陳 勝，衛(wèi)志農(nóng)，顧 偉，郭慶來(lái)

（1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

0 引言

當(dāng)今世界能源需求日趨增加，能源供需矛盾凸顯，如何保障能源供應(yīng)安全，提高能源利用效率，降低溫室氣體排放，尋求替代性能源已然成為能源改革的必經(jīng)之路。因此，構(gòu)建低碳可持續(xù)能源系統(tǒng)已成為世界各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，美國(guó)與歐盟已提出于2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)［1-2］，我國(guó)也提出了于2030 年前及2060 年前分別實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)。

在電力、建筑、工業(yè)及交通行業(yè)中，電力行業(yè)的碳排放量最高［3］，因此也成為降低碳排放的關(guān)鍵。而在世界各國(guó)電力／能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，低碳與清潔技術(shù)（如新能源發(fā)電、新型儲(chǔ)能、燃?xì)獍l(fā)電、碳捕集電廠、電制氫等）的利用尤為關(guān)鍵，其中“零碳排放”新能源（以風(fēng)電與光伏為主）的高比例滲透已成為能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與變革的必經(jīng)之路。另一方面，交通系統(tǒng)的碳排放量是僅次于電力系統(tǒng)的，因此交通行業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型也尤為關(guān)鍵，而為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，離不開能源系統(tǒng)可靠的燃料供應(yīng)，因此交通系統(tǒng)與現(xiàn)有能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)深度耦合的趨勢(shì)。進(jìn)一步而言，交通系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型相輔相成，因此本文所述的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與變革計(jì)及了交通側(cè)。

值得注意的是，對(duì)于以新能源為主體的電力／能源系統(tǒng)，新能源出力取決于實(shí)時(shí)的天氣條件，存在著間歇性、波動(dòng)性、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。因此，高比例新能源滲透給現(xiàn)代電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行（尤其是實(shí)時(shí)供需平衡）帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。對(duì)于間歇性新能源的平抑，近年來(lái)的研究側(cè)重于儲(chǔ)能技術(shù)與需求響應(yīng)技術(shù)的利用［4-6］。但是目前電能尚難以大規(guī)模高效存儲(chǔ)，傳統(tǒng)電負(fù)荷的靈活性響應(yīng)能力也相對(duì)有限。在傳統(tǒng)電源側(cè)，燃?xì)廨啓C(jī)組的快速爬坡能力充當(dāng)了靈活性調(diào)節(jié)資源的角色，因此燃?xì)廨啓C(jī)組的裝機(jī)容量占比呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，該趨勢(shì)在高比例新能源滲透區(qū)域及低氣價(jià)區(qū)域尤為明顯［7-8］。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電占比的提升加深了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間的耦合：一方面，燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電依賴于天然氣系統(tǒng)（管道）提供可靠的燃料供應(yīng)；另一方面，靈活性燃?xì)廨啓C(jī)組短時(shí)間內(nèi)的快速爬坡也影響了天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行。針對(duì)此類問題，北美多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISO）（包括PJM、ERCOT、CAISO等）成立了“氣-電協(xié)同”工作組［9］，解決包括電力市場(chǎng)與天然氣市場(chǎng)出清時(shí)間不同步問題以及運(yùn)行信息交互問題，以規(guī)避電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)深度耦合下的潛在風(fēng)險(xiǎn)［10］。

概括而言，為實(shí)現(xiàn)高比例新能源的消納，電力系統(tǒng)（包含電源側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)、負(fù)荷側(cè)）的靈活性資源未必足夠充裕。然而，多能源耦合下的多能流（包括電力流、天然氣流、熱力流、交通流等）協(xié)同技術(shù)為間歇性新能源的消納提供了新的解決思路，尤其是使得天然氣系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性更高［11-12］。此外，對(duì)于電網(wǎng)難以消納的新能源，可通過(guò)多能源耦合設(shè)備（如電轉(zhuǎn)氣P2G（Power-to-Gas）、電轉(zhuǎn)熱、電制氫等）轉(zhuǎn)化為更易于大規(guī)模存儲(chǔ)的天然氣／熱能／氫能［13-14］。因此，綜合能源系統(tǒng)視角下的多能流協(xié)同有助于高比例新能源的消納。另一方面，高比例新能源的滲透也為綜合能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型提供了支撐。另外，綜合能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型與市場(chǎng)機(jī)制／政策密切相關(guān)。新能源機(jī)組（如風(fēng)電、光伏機(jī)組）的邊際發(fā)電成本接近于0，對(duì)于以新能源為主體的電力系統(tǒng)，當(dāng)前現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制未必嚴(yán)格適用［15］。而對(duì)于多能源耦合設(shè)備，其需要參與多個(gè)能源市場(chǎng)的交易，因此綜合能源市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)影響了多能源耦合設(shè)備的投資與運(yùn)營(yíng)。此外，碳排放交易與綠色證書交易也為低碳與清潔技術(shù)的投資規(guī)劃提供了政策支撐［16-17］。

碳中和目標(biāo)下能源系統(tǒng)的本質(zhì)特征在于高比例新能源的滲透，而多能流協(xié)同技術(shù)則在靈活性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面支撐了以新能源為主體的能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型與變革。本文首先介紹了高比例新能源滲透下的多能流協(xié)同技術(shù)；其次介紹了支撐高比例新能源并網(wǎng)的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)，包括電力市場(chǎng)、碳排放市場(chǎng)、多能源市場(chǎng)的協(xié)同；然后歸納總結(jié)了綜合能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)；最后對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望。

1 高比例新能源滲透下的多能流協(xié)同技術(shù)

考慮到電力系統(tǒng)靈活性資源相對(duì)有限，本節(jié)從綜合能源系統(tǒng)（多能流協(xié)同）的視角敘述消納間歇性新能源。本文計(jì)及了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)及交通系統(tǒng)的協(xié)同，充分挖掘各能源系統(tǒng)的靈活性。下面將分別從綜合能源系統(tǒng)建模、協(xié)同優(yōu)化及協(xié)同規(guī)劃展開介紹。

1.1 低碳綜合能源系統(tǒng)建模

圖1展示了多能源耦合下的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)。電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)之間的耦合元件包括燃?xì)廨啓C(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)CHP（Combined Heat and Power）及P2G；電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)之間的耦合元件包括CHP、電鍋爐及熱泵；電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)之間的耦合元件為電動(dòng)汽車［18］；天然氣系統(tǒng)與交通系統(tǒng)之間的耦合元件包括氫燃料汽車與天然氣汽車［19］。多能源耦合元件的建?？捎赡茉摧斎肱c能源輸出的轉(zhuǎn)化效率描述。另外，多能流耦合元件的統(tǒng)一建模可由能量樞紐［20］（可包含單個(gè)或多個(gè)耦合元件）描述。值得注意的是，多能源系統(tǒng)之間的耦合能夠?yàn)樾履茉吹南{提供支撐，這將在下文中展開介紹。

圖1 支撐高比例新能源消納的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of integrated energy system supporting accommodation of high penetrations of renewable energy

由于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程遠(yuǎn)快于天然氣系統(tǒng)／熱力系統(tǒng)［21］，因此在綜合能源系統(tǒng)的建模中，電力系統(tǒng)一般采用熟知的穩(wěn)態(tài)電力潮流模型，此處不展開深入介紹。

天然氣流量的傳播速度一般在48 km／h左右［22］，因此天然氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程需持續(xù)數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)（取決于氣壓等級(jí)與管道長(zhǎng)度）。對(duì)于中長(zhǎng)期規(guī)劃問題，可考慮采用天然氣穩(wěn)態(tài)潮流模型［23］，主要由節(jié)點(diǎn)流量平衡方程、管道流量-節(jié)點(diǎn)氣壓非線性Weymouth 方程及加壓站加壓比構(gòu)成；而對(duì)于短期運(yùn)行，有必要采用天然氣動(dòng)態(tài)潮流模型。對(duì)于天然氣動(dòng)態(tài)潮流模型［24-25］，其關(guān)鍵在于天然氣管道的管存（line-pack）建模，管存量近似正比于管道的平均氣壓值。連續(xù)2 個(gè)運(yùn)行斷面管存量之差即為管道向系統(tǒng)釋放／吸收的天然氣量。因此，管道的管存量充當(dāng)了儲(chǔ)能的角色，對(duì)于凈負(fù)荷波動(dòng)的平抑至關(guān)重要。

熱力系統(tǒng)的建模與天然氣系統(tǒng)的建模相似，分為穩(wěn)態(tài)建模［26-27］與動(dòng)態(tài)建模［28］。其中，穩(wěn)態(tài)熱力潮流模型包括水力計(jì)算與熱力計(jì)算，當(dāng)二者獨(dú)立計(jì)算時(shí)，通過(guò)水力計(jì)算獲得管道流量，而通過(guò)熱力計(jì)算獲取節(jié)點(diǎn)溫度；當(dāng)二者聯(lián)合計(jì)算時(shí)，管道流量與節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)非線性雙向耦合。對(duì)于熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模，關(guān)鍵在于供熱管道水溫動(dòng)態(tài)特性的描述，傳輸過(guò)程中水溫的動(dòng)態(tài)延時(shí)決定了供熱管道天然氣的儲(chǔ)熱特性。

值得注意的是，在電-氣-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的建模中，文獻(xiàn)［29-30］提出了基于傅里葉變換的多異質(zhì)能流統(tǒng)一能路理論，為綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一分析奠定了理論基礎(chǔ)；文獻(xiàn)［31-32］提出了基于拉普拉斯變換的廣義電路分析理論，推導(dǎo)了多能源網(wǎng)絡(luò)的外端口等值模型。

對(duì)于交通系統(tǒng)的建模，交通網(wǎng)中的交通流分布是用戶駕駛行為的聚集性表現(xiàn)，通常采用交通分配模型來(lái)描述［33］。交通分配問題可分為靜態(tài)、半動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)交通分配［34-35］。其中，靜態(tài)交通分配所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度較長(zhǎng)（90 min 以上），最終的分配結(jié)果可視為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)的平均流量，因此該模型通常適用于中長(zhǎng)期規(guī)劃問題；半動(dòng)態(tài)交通分配所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為15～90 min，該模型可以考慮時(shí)變交通需求以及交通流在各時(shí)段間的耦合，適用于在日前處理交通分配問題；動(dòng)態(tài)交通分配所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度小于15 min，能夠精確地描述各路段間交通流的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程（可以達(dá)到秒級(jí)），適用于實(shí)時(shí)交通控制管理問題。文獻(xiàn)［36］從勢(shì)博弈的角度，分析了電力-交通網(wǎng)絡(luò)相互作用的運(yùn)行均衡點(diǎn)。

1.2 支撐新能源消納的多能流協(xié)同運(yùn)行

當(dāng)新能源出力不足或者過(guò)剩時(shí)，可利用多能流系統(tǒng)的靈活性平抑新能源出力波動(dòng)。圖2 以新能源出力不足為例，展示了利用多能流協(xié)同維持電功率的實(shí)時(shí)平衡。其中天然氣管道釋放儲(chǔ)氣，支撐燃?xì)廨啓C(jī)組提高發(fā)電量；同時(shí)熱力管道釋放儲(chǔ)熱，保證CHP機(jī)組減少熱出力而增大電出力。

圖2 新能源出力不足時(shí)的多能流協(xié)同F(xiàn)ig.2 Multi-energy flow coordination when renewable energy production is insufficient

在氣-電協(xié)同方面，可利用燃?xì)廨啓C(jī)組的靈活性、P2G 及天然氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氣量支撐新能源消納。文獻(xiàn)［37］采用動(dòng)態(tài)場(chǎng)景刻畫新能源出力的隨機(jī)性，研究了電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，驗(yàn)證了利用靈活性更高的氣網(wǎng)平抑間歇性新能源出力的有效性。文獻(xiàn)［38］提出了計(jì)及P2G的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型，定量分析了P2G 對(duì)于風(fēng)電消納的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［39］構(gòu)建了計(jì)及動(dòng)態(tài)管存與風(fēng)電消納的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，推導(dǎo)驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)管存特性對(duì)于平抑風(fēng)電出力不確定性的緩解作用。文獻(xiàn)［40］定量評(píng)估了P2G與燃?xì)廨啓C(jī)組協(xié)同下對(duì)風(fēng)電消納、碳排放量及經(jīng)濟(jì)效益的積極影響。文獻(xiàn)［41］分析了將新能源通過(guò)P2G技術(shù)轉(zhuǎn)化為氫氣／合成天然氣存儲(chǔ)于天然氣網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)濟(jì)性，定量評(píng)估了季節(jié)性儲(chǔ)氣的靈活性價(jià)值。文獻(xiàn)［42］構(gòu)建了計(jì)及高比例風(fēng)電滲透的綜合能源系統(tǒng)兩階段魯棒調(diào)度模型，同時(shí)考慮了輸網(wǎng)側(cè)與配網(wǎng)側(cè)的氣-電協(xié)同。

在熱-電協(xié)同方面，可利用CHP、電鍋爐、熱泵及供熱網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)熱量支撐新能源的消納。文獻(xiàn)［43］定量分析了大容量?jī)?chǔ)熱對(duì)于提升系統(tǒng)靈活性與風(fēng)電消納能力的效果。文獻(xiàn)［44］分析了含儲(chǔ)熱CHP 與電鍋爐協(xié)同供熱時(shí)對(duì)于消納風(fēng)電的作用，并驗(yàn)證了電鍋爐在消納棄風(fēng)時(shí)具備最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［45］構(gòu)建了面向風(fēng)電消納的電-熱互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，計(jì)及了熱網(wǎng)延時(shí)特性與熱負(fù)荷的舒適度彈性。文獻(xiàn)［46］針對(duì)我國(guó)由CHP 機(jī)組靈活性不高導(dǎo)致的棄風(fēng)問題，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)層面探討了電鍋爐與熱儲(chǔ)能對(duì)于風(fēng)電消納的可行性。文獻(xiàn)［47］定量分析了大規(guī)模熱泵的使用對(duì)于丹麥能源系統(tǒng)能源供應(yīng)成本的降低及向100%可再生能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型的作用。

在電-交通協(xié)同與電-氫協(xié)同方面，主要利用電制氫、電動(dòng)汽車與氫燃料汽車的靈活性支撐新能源的消納。文獻(xiàn)［48］論述了面向高比例可再生能源消納的電-氫能源系統(tǒng)框架，展望了以電與氫為核心能源載體的前景。文獻(xiàn)［49］通過(guò)對(duì)于快充車輛的導(dǎo)航，利用其可移動(dòng)的靈活性調(diào)節(jié)能力，同時(shí)緩解電網(wǎng)擁塞與交通阻塞。文獻(xiàn)［50］構(gòu)建了計(jì)及風(fēng)、光、電動(dòng)汽車、氫燃料汽車的新能源汽車一體化充能站能量?jī)?yōu)化方法。文獻(xiàn)［51］研究了計(jì)及新能源與氫燃料汽車的電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度方法，分析了氫儲(chǔ)能對(duì)于提高系統(tǒng)靈活性的重要性。文獻(xiàn)［52］研究了在電力-交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)同下，通過(guò)優(yōu)化電動(dòng)汽車行駛路徑實(shí)現(xiàn)新能源的消納。文獻(xiàn)［53］構(gòu)建了計(jì)及電力系統(tǒng)隨機(jī)機(jī)組組合與交通流分配的協(xié)同調(diào)度模型，評(píng)估了電動(dòng)汽車靈活性對(duì)于降低配電網(wǎng)運(yùn)行成本與緩解交通阻塞的作用。文獻(xiàn)［54］在考慮信息-物理-社群融合的情況下，通過(guò)能源-交通系統(tǒng)的聯(lián)合動(dòng)態(tài)定價(jià)實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。

1.3 支撐新能源消納的多能流協(xié)同規(guī)劃

綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃是在中長(zhǎng)期規(guī)劃周期內(nèi)，投資新建多能源設(shè)備、線路、管道、儲(chǔ)能等，一般以規(guī)劃周期內(nèi)的投資成本與運(yùn)行成本最優(yōu)為目標(biāo)，需考慮一系列典型場(chǎng)景的運(yùn)行問題，因此1.2節(jié)所述的多能流協(xié)同運(yùn)行是本節(jié)多能流協(xié)同規(guī)劃的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)［55］綜述了考慮互聯(lián)互動(dòng)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究，梳理了電、氣、熱、氫等多能流系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵科學(xué)問題。文獻(xiàn)［56］研究了計(jì)及CHP 機(jī)組與P2G 廠站的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，算例分析表明CHP 機(jī)組與P2G 廠站的聯(lián)合應(yīng)用能夠降低綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提升系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)［57］構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)中P2G設(shè)備容量規(guī)劃模型，計(jì)及了氫氣注入天然氣管道的天然氣-氫氣混合流量模型。文獻(xiàn)［58］構(gòu)建了計(jì)及混合交通均衡的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，充分利用了配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)及交通網(wǎng)之間的協(xié)同互補(bǔ)。文獻(xiàn)［59］提出了計(jì)及季節(jié)性氫能存儲(chǔ)的電-氫混合綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，采用隨機(jī)-魯棒混合優(yōu)化模型處理中長(zhǎng)期負(fù)荷與新能源出力的不確定性。文獻(xiàn)［60］構(gòu)建了考慮分布式新能源的綜合能源系統(tǒng)選址與定容問題，分析了負(fù)荷曲線、能源價(jià)格及設(shè)備參數(shù)對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果的影響。

2 支撐新能源并網(wǎng)的多能源市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)

電力／能源市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)與監(jiān)管在能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型過(guò)程中充當(dāng)了重要的角色。合理的市場(chǎng)機(jī)制（價(jià)格信號(hào)）能夠直接激勵(lì)市場(chǎng)參與者／投資商投資環(huán)境友好型發(fā)電技術(shù)，而逐步淘汰傳統(tǒng)高碳排放發(fā)電技術(shù)。本節(jié)概述了以電力市場(chǎng)為核心的多能源市場(chǎng)機(jī)制的設(shè)計(jì)。首先以電力市場(chǎng)為例，介紹了能量市場(chǎng)的定價(jià)機(jī)制，天然氣／熱力等能量市場(chǎng)的出清可參考該機(jī)制，區(qū)別在于出清的時(shí)間尺度；然后介紹了支撐電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的市場(chǎng)機(jī)制——碳市場(chǎng)交易機(jī)制與綠色證書交易機(jī)制這2 種機(jī)制；最后介紹了在多能耦合下多個(gè)能源市場(chǎng)的協(xié)同機(jī)制。

2.1 能量市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制

當(dāng)前能量市場(chǎng)的出清一般以社會(huì)效益最大化為目標(biāo)，且需滿足電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行約束。需要說(shuō)明的是，能量市場(chǎng)與備用市場(chǎng)是相互關(guān)聯(lián)、不可切分的，因此北美ISO 普遍采用了能量-備用市場(chǎng)聯(lián)合出清，而能量與備用市場(chǎng)順序獨(dú)立出清（如部分歐洲地區(qū)ISO）則難免會(huì)造成社會(huì)效益的損失［61］。

圖3 展示了傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下單斷面電力市場(chǎng)出清，為便于表述，此處忽略了負(fù)荷的價(jià)格彈性及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束，此時(shí)滿足負(fù)荷需求情況下邊際發(fā)電機(jī)組的報(bào)價(jià)為節(jié)點(diǎn)邊際價(jià)格LMP（Locational Marginal Price）。由圖3 可知，在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下，LMP 隨著負(fù)荷需求量逐步增長(zhǎng)，且在不同的負(fù)荷需求區(qū)間內(nèi)LMP的變化量相對(duì)比較穩(wěn)定。

圖3 常規(guī)能源結(jié)構(gòu)下的電力市場(chǎng)出清Fig.3 Market clearing of conventional energy structure

圖4 展示了高比例新能源并網(wǎng)下的電力市場(chǎng)出清。一方面，因新能源發(fā)電邊際成本明顯低于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，故新能源發(fā)電占比的提高有利于降低系統(tǒng)的LMP。文獻(xiàn)［62］分析了北美各ISO 新能源發(fā)電占比提升對(duì)電價(jià)的影響，在得州電網(wǎng)，新能源發(fā)電占比每增加1%，平均電價(jià)降低0.52$／（MW·h），而在新英格蘭電網(wǎng)，該值達(dá)到了0.80$／（MW·h）。另一方面，由圖4 可知，對(duì)于新能源發(fā)電占比較高的電網(wǎng)，輕負(fù)荷（新能源為邊際發(fā)電機(jī)組）與重負(fù)荷（傳統(tǒng)電源為邊際發(fā)電機(jī)組）下LMP 差異性極大，尤其是當(dāng)邊際發(fā)電機(jī)組由新能源切換為傳統(tǒng)電源時(shí)，將導(dǎo)致LMP 的“陡升”，此類價(jià)格信號(hào)可能造成市場(chǎng)效率的損失。具體而言，電力消費(fèi)者在LMP“陡升”的區(qū)間段用電行為將會(huì)變得尤為謹(jǐn)慎；而發(fā)電商則可能在此區(qū)間段提高能量市場(chǎng)報(bào)價(jià)，以達(dá)到抬高LMP 及最大化自身盈利的目的。從市場(chǎng)監(jiān)管的角度而言，此時(shí)發(fā)電商市場(chǎng)力的抑制顯得尤為重要。

圖4 高比例新能源并網(wǎng)下的電力市場(chǎng)出清Fig.4 Market clearing of high penetrations of renewable energy integrated to power system

對(duì)于充分競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)，基于LMP 的出清機(jī)制能夠保證社會(huì)效益的最大化，因此在絕大多數(shù)ISO 得到了應(yīng)用［63］。但對(duì)于基于LMP 的出清機(jī)制在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中的適用性，筆者認(rèn)為仍然有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)［64］提出了一種基于連續(xù)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)CLMP（Continuous LMP）的出清機(jī)制，在該機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)電價(jià)與負(fù)荷量呈現(xiàn)連續(xù)變化的關(guān)系，而非LMP 出清機(jī)制下的間斷變化關(guān)系。進(jìn)一步而言，筆者認(rèn)為基于CLMP 的出清機(jī)制更適用于以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)（如圖5 所示），因?yàn)樵摍C(jī)制可避免節(jié)點(diǎn)電價(jià)的“陡升”，可為市場(chǎng)參與者提供更為完善的市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)。

圖5 基于CLMP的高比例新能源并網(wǎng)下的電力市場(chǎng)出清Fig.5 Market clearing of high penetrations of renewable energy integrated to power system based on CLMP

對(duì)于能量市場(chǎng)的出清時(shí)間尺度，北美地區(qū)電力市場(chǎng)普遍采用日前-實(shí)時(shí)兩階段出清機(jī)制；而隨著新能源發(fā)電占比的提升，部分地區(qū)ISO 引入了日內(nèi)市場(chǎng)，即形成了日前-日內(nèi)-實(shí)時(shí)三階段出清機(jī)制。文獻(xiàn)［65］對(duì)比分析了三階段市場(chǎng)出清機(jī)制與兩階段市場(chǎng)出清機(jī)制，該研究表明三階段出清機(jī)制的市場(chǎng)效率更高。除能量市場(chǎng)外，輔助服務(wù)市場(chǎng)也是現(xiàn)貨市場(chǎng)的核心，尤其是在高比例新能源滲透的情況下。文獻(xiàn)［66］概述了國(guó)外典型輔助服務(wù)市場(chǎng)產(chǎn)品，歸納總結(jié)了其對(duì)我國(guó)輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的啟示。

2.2 碳市場(chǎng)交易機(jī)制

在我國(guó)電力行業(yè)的碳排放量約占總碳排放的40%，因此電力行業(yè)的減排對(duì)于我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。在控制／減少碳排放方面，當(dāng)前有2 類碳政策［67］。第一類為碳排放稅，即發(fā)電商每單位的碳排放需支付固定價(jià)格的稅，此類政策有利于提高低碳技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但不能直接控制總碳排放量。第二類為碳配額交易（cap and trade），即政策制定者設(shè)置總碳排放配額（一般以年為周期），各個(gè)發(fā)電商可以在碳市場(chǎng)購(gòu)買／出售碳排放配額，而碳價(jià)格則由碳交易市場(chǎng)決定，此類政策可直接控制年度的碳排放總量。其中，碳配額交易機(jī)制在歐盟國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用［68］，也有效促進(jìn)了歐盟電力行業(yè)的減排。在歐洲碳市場(chǎng)的早期，碳配額免費(fèi)發(fā)放至企業(yè)，而隨著碳市場(chǎng)的逐步成熟，部分碳配額需通過(guò)拍賣獲得。此外在碳排放總額方面，歐盟設(shè)立了2030 年的排放量比2005 年降低43%的目標(biāo)。歸納而言，碳配額下的碳市場(chǎng)交易機(jī)制更適用于當(dāng)前碳達(dá)峰與碳中和的政策目標(biāo)。

在碳市場(chǎng)對(duì)電力市場(chǎng)及電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的影響方面，文獻(xiàn)［69］構(gòu)建了計(jì)及碳交易的電力市場(chǎng)均衡模型，分析了發(fā)電側(cè)市場(chǎng)力與碳政策的交互影響。文獻(xiàn)［70］提出了基于帕累托最優(yōu)的碳市場(chǎng)設(shè)計(jì)模型，綜合考慮了消費(fèi)者的需求量、電價(jià)及碳排放量。文獻(xiàn)［71］研究了基于碳流追蹤的多能源系統(tǒng)低碳運(yùn)行問題，定量分析了碳定價(jià)模型對(duì)于減少碳排放的作用。文獻(xiàn)［72］提出了計(jì)及電力市場(chǎng)及碳交易市場(chǎng)的電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃模型。

2.3 綠色證書交易機(jī)制

類似于碳配額交易機(jī)制，綠色證書交易機(jī)制本質(zhì)上屬于配額機(jī)制下激勵(lì)環(huán)境友好型發(fā)電技術(shù)的政策［17］。在綠色證書交易機(jī)制下，發(fā)電商每生產(chǎn)1 MW·h的可再生能源可獲得1個(gè)綠色證書，市場(chǎng)主體（包括發(fā)電商、負(fù)荷供應(yīng)商等）需要每年購(gòu)買一定配額量的綠色證書，而綠色證書的價(jià)格則由市場(chǎng)決定。對(duì)于缺少全國(guó)性碳交易市場(chǎng)的北美地區(qū)，綠色證書交易機(jī)制為可再生能源的并網(wǎng)提供了良好的政策支撐［67］。

文獻(xiàn)［73］提出了計(jì)及綠色證書交易的電力系統(tǒng)電源擴(kuò)展規(guī)劃模型，評(píng)估了綠色證書交易機(jī)制的中長(zhǎng)期影響。文獻(xiàn)［74］構(gòu)建了計(jì)及電力市場(chǎng)及綠色證書交易的古諾均衡模型，分析了綠色證書交易機(jī)制對(duì)于提高可再生能源發(fā)電商市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的作用。文獻(xiàn)［75］研究了新能源發(fā)電商日前-實(shí)時(shí)兩階段決策報(bào)價(jià)問題，計(jì)及了基于古諾模型的綠色證書交易出清模型及新能源發(fā)電商的市場(chǎng)力行為。

2.4 多能源市場(chǎng)協(xié)同機(jī)制

當(dāng)前針對(duì)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃／運(yùn)行研究大多采用集中式?jīng)Q策，即間接假定了綜合能源系統(tǒng)由單個(gè)主體統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，這與當(dāng)前多個(gè)子能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)相對(duì)獨(dú)立的現(xiàn)狀不相符，尤其是在市場(chǎng)機(jī)制下存在信息隱私的問題。因此，對(duì)于市場(chǎng)機(jī)制下的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同問題，有必要考慮以下2 類問題：①多能源市場(chǎng)之間的信息交互與協(xié)同問題，如電力市場(chǎng)與天然氣市場(chǎng)的協(xié)同（二者各自的市場(chǎng)機(jī)制相對(duì)比較成熟，而供熱系統(tǒng)更多呈現(xiàn)垂直一體化管理，其市場(chǎng)機(jī)制尚不成熟）；②市場(chǎng)主體（如燃?xì)廨啓C(jī)組、CHP機(jī)組、P2G、綜合能源服務(wù)商等）參與多個(gè)能源市場(chǎng)（如電力市場(chǎng)、天然氣市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)、綠色證書市場(chǎng)等）的決策報(bào)價(jià)問題。以電力-天然氣-碳交易-綠證市場(chǎng)的協(xié)同為例，圖6 展示了計(jì)及市場(chǎng)參與者決策報(bào)價(jià)的多能源市場(chǎng)博弈均衡問題，側(cè)重說(shuō)明了電力市場(chǎng)與其余市場(chǎng)的耦合協(xié)同，因此天然氣、碳交易及綠色證書交易市場(chǎng)的建模不再具體展開描述。

圖6 多能源市場(chǎng)的耦合與協(xié)同F(xiàn)ig.6 Coupling and coordination of multi-energy markets

文獻(xiàn)［76］分析了電力-天然氣市場(chǎng)的博弈均衡點(diǎn)，評(píng)估了能源生產(chǎn)者與能源消費(fèi)者在綜合能源市場(chǎng)中的市場(chǎng)力。文獻(xiàn)［77］構(gòu)建了電力-天然氣-碳交易博弈均衡模型，分析了碳配額機(jī)制對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)組市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的作用。文獻(xiàn)［78］提出了計(jì)及風(fēng)電不確定性的氣-電協(xié)同綜合能源市場(chǎng)出清模型，提出了一種天然氣備用容量報(bào)價(jià)機(jī)制，保證了燃?xì)廨啓C(jī)組燃料供應(yīng)的充裕性。文獻(xiàn)［79］構(gòu)建了基于兩階段隨機(jī)優(yōu)化的綜合能源市場(chǎng)模型，對(duì)比分析氣-電市場(chǎng)順序出清與聯(lián)合出清的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［80］分析了計(jì)及P2G 的多能源市場(chǎng)的均衡問題，其中多能源系統(tǒng)之間的耦合統(tǒng)一由能源中心描述。文獻(xiàn)［81］提出了基于廣義納什均衡的電-熱聯(lián)合市場(chǎng)出清模型，采用了一種基于增廣拉格朗日的分布式求解方法，保護(hù)了市場(chǎng)主體的信息隱私。文獻(xiàn)［82］設(shè)計(jì)了一種以用戶為中心的電-熱綜合能源市場(chǎng)機(jī)制，對(duì)比分析了4 種不同利益分配機(jī)制的經(jīng)濟(jì)性與計(jì)算效率。文獻(xiàn)［83］設(shè)計(jì)了一種基于多市場(chǎng)均衡的綜合能源市場(chǎng)機(jī)制，構(gòu)建了綜合能源服務(wù)商套利交易模型。

3 能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的核心挑戰(zhàn)

雖然當(dāng)前圍繞多能源系統(tǒng)建模、協(xié)同規(guī)劃／運(yùn)行、市場(chǎng)機(jī)制等開展了較多研究，但多能流協(xié)同視角下的能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型仍有一些問題亟待解決。因此，本節(jié)歸納總結(jié)了如圖7 所示的能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型需面臨的3個(gè)核心挑戰(zhàn)。

圖7 能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與變革面臨的挑戰(zhàn)Fig.7 Challenges faced by transition and revolution of energy systems

3.1 碳中和目標(biāo)下能源供應(yīng)的充裕性問題

不同于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，以新能源為主體的電力／能源系統(tǒng)會(huì)面臨能源供應(yīng)的充裕性問題。具體而言，新能源的出力主要取決于天氣因素，這導(dǎo)致在某些場(chǎng)景下新能源的出力未必能達(dá)到預(yù)期值，2021年2 月得州大停電事件部分原因在于風(fēng)電機(jī)組在極寒天氣下的退出運(yùn)行［84］。當(dāng)前能源系統(tǒng)的規(guī)劃側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性層面，然而規(guī)劃階段考慮的典型日與實(shí)際的運(yùn)行場(chǎng)景難免存在偏差。換言之，電力系統(tǒng)規(guī)劃階段的充裕性要求電源側(cè)總裝機(jī)容量達(dá)到一定數(shù)值（結(jié)合峰值負(fù)荷與備用容量設(shè)定），然而新能源機(jī)組的裝機(jī)容量與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量（能夠可靠供電）難以同等看待。

對(duì)于以新能源為主體的能源系統(tǒng)，另外一個(gè)需充分考慮的問題是系統(tǒng)的靈活性水平。電力系統(tǒng)在規(guī)劃階段側(cè)重于考慮中長(zhǎng)期負(fù)荷不確定性與新能源出力的隨機(jī)性，而短期運(yùn)行的靈活性問題容易被忽略。一種可能出現(xiàn)的情況是電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期電力電量平衡能夠滿足，但短期運(yùn)行情況下傳統(tǒng)電源的靈活性難以平衡新能源出力的波動(dòng)，造成能源供應(yīng)的充裕性問題。值得注意的是：若采用燃?xì)廨啓C(jī)組平抑新能源波動(dòng)，則需考慮天然氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行約束；若采用CHP 機(jī)組平抑新能源波動(dòng)，則需考慮熱力系統(tǒng)的負(fù)荷供應(yīng)問題。

3.2 能源系統(tǒng)的安全運(yùn)行問題

多能源系統(tǒng)之間的耦合協(xié)同為能源的高效利用提供了機(jī)遇，但也不可避免地帶來(lái)了潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)［10］。得州大停電事故發(fā)生的另一個(gè)重要原因在于燃?xì)廨啓C(jī)組失去了可靠的天然氣供應(yīng)［84］，此時(shí)天然氣系統(tǒng)的阻塞問題引發(fā)了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，燃?xì)廨啓C(jī)組參與電力系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)的平衡易引發(fā)天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)［85］，一個(gè)典型的案例是2016 年的加州燃?xì)庑孤┦鹿剩?6］，當(dāng)時(shí)由于氣源供應(yīng)短缺，天然氣系統(tǒng)運(yùn)行在安全邊界，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)組的快速爬坡（為平衡新能源波動(dòng)）導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)氣壓低于安全下限值，造成了氣網(wǎng)設(shè)備脫網(wǎng)。

歸納而言，在多能源系統(tǒng)深度耦合的情況下，單個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可能造成耦合能源系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)連鎖故障。規(guī)避此類運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)需解決兩方面的難題：一是多能源系統(tǒng)之間共享實(shí)時(shí)的安全運(yùn)行裕度信息，即出現(xiàn)潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)告知耦合的能源系統(tǒng)；二是故障發(fā)生后，多能源系統(tǒng)之間制定協(xié)同的校正控制方案，利用耦合能源系統(tǒng)的靈活性與多能互補(bǔ)性支撐故障恢復(fù)。

3.3 信息壁壘下多能源系統(tǒng)的協(xié)同問題

隨著多個(gè)能源系統(tǒng)耦合的加深，相對(duì)獨(dú)立的規(guī)劃／調(diào)度策略往往并非經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)。然而，各能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)相對(duì)獨(dú)立，集中式運(yùn)行決策在工程上難以實(shí)現(xiàn)。因此，多能源系統(tǒng)的協(xié)同問題需充分考慮各運(yùn)營(yíng)主體的信息壁壘問題。當(dāng)前已有學(xué)者開展了有限信息交互下的多能源系統(tǒng)協(xié)同研究，文獻(xiàn)［87］研究了日前運(yùn)行與實(shí)時(shí)運(yùn)行下的氣-電協(xié)同問題。文獻(xiàn)［88］提出了一種基于納什均衡的配電網(wǎng)與區(qū)域熱網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行模型。文獻(xiàn)［89］構(gòu)建了基于最佳響應(yīng)分解法的電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)運(yùn)行均衡點(diǎn)模型。

在保護(hù)信息隱私的前提下，多能流系統(tǒng)的協(xié)同仍需考慮時(shí)間尺度的問題［90］，即各能源系統(tǒng)在何時(shí)交互運(yùn)行信息。一方面，多個(gè)能源系統(tǒng)的運(yùn)行決策在時(shí)間上不一定同步，例如北美地區(qū)電力市場(chǎng)與天然氣市場(chǎng)日前出清存在不同步的問題；另一方面，電力系統(tǒng)與天然氣／熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間差異明顯，決定了其運(yùn)行決策周期存在較大差異。因此，關(guān)于多能源系統(tǒng)混合時(shí)間尺度協(xié)同，尤其是計(jì)及市場(chǎng)機(jī)制下的信息壁壘問題，值得深入研究。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了碳中和目標(biāo)下的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與變革的多能流協(xié)同技術(shù)，歸納分析了支撐新能源并網(wǎng)的多能源系統(tǒng)建模、運(yùn)行及規(guī)劃問題，分析探討了以新能源為主體的電力／能源系統(tǒng)的市場(chǎng)機(jī)制問題，最后總結(jié)了多能流協(xié)同下能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與變革所面臨的潛在的核心挑戰(zhàn)。值得注意的是，能源系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型路徑多樣化，本文從多能流協(xié)同的視角探討了支撐高比例新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，有望為該領(lǐng)域的研究及工程應(yīng)用提供有益參考。