秦 婷, 劉懷東,2, 王錦橋, 馮志強, 方 偉

(1. 天津大學電氣自動化與信息工程學院, 天津市 300072; 2. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學), 天津市 300072)

0 引言

人類社會不斷進步,逐漸形成了以化石能源為主的能源消費和利用模式,由此帶來的氣候變暖問題也成為當前社會經濟發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。電力是中國能源消耗的重點行業(yè),其CO2的排放量占全國排放總量的50%左右[1],因此電力行業(yè)具備較大的碳減排潛力,推行低碳電力有利于促進中國低碳經濟的發(fā)展。

隨著各類新能源發(fā)電和天然氣發(fā)電的快速發(fā)展,綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)被認為是提高清潔能源使用比重、實現(xiàn)碳減排目標的支撐技術[2]。文獻[3]考慮天然氣網(wǎng)絡約束和電網(wǎng)安全約束,建立了針對風電不確定性的魯棒調度模型;文獻[4-6]將電轉氣(power to gas,P2G)技術引入IES,構建了以系統(tǒng)最低經濟成本為目標函數(shù)的調度模型;文獻[7]考慮電、熱負荷的需求側響應建立了兩步調度模型，并探討了風電滲透率對系統(tǒng)運行的影響?，F(xiàn)有IES調度模型僅考慮了系統(tǒng)整體的經濟成本,忽略了碳排放帶來的附加環(huán)境成本。

為了減少電力系統(tǒng)碳排放,碳交易被認為是可兼顧電力經濟性和低碳環(huán)保性的有效手段[8]。文獻[9-11]基于碳交易機制,分別建立了含不同新能源的電力系統(tǒng)優(yōu)化調度模型。在IES方面,文獻[12]計算了IES在碳交易機制下的碳交易成本和能源成本,并分析了碳交易價格和天然氣價格對系統(tǒng)運行的影響,對IES的碳交易成本分析具有指導意義。但其并未對碳交易成本計算模型進行改進,同時所構建的IES較為簡單,僅包含天然氣氣源、火電機組、燃氣輪機和電氣負荷。

對于一個電—熱—氣聯(lián)供的IES形態(tài),引入風電可增強系統(tǒng)能量來源的清潔性;引入P2G和燃氣輪機形成閉環(huán)耦合系統(tǒng),可以增強電、氣網(wǎng)絡的耦合程度,同時P2G有利于提高IES對新能源的消納能力;引入儲電、儲熱和儲氣設備,有利于形成多元消納技術提高新能源利用率[13]。

本文針對一個電—熱—氣聯(lián)供的IES,建立了基于碳交易的低碳經濟調度模型。首先,立足于能源集線器(energy hub,EH)模型[14]構建了電—熱—氣聯(lián)供的IES架構;然后,搭建了適用于該IES的階梯型碳交易成本計算模型;接著,以碳交易成本與能源成本之和最小為目標函數(shù),考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡約束和系統(tǒng)內各元件的運行約束,構建了IES低碳經濟調度模型。通過算例比較了階梯型低碳經濟調度、統(tǒng)一型低碳經濟調度和傳統(tǒng)經濟調度模型的調度結果,分析了三種模型下的兩種成本和外購能源數(shù)據(jù),驗證了本文所提模型的合理性和有效性。最后,研究了碳交易價格和耦合元件容量對系統(tǒng)調度結果的影響。

1 電—熱—氣聯(lián)供的IES

EH最早由蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Geidl和Andersson提出,它是一種可以滿足多種能量需求的能量轉換單元[15]?；贓H模型,可以清晰得出IES的架構及其中的能量流動。本文構建的EH模型如圖1所示,能量供給側有風電、電力網(wǎng)絡和天然氣網(wǎng)絡;能量轉換組件有P2G設備、燃氣輪機和燃氣鍋爐;負荷側配備有儲電、儲熱、儲氣裝置。其中,綠線、紅線和藍線分別對應電力、熱力和燃氣能量流動情況。

圖1 EH模型Fig.1 Model of energy hub

2 IES碳交易成本計算模型

2.1 碳交易機制及其分配原則

碳交易是通過建立合法的碳排放權并允許對其進行買賣,從而實現(xiàn)碳排放量控制的交易機制[16]。在碳交易機制下,碳排放量成為可以進行自由交易的商品。政府或者監(jiān)管部門以控制碳排放總量為目標,首先為各個碳排放源分配碳排放份額。各碳排放源根據(jù)分配份額制定和調節(jié)生產計劃,若在生產過程中產生的碳排放量高于分配份額,則需從碳交易市場內進行購買;若碳排放量低于分配份額,則可將多出的碳排放額在碳交易市場上出售,根據(jù)當日的碳交易價格(即單位碳排放量價格)獲得相應收益。碳交易機制利用市場手段對碳排放量進行控制,可極大地激發(fā)企業(yè)節(jié)能減排的積極性。

對于電力行業(yè),一般采用以無償為主的方式進行初始碳排放額的分配[9-12]。初始無償?shù)奶寂欧欧蓊~與系統(tǒng)發(fā)電量相關聯(lián),對于超出或者不足的部分可進行碳交易。

2.2 IES碳交易成本計算模型

本文認為IES從電力網(wǎng)絡購得的電力均為火電機組發(fā)電。因此對于電—熱—氣聯(lián)供的IES,存在三個碳排放源:外購的電力、燃氣輪機和燃氣鍋爐。IES的無償碳排放額由外購電力和燃氣輪機發(fā)出的電力確定:

(1)

式中:EL為IES的無償碳排放額;T為一日時段總數(shù),為24 h;Δt為單位時段時長,為1 h;δ為單位電量排放份額,本文取區(qū)域電量邊際排放因子和容量邊際因子的加權平均值0.648[9,16];Pe,t為單位時段t內的外購電力功率;Pgt,t為單位時段t內輸入燃氣輪機的天然氣功率;ηgte為燃氣輪機的氣轉電效率。

文獻[17-18]給出了電—氣互聯(lián)系統(tǒng)中供電和供熱的碳排放計算方法,IES實際碳排放量由下式確定:

(2)

Pgtr,t=Pgt,tηgte+Pgt,tηgth+Pgb,tηgb

(3)

式中:EP為IES實際的碳排放量;a1,b1,c1為火電碳排放計算系數(shù),a2,b2,c2為天然氣供能碳排放系數(shù);Pgtr,t為單位時段t內燃氣輪機和燃氣鍋爐輸出功率之和;ηgth為燃氣輪機氣轉熱效率;Pgb,t為單位時段t內燃氣鍋爐的輸入功率;ηgb為燃氣鍋爐的能量轉換效率。

為了進一步控制碳排放總量,本文構建了階梯型碳交易成本計算模型。以分配到的無償碳排放額為基準,規(guī)定若干排放量區(qū)間,排放量越大的區(qū)間對應的碳交易價格越高。階梯型碳交易成本計算公式如下:

(4)

式中:FC為IES碳交易成本;λ為市場上的碳交易價格;d為碳排放量區(qū)間長度;σ為每個階梯碳交易價格的增長幅度,每上升一個階梯,碳交易價格增加σλ。當EP

3 基于碳交易的IES低碳經濟調度模型

3.1 目標函數(shù)

IES低碳經濟調度模型考慮一日24 h的系統(tǒng)調度問題,以IES外購能源成本、碳交易成本之和最小為目標函數(shù):

F=min(FE+FC)

(5)

(6)

式中:F為IES運行總成本;FE為IES外購能源成本;πe,t為單位時段t內的電價;πg為天然氣價格;Pg,t為單位時段t內的外購天然氣功率;Qgas為天然氣低熱值[15],即9.97(kW·h)/m3。

3.2 約束條件

1)功率平衡約束

對于電、熱、氣分別滿足以下功率平衡約束:

Pel,t=Pe,t+Pjoin,t+Pgt,tηgte-Pp2g,t+

Pedis,t-Pechar,t

(7)

Phl,t=Pgt,tηgth+Pgb,tηgb+Phdis,t-Phchar,t

(8)

Pgl,t=Pg,t+Pp2g,tηp2g-Pgt,t-Pgb,t+

Pgdis,t-Pgchar,t

(9)

式中:Pel,t,Phl,t,Pgl,t分別為IES單位時段t內的電、熱、氣負荷功率;Pjoin,t為單位時段t內參與調度的風電功率;Pp2g,t為單位時段t內P2G設備輸入功率;Pedis,t和Pechar,t分別為單位時段t內儲電系統(tǒng)的發(fā)電功率和充電功率;Phdis,t和Phchar,t分別為單位時段t內儲熱系統(tǒng)的發(fā)熱功率和儲熱功率;ηp2g為P2G設備的能量轉換效率;Pgdis,t和Pgchar,t分別為單位時段t內儲氣系統(tǒng)的放氣功率和儲氣功率。

調度模型在系統(tǒng)運行成本最小的前提下允許一定的棄風,則Pjoin,t需滿足下式約束:

Pw,t=Pjoin,t+Pdrop,t

(10)

式中:Pw,t為單位時段t內風力的可發(fā)電功率;Pdrop,t為單位時段t內的棄風功率。

2) P2G約束

P2G設備主要滿足其額定功率約束:

0≤Pp2g,t≤Pp2gn

(11)

式中:Pp2gn為P2G設備的額定功率。

3) 燃氣輪機約束

燃氣輪機主要滿足其額定功率和爬坡率約束:

0≤Pgt,t≤Pgtn

(12)

(13)

4)燃氣鍋爐約束

燃氣鍋爐滿足其額定功率和爬坡率約束:

0≤Pgb,t≤Pgbn

(14)

(15)

5)儲電/熱/氣設備約束

三種儲能設備采用廣義儲能系統(tǒng)的通用模型進行處理[18],包括存儲能量平衡約束、存儲能量上下限約束、存儲能量周期始末等量約束,以及充放能功率約束:

(16)

(17)

Ex,24=Ex,1

(18)

(19)

(20)

6)外部網(wǎng)絡約束

IES與外部電力網(wǎng)絡和天然氣網(wǎng)絡相連,需對其能量交換范圍進行約束:

(21)

(22)

由于碳交易成本的引入,系統(tǒng)實際碳排放量為二次函數(shù),因此本文所構建模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。在對模型求解時,將實際碳排放量進行分段線性化處理,對每個分段區(qū)間,調度模型變?yōu)榛旌险麛?shù)線性規(guī)劃問題,可利用成熟的數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化器Gurobi進行求解。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設置

本文基于文獻[13]構建的電—熱—氣聯(lián)供IES,對其中各類負荷放大200倍進行算例構造,對應IES中各設備的容量也等倍放大。實際碳排放量計算系數(shù)見附錄A表A1[17-18],對其進行分段線性處理后,火電碳排放量線性化最大誤差為0.3%,天然氣供能碳排放量線性化最大誤差為1.5%。碳交易價格為λ=40美元/t,區(qū)間長度d=80 t,每個階梯碳交易價格增長幅度σ=25%。算例采用的電價為美國加州電力市場某日日前市場電價[19]。其他參數(shù)見附錄A表A2[9,12-13,20]。

4.2 不同調度模型對比分析

為說明所建低碳經濟調度模型的合理性,本文首先對比分析三種模型的調度結果:①考慮階梯型碳交易成本的低碳經濟調度模型;②考慮統(tǒng)一型碳交易成本的低碳經濟調度模型,統(tǒng)一型碳交易成本不對碳排放量進行區(qū)間劃分,由統(tǒng)一公式FC=λ(EP-EL)[12]得出;③在階梯型碳交易模式下,僅以外購能源成本FE最小為目標函數(shù)的傳統(tǒng)經濟調度模型。三種模型的調度結果見表1和表2。

表1 三種模型調度結果的碳交易成本Table 1 Carbon trading cost in dispatch results of three models

表2 三種模型調度結果的外購能源成本Table 2 Outsourcing energy cost in dispatch results of three models

由表1可知,兩種低碳模型與傳統(tǒng)經濟調度模型相比,碳排放量均大幅度減少,碳交易成本下降到傳統(tǒng)調度的40%以下,能源成本雖略有提升,但系統(tǒng)運行總成本得到減少。模型1的碳排放量較模型2下降了19.7 t,但付出的碳交易成本僅比模型2高出0.06萬美元,運行總成本增加0.08萬美元,仍比模型3低0.93萬美元。由此可見,低碳經濟調度可減少系統(tǒng)碳排放量,其中階梯型碳交易成本模型對碳排放量具有最嚴格的約束,并且仍可保證IES的經濟性。

表2給出了三種模型調度結果的外購能源數(shù)據(jù)。結合表1、表2,當加大對系統(tǒng)碳排放量的控制時,系統(tǒng)的外購能源將會從電力轉向天然氣,同時造成能源成本增加。模型1對碳排放量的控制最為嚴格,因此IES外購電力最少、天然氣最多,與之對應,模型1的調度結果碳排放量最少、能源成本最高。

4.3 碳交易價格對低碳經濟調度的影響

圖2所示為階梯型低碳經濟調度各成本在不同碳交易價格下的變化趨勢。隨著碳交易價格的上升,碳交易成本在總成本中占比提高,系統(tǒng)逐漸加強對碳排放量的約束,外購能源由電力逐漸向天然氣轉移,能源成本增加;當系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡交換功率達到上限時,能源成本穩(wěn)定。

碳交易價格上升,系統(tǒng)外購電力減少使碳排放量減少,但同時單位碳交易成本增加。碳交易價格為0～20美元/t時,后者為主導因素,碳交易成本逐漸上升達20美元/t后,前者成為主導因素使得碳交易成本逐漸下降。當碳交易價格約為44美元/t時,IES實際碳排放量與無償碳排放額達到平衡,繼續(xù)提高碳交易價格使實際碳排放量低于無償碳排放額,系統(tǒng)開始獲得碳交易收益。當碳交易價格約為52美元/t時,外購天然氣量無法繼續(xù)增長,實際碳排放量不再減少,碳交易成本基本隨碳交易價格成正比下降。

圖2 碳交易價格對調度結果的影響Fig.2 Influence of carbon trading price on dispatching results

系統(tǒng)運行總成本為兩種成本之和,當碳交易價格低于38美元/t時,能源成本為主導因素,總成本逐漸上升;當碳交易價格高于38美元/t時,碳交易成本的變化量大于能源成本,總成本隨碳交易成本的減少而下降。

4.4 耦合元件容量對低碳經濟調度的影響

本文IES的耦合系統(tǒng)由P2G和燃氣輪機構成。耦合元件通過轉換IES內部能量屬性對低碳經濟調度結果產生影響:P2G將時段內的多余電力轉化為天然氣,燃氣輪機將天然氣轉化為“清潔電力”和熱能。為了分析P2G和燃氣輪機容量對低碳經濟調度的影響,本文分三種場景進行討論:①僅P2G容量變化;②僅燃氣輪機容量變化;③P2G和燃氣輪機容量同時變化。圖3給出了三種場景下IES碳交易成本的變化曲線,圖4給出了三種場景下IES能源成本和總成本的變化曲線。

圖3 三種場景下的碳交易成本變化曲線Fig.3 Variation curves of carbon trading cost in three cases

圖4 三種場景下的能源成本和總成本變化曲線Fig.4 Variation curves of energy cost and total cost in three cases

由圖3可知,P2G容量對系統(tǒng)碳交易成本沒有影響,燃氣輪機容量對碳交易成本影響較大。風力發(fā)電具有反調峰性,在負荷低谷時風電自然出力較大,P2G主要將負荷低谷時段的多余風電進行能量轉化。風電既不參與無償碳排放額的分配也不產生碳排放量,因此P2G容量不影響系統(tǒng)碳交易成本。燃氣輪機的容量增大,碳交易成本快速下降后趨于穩(wěn)定。燃氣輪機容量增大,IES可獲得由天然氣提供的清潔電力,一方面增加了無償碳排放額,另一方面單位電能的碳排放量也大大減少,所以碳交易成本下降。當容量變?yōu)樵到y(tǒng)的1.5倍時,受與天然氣網(wǎng)絡交換功率上限的限制,燃氣輪機不會增加功率輸出,因此碳交易成本趨于不變。場景3的碳交易成本變化與場景2基本吻合。

由圖4可知,P2G和燃氣輪機的容量在一定范圍內增加可降低IES的能源成本和運行總成本。P2G將負荷低谷時段的風電轉化為天然氣,提高了系統(tǒng)對風電的消納,減少了天然氣的外購量,使能源成本隨著P2G容量的增加線性下降;當P2G容量增加到可使棄風量為0時,則能源成本不再下降。不同于電力網(wǎng)絡中的燃氣輪機,IES中的燃氣輪機能源利用率被大幅提高,其一方面為電能系統(tǒng)提供了清潔電力(減少外購電力),另一方面為熱能系統(tǒng)提供了熱能(減少鍋爐消耗天然氣),因此當其容量增加時,系統(tǒng)的能源成本下降;受與天然氣網(wǎng)絡交換功率上限的影響,后趨于穩(wěn)定。場景3中,系統(tǒng)耦合元件容量變化量最大,因此其變化幅度最大,同時由于P2G也為燃氣輪機提供一定的天然氣量,因此場景3的能源成本和總成本穩(wěn)定值為最低。

5 結論

本文針對電—熱—氣聯(lián)供的IES提出了一種階梯型碳交易成本計算方法,構建了基于碳交易的IES低碳經濟調度模型。本文比較分析了階梯型低碳經濟調度、統(tǒng)一型低碳經濟調度和傳統(tǒng)經濟調度模型的調度結果,研究了碳交易價格和IES耦合元件容量對系統(tǒng)運行的影響,得出以下結論。

1)碳交易利用市場手段實現(xiàn)碳排放量控制,使各企業(yè)主動減排以獲取碳交易收益,手段合理有效。基于階梯型碳交易成本的IES低碳經濟調度模型對碳排放量具有更嚴格的控制作用,同時兼顧了系統(tǒng)整體的經濟性。

2)低碳經濟調度模型對碳交易價格變化反應敏銳,可根據(jù)碳交易價格協(xié)調系統(tǒng)的碳交易成本和能源成本。在一定范圍內,碳交易價格的上升可使系統(tǒng)運行總成本下降。

3)耦合元件的容量變化影響低碳經濟調度結果。在一定范圍內,P2G容量增加,提高系統(tǒng)對風電的消納,使能源成本下降,但對碳交易成本無影響。燃氣輪機在IES中的能源利用率得到大幅提升,其容量增加使得能源成本和碳交易成本均有所下降。

本文僅計算了固定階梯區(qū)間長度和階梯型碳交易價格增長幅度下的碳交易成本,而兩種因素影響著低碳調度模型對碳排放量的控制作用。隨著全國碳交易體系的啟動,政府對電力行業(yè)的碳約束也將更為嚴格,因此如何為低碳經濟調度模型設置最合適的階梯區(qū)間長度和價格增長幅度是一個有意義的研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。