基于多阶段随机规划的中国未来电源结构研究

张莎莎

摘 要: 作为“碳达峰”，“碳中和”目标的重要组成部分，电力系统的低碳改造一直是中国能源行业的关键问题。为了更好地实现能源资源的优化配置，顺利实现低碳目标，基于多阶段随机规划和多区域电力结构规划，建立了中国未来电力结构规划模型。以规划期内期望总成本最小化为目标，对多个方面的电力平衡和约束条件、负荷平衡、区域互联进行建模，并引入了在多个场景中产生不确定性规划结果所需的顺序决策意外约束条件，以分别达到最优，更好地模拟决策过程的未来发展。考虑到中国未来负荷和用电量增长的不确定性，本文规划了2020年至2060年中国装机发电结构和发电结构，预测和分析了中国未来电力供应的发展和演变。

关键词: 电源结构； 多阶段随机规划； 不确定性； 序贯决策

0 引 言

随着经济的快速增长和再电气化进程的加快，人们对电力的需求日益增加。例如，盲目增加化石能源电力供应，会带来环境污染、能源危机等一系列问题。作为能源生产和消费大国，中国将引领低碳、清洁能源的全球潮流。中国政府提出了“双碳目标”，要求建立“以新能源为主体的新能源体系”，大力减少化石能源消耗，努力开发新能源。

目前，我国电力供应结构仍以燃煤发电为主。以风力发电、光伏发电为代表的新能源发展迅速，比重快速上升。随着电力装机结构的迅速变化，如何满足社会经济快速发展对电力的需求是电力工业发展面临的最重要的问题。建立合理的电力发展演化模型，可以为我国电力发展提供有益的帮助。

本文的创新之处主要体现在以下几个方面：1）在分区规划模型的基础上，运用多阶段随机规划方法对我国发电结构和区域间输电能力的长期发展进行优化。此外，多阶段随机规划能更好地模拟中国未来的投资建设决策和供电发展，使规划结果更具参考价值。2） 该模型考虑了可再生能源的反调峰特性，并将其作为约束条件反映出来，因此该模型可以应用于未来新电力系统中可再生能源高渗透性的场景；3） 运用系统工程领域的情景分析方法，研究了不确定性条件下中国未来的电力供应结构，得出了负荷需求和用电量不确定性条件下2020-2060年中国电力工业的供电发展规划结果，并分析了不确定性因素的影响，并对我国未来的供电发展道路提出了建议。

1规划模型及方法

1. 1 场景生成和削减

本文采用多场景技术来描述各种实现过程的不确定性。将一组不同的场景从时间尺度上构造成一个树形结构，称为场景树。贯穿整个时间范围的场景是场景树的一个分支，它的一些节点代表场景的每个阶段。场景树的构造是多阶段随机规划的基础。

本文采用蒙特卡罗模拟法对不确定度进行随机抽样，生成各阶段的不确定度值。为了保证场景树能够尽可能准确地描述不确定性的实现过程，往往需要生成大量的场景。然而，场景的大量生成会带来两个问题:

1.1.1在多阶段场景生成中，每个阶段生成的场景数量的增加会导致最终场景数量呈指数级增长，从而导致维数灾难和计算难度；

1.1.2许多场景会有相似甚至相同的场景，通常称为冗余场景。冗余场景增加了计算负担。因此，场景约简对于在保持原始信息的基础上减少计算量具有重要意义。聚类方法被广泛应用于场景还原中。针对场景约简等具体问题，设计了一种基于聚类的场景约简算法，并将其应用于随机规划领域。

2 中国 2020—2060 年电源结构

将中国电网依据传统一般划分为七个区域。区域划分及区域之间的传输通道连接如图 1 所示。

 

负荷和用电量是电力系统规划的边界条件，对规划结果有重要影响。然而，负荷和用电量会受到经济、人口、技术等方面的影响，产生不确定性，使预测值存在偏差。随着时间的推移，负荷和电力消耗的准确性将降低。因此，负荷和用电量的不确定性是长期规划中需要考虑的关键因素。本文考虑了负荷和功耗增长的不确定性多阶段随机规划模型用于电力结构和潮流的多阶段随机规划。

2035年前的负荷和用电量预测数据参考国家电网经济技术研究院有限责任公司牵头的研究项目“中长期电网研究”。2035年至2060年各地区的负荷和用电量增长率与2030年至2035年相同，考虑年负荷和电力增长率的误差服从标准正态分布。使用蒙特卡罗模拟方法生成场景，然后使用场景缩减算法减少场景数量。在场景简化算法中，收敛阈值随时间一起设置

结 论

基于多阶段随机规划方法，建立了多区域电力结构规划模型，考虑了未来发展过程中负荷和用电量的不确定性，对2020 - 2060年我国供电的电力结构进行了优化。根据本文的研究内容，得出以下结论:

1 本文的模型是一个多阶段序列决策过程。随着不确定性的实现，决策变量的值逐渐确定，在未来的发展过程中得到的结果更符合实际的决策过程，因此本文的结果具有一定的参考价值；

2 2030年后，中国的电力安装结构和发电结构将发生快速变化。大规模发展风能、光伏、海上风电等可再生能源，大规模配置储能；

3发电碳排放量持续下降，2060年碳排放量仅为2020年的15% ~ 25%，具有显著的清洁替代效应；

4不同负荷和用电量的发展对热、电、电的发展影响较小，对可再生能源的发展影响较大；

5 中国跨区域潮流继续增加，区域互联的作用将继续加强。本文的后续研究可以从其他不确定性入手，进一步考虑成本变化和碳排放限制对未来供电结构的影响。然后为我国电力供应的未来发展提出更全面的建议。

参考文献

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