网的导向性指导，以装机容量和以能源生产进行规划，增加装机容量，确保发电侧的投资比例；鼓励私营部门参与能源生产。由于负荷需求量具有时变性，且由于电网中存在承担基荷的低成本机组存在，因此部分机组在低负荷时段内必须处于停机或脱网运行状态，这一客观因素使得投资者不得不面临一定的利润损失，不利于激发私营部门对电力市场投资的热情。但是另一方面为减轻高峰负荷时电网备用容量不足导致的切负荷现象，电网中必须配备足够容量的机组。而且低成本的发电机组前期投资成本巨大，导致其利润回收期长。因此，在实施装机容量导向性指导下，既可以激励私营部门对可再生能源机组的投资，又可以降低因无法与低成本机组竞争而无法参与电力市场的风险。可鼓励发电部门追求高效发电，激励投资者进行低成本发电，以便获得更高的利润。显然高效率装置的投资成本会更高，因此向基于可再生能源的发电部门提供足够的资金支持，可以引导资金流向可再生能源方面转移，进而减少发电部门对化石燃料的依赖，温室气体的排放量也将进一步减少，化石燃料作为一次能源在生产环节重新分配，用于其他工业部门。目前上网电价的提出给高效率机组和可再生能源机组带来了效益最大化的可能性，政府可以充分利用上网电价机制来支持高效率的机组和可再生能源机组，从而使私营部门的成本得到一小部分补偿。假设该策略在整个规划周期内都是有效的，可以根据不同的负荷需求量制定不同的上网电价。
步骤2：在市场经济环境下，采用分时电价的工作机制，基于线性化技术对分时电价进行描述，为后续目标函数的构建提供重要的模型基础。
分时电价策略从长远来看将更有效地改变用户在高峰负荷时的行为。为了更好的将步骤1的可再生能源的规划并网工作中，首先针对分时电价模型进行了讨论分析，提出了基于分时电价的优化模型，该模型考虑小时负荷需求的最大增减量和最大小时负荷延迟，以降低总成本为目标，同时满足规划期内的负荷需求。
图2是长期规划背景下两阶段动态优化框架。需要指出的是，基于负载和价格弹性的模型可以简单地实现，但它们与两个主要缺陷有关。第一个问题涉及自弹性系数和交叉弹性系数的确定。第二个问题是在实施该两阶段动态优化框架后，即使得消费者购买的总能源成本最小，能源的持续消耗得不到保证。由于分时电价模型旨在改变消费时间行为，价格弹性模型将不能有效地满足这一目标，本发明采用的数学模型表达式如式(1)所示，
约束条件见式(2)-(5)
上述公式中，ND表示总的负荷节点数，NB表示负荷持续时间曲线的分块数，NT表示运行时间段，SRU表示向上的爬坡率，SRD表示向下的爬坡率，μ表示单位时间内允许负荷增加或减少的受限比例。l是负荷节点的索引，b是负荷曲线的分块索引，t是时间索引。
PD
不等式(2)表示了应用分时电价政策后负荷需求的最大变化。负荷的波动幅度用爬坡率(SRU、SRD)来表示，分别如式(3)和式(4)所示。
在步骤3中提出的两阶段动态扩展优化模型，主要涉及两个方面，一是规划阶段用于确定最优发电组合，即根据燃料类型和不同发电技术，选择最佳的发电组合来满足负荷需求，保证系统在满足不同时间尺度负荷需求的前提下成本和风险最小化；一是运行阶段用于确定最优运行点，通过设置各种目标函数，如减少排放、提高可靠性、降低风险等，保证系统的运行以最低的成本满足负荷需求。考虑到影响最佳工作点确定的变量可细分为两类：连续的和离散的。因此通过定义二进制变量来指定设备的运行状态，将提出的优化问题转换成一个混合整数线性规划问题，以便问题的描述和求解。
在步骤4中，动态扩展优化模型细分为规划阶段和运行阶段，其中规划阶段用于确定发电组合变量，运行阶段用于确定系统的运行变量，且发电组合变量直接影响运行节点，但从时段分析的角度出发又是相互独立的。
时间独立性是指在选择了某个设备后，其可用性状态在运行阶段不再是一个变量，二是作为一项可用资产使用。该设备在运行阶段可以使用，也可以不使用。因此，针对每个资产设备都设置两个二进制变量，一个应用于设计规划阶段，一个应用于运行阶段，两个变量虽然相互依赖但又相互独立。由此构建出如式(6)所示的目标函数。
Min TC＝INVC+OPC (6)
上式中，NY表示规划年度，NG表示总的发电机节点数，NB的含义同上文所述，NCU和NCL分别表示新增备选机组的总数和新增备选输电线路的总数，b的含义同上，i是发电节点的索引，k是设备单元的索引，j是输电线路的索引，y是年度索引，GI和TI分别表示发电单元和输电单元的投资成本，Gn和Ln分别表示发电单元和输电单元的投资状态，PL表示输电线路上流动的功率，PG表示发电单元的输出功率，OC表示运行成本，d表示利率，上标max,C表示待投运资产相关变量的上限值，DT
目标函数中的总投资成本(TC)由电源规划成本(INVC)和电网运行成本(OPC)两部分组成，且运行成本与机组的发电成本有关。其中电源规划的投资成本定义为主函数，因此主函数需要研究投资成本以及相关的约束条件。电网的运行成本定义为子函数，因此子函数用于评估现有发电机组的运行成本，以及有主函数确定的新增机组的运行成本。
在步骤5中，主函数的约束条件如下所示：
Gn
Ln
上式中，MTGI和MTTI分别表示发电和输电的最短安装时间，TGI和TTI分别表示发电和输电的最大投资预算，TGC和TTC分别表示发电和输电的最大扩容量，其他变量的含义同上文所述。
约束(7)和(8)分别与发电机组和输电线路建设所需的最小时间有关。这两个约束条件限制了新增机组和新增输电线路的投运时间。约束(9)和(10)表示发电和输电系统扩建投资的预算限制，约束(11)和(12)表示每年可增加的容量限制。
子函数的约束条件如下所示：
δ
上式中，δ表示母线电压相角，IG表示发电单元的运行状态，E和C分别是现有和备选新增资产的索引，NEU和NEL分别表示现有机组的总数和现有输电线路的总数，B表示输电线路的电纳值，α和β分别表示备用容量指数的最小值和最大值，max和min分别表示变量的最大值和最小值，IB表示总的激励预算值，M是一个数值非常大的常数。其他变量的含义同上文所述。
现有机组和备选新增机组的运行限制分别包含在约束(13)和约束(14)中。应该注意的是，已有设备的运行状态只需要设置一个二进制变量来描述，而新增待选的设备单元需要设置两个二进制变量，其中规划阶段用Gn
值得注意的是，如式(20)所示，参考总线的母线电压角被设置为0。式(21)为考虑新机组和输电线路的以小时为单位的功率平衡方程，该约束是电力系统研究中最重要的约束。不等式(22)表示发电装机容量年增长率的上界和下界。换句话说，系数α和β决定了计划范围内所需储备的下限和上限。式(23)给出了每个规划年各种预算均有一个年度限额，用IB
