陳 志，胡志堅，翁菖宏，李天格

（武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

在全球環(huán)境問題日益凸顯的背景下，節(jié)能減排已成為世界各國的共識，我國也提出了“2030 年前碳排放達(dá)峰值、2060 年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)，并相繼發(fā)布了碳達(dá)峰、碳中和行動方案［1］。碳排放的主要來源是能源行業(yè)，依托可再生能源發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）、儲能等技術(shù)，構(gòu)建多能互補的綜合能源系統(tǒng)IES（Integrated Energy System），通過碳交易、碳稅［2］等機制引導(dǎo)能源行業(yè)在節(jié)能減排中發(fā)揮主力軍作用，被認(rèn)為是促進低碳可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。合理規(guī)劃是保障綜合能源系統(tǒng)發(fā)揮運營效能的重要前提［3］，因此，有必要在綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃中引入碳交易、碳稅等機制。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)PIES（Park-level Integrated Energy System）是一種直接面向終端能源用戶的微型綜合能源系統(tǒng)［4］，目前在國內(nèi)外已有一定的示范應(yīng)用［5］。為了得到最優(yōu)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案，已有學(xué)者從經(jīng)濟性、可靠性、促進可再生能源消納等角度開展研究。文獻(xiàn)［6］對協(xié)調(diào)可靠性和經(jīng)濟性的電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃問題進行了總結(jié)；文獻(xiàn)［7］提出了一種基于改進型Kriging 模型的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，最大限度地降低投資和用能成本；文獻(xiàn)［8-9］以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［10-11］綜合考慮經(jīng)濟性、可再生能源利用率、可靠性等指標(biāo)，所提規(guī)劃方案能有效提升綜合能源系統(tǒng)的運行能力與經(jīng)濟性。上述研究充分考慮了綜合能源系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性和可靠性，但鮮有考慮綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境問題。

為此，碳交易機制被認(rèn)為是減少碳排放量并兼顧經(jīng)濟性的有效手段［2］。文獻(xiàn)［12］考量實際碳排放量和碳排放配額之間的差值，采用傳統(tǒng)碳交易機制構(gòu)建了計及碳交易成本的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型；文獻(xiàn)［13-14］采用階梯碳交易模型，分別從需求響應(yīng)和源側(cè)集中調(diào)度模式角度提出了電-熱-氣耦合低碳調(diào)度策略；文獻(xiàn)［15］考慮熱網(wǎng)約束，對比分析了碳排放總量交易模式和碳排放強度交易模式對多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響；文獻(xiàn)［16］通過建立一種電力系統(tǒng)三階段最優(yōu)階梯碳價模型，研究了碳價對電力系統(tǒng)碳排放量的影響，結(jié)果表明階梯碳交易機制的基準(zhǔn)碳價及碳價增量是影響系統(tǒng)碳排放與運行的主要因素；文獻(xiàn)［17］考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移的不確定性，構(gòu)建了基于獎懲階梯型碳交易的綜合能源系統(tǒng)魯棒優(yōu)化模型。上述研究在綜合能源系統(tǒng)中引入碳交易機制，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行，且階梯碳交易機制的降碳性能更優(yōu)。

綜上所述，目前的研究多將碳交易機制引入綜合能源系統(tǒng)以實現(xiàn)低碳經(jīng)濟運行，但未對碳交易機制與綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題之間的耦合影響進行充分的研討，且已有研究多集中在綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度問題。另外，對于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)而言，其建設(shè)時序主要根據(jù)園區(qū)開發(fā)及招商引資計劃，結(jié)合負(fù)荷增長需求，進行同步實施［18］。為滿足負(fù)荷增長需求，避免園區(qū)運營前期設(shè)備冗余配置，運營后期設(shè)備老化導(dǎo)致不能滿足負(fù)荷的用能需求等情況，有必要在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃中充分考慮其建設(shè)時序。

因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文進一步考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)時序，將在配電網(wǎng)規(guī)劃、電源規(guī)劃、電-氣耦合規(guī)劃等研究［19］中已有一定應(yīng)用成效的多階段規(guī)劃方法應(yīng)用到園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃中，構(gòu)建了一種基于階梯碳交易機制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型。首先，建立了階梯碳交易機制的碳交易成本模型；然后，以全壽命周期內(nèi)的投資、運行、維護、碳交易費用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了基于階梯碳交易機制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型，對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備進行最優(yōu)配置；最后，討論了階梯碳交易機制中的碳交易基準(zhǔn)價格、價格區(qū)間長度、價格區(qū)間數(shù)目等因素對碳排放的影響，并以此為基準(zhǔn)探討了階梯碳排放機制與多階段規(guī)劃的相互耦合關(guān)系。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 基于能量樞紐概念的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建模

能量樞紐的模型可以描述電、氣、熱等多種能源形式間的轉(zhuǎn)化、分配和存儲關(guān)系，基于能量樞紐的概念可以將園區(qū)綜合能源系統(tǒng)抽象等效為一個多輸入-多輸出的雙端口網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of PIES structure

1.2 設(shè)備模型

如圖1 所示，本文考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃候選設(shè)備包括光伏（PV）、電轉(zhuǎn)氣（P2G）、電鍋爐（EB）、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t（GB）、電儲（ES）、熱儲（HS）、氣儲（GS），各類候選設(shè)備的模型如下。

1.2.1 光伏

基于典型日的光照數(shù)據(jù)，本文將光伏的預(yù)測出力曲線作為其最大出力曲線，光伏在t時段的實際輸出功率不能超過其預(yù)測的最大出力，如式（1）所示。

式中：PPV(t)為t時段光伏的輸出功率；(t)為t時段預(yù)測的光伏出力最大值。

1.2.2 能量轉(zhuǎn)化設(shè)備

根據(jù)圖1 所示的能量輸入、輸出關(guān)系，若將各能源轉(zhuǎn)化裝置的輸入功率、輸出功率、能源轉(zhuǎn)換效率分別表示為Ii(t)、Oi(t)、ηi，則其能源轉(zhuǎn)換關(guān)系及其額定功率約束如式（2）—（4）所示。

1.2.3 儲能設(shè)備

根據(jù)圖1 所示的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本文采用廣義儲能系統(tǒng)的通用模型［20］對電、熱、氣儲3 類儲能設(shè)備進行處理，建立儲能設(shè)備充、放能功率的上限約束，充、放能行為不能同時進行的約束，以及荷能狀態(tài)約束，具體如式（5）—（9）所示。

考慮到儲能設(shè)備在運行1 個調(diào)度周期后，其荷能狀態(tài)需要恢復(fù)至調(diào)度初期的狀態(tài)，進一步建立如（10）所示的約束條件。

式中：Ws(t0)、Ws(tT)分別為第s類儲能設(shè)備在優(yōu)化調(diào)度周期始、末的荷能狀態(tài)。

2 基于階梯碳交易機制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃建模

2.1 階梯碳交易機制下的碳交易成本計算模型

在碳交易機制下，依據(jù)政府分配的碳排放額與實際碳排放量的差異，碳排放量是一種可以進行自由交易的商品，而在電力行業(yè)，目前我國主要采用無償?shù)姆绞竭M行初始碳排放額的分配［12］。根據(jù)圖1 所示的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型，本文考慮系統(tǒng)向上級電網(wǎng)購得的電力全部來源于火電，采用基準(zhǔn)線法［17］確定系統(tǒng)的無償碳排放配額，認(rèn)為碳排放主要來源于外購電力、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備以及燃?xì)忮仩t，因此碳交易的無償排放額分配如式（11）所示。

考慮到電轉(zhuǎn)氣設(shè)備在運行時需要CO2作為其電轉(zhuǎn)氣過程的原料［17］，因此本文在計量園區(qū)綜合能源系統(tǒng)實際運行中的碳排放量時，除了考慮上述外購電力、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、燃?xì)忮仩t帶來的碳排放量，也進一步考慮了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備對CO2的捕獲消納作用。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的實際碳排放量計算式為：

式中：E、EPN、ECHP、EGB分別為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)、外購電力、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、燃?xì)忮仩t的實際碳排放量，其中EPN、ECHP、EGB的計算方式與式（12）—（14）基本一致，區(qū)別在于單位電量對應(yīng)的碳排放量βe、單位熱量對應(yīng)的碳排放量βh取值不同；EP2G為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備捕獲的CO2量；βg為碳捕獲系數(shù)，表征電轉(zhuǎn)氣設(shè)備轉(zhuǎn)換單位電量所需的CO2量；PP2G(t)為t時段電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的電輸入功率。

依據(jù)實際碳排放量與無償碳排放配額之間的關(guān)系，本文建立的階梯碳交易機制如圖2 所示。圖中，c為碳交易基準(zhǔn)價格；α為碳交易價格的增長系數(shù)；d為碳交易價格區(qū)間的長度。將實際碳排放量與無償碳排放配額之間的差值劃分為若干個區(qū)間，各區(qū)間對應(yīng)不同的碳交易價格。基于該碳交易機制，當(dāng)實際碳排放量小于無償碳排放配額時，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可在碳交易市場出售多余的配額以獲得一定的利益，且碳排放量越少，與配額的差值越大，對應(yīng)區(qū)間的配額出售價格越高，收益越高；反之，當(dāng)實際碳排放量大于無償碳排放配額時，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)需要支付一定的費用購買碳排放權(quán)，相應(yīng)地，碳排放量越多，與配額的差值越大，對應(yīng)區(qū)間的碳排放權(quán)購買價格越高，碳排放權(quán)的購買費用越高。總體上，碳交易成本Ccar的計算模型為：

圖2 階梯碳交易機制示意圖Fig.2 Schematic diagram of ladder-type carbon trading

2.2 基于階梯碳交易機制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型

多階段規(guī)劃是由于規(guī)劃周期較長，在制定長期發(fā)展規(guī)劃時采取分階段進行的一種規(guī)劃方法。結(jié)合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)時序以及園區(qū)內(nèi)負(fù)荷的增長需求，本文將各類規(guī)劃候選設(shè)備的壽命最低值作為規(guī)劃周期，并將該周期劃分為多個規(guī)劃階段，對各個階段設(shè)備的容量進行最優(yōu)投資配置，前面階段的規(guī)劃方案作為后續(xù)階段的規(guī)劃基礎(chǔ)，會直接影響后續(xù)規(guī)劃階段的投資情況。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型以全壽命周期內(nèi)的投資、運行、維護、碳交易費用之和最小為目標(biāo)函數(shù)，并利用現(xiàn)值系數(shù)將成本折算為規(guī)劃初期的現(xiàn)值。本文認(rèn)為投資費用在各個規(guī)劃階段第1 年的年初產(chǎn)生，運行、維護、碳交易費用的結(jié)算時間尺度為1 a，結(jié)算期為每年年末，則模型的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：f為全壽命周期成本現(xiàn)值；n表示規(guī)劃期的第n年；k表示第k個規(guī)劃階段；K為規(guī)劃階段數(shù)；N為規(guī)劃周期；nk表示第k個規(guī)劃階段為規(guī)劃周期的第nk年；γ為貼現(xiàn)率；Cinv，k為第k個規(guī)劃階段的設(shè)備投資成本；Cope，n、Cmain，n和Ccar，n分別為第n年園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行、維護、碳交易費用。碳交易成本的計算模型見式（17），投資、運行、維護費用的定義如下。

1）投資費用。本文考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的投資費用由光伏、能源轉(zhuǎn)化、儲能3 類規(guī)劃候選設(shè)備的投資費用組成，則投資費用Cinv，k的計算公式為：

式中：cPV為光伏設(shè)備的單位容量投建成本；WPV，k為光伏設(shè)備在第k個規(guī)劃階段的配置容量；Π={P2G，EB，CHP，GB}，為能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的集合；ci為第i類能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的單位容量投建成本；Wi，k為第i類能源轉(zhuǎn)化設(shè)備在第k個規(guī)劃階段的配置容量；cs為第s類儲能設(shè)備的單位容量投建成本；Ws，k為第s類儲能設(shè)備在第k個規(guī)劃階段的容量配置。

2）運行費用。本文考慮園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行費用由系統(tǒng)向上級電網(wǎng)購電、向上級氣網(wǎng)購氣、光伏設(shè)備的棄風(fēng)懲罰費用組成，則Cope，n的計算公式為：

2.2.2 約束條件

基于上述目標(biāo)函數(shù)，本文考慮的約束條件包括設(shè)備投資約束、設(shè)備運行約束、功率平衡約束、園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)交換功率約束。

1）設(shè)備投資約束。本文建立的光伏、能源轉(zhuǎn)化、儲能3類規(guī)劃候選設(shè)備的投資約束為：

2）設(shè)備運行約束。在建立規(guī)劃候選設(shè)備的運行約束時，除了需要考慮其在運行時的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系、額定容量、爬坡率等基本約束，還需要考慮當(dāng)前各個階段的累計投資容量對其運行狀態(tài)的約束，建立多階段規(guī)劃的約束關(guān)系?；?.2 節(jié)中建立的設(shè)備模型，進一步將式（3）所示的額定功率約束完善為累計投資容量的多階段約束，構(gòu)成多階段規(guī)劃的設(shè)備運行約束條件。以光伏設(shè)備為例，完善后的設(shè)備累計投資容量的多階段約束如式（24）所示，其余候選設(shè)備的約束與其類似，本文不再贅述。

式中：∑WPV為當(dāng)前規(guī)劃階段光伏的累計投資容量；n∈k表示規(guī)劃期的第n年屬于第k個規(guī)劃階段。

綜上所述，多階段規(guī)劃的設(shè)備運行約束由式（1）—（10）、（24）組成。

3）功率平衡約束?；趫D1 所示的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，本文對電、熱、氣建立功率平衡約束如下：

式中：PL，n(t)、HL，n(t)和GL，n(t)分別為第n年t時段園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的電、熱、氣負(fù)荷功率；PEB，n(t)和HEB，n(t)分別為第n年t時段電鍋爐的電輸入、熱輸出；GP2G，n(t)、GCHP，n(t)和GGB，n(t)分別為第n年t時段電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的天然氣輸出、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的天然氣輸入、燃?xì)忮仩t的天然氣輸入。

4）外部網(wǎng)絡(luò)交換功率約束。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)直接相連，需將系統(tǒng)與上級網(wǎng)絡(luò)的交換功率維持在一定范圍內(nèi)，如式（28）、（29）所示。

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

基于文獻(xiàn)［12，14，16-17，21］的仿真數(shù)據(jù)，通過在MATLAB 環(huán)境下調(diào)用CPLEX 求解器對含電-熱-氣耦合的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)進行仿真規(guī)劃。仿真數(shù)據(jù)見附錄A 表A1—A4。其中，貼現(xiàn)率為0.08；規(guī)劃周期為15 a，分為3 個規(guī)劃階段，分別于第1 年、第4年、第9 年投建，其投資費用分別在第1 年初、第4 年初、第9 年初產(chǎn)生，運行費用、碳交易費用的結(jié)算期為每年年末；碳交易的基礎(chǔ)價格為267.6 元／t，交易價格增長系數(shù)為0.25，碳交易價格區(qū)間長度為80 t，按照式（17）和圖2 劃分為7 個區(qū)間。典型日下的負(fù)荷預(yù)測曲線和光伏預(yù)測出力曲線見附錄A圖A1。

3.2 仿真結(jié)果分析

針對本文構(gòu)建的基于階梯碳交易機制的多階段規(guī)劃模型，本文分4種情形進行仿真對比。

1）情形S1：以固定價格進行碳交易，采用單階段規(guī)劃模型。

2）情形S2：以階梯碳交易機制進行碳交易，采用單階段規(guī)劃模型。

3）情形S3：以固定價格進行碳交易，采用多階段規(guī)劃模型。

4）情形S4：以階梯碳交易機制進行碳交易，采用多階段規(guī)劃模型。

3.2.1 規(guī)劃方案

4 種情形的規(guī)劃方案見附錄B 表B1，規(guī)劃結(jié)果見表1。整體上，電轉(zhuǎn)氣和氣儲設(shè)備的配置容量在4種情形下皆為0?？梢园l(fā)現(xiàn)，相較于采用單階段規(guī)劃模型的情形S1、S2，采用多階段規(guī)劃模型的情形S3、S4的電鍋爐和燃?xì)忮仩t設(shè)備的總配置容量相對較低，其余熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏等設(shè)備的總配置容量相對較高。同時，采用固定價格進行碳交易的情形S1、S3除了燃?xì)忮仩t和電儲設(shè)備的總配置容量稍高于采用階梯碳交易機制的情形S2、S4，其余電鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)等設(shè)備的總配置容量皆低于情形S2、S4。

表1 各情形的規(guī)劃結(jié)果Table 1 Planning results of each case

1）經(jīng)濟性比較。

在表1 的基礎(chǔ)上，本文進一步對比了階梯碳交易機制下情形S2與S4各個階段的各項費用現(xiàn)值，對比結(jié)果見附錄B 圖B1。由圖可見，S4的運行費用在階段1 高于S2，在階段2、3 較低，碳交易費用也呈現(xiàn)同樣的差異，結(jié)合附錄B 表B2 所示的各規(guī)劃階段的能源購買量可知呈現(xiàn)上述差異的原因為：相較于S2，S4在規(guī)劃初期需要外購更多的能源以滿足用戶的負(fù)荷需求，導(dǎo)致運行費用和碳排放量高于S2，而在規(guī)劃中后期，則是S2需要外購更多的能源。同樣地，對比維護費用可知，在階段1，S4的維護費用低于S2；在階段2、3，S4的維護費用高于S2，這是因為S4在規(guī)劃中后期的設(shè)備容量配置總體高于S2，設(shè)備的維護費用也相應(yīng)高于S2。

2）碳排放量比較。

增設(shè)情形S5：考慮階梯碳交易機制，采用多階段規(guī)劃模型，但目標(biāo)函數(shù)即全壽命周期成本中無碳交易費用。5種情形的碳排放量對比如表1所示。

（1）情形S4與S5的對比。

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)，即全壽命周期成本中不含碳交易費用時，情形S5的碳排放量相較于S4上升了6 218.43 t，即提高了14.93%，若將情形S5的碳交易費用與其全壽命周期成本相加，即3 472.83+211.31=3684.14（萬元），則相較于情形S4的全壽命周期成本上升了1.60%?？梢姡瑢⑻冀灰踪M用納入園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的全壽命周期成本，對兼顧規(guī)劃方案的經(jīng)濟性與低碳性具有一定的意義。

（2）情形S1與S2以及情形S3與S4的對比。

情形S1的全壽命周期成本相較于S2下降了1.29%，而情形S1的碳排放量卻相較于S2上升了6.02%；同樣地，情形S3的全壽命周期成本相較于S4下降了1.08%，而情形3的碳排放量卻相較于S4上升了3.59%。綜合而言，雖然采用階梯碳交易機制會使含碳交易費用的全壽命周期成本略微提高，但是碳排放量卻相對地大幅降低，說明了階梯碳交易機制在提高低碳性方面的有效性。

3.2.2 光伏隨機性影響分析

為了分析光伏隨機性對規(guī)劃結(jié)果的影響，基于情形S4，選定光伏隨機性發(fā)生的規(guī)劃階段，考慮光伏最大波動偏差為15%，對附錄B 表B3 所示的情形C1—C3進行仿真，各情形的規(guī)劃結(jié)果如表2所示。

表2 考慮光伏隨機性的規(guī)劃結(jié)果Table 2 Planning results considering photovoltaic randomness

由表2 可知，當(dāng)規(guī)劃模型考慮光伏隨機性時，與C1相比，C2和C3的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的購電、購氣量增加，全壽命周期成本、運行費用、碳交易費用皆有所上升；而C3的碳交易費用低于C2，這是因為C3更多地傾向于通過增加購氣量利用熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)對光伏的波動。

3.2.3 階梯碳交易機制參數(shù)影響分析

1）碳交易基準(zhǔn)價格的影響。

（1）碳交易基準(zhǔn)價格對系統(tǒng)運行的影響。

圖3 展示了隨著碳交易價格的變化，情形S3、S4和S5的碳排放量變化趨勢，以及情形S3和S4的碳交易費用現(xiàn)值的變化趨勢。由圖可見，情形S3和S4的碳排放量隨著碳交易價格的上升而減少，且情形S4的碳排放量低于S3，而情形S5的碳排放量不隨碳交易價格的變動而變化，且高于情形S3和S4。同時，隨著碳交易價格的上升，情形S3和S4的碳交易費用皆呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但是情形S4的碳交易費用開始呈現(xiàn)下降趨勢時的碳交易價格要低于情形S3。

圖3 碳排放量隨碳交易價格的變化趨勢Fig.3 Trend of carbon emission changing with change of carbon trading price

附錄B圖B2展示了情形S4下，購電費用、購氣費用隨碳交易價格的變化趨勢。由圖可見，隨著碳交易價格的升高，S4的購電費用下降，購氣費用上升。這是因為當(dāng)碳交易價格升高時，系統(tǒng)為了限制碳排放，減少了對單位碳排放量相對較高的煤電的購買量，增加對單位碳排量相對較低的天然氣的購買量，以提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組的出力彌補減少的購電量。同時，從附錄B 圖B3 所示的能效變化趨勢可知，隨著階梯碳交易機制的基準(zhǔn)碳價的升高，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的綜合能效也逐步增大。綜合上述分析可知，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行對碳交易價格的變動比較敏感，整體呈現(xiàn)出隨著碳交易價格的升高，碳排放量下降、碳交易費用先升高后降低、能效增大的趨勢。

（2）碳交易基準(zhǔn)價格對規(guī)劃方案的影響。

基于情形S4，本文對不同碳交易基準(zhǔn)價格下的規(guī)劃方案進行了對比，規(guī)劃結(jié)果如表3 所示。由表可知，相較于碳交易基準(zhǔn)價格較低的情況，價格較高時的全壽命周期成本、投資成本也較高，在候選設(shè)備投建方面表現(xiàn)為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的投建容量增大，燃?xì)忮仩t的投建容量減少，光伏發(fā)電的投建容量無較大變化。結(jié)合上述碳交易基準(zhǔn)價格對系統(tǒng)運行的影響，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳交易價格升高時，為了限制系統(tǒng)的碳排放量，規(guī)劃方案傾向于增加對熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的投建，以增加天然氣產(chǎn)電量與外購電量的比例，從而減少碳排放量。

表3 不同碳交易基準(zhǔn)價格下的規(guī)劃結(jié)果Table 3 Planning results with different benchmark prices

2）碳交易價格區(qū)間參數(shù)的影響。

基于S4，依然將碳交易價格設(shè)置為267.6 元／t。按照式（17）、圖2 將區(qū)間數(shù)目定義為7，則不同碳交易價格區(qū)間長度下的碳排放量和碳交易費用現(xiàn)值如圖4（a）所示；將碳交易價格區(qū)間定義為80 t，則不同區(qū)間數(shù)目下的碳排放量、碳交易費用現(xiàn)值如圖4（b）所示。

圖4 碳排放隨碳交易價格區(qū)間參數(shù)的變化趨勢Fig.4 Trend of carbon emission changes with change of carbon trading price ranges’parameters

由圖4（a）可知，隨著碳交易價格區(qū)間長度的增加，碳排放量呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，而碳交易費用呈現(xiàn)先降低后升高最后趨于穩(wěn)定的趨勢。區(qū)間長度的增加會使得階梯碳交易機制逐漸接近于以固定價格進行碳交易的機制，附錄B 表B4 展示了各個規(guī)劃階段中一年的碳交易量（碳排放量與排放額之差），結(jié)合圖4（a）和表B4可知，當(dāng)區(qū)間長度增加到700 t時，階梯碳交易機制已完全變?yōu)楣潭▋r格的碳交易機制，因此碳排放量和碳交易費用會出現(xiàn)較明顯的拐點并最后趨于穩(wěn)定。

由圖4（b）可知，隨著碳交易價格區(qū)間數(shù)目的增加，碳排放量呈現(xiàn)先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，碳交易費用呈現(xiàn)先上升后下降最后趨于穩(wěn)定的趨勢。區(qū)間數(shù)目的增加使得階梯碳交易機制中最末區(qū)間的價格最大值也相應(yīng)增加，系統(tǒng)的碳排放相應(yīng)地受到限制。當(dāng)區(qū)間數(shù)目較小時，碳交易價格最大值增加，其對碳交易費用的影響強于碳排放量的減少，因此碳交易費用會先呈現(xiàn)上升的趨勢；當(dāng)區(qū)間數(shù)目較大時，碳排放量減少的影響增強，碳交易費用反而下降；而當(dāng)區(qū)間數(shù)目增加到一定程度時，碳交易過程不再涉及最末區(qū)間所對應(yīng)的碳交易價格最大值，因此碳排放量和碳交易費用的變化最后皆趨于穩(wěn)定。

3.2.4 階梯碳交易機制與多階段規(guī)劃耦合分析

從3.2.3節(jié)階梯碳交易機制參數(shù)對碳排放的影響分析中，不難發(fā)現(xiàn)階梯碳交易機制與園區(qū)綜合能源規(guī)劃之間是相互影響耦合的，且高碳交易價格、小價格區(qū)間長度、高價格區(qū)間數(shù)目具有較好的控碳效果。因此，基于情形S4，本文進一步考慮這些參數(shù)隨著多階段規(guī)劃階段而變化。根據(jù)多階段規(guī)劃后期負(fù)荷增多、碳排放量增多的特點，本文對附錄B表B5所示的情形A1—A5進行仿真，各類情況的規(guī)劃結(jié)果見圖5。圖中，虛線表示以情形A1的規(guī)劃結(jié)果作為參考。

圖5 碳交易參數(shù)隨規(guī)劃階段變化的規(guī)劃結(jié)果Fig.5 Planning results when carbon trading parameters change with planning stages

以情形A1的規(guī)劃結(jié)果作為參考，圖5 所示的結(jié)果表明，階梯碳交易機制的參數(shù)隨多階段規(guī)劃階段的變化而變化具有較優(yōu)的控碳效果，但會帶來全壽命周期成本升高的不利結(jié)果。情形A2—A4與情形A1、A5的差異如附錄B 表B6 所示，結(jié)合圖5 和表B6可見，相較于價格區(qū)間長度和價格區(qū)間數(shù)目，碳交易基準(zhǔn)價格是影響碳排放量、全壽命周期成本的主要因素，即規(guī)劃結(jié)果對碳交易基準(zhǔn)價格相對較為敏感。

4 結(jié)論

本文針對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問題，以計及碳交易費用的全壽命周期成本最小為目標(biāo)，將系統(tǒng)的規(guī)劃周期劃分為若干個階段，建立了基于階梯碳交易機制的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃模型，以決策各個規(guī)劃階段的最優(yōu)設(shè)備配置。通過仿真驗證，得出了以下結(jié)論：

1）在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多階段規(guī)劃中計及碳交易費用可有效降低園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的碳排放量，且相較于以固定價格進行交易的碳交易機制，階梯碳交易機制的控碳效果更為顯著；

2）系統(tǒng)的碳排放對階梯碳交易機制的參數(shù)，即碳交易基準(zhǔn)價格、價格區(qū)間長度以及價格區(qū)間數(shù)目的變化較敏感；

3）階梯碳交易機制的參數(shù)隨多階段規(guī)劃階段而變化時，表現(xiàn)為碳交易基準(zhǔn)價格是影響規(guī)劃結(jié)果的主要因素。

后續(xù)的工作可進一步圍繞階梯碳交易機制參數(shù)，尤其是碳交易基準(zhǔn)價格的最優(yōu)制定展開，研究其隨規(guī)劃階段而變化的動態(tài)特性及其不確定性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。