一种面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法与流程

本发明属于电力系统和经济学的交叉领域，涉及一种面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法。

背景技术：

我国作为世界上能源消费和碳排放量最大的国家，推进能源革命任务尤其紧迫和艰巨，这不仅涉及对国际社会的庄严承诺，更关系到我国能否在新一轮技术革命中占据有利位置，实现经济结构和能源结构的成功转型，因此研究电源结构调整方法已经迫在眉睫。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

(1)3e系统各元素间两两耦合、相互协调，忽略经济与环境因素，孤立地讨论能源系统发展是片面的。

(2)电源结构规划模型从具体技术入手，将经济、环境因素作为边界条件给定，以简化对经济和环境的描述，规划方案的全面性及经济性较差，可持续发展的长期停留在概念上。

(3)宏观经济模型，集中地表现能源消费与经济、环境的关系，无法对电源规划的具体细节进行描述，不能保证方案的可行性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法，该方法实现3e系统中各元素的耦合，有效提高长期电源规划方案的全面性和技术可行性。

为达到上述目的，本发明所述的面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法包括以下步骤：

1)基于无限期动态经济增长理论，建立包含生产部门、环境部门、家庭及政府的多部门动态经济学增长模型，以描述经济增长过程及其对环境的影响，得政府环境支出；

2)构建电力系统内部及外部约束，以投资运行总费用最小为目标，建立集总电源规划模型，然后将集总电源规划模型作为能源的子模块纳入能源-经济-环境系统中，并以此计算电源环境效率；

3)基于松弛算法，以电源环境效率与政府环境支出为交互变量，实现多部门动态经济学增长模型与集总电源规划模型的耦合，并保证多部门动态经济学增长模型及集总电源规划模型收敛。

步骤1)的具体操作为：

11)搭建生产部门、环境部门、家庭及政府的多部门动态经济学增长模型，再根据极大似然估计对多部门动态经济学增长模型的参数进行校验；

12)以无限期社会效用最大化作为目标函数，将环境质量作为一种商品计入效用函数中，通过选择提升消费水平或环境质量，以实现个人效用的最大化，从而在多部门动态经济学增长模型中实现经济与环境之间的耦合；

13)通过无限期经济增长模型，对社会、经济、能源及环境在未来无限长时间内能够维持均衡增长的状态进行定量描述，结合无限期规划，以定量反映可持续发展的内在需求；

14)计算经济增长鞍点路径上各时期的均衡解，逐期分析宏观经济对电源规划方案的影响，实现动态增长过程中环境质量需求和经济持续增长的平衡，得政府环境支出。

步骤2)的具体操作为：

21)将电力电量需求数据作为边界条件实现能源和经济的耦合；

22)构建外部一次能源出力和政府环境支出约束、内部电力电量平衡及调峰调频备用约束，以投资费用和运行费用的等年值最小为目标，建立集总电源规划模型；

23)将集总电源规划模型作为能源的子模块纳入能源-经济-环境系统中，并以此计算电源环境效率。

步骤3)的具体操作为：

31)将电源环境效率及政府环境支出作为能源环境系统的交互变量，其中，电源环境效率直接反映电力系统在单位环境支出下可以减少的二氧化碳排放量，政府环境支出表示在设定环境效率下多部门动态经济学增长模型的最优解；

32)将政府环境支出作为清洁能源补贴传递到集总电源规划模型中，以换取环境的减排，集总电源规划模型在政府环境支出的约束下，投建新能源，模拟电力系统运行，同时计算得到电源环境效率最大的解并返回至多部门动态经济学增长模型中，实现集总电源规划模型与多部门动态经济学增长模型的耦合。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法在具体操作时，通过建立包含生产部门、环境部门、家庭及政府的多部门动态经济学增长模型，以描述经济增长过程及其对环境的影响，避免孤立地讨论能源系统的发展，另外，以建立集总电源规划模型，然后将集总电源规划模型作为能源的子模块纳入能源-经济-环境系统中，并以电源环境效率及政府环境支出为交互变量，实现多部门动态经济学增长模型与集总电源规划模型的耦合，进而实现3e系统的构建，有效提高长期电源规划方案的全面性，可行性较高。

附图说明

图1为本发明中面向3e系统的电源结构的规划流程图；

图2为本发明中的最优经济增长轨迹及其转移过程图；

图3为本发明中的电源结构图；

图4为本发明中电力行业的二氧化碳排放轨迹图；

图5为本发明中政府环境支出对gdp的影响图；

图6为本发明中的迭代收敛图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明面向能源-经济-环境系统的电源结构演化方法在具体操作时分为三个部分，即上层动态经济模型、下层集总电源结构规划模型及用于模型迭代收敛的协调层。

a:上层动态经济模型

(1)建立包含生产部门、环境部门、家庭及政府的多部门动态经济学增长模型。

1、生产部门：采用cobb-douglas型函数描述厂商的产出过程，其方程表述为：，

其中，yt为厂商的产出，kt为资本存量，kt>0，at代表技术水平，lt代表劳动力人口，atlt代表有效劳动力，α为生产弹性系数，0<α<1，yt代表人均产出，kt代表人均资本存量，yt及kt的动态方程为：

将式(2)的两边同时除lt，得

k′t＝yt-ct-govt-(n+δ)kt(3)

其中，n为人口增长率，g为技术进步率，δ为资产折旧率，govt为产出的百分比，govt为：

其中，φ为环境支出占gdp的比例，0≤φ≤renv，0<ct<yt，yt>0，ct>0，renv为最大环境支出占gdp的比例，δ为折旧率。

2、环境部门：将污染视为生产过程中的副产品，则污染存量与gdp成正比，污染存量与环境支出成反比，环境部门可表示为：

式(5)为环境-经济的耦合方程，式(5)表示生产过程中产生的污染yt·zt与政府环境治理效率govtσt和环境自我净化能力ηpt的差值，其中，zt表示碳排放强度，govt为政府环境支出，govt通过下层电源规划及生产模拟得到，η为环境自我净化速率，pt表示污染物存量，pt>0，σt表示电源环境效率，σt由下层模型模拟得到，σt表示在电力行业中单位环境支出可以减少的二氧化碳排放量，σt由底层电气相关技术发展水平决定。

3、代表性家庭：采用常相对风险规避函数，将环境质量作为一种商品计入效用函数，即

其中，u(c,p)为瞬时效用函数，θ和ω分别代表消费及污染的跨区弹性系数，l为劳动力人口，wt为家庭单位劳动收入，ρ为主观贴现率，污染越严重，pt值越大，环境质量越差，居民通过最大化个人效用可实现经济和环境的耦合。

(2)以无限期社会效用最大化作为目标函数，考虑人均消费及环境质量，结合无限期规划，以反映可持续发展的内在需求；

(3)将约束条件以乘子形式写入上述目标函数，通过拉格朗日函数求解动态经济学模型，得拉格朗日函数为：

其中，和分别为hamilton乘子及拉格朗日乘子，在求解过程中需要将其换成现值，设λi,t为现值hamilton乘子μi,t现值拉格朗日乘子，b等于劳动力初始值l0，β＝ρ-n，根据动态经济学理论，动态经济学模型的最优性条件为：

根据边值条件，由于kt不等于0，则μ6,t＝0，μ4,t＝0；当ct＝0，只要ct增加一点就可以改善效益，则有μ5,t＝0，即稻田条件；由于污染存量pt>0，则μ1,t＝0，计算过程中，当ct＝0，kt＝0，pt＝0时，通过打靶法求微分方程解边值问题时，这几种情况会被自然避免掉，因此μ1,t＝0，μ4,t＝0，μ5＝0，μ6,t＝0成立；

(4)采用中国实际经济数据，校准动态经济学模型的参数；

(5)通过对最优化条件及极大值原理，求解上述方程的均衡态，并证明过渡过程的稳定性；

(6)以中国实际资本存量k0为参考，选取初始消费c0带入微分方程中，通过打靶法求解最优消费及资本路径，并判断是否满足边值条件，当不满足时，则选取其他值赋值给c0，开始下一次循环直到满足边值条件；

(7)输出经济增长动态轨迹，并将政府环境支出传递给下层模型。

图2为采用中国实际参数校准后计算得到的鞍点路径及其转移过程，设用于电气的最大环境支出占gdp的比例为renv，当φ＝0和φ＝renv时，模型存在两个不同的稳态，最优轨迹在两个稳态的鞍点路径间变化，图2中圆形标识为经济运行的鞍点轨迹，虚线为均衡点附件线性化路径。

b:下层集中电压规划模型

(1)集总电源规划模型将每类电源作为整体考虑，以投建费用和运行费用最小为目标，其目标函数为：

vg,t＝xg,t+1-xg,t(17)

其中，g为机组的类型集合，f^id为投建运行费用总和，f^inv、f^op及f^mai分别表示投建费用、运行费用及维护费用，c^inv表示单位容量投资费用，c^mai为单位容量固定运行维护费用之和，c^op为可变运行费用，t^lifeg表示第g类电源的生命周期，th^inv为规划水平年，vg,t为第t时段投建的第g类电源的数量，og,t为第t时段平均运行的第g类电源数量，xg,t为第t时段已建电源中第g类电源的数量，hg,t为第g类电源的年利用小时数，p^maxg为第g类机组的容量，crf为资金回收因子，ρ为贴现率。

(2)建立检修、投建能力、可靠性、一次能源、调峰调频备用、机组出力平均水平及环境支出的约束，分别表示为：

0≤og,t≤rg,txg,t(18)

(3)在没有环境支出的情况下，求解电源规划程序，得基准状态下的电源结构方案；

(4)加入环境支出约束，输出电源结构方案，同时计算电源环境效率并传递给协调层。

图3为环境支出比例占gdp比0.5％时的电源结构方案，其中，从1990年到2040年火电比例将从68.1％逐渐下降到55.6％，在电源规划的早期，其他电源成本较高，火电和水电几乎是电源规划的唯一选择，2000年以后，核电竞争力逐渐增强，并保持了相对稳定的增长速度，最终其份额将稳定在7％至10％之间。

图4为不同政府环境支出比例下，电力行业的二氧化碳排放轨迹。中国在巴黎协议“国家自主贡献”中提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值，为了满足该目标环境支出gdp占比维持在0.67％左右。

从图5中可以看出，环境支出在前期对宏观经济的影响程度比较明显，而后期逐渐减小，整体上，电力行业的支出对经济影响较小，对gdp造成的最大影响约为0.3％。

c:协调层

(1)松弛电源规划模型中的新能源调峰调频约束，即式(23)和式(24)，由下层问题得电源环境效率的上界σ^supt。

(2)松弛经济增长模型中的环境部门相关约束，即式(5)，由于没有环境支出，其产出将大于有环境支出的情况，将φt与yt相乘得政府投资的上界gov^supt。

(3)通过松弛问题计算电源环境效率上界，使得底层实际电源环境效率σ^dt尽量靠近上界σ^supt，其中，松弛问题为：

其中，和分别为盈余和赤字变量，σ^dt表示由底层传递到协调层的电源环境效率，σ^dt由电源规划模型求出，gov^dt表示由底层传递到协调层的政府环境支出，gov^dt等于govt，设为式(28)的对偶变量，表示当政府环境支出变化1时，所引起的实际电源环境效率及其上界差值的变化。

(4)令gov^ut为协调层修正后的政府环境支出，gov^ut表示要使得电源环境效率与给定上界相等，政府环境支出的值为：

由于上层govt受限，φt在0至renv之间变动，因此govt并不能完全等于gov^ut，只能决定投建时间并使得两者尽量接近。

(5)在相同环境投资时刻表下，求最接近于实际电源环境效率σ^dt的σ^ut解返回上层，即

min|σ^ut-σ^dt|(33)

aux^ugov,τ＝auxid,τ(37)

τ∈{t|auxid,t+aux^dgov,t＝1}(38)

其中，auxid,t表示修正后的环境支出表，aux^dgov,t表示由σ^dt按极大值原理计算得到的环境支出表，λ1,t及λ2,t为式(13)中的现值hamilton乘子，τ表示修正后的环境支出表相对aux^dgov,t状态不一致的时间点；

(6)根据极大值原理，以传递到上层的σ^ut及底层计算得到的σ^dt差值最小为目标计算电源环境效率，选择最接近于实际电源环境效率σ^dt的解返回上层；

(7)将σ^uτ传递给上层动态增长模型后，开启下一轮迭代，当下层电源环境效率σ^dt稳定后，判断是否满足收敛条件式(39)；

|σ^supt-σ^dt|≤ζ(39)

σ^supt＝σ^supt-sign(σ^supt-σ^dt)·δσ(40)

其中，ζ为预设的数值，判断σ^supt-σ^dt是否小于预先设定的数值ζ，当收敛条件满足时，停止迭代，当不满足时，根据式(40)修正上界，然后继续迭代，直到收敛条件满足为止。

协调层通过改变govt的值，使σ^dt尽量靠近给定的上界σ^supt，然后通过梯度法修改上界，最终使得上下界相等模型收敛。

图6为迭代收敛过程，反映到电源环境效率中，随着迭代次数增加，电源环境效率从给定上界逐渐收敛于真实值。