雷 濤，鞠立偉，彭道鑫，秦 超，董安有，譚忠富

(華北電力大學(xué)能源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境研究所，北京102206)

0 引言

碳排放權(quán)交易的引入能夠促進(jìn)具有清潔特性的風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的節(jié)能減排。但受制于風(fēng)電出力隨機(jī)性和間歇性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大的沖擊。儲(chǔ)能系統(tǒng)可充放電特性，能夠平滑風(fēng)電輸出功率，抑制功率波動(dòng)，并為風(fēng)電并網(wǎng)提供備用服務(wù)。因此，研究考慮碳排放權(quán)交易下的風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題對(duì)于提升電力系統(tǒng)風(fēng)電消納能力有著重要的作用。

文獻(xiàn)［1］提出了將碳排放視為依附于潮流而存在的虛擬網(wǎng)絡(luò)流，結(jié)合了碳排放與電力潮流分析，并構(gòu)建了電力系統(tǒng)碳排放流的理念和理論框架。文獻(xiàn)［2，3］研究了電力跨區(qū)輸送的碳排放產(chǎn)權(quán)界定問(wèn)題，基于構(gòu)建的碳流追蹤數(shù)學(xué)模型，提出了以公平性為基礎(chǔ)的分?jǐn)傇瓌t。文獻(xiàn)［4－7］探討了碳排放權(quán)的交易問(wèn)題，在保證系統(tǒng)負(fù)荷需求的前提下，考慮碳排放權(quán)交易成本后可有效控制CO2排放總量。風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入，能夠有效的降低碳排放。風(fēng)能資源具有隨機(jī)性、間歇性和預(yù)測(cè)精度低等特點(diǎn)［8］，風(fēng)電的特點(diǎn)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠電源需求背道而馳，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何控制風(fēng)電接入電力系統(tǒng)時(shí)的功率特性［9］，近年來(lái)風(fēng)電儲(chǔ)能混合系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行［10－11］給這一問(wèn)題提供了有效的途徑，文獻(xiàn)［12］對(duì)風(fēng)電儲(chǔ)能混合系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題，建立了多時(shí)間尺度下的混合系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度模型。能在線安排風(fēng)電出力以及儲(chǔ)能出力，具有實(shí)際的可操作性，可為系統(tǒng)運(yùn)行人員提供風(fēng)電儲(chǔ)能混合系統(tǒng)具體的調(diào)度出力信息。文獻(xiàn)［13，14］考慮了具體的儲(chǔ)能措施，通過(guò)風(fēng)電和抽水蓄能的結(jié)合，建立了混合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的兩階段動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。

綜合上述分析，本文基于傳統(tǒng)風(fēng)火電節(jié)能調(diào)度優(yōu)化模型，引入碳排放權(quán)交易和儲(chǔ)能系統(tǒng)，逐步構(gòu)建了碳交易、儲(chǔ)能系統(tǒng)及兩者共同參與下的系統(tǒng)風(fēng)電消納優(yōu)化模型，并以10 臺(tái)火電機(jī)組和裝機(jī)容量為2 800 MW 的風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)成模擬仿真系統(tǒng)，對(duì)比分析了碳交易、儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提升系統(tǒng)消納風(fēng)電的影響。

1 風(fēng)火電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型

風(fēng)火電優(yōu)化調(diào)度的目的是為了提升系統(tǒng)消納風(fēng)電能力，但若過(guò)分地追求風(fēng)電消納水平，有可能需要更多的火電機(jī)組頻繁調(diào)整出力進(jìn)行調(diào)峰，甚至增加火電機(jī)組的啟停次數(shù)。如此，風(fēng)電的發(fā)電上網(wǎng)電量雖然有所保證，但系統(tǒng)中發(fā)電煤耗量有可能上升。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電的能源效益最優(yōu)，以系統(tǒng)發(fā)電收益最大為目標(biāo)，構(gòu)建風(fēng)火電聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型，具體目標(biāo)函數(shù)如下

式中:πw為風(fēng)電場(chǎng)的利潤(rùn);πc為火電機(jī)組的總利潤(rùn)。其中，風(fēng)電場(chǎng)的利潤(rùn)如下式所示

火電機(jī)組的利潤(rùn)如下式所示

式中:pc為送電區(qū)域內(nèi)火電的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià);Qi，t為火電機(jī)組i 在t 時(shí)刻的實(shí)時(shí)發(fā)電功率;θc，i為火電機(jī)組i 的廠用電率;Cfuel為發(fā)電燃料成本;OMc，i為火電機(jī)組i 的運(yùn)維成本;Dc，i為火電機(jī)組i 折舊成本。

火電機(jī)組的發(fā)電燃料成本主要為燃煤與燃油的成本，如下式所示

式中:pcoal為標(biāo)煤的采購(gòu)價(jià)格;ui，tfi(Qi，t)為火電機(jī)組運(yùn)行期間的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量;ui，t為啟停因子，當(dāng)火電機(jī)組停機(jī)，即ui，t= 0 時(shí)發(fā)電煤耗為0;當(dāng)火電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，即ui，t= 1 時(shí)，煤耗量由機(jī)組的耗量特性函數(shù)fi(·)與機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電出力Qi，t所決定。機(jī)組的煤耗量與發(fā)電出力之間的關(guān)系一般以二次函數(shù)的形式表示。即

式中:ai、bi、ci均為煤耗函數(shù)的相關(guān)參數(shù)，均大于0;ui，t(1－ ui，t－1)SUi為火電機(jī)組在t 時(shí)刻的啟動(dòng)成本，當(dāng)且僅當(dāng)ui，t= 1，ui，t－1= 0 時(shí)不為零;SUi為機(jī)組單次啟動(dòng)的成本，包括燃煤與燃油的成本費(fèi)用。ui，t－1(1－ ui，t)SDi為火電機(jī)組在t 時(shí)刻的停機(jī)成本，當(dāng)且僅當(dāng)ui，t－1= 1，ui，t= 0 時(shí)不為零。SDi為機(jī)組單次停機(jī)的成本，包括燃煤與燃油的成本費(fèi)用。

(1)系統(tǒng)供需平衡約束

式中:Gt為系統(tǒng)負(fù)荷需求量;l 為輸電網(wǎng)損。

(2)系統(tǒng)發(fā)電備用約束

發(fā)電側(cè)或者需求側(cè)在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中可能出現(xiàn)一些波動(dòng)，為了保證系統(tǒng)功率的實(shí)時(shí)平衡，發(fā)電出力有必要滿足一定的調(diào)整裕度，通過(guò)實(shí)時(shí)增加或者降低發(fā)電出力保證系統(tǒng)的平衡。

(3)火電機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電功率約束

火電發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電出力受到機(jī)組裝機(jī)容量與最小發(fā)電出力的限制，如下所示:

(4)機(jī)組爬坡速率約束

受技術(shù)工藝的影響，相鄰時(shí)間段內(nèi)機(jī)組的發(fā)電出力變化有所約束，實(shí)時(shí)出力增量與減量滿足:

(5)機(jī)組啟停時(shí)間約束

發(fā)電機(jī)組頻繁的啟停將損害機(jī)組的性能，同時(shí)造成大量的機(jī)組啟停燃料消耗，成本巨大，因此對(duì)機(jī)組的連續(xù)啟停時(shí)間作如下約束:

(6)風(fēng)電出力約束

風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)功率輸出受風(fēng)電場(chǎng)的來(lái)風(fēng)量約束，滿足:

式中:δt為風(fēng)電場(chǎng)在t 時(shí)段的等效利用效率;Pw為風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量。

2 碳交易協(xié)助風(fēng)電消納優(yōu)化模型

碳交易引入后，火電機(jī)組發(fā)電邊際成本將由發(fā)電成本和發(fā)電碳排放成本構(gòu)成，但由于各機(jī)組發(fā)電的碳排放系數(shù)不盡相同，故碳交易機(jī)制的引入會(huì)改變?cè)谢痣姍C(jī)組的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃，為實(shí)現(xiàn)碳交易機(jī)制下系統(tǒng)整體利益的最大化，仍以火電與風(fēng)電的利潤(rùn)最大化為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型:

其中，火電機(jī)組的利潤(rùn)πc滿足:

式中:pc為送電區(qū)域內(nèi)火電的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià);θc，i為火電機(jī)組i 的廠用電率;OMc，i為火電機(jī)組i 的運(yùn)維成本;Dc，i為火電機(jī)組i 的折舊成本。

碳交易機(jī)制通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段將環(huán)境價(jià)值以成本的形式嵌入電力生產(chǎn)之中。在不考慮碳交易機(jī)制的情景下，火電機(jī)組發(fā)電的變動(dòng)成本主要包括燃煤成本、燃油成本和用水成本等，而在碳交易機(jī)制下，如果火電機(jī)組的發(fā)電所排放的二氧化碳量高于其初始分配的配額水平，則火電機(jī)組需從碳交易市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)碳排放權(quán)以滿足其生產(chǎn)的需求，在碳排放機(jī)制下，火電的變動(dòng)成本為

式中:Cfuel為燃料成本;為碳排放的成本。

火電機(jī)組發(fā)電的碳排放成本如下:

火電機(jī)組的實(shí)際碳排放量與各機(jī)組時(shí)段的發(fā)電負(fù)載率相關(guān)，一般而言，機(jī)組電力生產(chǎn)的實(shí)時(shí)碳排放可以擬合成二次函數(shù):

式中:aco2，i、bco2，i、cco2，i均為碳排放函數(shù)的相關(guān)參數(shù)。

那么，系統(tǒng)的總排放量為

系統(tǒng)發(fā)電備用約束、火電機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電功率約束、機(jī)組爬坡速率約束、機(jī)組啟停時(shí)間約束和風(fēng)電出力約束見(jiàn)公式(7)～(17)所示。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)助風(fēng)電消納優(yōu)化模型

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)具有電源與負(fù)荷的雙重特性。在夜間風(fēng)電出力較高的時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為負(fù)荷將電能轉(zhuǎn)換成其它能量形式儲(chǔ)存起來(lái);在日間負(fù)荷高峰時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以作為電源釋放電能以滿足系統(tǒng)負(fù)荷的需求。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程受儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的約束。假設(shè)t 時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)存的電量為Qs，t，那么儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率均衡滿足:

儲(chǔ)能系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)充放電量受儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的技術(shù)工藝約束，滿足:

另外，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存電量也受儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)存上限約束，滿足:

3.2 計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電消納模型

在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)后，系統(tǒng)的利益相關(guān)方除了風(fēng)電與火電以外，還包括儲(chǔ)能系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)整體效益的最大化，以三者的利潤(rùn)最大化為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

式中:πs為儲(chǔ)能系統(tǒng)的利潤(rùn)，其利潤(rùn)水平與充放電電價(jià)、充放電量以及固定成本費(fèi)用相關(guān)。

式中:ps，char為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電價(jià);ps，disc為儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電價(jià)格;Fs為儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定成本。

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其累計(jì)充電量與累計(jì)放電量之間滿足:

因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)盈利，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電價(jià)格之間需滿足:

風(fēng)電、火電出力、儲(chǔ)能充放電功率與系統(tǒng)負(fù)荷之間須滿足:

系統(tǒng)發(fā)電備用約束、火電機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電功率約束、機(jī)組爬坡速率約束、機(jī)組啟停時(shí)間約束和風(fēng)電出力約束見(jiàn)公式(7)～(17)所示。

4 碳交易與儲(chǔ)能協(xié)助風(fēng)電消納優(yōu)化模型

發(fā)電側(cè)促進(jìn)風(fēng)電消納的組合途徑優(yōu)化涉及風(fēng)電、火電與儲(chǔ)能系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以整體利潤(rùn)最大化為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)。

式中:火電機(jī)組的利潤(rùn)πc受煤炭消耗量、煤炭?jī)r(jià)格、碳排放量、碳排放價(jià)格等因素的影響，表達(dá)式如下:

式中:碳排放成本受碳排放權(quán)的初始分配量以及碳排放價(jià)格的約束。

風(fēng)電實(shí)時(shí)出力、火電實(shí)時(shí)出力、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率與系統(tǒng)負(fù)荷之間滿足:

系統(tǒng)發(fā)電備用約束、火電機(jī)組的實(shí)時(shí)發(fā)電功率約束、機(jī)組爬坡速率約束、機(jī)組啟停時(shí)間約束和風(fēng)電出力約束見(jiàn)公式(7)～(17)所示。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了對(duì)所提模型進(jìn)行算例仿真，本文選用10臺(tái)火電機(jī)組和2 800 MW 的風(fēng)電裝機(jī)容量構(gòu)成仿真系統(tǒng)，火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)參照文獻(xiàn)［15］所示。參照文獻(xiàn)［15］，選用典型負(fù)荷日系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)電可用出力數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表1所示。設(shè)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為540 元/MW·h，運(yùn)維與折舊成本為600 萬(wàn)元;火電上網(wǎng)電價(jià)為380 元/ MW·h。折合標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為800 元/ t。

表1 風(fēng)電機(jī)組等效利用率Tab.1 Equivalent utilization of wind power units

5.2 算例結(jié)果

借助GAMs 軟件分別求解在系統(tǒng)利潤(rùn)最大化目標(biāo)下的碳交易和儲(chǔ)能系統(tǒng)參與前后的風(fēng)火電調(diào)度優(yōu)化模型。

(1)碳交易對(duì)風(fēng)電消納的影響

為研究不同碳排放價(jià)格對(duì)風(fēng)電消納的影響，設(shè)置3 個(gè)碳排放機(jī)制情景進(jìn)行研究:情景1 為不考慮碳交易情景，即不征收碳排放費(fèi)用;情景2 為超出初始碳排放權(quán)部分的碳排放量征收80 元/t排放費(fèi)用;情景3 為超出初始碳排放權(quán)部分的碳排放量征收100 元/t 排放費(fèi)用。

情景 1 下所有機(jī)組的碳排放總量為29 079.7 t，若按排放量的98%分配碳排放權(quán)，則火電機(jī)組獲得的初始碳排放權(quán)為28 498.1 t;基于此對(duì)不同碳排放機(jī)制情景下的風(fēng)電消納模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 不同情景下電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Dispatching optimization result of power system under different scenarios

對(duì)比上述三種情景可知，碳交易價(jià)格的逐步提升會(huì)提升風(fēng)電并網(wǎng)電量，降低棄風(fēng)量。碳交易機(jī)制引入前(情景1)，風(fēng)電的發(fā)電量為18 407.1 MW·h;碳交易機(jī)制引入后，在碳交易價(jià)格為80元/t 時(shí)，風(fēng)電發(fā)電量增加至18 413.6 MW·h，上升幅度較小;在碳交易價(jià)格為100 元/t 時(shí)，風(fēng)電的發(fā)電量增加至18 896.9 MW·h，棄風(fēng)率同時(shí)下降至14.7%。圖1 為不同碳交易價(jià)格下火電機(jī)組發(fā)電量對(duì)比結(jié)果。

對(duì)于火電機(jī)組而言，由于碳交易機(jī)制的引入火電機(jī)組的邊際發(fā)電成本發(fā)生變化，火電機(jī)組發(fā)電的市場(chǎng)格局也將隨之發(fā)生變化。例如，2 號(hào)和3號(hào)機(jī)組的發(fā)電碳排放系數(shù)較高，故碳交易的引入降低了其發(fā)電電量，5 號(hào)機(jī)組的發(fā)電碳排放系數(shù)較低，碳交易引入后，發(fā)電量有所提升。從整體來(lái)看，為了滿足系統(tǒng)供需平衡約束、機(jī)組備用約束、機(jī)組出力約束，火電機(jī)組發(fā)電結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)顯著的變化規(guī)律。

圖1 不同碳交易價(jià)格下火電機(jī)組發(fā)電量對(duì)比Fig.1 Conparison of thermal power generation under different carbon prices

(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電消納的影響

為研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電消納的促進(jìn)作用，按系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)量劃分成0 個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)、1 個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)以及2 個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)三個(gè)情景進(jìn)行優(yōu)化。不同情景下的優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入以及規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的棄風(fēng)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，機(jī)組利用效率逐步提高。在不含儲(chǔ)能系統(tǒng)的情景下，風(fēng)電的棄風(fēng)率為16.9%;當(dāng)系統(tǒng)接入20 MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電棄風(fēng)率下降至16.3%，上網(wǎng)電量增加135.0 MW;當(dāng)系統(tǒng)接入40 MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電棄風(fēng)率下降至15.9%，上網(wǎng)電量增加213.5 MW。

隨著風(fēng)電的棄風(fēng)率下降，火電機(jī)組上網(wǎng)電量占比呈下降趨勢(shì)，同時(shí)其供電煤耗率也有一定的提高。在不含儲(chǔ)能系統(tǒng)的情景下，火電的供電煤耗率為343.5 kg/MW·h;當(dāng)系統(tǒng)接入20 MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)后，火電的供電煤耗率為344.3 kg/MW·h，提高了0.8 kg/MW·h;當(dāng)系統(tǒng)接入40 MW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)后，火電的供電煤耗率為344.6 kg/MW·h，提高了1.1 kg/MW·h。

表3 不同情景下電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Dispatching optimization result of power system under different scenarios

從系統(tǒng)利潤(rùn)水平來(lái)看，儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后整體利潤(rùn)呈下降趨勢(shì)，這是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本過(guò)高，尚不具備大規(guī)模商業(yè)推廣的條件。在政策層面，中國(guó)政策已經(jīng)逐步關(guān)注大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，但仍缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及財(cái)政補(bǔ)貼等實(shí)質(zhì)性的支持。在經(jīng)濟(jì)效益層面，除了抽水蓄能電站能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益外，其他儲(chǔ)能技術(shù)均受投資成本過(guò)高與儲(chǔ)能電價(jià)機(jī)制缺失的約束。中國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，從目前的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，價(jià)格機(jī)制及投資成本所帶來(lái)的挑戰(zhàn)要多于機(jī)遇因素。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著價(jià)格機(jī)制的建立與儲(chǔ)能技術(shù)的成熟，中國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?/p>

(3)碳交易與儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電消納的影響

為對(duì)比不同消納途徑組合形式下風(fēng)電消納水平的高低狀況，按照發(fā)電側(cè)協(xié)助風(fēng)電消納途徑的組合形式劃分為4 個(gè)情景進(jìn)行分析。情景1 為風(fēng)電與火電的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化;情景2 為風(fēng)電、火電以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化;情景3 為碳交易機(jī)制下風(fēng)電與火電的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化;情景4 則為碳交易機(jī)制下風(fēng)電、火電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化。利用GAMS 軟件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 不同情景下電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Dispatching optimization result of power system under different scenarios

對(duì)于風(fēng)電而言，當(dāng)系統(tǒng)中僅有火電機(jī)組與其聯(lián)合運(yùn)營(yíng)時(shí)，風(fēng)電的棄風(fēng)率為16.9%;而隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)或者碳交易機(jī)制的引入，風(fēng)電棄風(fēng)率有不同程度的下降;而當(dāng)兩者共同協(xié)助風(fēng)電消納時(shí)，風(fēng)電的棄風(fēng)率進(jìn)一步下降至14.4%。對(duì)于火電而言，火電機(jī)組的發(fā)電量隨著風(fēng)電上網(wǎng)電量的增加呈下降趨勢(shì)，上網(wǎng)電量占比則同步下降。

從系統(tǒng)的整體利潤(rùn)來(lái)看，在含儲(chǔ)能系統(tǒng)的情景中，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的固定成本費(fèi)用較高，因此利潤(rùn)水平相對(duì)于不含儲(chǔ)能系統(tǒng)的情景有所降低。就儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，在情景4 中其實(shí)時(shí)充放電功率與系統(tǒng)電能儲(chǔ)量狀況如圖2所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總充電量為488.1 MW·h，總放電量為346.9 MW·h，期末系統(tǒng)儲(chǔ)量為80 MW·h。根據(jù)式(27)可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總利潤(rùn)為－34.8 萬(wàn)元，其中充放電過(guò)程的收益為1.2 萬(wàn)元，固定成本為36 萬(wàn)元。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Charge and discharge optimization result of energy storage system

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，如果要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化時(shí)段內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，那么儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)在優(yōu)化期末將儲(chǔ)存的電能全部釋放，通過(guò)出售儲(chǔ)存的電能獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。然而，為了降低風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，儲(chǔ)能系統(tǒng)往往根據(jù)風(fēng)電出力的升、降分別進(jìn)行充、放電決策，如此減少火電調(diào)峰的壓力。如圖3 示，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電時(shí)間大多處于風(fēng)電出力上升時(shí)期，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電時(shí)間則大多處于風(fēng)電出力下降階段。

關(guān)于系統(tǒng)發(fā)電的碳排放水平，情景3 下火電機(jī)組的碳排放總量為28 765.3 t，相對(duì)于碳排放初始分配限額增加了267.2 t，需征收2.67 萬(wàn)元的碳排放費(fèi)用;而情景4 下火電機(jī)組的碳排放總量為28 685.4 t，相對(duì)于碳排放初始分配限額增加了187.3 t，需征收1.87 萬(wàn)元的碳排放費(fèi)用。

綜合以上分析，碳交易和儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入能夠提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力，增加風(fēng)電發(fā)電效益，降低系統(tǒng)火電發(fā)電量和發(fā)電煤耗。但由于當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置成本仍舊相對(duì)較高，儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入會(huì)降低系統(tǒng)發(fā)電利潤(rùn)。就本文算例而言，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的總充電量為488.1 MW·h 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總利潤(rùn)為－34.8 萬(wàn)元。

圖3 風(fēng)電出力與儲(chǔ)能充放電功率對(duì)比Fig.3 Comparison of wind power output and charge-discharge power of energy storage system

6 結(jié)論

為了促進(jìn)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)，本文引入了碳排放權(quán)交易，提升了風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為了緩解風(fēng)電出力隨機(jī)性、間歇性對(duì)系統(tǒng)消納風(fēng)電影響，論文引入儲(chǔ)能系統(tǒng)為風(fēng)電并網(wǎng)提供備用服務(wù)，構(gòu)建了計(jì)及碳排放權(quán)交易的風(fēng)電儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型并進(jìn)行了算例仿真，結(jié)果顯示:

(1)碳交易的引入能夠提升風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，將自身的清潔特性轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)價(jià)值，增加風(fēng)電的并網(wǎng)電量，減少系統(tǒng)平均發(fā)電煤耗。儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入能夠平滑風(fēng)電輸出功率，抑制風(fēng)電出力功率波動(dòng)，為風(fēng)電并網(wǎng)提供備用服務(wù)，風(fēng)電并網(wǎng)電量隨儲(chǔ)能系統(tǒng)接入系統(tǒng)容量的增加而增加。

(2)同時(shí)引入儲(chǔ)能系統(tǒng)和碳排放權(quán)交易能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，最大化風(fēng)電并網(wǎng)電量，增加風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。但由于儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置成本較高，上述措施將導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)電利潤(rùn)減少。因此，為了最大化利用風(fēng)力發(fā)電，有必要制定儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的相關(guān)補(bǔ)貼政策。

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