陳錦鵬，胡志堅(jiān)，陳穎光，陳嘉濱，陳緯楠，高明鑫，林銘蓉，杜一星

（1. 武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430000；2. 福建華電金湖電力有限公司，福建 三明 365000；3. 華電福新能源有限公司 南靖水力發(fā)電廠，福建 漳州 363000）

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展給環(huán)境帶來了巨大的負(fù)擔(dān)［1］，溫室氣體的大量排放進(jìn)一步導(dǎo)致全球氣候變暖［2］。在此大背景下，我國(guó)表示力爭(zhēng)在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和［3］。電力行業(yè)作為能源消耗的主體，其碳排放量在碳排放總量中占了很大的比重，實(shí)現(xiàn)低碳電力將有望加速實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)［4］。

綜合能源系統(tǒng)IES（Integrated Energy System）內(nèi)部耦合了多種能源進(jìn)行聯(lián)合供應(yīng)，能滿足終端多能負(fù)荷需求，進(jìn)一步優(yōu)化了多能系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)性［5］。

目前多數(shù)文獻(xiàn)著重考慮IES的經(jīng)濟(jì)性［6-7］，忽略了IES 實(shí)現(xiàn)碳減排的巨大潛力。也有些文獻(xiàn)針對(duì)IES的低碳運(yùn)行進(jìn)行了研究，如：文獻(xiàn)［8］建立了微網(wǎng)與配電網(wǎng)的重復(fù)博弈模型，結(jié)合等效碳排放系數(shù)將CO2排放成本納入經(jīng)濟(jì)成本中；文獻(xiàn)［9］討論了碳捕集技術(shù)降低碳排放的效果并結(jié)合需求響應(yīng)提出了低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。但文獻(xiàn)［8-9］所建立的碳排放模型過于簡(jiǎn)單，且忽略了碳交易市場(chǎng)的引導(dǎo)作用。為此，文獻(xiàn)［10-11］引入碳交易機(jī)制及碳排放計(jì)算模型，提出了計(jì)及碳交易成本的IES優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［3，12］提出了階梯式碳交易機(jī)制，進(jìn)一步約束了碳排放。

促進(jìn)清潔能源消納是節(jié)能減排的重要途徑，然而風(fēng)電的反調(diào)峰特性導(dǎo)致棄風(fēng)問題尤為突出［13］。有學(xué)者提出運(yùn)用電轉(zhuǎn)氣P2G（Power-to-Gas）將富余電能轉(zhuǎn)化為天然氣，極大提高了風(fēng)電的消納［14-15］，其中文獻(xiàn)［14］構(gòu)建了含P2G 的IES，考慮多個(gè)獨(dú)立能源商，結(jié)合納什討價(jià)還價(jià)策略進(jìn)行博弈。然而，現(xiàn)有研究在對(duì)P2G 建模時(shí)大多只考慮電轉(zhuǎn)天然氣的過程。實(shí)際上，P2G的工作包含電制氫氣和氫氣轉(zhuǎn)天然氣2個(gè)過程。文獻(xiàn)［5］指出電制天然氣的效率僅為55%，而電制氫氣的效率高達(dá)80%，并且氫氣的燃燒效率高于天然氣，且不產(chǎn)生碳排放。因此，細(xì)化研究P2G的制氫環(huán)節(jié)中氫能的高效、清潔利用具有重大意義。

含熱電聯(lián)產(chǎn)CHP（Combined Heat and Power）的優(yōu)化運(yùn)行也取得了一定成果［16-18］，其中文獻(xiàn)［17］結(jié)合CHP的熱電耦合特性，根據(jù)IES內(nèi)部的負(fù)荷需求提出一種基于分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在對(duì)CHP 建模時(shí)，大多假定其熱電比為恒定，導(dǎo)致CHP 出力往往不能與實(shí)際用能需求相匹配，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。為此，文獻(xiàn)［19］考慮了CHP 熱電比可調(diào)特性，提高了CHP供能效益，優(yōu)化了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

通過上述分析可知，多數(shù)文獻(xiàn)建立的碳排放模型過于簡(jiǎn)單，未充分考慮碳交易市場(chǎng)的作用；在運(yùn)用P2G 促進(jìn)風(fēng)電消納時(shí)，鮮有考慮P2G 兩階段運(yùn)行過程具備的效益；在含CHP 優(yōu)化運(yùn)行時(shí)較少考慮可調(diào)熱電比所具備的潛在優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，鮮有文獻(xiàn)綜合考慮階梯式碳交易機(jī)制、細(xì)化P2G 兩階段運(yùn)行以及熱電比可調(diào)的CHP 裝置三者協(xié)同運(yùn)行對(duì)IES 調(diào)度的影響。未來能源系統(tǒng)將迎來多種轉(zhuǎn)型與變革，尤其是各種低碳與清潔技術(shù)的應(yīng)用，各種轉(zhuǎn)型與變革并非孤立存在，而是相輔相成，協(xié)同發(fā)展。因此有必要深入研究上述三者協(xié)同運(yùn)行對(duì)IES優(yōu)化調(diào)度的影響。

為此，在上述研究基礎(chǔ)上，本文綜合考慮階梯式碳交易機(jī)制、細(xì)化P2G 兩階段運(yùn)行過程以及熱電比可調(diào)的CHP、氫燃料電池HFC（Hydrogen Fuel Cell）運(yùn)行策略對(duì)IES 優(yōu)化調(diào)度的影響，構(gòu)建了以購(gòu)能成本、碳排放成本、棄風(fēng)成本最小的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)，并將原問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性問題，運(yùn)用CPLEX 商業(yè)求解器進(jìn)行求解，并通過對(duì)比分析不同情景的調(diào)度結(jié)果，驗(yàn)證了所提策略的有效性。

1 含階梯式碳交易機(jī)制與電制氫的IES運(yùn)行框架

集合多種能源形式的IES 通過多種能源與供能設(shè)備滿足內(nèi)部的能源需求。本文在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，引入階梯式碳交易機(jī)制，同時(shí)細(xì)化考慮了P2G裝置兩階段運(yùn)行過程中氫能的高效利用以及CHP 設(shè)備熱電比可調(diào)特性，具體框架如圖1所示。

圖1 IES運(yùn)行圖Fig.1 Operation diagram of IES

由圖1可知，本文建立的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度框架主要包含5 個(gè)單元：上級(jí)能源供給單元、耦合設(shè)備單元、儲(chǔ)能設(shè)備單元、終端用能單元、碳交易市場(chǎng)單元。分布式電源為IES 提供可再生的清潔能源；電解槽EL（ELectrolyzer）將電能轉(zhuǎn)化為氫能，氫能經(jīng)由甲烷反應(yīng)器MR（Methane Reactor）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為天然氣，也可直接供給HFC 進(jìn)行氫能的熱電生產(chǎn)，減少能源的梯級(jí)消耗，提高能源的利用率；燃?xì)忮仩tGB（Gas Boiler）燃燒天然氣提供熱能，滿足熱負(fù)荷需求；CHP 燃燒天然氣同時(shí)滿足電、熱負(fù)荷需求；氣負(fù)荷需求由上級(jí)天然氣網(wǎng)以及MR 聯(lián)合供應(yīng)；此外，IES 內(nèi)還包含電、氣、熱、氫儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行能量存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)能量的時(shí)移；各設(shè)備運(yùn)行過程涉及的CO2吸收或排放最終通過碳交易市場(chǎng)進(jìn)行交易。

1.1 可調(diào)熱電比模型

CHP 通過燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電，并將發(fā)電過程產(chǎn)生的余熱對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行供應(yīng)。熱電比可調(diào)的CHP能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的電、熱用能需求進(jìn)行電、熱出力調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行效益，其工作模型為：

1.2 P2G兩階段運(yùn)行過程

氫能作為純凈、高效的能源，在一些領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力，如氫能源汽車、HFC 等。P2G 兩階段運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2 P2G兩階段過程Fig.2 Two-stage process of P2G

EL 首先將電能轉(zhuǎn)化為氫能，氫能一部分輸入MR 與CO2合成為天然氣，供應(yīng)給氣負(fù)荷、GB、CHP，一部分直接輸送到HFC 轉(zhuǎn)換為電、熱能，還有一部分經(jīng)由儲(chǔ)氫罐進(jìn)行存儲(chǔ)。氫能經(jīng)由HFC 直接轉(zhuǎn)化為電、熱能相比于先轉(zhuǎn)化為天然氣后再經(jīng)由GB 或CHP 燃燒供應(yīng)，減少了一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，可減少能量的梯級(jí)損耗，另外氫能的能效高于天然氣，且不會(huì)產(chǎn)生CO2?？梢姎淠苤苯庸┙oHFC 具有多方面效益。上述能量轉(zhuǎn)化的模型可描述如下。

1）EL設(shè)備。

3）HFC設(shè)備。

文獻(xiàn)［5］表明，HFC 的熱、電能量轉(zhuǎn)化效率之和可看成一個(gè)常數(shù)，并且電、熱轉(zhuǎn)換效率可調(diào)，因此本文構(gòu)建的熱電比可調(diào)的HFC模型如下：

1.3 階梯式碳交易機(jī)制模型

碳交易機(jī)制是通過建立合法的碳排放權(quán)，并允許生產(chǎn)商到市場(chǎng)進(jìn)行碳排放權(quán)交易進(jìn)而達(dá)到控制碳排放的目的。監(jiān)管部門首先為每個(gè)碳排放源分配碳排放權(quán)配額，生產(chǎn)商結(jié)合自身的配額進(jìn)行合理生產(chǎn)與排放。若實(shí)際碳排放低于所分配的配額，則可將剩余配額參與到碳交易市場(chǎng)進(jìn)行交易，反之則需要購(gòu)買碳排放權(quán)配額。階梯式碳交易機(jī)制模型主要包含碳排放權(quán)配額模型、實(shí)際碳排放模型、階梯式碳排放交易模型。

1）碳排放權(quán)配額模型。

IES 中的碳排放源主要有3 類：上級(jí)購(gòu)電、GB、CHP。目前國(guó)內(nèi)主要采用的配額方法為無償配額［3］，并且本文認(rèn)為上級(jí)購(gòu)電均來源于燃煤機(jī)組發(fā)電。

式中：EIES、Ee，buy、ECHP、EGB分別為IES、上級(jí)購(gòu)電、CHP、GB 的碳排放權(quán)配額；χe、χg分別為燃煤機(jī)組單位電力消耗、燃天然氣機(jī)組單位天然氣消耗的碳排放權(quán)配額；Pe，buy(t)為t時(shí)段上級(jí)購(gòu)電量；PGB，h(t)為t時(shí)段GB輸出的熱能；T為調(diào)度周期。

2）實(shí)際碳排放模型。

MR 的氫能轉(zhuǎn)天然氣過程可吸收一部分CO2，因此需要對(duì)其進(jìn)行考慮。實(shí)際碳排放模型如下：

式中：EIES，a、Ee，buy，a分別為IES、上級(jí)購(gòu)電的實(shí)際碳排放量；Etotal，a為CHP、GB、MR 總的實(shí)際碳排放量；EMR，a為MR 實(shí)際吸收的CO2量；Ptotal(t)為t時(shí)段CHP、GB、MR等效輸出功率；a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為燃煤機(jī)組和耗天然氣型供能設(shè)備的碳排放計(jì)算參數(shù)；?為MR設(shè)備氫能轉(zhuǎn)天然氣過程吸收CO2的參數(shù)。

3）階梯式碳排放交易模型。

求得IES 的碳排放權(quán)配額及實(shí)際碳排放量，即可求得實(shí)際參與到碳交易市場(chǎng)的碳排放權(quán)交易額。

式中：EIES，t為IES的碳排放權(quán)交易額。

相較于傳統(tǒng)碳交易定價(jià)機(jī)制，為進(jìn)一步限制碳排放，本文采用階梯式定價(jià)機(jī)制。階梯式定價(jià)機(jī)制劃分了多個(gè)購(gòu)買區(qū)間，隨著需要購(gòu)買的碳排放權(quán)配額越多，相應(yīng)區(qū)間的購(gòu)價(jià)越高。階梯式碳交易成本為：

式中：fpriceCO2為階梯式碳交易成本；λ為碳交易基價(jià)；l為碳排放量區(qū)間長(zhǎng)度；α為價(jià)格增長(zhǎng)率。

2 考慮階梯式碳交易機(jī)制與電制氫的IES優(yōu)化運(yùn)行模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

式中：Pg，buy(t)為t時(shí)段的購(gòu)氣量；αt、βt分別為t時(shí)段的電價(jià)、氣價(jià)。

式中：δDG為單位棄風(fēng)懲罰成本；PDG，cut(t)為t時(shí)段的棄風(fēng)功率。

2.2 約束條件

1）風(fēng)電出力約束。

式中：PDG(t)為t時(shí)段風(fēng)電輸出功率；為風(fēng)電輸出功率上限。

2）CHP、EL、MR、HFC運(yùn)行約束（見式（1）—（4））。

3）GB運(yùn)行約束。

4）儲(chǔ)能運(yùn)行約束。

文獻(xiàn)［7］認(rèn)為電、熱、氣等儲(chǔ)能設(shè)備模型相似，因此本文對(duì)電、熱、氣、氫儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模。

5）電功率平衡約束。

考慮到風(fēng)電具有較大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，為減輕主網(wǎng)壓力，本文不考慮IES向上級(jí)電網(wǎng)售電。

2.3 模型線性化處理

本文構(gòu)建的考慮電制氫與可調(diào)熱電比的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型為混合整數(shù)非線性模型，因此需將上述模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性模型，采用Yalmip 調(diào)用CPLEX 商業(yè)求解器進(jìn)行求解。式（6）包含平方項(xiàng)，可進(jìn)行分段線性化處理，具體線性化過程見附錄A。

3 算例分析

為驗(yàn)證所提低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略的有效性，設(shè)置算例進(jìn)行驗(yàn)證。以一天24 h 為一個(gè)周期進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，該IES 內(nèi)部的各種負(fù)荷與風(fēng)機(jī)出力預(yù)測(cè)結(jié)果見附錄B 圖B1，分時(shí)電價(jià)見附錄B 表B1，天然氣價(jià)取0.35 元／（kW·h）［12］，各設(shè)備的安裝容量與運(yùn)行參數(shù)見附錄B 表B2，各儲(chǔ)能的安裝容量與參數(shù)見附錄B 表B3，實(shí)際碳排放模型參數(shù)見附錄B 表B4，燃煤機(jī)組單位電力消耗的碳排放權(quán)配額χe=0.798 kg／（kW·h），燃天然氣機(jī)組單位天然氣消耗的碳排放權(quán)配額χg=0.385 kg／（kW·h），單位棄風(fēng)懲罰成本δDG=0.2元／（kW·h）。

3.1 碳交易機(jī)制分析

1）考慮階梯式碳交易機(jī)制效益分析。

為了驗(yàn)證本文所提出的考慮階梯式碳交易機(jī)制的有效性，令區(qū)間長(zhǎng)度l=2 t，價(jià)格增長(zhǎng)率α=25%，碳交易基價(jià)λ=250 元／t，并設(shè)置3 種運(yùn)行情景進(jìn)行對(duì)比分析。情景1 為階梯式碳交易機(jī)制下，優(yōu)化目標(biāo)不考慮碳交易成本，僅考慮購(gòu)能成本、棄風(fēng)成本的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度情景；情景2 為傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下，優(yōu)化目標(biāo)考慮購(gòu)能成本、碳交易成本、棄風(fēng)成本的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度情景；情景3 為階梯式碳交易機(jī)制下，優(yōu)化目標(biāo)考慮購(gòu)能成本、碳交易成本、棄風(fēng)成本的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度情景。表1 為3 種運(yùn)行情景下的調(diào)度結(jié)果。由表可知，優(yōu)化目標(biāo)考慮碳交易成本時(shí)的碳排放量要遠(yuǎn)小于優(yōu)化目標(biāo)不考慮碳交易成本。其中，情景2碳排放量比情景1減少了11.91%；情景3碳排放量比情景1 減少了18.73%，且情景3 比情景2 減少碳排放1 201 kg，即減排了6.10%。可見，考慮階梯式碳交易機(jī)制能夠最大限度地約束碳排放，達(dá)到減排的目的。

表1 考慮階梯式碳交易機(jī)制前后效益對(duì)比Table 1 Comparison of benefits before and after considering ladder-type carbon trading mechanism

結(jié)合分時(shí)電價(jià)與氣價(jià)可知，情景1 以傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化為目標(biāo)，由于各時(shí)段氣價(jià)均比電價(jià)便宜，系統(tǒng)會(huì)盡可能多地購(gòu)買天然氣，通過CHP 為電負(fù)荷供電，因此總購(gòu)能成本最小，但大量購(gòu)買天然氣導(dǎo)致燃燒天然氣產(chǎn)生的實(shí)際碳排放量遠(yuǎn)高于碳排放權(quán)配額。結(jié)合實(shí)際碳排放模型可知，當(dāng)燃燒天然氣達(dá)到一定水平時(shí)，繼續(xù)燃燒天然氣將會(huì)使碳排放量大幅增加，這就是情景1 碳排放量多的緣故，此時(shí)需要向碳交易市場(chǎng)購(gòu)買大量的碳排放權(quán)配額，因此總成本最大；而情景2 在優(yōu)化時(shí)考慮了碳交易成本，雖然購(gòu)氣比購(gòu)電便宜，但由于此時(shí)系統(tǒng)燃燒天然氣處于高碳排放狀態(tài)，選擇購(gòu)氣代替購(gòu)電所節(jié)約的成本已經(jīng)低于燃燒天然氣產(chǎn)生的高額碳排放而向碳交易市場(chǎng)購(gòu)買碳排放權(quán)配額的成本，因此相比情景1，情景2減少了購(gòu)氣，增加了購(gòu)電；而情景3 由于階梯式碳交易機(jī)制的緣故，碳排放權(quán)配額的購(gòu)價(jià)呈階梯增長(zhǎng)，在一定程度上進(jìn)一步限制了系統(tǒng)的碳排放量，因此情景3再次減少購(gòu)氣，增加購(gòu)電，達(dá)到新的平衡。

對(duì)比3種運(yùn)行情景的總成本，情景1雖然購(gòu)能成本較低，但由于優(yōu)化時(shí)不考慮碳交易成本，導(dǎo)致需要向碳交易市場(chǎng)購(gòu)買大量的碳排放權(quán)配額，因此總成本最大；情景2 雖然增加了購(gòu)能成本，但由于碳排放成本降低，且碳交易機(jī)制為傳統(tǒng)的恒定價(jià)格機(jī)制，購(gòu)價(jià)僅以基價(jià)進(jìn)行計(jì)算，因此碳交易成本較低，總成本最小。雖然情景3 較情景2 的總成本增加了1 024 元，但碳排放減少了1201 kg，體現(xiàn)了在階梯式碳交易機(jī)制下，系統(tǒng)能在減排的同時(shí)保證較低的運(yùn)行成本。

2）不同碳交易機(jī)制參數(shù)下的效益分析。

不同的碳交易機(jī)制參數(shù)會(huì)直接影響IES 內(nèi)部運(yùn)行情況。現(xiàn)有文獻(xiàn)大多只分析不同碳交易基價(jià)對(duì)系統(tǒng)的影響［3，12］，鮮有文獻(xiàn)分析區(qū)間長(zhǎng)度、價(jià)格增長(zhǎng)率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。為此，本節(jié)著重討論這3個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)碳排放量及運(yùn)行總成本的影響，如圖3所示。

圖3 不同的碳交易機(jī)制參數(shù)對(duì)IES的影響Fig.3 Effects of different carbon trading mechanism parameters on IES

由圖3可知，碳交易基價(jià)小于260元／t時(shí)，隨著碳交易基價(jià)的增加，即碳排放目標(biāo)成本的權(quán)重越大，碳交易成本的作用越強(qiáng)，系統(tǒng)不得不減少碳排放量以減小碳交易成本，因此碳排放量逐漸減少；而碳交易基價(jià)大于260 元／t 時(shí)，隨著碳交易基價(jià)的增大，系統(tǒng)各設(shè)備出力分布趨于穩(wěn)定，碳排放水平也趨于穩(wěn)定，因此碳排放量受碳交易基價(jià)變化的影響較??；由于碳交易成本的提高，系統(tǒng)的總成本也隨之提高。

當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度在（0.5，2］t 范圍時(shí)，由于區(qū)間長(zhǎng)度較小，系統(tǒng)大部分以階梯價(jià)格購(gòu)買碳排放權(quán)配額，碳交易成本較高，因此碳排放量較小。當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度在（2，5］t范圍時(shí)，區(qū)間長(zhǎng)度相對(duì)較大；由于IES 內(nèi)部的固有負(fù)荷需求，隨著區(qū)間長(zhǎng)度的增加，所需購(gòu)買的碳排放權(quán)配額的交易價(jià)格處于高梯度價(jià)位的量越小，因此碳交易成本越小。隨著碳排放成本的逐漸減小，系統(tǒng)的碳排放量逐漸增加；當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度在（5，8］t范圍時(shí)，碳排放量均由基價(jià)以及第一梯度價(jià)位進(jìn)行交易，區(qū)間長(zhǎng)度大小對(duì)碳排放量的影響程度較小，因此碳排放量達(dá)到穩(wěn)定；隨著區(qū)間長(zhǎng)度的逐漸增大，系統(tǒng)的碳交易成本逐漸減小，總成本也逐漸減小。

當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率為［0，0.4）時(shí)，隨著價(jià)格增長(zhǎng)率的增大，碳交易成本隨之增大，為了減小碳交易成本，系統(tǒng)選擇調(diào)整內(nèi)部設(shè)備的出力分布以減少碳排放；同時(shí)由于IES 內(nèi)部固有負(fù)荷需求，當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率為（0.4，0.8］時(shí)，設(shè)備的出力分布趨于穩(wěn)定，碳排放量變化也趨于穩(wěn)定；隨著價(jià)格增長(zhǎng)率的增大，碳交易成本增大，系統(tǒng)總成本也越來越大。

根據(jù)上述分析可知，從目前碳減排背景的角度來看：當(dāng)碳交易基價(jià)大于260 元／t 時(shí)，IES 的碳減排達(dá)到最小，此時(shí)價(jià)格的提高不再使IES繼續(xù)減少碳排放，只會(huì)增加IES 的運(yùn)行總成本；當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度小于等于2 t時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量最小，而當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度大于5 t時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量最大，階梯式碳交易機(jī)制對(duì)系統(tǒng)的碳排放約束力較差；同理，當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率大于0.4時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量較低，并趨于穩(wěn)定，但系統(tǒng)的運(yùn)行總成本有所提高。因此，合理地設(shè)置碳交易基價(jià)、區(qū)間長(zhǎng)度、價(jià)格增長(zhǎng)率能夠合理引導(dǎo)系統(tǒng)的碳排放。

3.2 細(xì)化P2G兩階段過程效益分析

為了體現(xiàn)將P2G 細(xì)化為EL、MR、HFC 組合的兩階段運(yùn)行過程的調(diào)度優(yōu)勢(shì)，設(shè)置3 種運(yùn)行情景：情景4 為IES 中不含電、氣耦合設(shè)備；情景5 為IES 中含傳統(tǒng)的P2G 設(shè)備；情景6 為將P2G 替換為EL、MR、HFC組合的兩階段運(yùn)行設(shè)備。3 種運(yùn)行情景下的調(diào)度結(jié)果如表2 所示。由表可知，情景6 的運(yùn)行總成本最低，相比情景4、情景5 分別降低了2 100、1 457.3 元。就碳排放而言，情景6相比情景4減排了2917 kg，相比情景5 減排了3 112 kg?？梢姡?xì)化P2G 兩階段過程能夠在減少碳排放的同時(shí)，降低運(yùn)行成本，具有明顯的多方面效益。

表2 細(xì)化P2G兩階段運(yùn)行前后的效益對(duì)比Table 2 Comparison of benefits before and after refining two-stage operation of P2G

將一天等分為24 個(gè)時(shí)段，圖4 為3 種運(yùn)行情景下的棄風(fēng)情況，附錄B圖B2為3種運(yùn)行情景下的IES內(nèi)部電功率平衡圖。結(jié)合表2、圖4和圖B2進(jìn)一步分析可得如下結(jié)論。在夜間時(shí)段，情景4 不含P2G 設(shè)備，由于風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，夜間風(fēng)電處于出力高峰期，電負(fù)荷卻處于用電低谷期。風(fēng)電一部分被電負(fù)荷直接消納，一部分存儲(chǔ)在電儲(chǔ)內(nèi)部在用電高峰時(shí)進(jìn)行釋放，但還是產(chǎn)生了嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象（見圖4中陰影部分）。

圖4 各情景的棄風(fēng)情況Fig.4 Wind curtailment in each scenario

情景5 增加了P2G 設(shè)備，能夠在風(fēng)電出力富余時(shí)段，將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣，提供給儲(chǔ)氣或供應(yīng)負(fù)荷，達(dá)到了儲(chǔ)能設(shè)備低儲(chǔ)高發(fā)以及負(fù)荷的就地消納，因此沒有出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，并且由于將原本棄風(fēng)的電能加以利用，減少了原本應(yīng)向上級(jí)購(gòu)電的成本，經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)一步得到優(yōu)化。

情景6 中，IES 首先將富余的風(fēng)電輸入EL 設(shè)備制氫，消納了全部的風(fēng)電。附錄B 圖B3 為氫能平衡圖，可知?dú)淠芤徊糠謨?chǔ)存在氫儲(chǔ)內(nèi)部，發(fā)揮低儲(chǔ)高發(fā)套利作用，一部分輸送到HFC 進(jìn)行熱電生產(chǎn)，還有一部分輸送到MR 合成天然氣。由于氫能經(jīng)MR 合成天然氣后再輸送到GB、CHP 進(jìn)行供能，將經(jīng)過多個(gè)梯級(jí)的能量損耗，而HFC 中氫能的熱電生產(chǎn)能效高，同時(shí)又減少了一個(gè)中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此氫能優(yōu)先選擇輸送到HFC 進(jìn)行熱電生產(chǎn)，故HFC 處于滿發(fā)狀態(tài)，剩余部分的氫能再經(jīng)由MR轉(zhuǎn)化為天然氣。

結(jié)合表2 可知，情景6 的能源利用率最高，主要原因如下：一是氫能優(yōu)先選擇了高能效的HFC 進(jìn)行熱電生產(chǎn)，減少了能量梯級(jí)消耗；二是碳排放成本的約束使得情景6 增加了向上級(jí)的購(gòu)電量，減少了通過CHP供給電負(fù)荷，從而減少了一部分能量損耗。

同時(shí)，雖然MR 將氫能轉(zhuǎn)化為天然氣能夠吸收一部分CO2，但燃燒天然氣又會(huì)再次釋放CO2，而此時(shí)GB、CHP 的天然氣燃燒已經(jīng)處于高碳排放狀態(tài)，這部分天然氣燃燒所產(chǎn)生的CO2將高于所吸收的CO2。而氫能直接經(jīng)由HFC 進(jìn)行熱電生產(chǎn)不產(chǎn)生碳排放，且能分擔(dān)一部分GB、CHP碳排放的負(fù)擔(dān)，因此相比于情景5，情景6產(chǎn)生的碳排放更少。

3.3 可調(diào)熱電比機(jī)制效果分析

為體現(xiàn)CHP、HFC 的熱電比可調(diào)特性相比于傳統(tǒng)的熱電比不可調(diào)情景的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置2 種對(duì)比情景：情景7 為CHP、HFC 的熱電比恒定；情景8 為CHP、HFC 的熱電比可調(diào)。2 種情景下的調(diào)度結(jié)果如表3所示。由表可知，情景8 相比情景7 減排了807 kg，即減排了4.12%，系統(tǒng)的碳交易成本減少了147.6元，總成本節(jié)省了887.6 元?？梢姡榫? 能夠在促進(jìn)低碳減排的同時(shí)，達(dá)到降低總運(yùn)行成本的效益。

表3 不同熱電比機(jī)制效益對(duì)比Table 3 Benefits comparison between different thermoelectric ratio mechanisms

以CHP 為例進(jìn)行具體分析，圖5 為CHP 各時(shí)段的熱電比，附錄B圖B4為各情景的熱功率平衡圖。

結(jié)合圖5 和圖B4 可知，在夜間時(shí)段，熱負(fù)荷處于高峰狀態(tài)，由于GB 的發(fā)熱效率更高，因此大部分熱負(fù)荷由GB進(jìn)行供應(yīng)，GB處于滿發(fā)狀態(tài)，不足部分由CHP 進(jìn)行供應(yīng)；在夜間凌晨時(shí)段，風(fēng)電處于出力高峰期，電負(fù)荷處于低谷期，且為低電價(jià)時(shí)段，由于風(fēng)電已經(jīng)能夠滿足大部分用電需求，且此時(shí)有一部分熱負(fù)荷需要由CHP 供應(yīng)，因此CHP 處于熱電比最大，即“多發(fā)熱、少發(fā)電”狀態(tài)。在白天時(shí)段，熱負(fù)荷處于低谷期，因此輸入GB的功率有所減小。但此時(shí)電負(fù)荷處于高峰期，由于分時(shí)電價(jià)的原因，此時(shí)電價(jià)較高，氣價(jià)較低，因此系統(tǒng)選擇增加CHP 為電負(fù)荷供電，因此CHP 出力增大，也處于熱電比最小，即“多發(fā)電、少發(fā)熱”狀態(tài)。

圖5 CHP各時(shí)段的熱電比Fig.5 Thermoelectric ratio of CHP in each period

結(jié)合上述分析可知，情景8 能結(jié)合風(fēng)電、分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)與實(shí)時(shí)負(fù)荷需求，在調(diào)整自身的熱電比達(dá)到供能平衡的同時(shí)，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，減少碳排放。

4 結(jié)論

本文從IES參與到階梯式碳交易市場(chǎng)、細(xì)化P2G兩階段運(yùn)行過程以及考慮CHP、HFC 熱電比可調(diào)特性，構(gòu)建了IES 低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，通過研究分析，得出以下結(jié)論。

1）考慮IES 參與到碳交易市場(chǎng)能夠在保證較低運(yùn)行成本的同時(shí)，減少碳排放。階梯式碳交易機(jī)制相較于傳統(tǒng)碳交易定價(jià)模型對(duì)碳排放的約束力更強(qiáng)，能夠起到更好地引導(dǎo)碳排放減排的效果，設(shè)置合理的碳交易參數(shù)可以起到引導(dǎo)系統(tǒng)碳排放的作用。

2）將P2G 替換為EL、MR、HFC 組合運(yùn)行設(shè)備細(xì)化考慮P2G 兩階段運(yùn)行過程，在促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí)，能夠發(fā)揮氫能高能效的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減少能量的梯級(jí)損耗；并且由于HFC 可以分擔(dān)一部分CHP、GB 的供能需求，能夠降低GB、CHP 的碳排放水平，進(jìn)一步減少碳排放。

3）考慮CHP、HFC的熱電比可調(diào)特性，能夠根據(jù)實(shí)際的用能情況，實(shí)時(shí)調(diào)整自身出力水平，在靈活供能的同時(shí)，能夠結(jié)合分時(shí)電價(jià)、氣價(jià)改變熱電比，降低運(yùn)行成本，同時(shí)也可起到碳減排的作用。

后續(xù)研究可以考慮IES 參與到能源市場(chǎng)提供輔助服務(wù)等；此外，本文僅考慮CHP、HFC 等設(shè)備運(yùn)行靈活性，后續(xù)研究可考慮電、熱、氣等柔性負(fù)荷參與IES的優(yōu)化調(diào)度；由于新能源出力的不確定性將會(huì)影響IES 的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，后續(xù)研究將在本文研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮新能源出力的不確定性。

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