矯舒美，喬學(xué)博，李 勇，姚天宇，曹一家

（湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（IES）憑借其多能源互補(bǔ)方式不僅可促進(jìn)能源高效利用，還可提升可再生能源的消納能力，是助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030 碳達(dá)峰、2060 碳中和的重要手段［1］。其中，低碳設(shè)備的合理配置可以在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)降低碳排放。

目前，已有諸多學(xué)者針對(duì)IES 的優(yōu)化配置問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)［2］以多能耦合系統(tǒng)長(zhǎng)期協(xié)調(diào)運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)，對(duì)電轉(zhuǎn)氣（P2G）設(shè)備與風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃；文獻(xiàn)［3］以包括投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用的全壽命周期成本最小為目標(biāo)，建立了園區(qū)IES的多階段規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［4］考慮P2G、儲(chǔ)能及可再生能源出力設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)IES 規(guī)劃階段的容量配置進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)［5］基于光伏（PV）與負(fù)荷的季節(jié)性日?qǐng)鼍跋鳒p結(jié)果，對(duì)PV與P2G設(shè)備進(jìn)行多場(chǎng)景規(guī)劃；文獻(xiàn)［6］考慮全壽命周期成本，建立了協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的園區(qū)IES 規(guī)劃方案；文獻(xiàn)［7］利用典型日?qǐng)鼍疤幚鞵V 的不確定性，提出了一種含冷、熱、電、氣多能流的IES 容量規(guī)劃模型，保證了系統(tǒng)在整個(gè)規(guī)劃周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；文獻(xiàn)［8］采用設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)作為衡量設(shè)備全壽命周期利用率的指標(biāo)，提出了一種計(jì)及風(fēng)、光、荷不確定性場(chǎng)景的園區(qū)IES 長(zhǎng)時(shí)間尺度規(guī)劃方法。上述研究基于場(chǎng)景法分析了IES 在規(guī)劃周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和能效性，但忽略了環(huán)保性和低碳性。

關(guān)于IES 的低碳運(yùn)行也已有相關(guān)的研究：文獻(xiàn)［9］基于儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐，構(gòu)建了計(jì)及碳交易成本的熱電聯(lián)合調(diào)度模型；文獻(xiàn)［10］通過(guò)分析碳交易機(jī)制和碳排放配額，研究了碳交易對(duì)含風(fēng)電熱電聯(lián)合系統(tǒng)的影響；文獻(xiàn)［11］建立了考慮碳交易價(jià)格影響的電-氣互聯(lián)IES 的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型；文獻(xiàn)［12］考慮熱電聯(lián)合需求響應(yīng)和碳交易成本，建立了兼顧新能源消納的園區(qū)IES 聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)［13］考慮儲(chǔ)液式碳捕集電廠，建立了含風(fēng)電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，能夠保證系統(tǒng)獲得最佳的低碳和經(jīng)濟(jì)效益。但上述研究只計(jì)及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的碳排放，未考慮設(shè)備全壽命周期內(nèi)的碳排放。

P2G 設(shè)備可以利用電能將捕集的CO2轉(zhuǎn)化為燃?xì)?，且PV 發(fā)電過(guò)程是零碳排放的，因此P2G 設(shè)備與PV 是降低碳排放、助力碳中和的重要低碳設(shè)備。但P2G 設(shè)備和PV 的制造過(guò)程并不是零碳排放的，因此有必要考慮設(shè)備生產(chǎn)以及回收過(guò)程的碳排放對(duì)IES優(yōu)化配置的影響。此外，IES內(nèi)大部分設(shè)備都需要利用水傳遞熱量以及冷量，所以水是IES 的重要組成部分。為了更貼合工程實(shí)際，有必要將與水相關(guān)的約束納入IES的優(yōu)化配置模型中。

針對(duì)上述分析，本文提出了一種計(jì)及IES 全壽命周期碳排放和碳交易機(jī)制的P2G 設(shè)備和PV 聯(lián)合優(yōu)化配置方法。首先，建立了基于湖南省某實(shí)際分布式能源站的IES內(nèi)部設(shè)備模型，提出了IES全壽命周期碳排放模型，給出了P2G設(shè)備和PV的全壽命周期碳排放計(jì)算方法；然后，以基于階梯罰金機(jī)制的碳排放成本、含用水成本在內(nèi)的購(gòu)能成本、設(shè)備投資成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了P2G設(shè)備和PV的聯(lián)合優(yōu)化配置模型；最后，以湖南省某分布式能源站為對(duì)象對(duì)所提模型和方法進(jìn)行算例分析與驗(yàn)證。

1 分布式能源站IES建模

基于湖南省某分布式能源站的IES 架構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)部已有設(shè)備包含儲(chǔ)冷裝置、儲(chǔ)熱裝置、儲(chǔ)氣裝置、冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱泵機(jī)以及離心式冷水機(jī)組。該能源站采用分布式供能系統(tǒng)，供能區(qū)域內(nèi)有大量穩(wěn)定的冷、熱、電負(fù)荷需求。本文擬在該IES 中配置PV 和P2G 設(shè)備，以提升系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性并降低碳排放。

圖1 IES架構(gòu)Fig.1 Architecture of IES

1.1 CCHP機(jī)組模型

CCHP 機(jī)組由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)和溴化鋰機(jī)組組成，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)利用燃?xì)馊紵l(fā)電，并將產(chǎn)生的煙氣余熱供給溴化鋰機(jī)組。內(nèi)燃發(fā)電機(jī)模型可表示為：

溴化鋰機(jī)組采用制冷采暖專用機(jī)，該機(jī)型可工作在制冷、制熱2 種模式下，且在不同模式下設(shè)備的效率不同，其模型可表示為：

1.2 燃?xì)忮仩t與熱泵機(jī)模型

燃?xì)忮仩t與熱泵機(jī)的輸入均為天然氣，輸出均為熱量，但設(shè)備效率不同，兩者之間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系可用式（3）表示。

1.3 離心式冷水機(jī)組模型

離心式冷水機(jī)組利用氟利昂制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收載冷劑水的熱量進(jìn)行循環(huán)制冷，制取冷凍水供用戶使用，其模型可表示為：

1.4 儲(chǔ)能裝置模型

為了緩解源、荷不確定性的影響，IES 需要加入儲(chǔ)氣、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷裝置。各儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行方式相同，以儲(chǔ)熱裝置為例，其模型可表示為：

1.5 P2G設(shè)備模型

P2G 設(shè)備可以將電能轉(zhuǎn)化成H2或者CH4，并按照符合規(guī)定的比例注入天然氣網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)電氣互轉(zhuǎn)的同時(shí)提升了清潔能源的消納比例。本文中的P2G 設(shè)備生成CH4，一般分為2 個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程［14］：第一個(gè)過(guò)程是水電解反應(yīng)，水分子在催化劑、高溫以及通電的情況下生成H2和O2；第二個(gè)過(guò)程是H2與CO2在高溫高壓的條件下產(chǎn)生CH4。其中，消耗的水量、消耗的CO2量、生成的CH4量之比為2∶1∶1。則P2G設(shè)備模型可表示為：

1.6 PV模型

PV模型可表示為：

2 分布式能源站IES全壽命周期碳排放

從全壽命周期角度而言，IES碳排放可分為設(shè)備建造過(guò)程碳排放、設(shè)備運(yùn)行過(guò)程碳排放以及拆除回收過(guò)程碳排放。對(duì)于P2G設(shè)備和PV而言，其運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生碳排放，因此只需考慮P2G設(shè)備和PV在建造以及拆除回收過(guò)程中產(chǎn)生的CO2量。對(duì)于除P2G 設(shè)備、PV 以外的其他設(shè)備而言，其容量均已確定，設(shè)備建造以及拆除回收過(guò)程中的碳排放量為定值，因此只需考慮設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的碳排放即可。

2.1 PV全壽命周期碳排放

1）PV建造過(guò)程的碳排放。

PV 在建造過(guò)程中排放的CO2包括間接碳排放、直接碳排放2類(lèi)。間接碳排放是指PV產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)設(shè)備用電能耗轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的CO2排放量，此處主要是指多晶硅還原、切割、組件封裝、系統(tǒng)集成安裝等過(guò)程消耗電能而產(chǎn)生的碳排放［15］，可表示為：

式中：ψPV，inde為PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過(guò)程中的間接碳排放量，單位為kg／kW；EPV，inde為PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過(guò)程中所有生產(chǎn)設(shè)備的用電能耗，單位為kW·h／kW；α為從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電量對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)，取值為0.997 kg／（kW·h）。

直接碳排放是指PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過(guò)程中直接排放的CO2量，此處是指硅沙還原到冶金硅過(guò)程中直接排放的CO2量。工廠建造1 kW PV 電池大約需要12.5 kg工業(yè)硅（SiO2），根據(jù)還原硅沙的化學(xué)公式，可計(jì)算得到該過(guò)程中PV 的直接碳排放量ψPV，de=18.4 kg／kW［16］。

綜上，PV在建造過(guò)程中的碳排放量ψPV，made為：

2）PV拆除回收過(guò)程的碳排放。

PV 組件在退役后需要進(jìn)行組件回收利用，若有效利用可回收的PV 組件，可降低碳排放。則PV 在拆除回收過(guò)程中的碳排放量ψPV，re可表示為：

式中：?PV為PV 組件的有效回收效率；?y為PV 組件有效回收時(shí)的碳排放系數(shù)；?f為PV組件不能有效回收時(shí)的碳排放系數(shù)。

基于費(fèi)用等年值法［17］，設(shè)PV組件的使用壽命為m1年，貼現(xiàn)率為I1，則PV 的全壽命周期碳排放量的年折現(xiàn)值LPV（單位為kg／a）可表示為：

2.2 P2G設(shè)備全壽命周期碳排放

1）P2G設(shè)備建造過(guò)程的碳排放。

P2G 設(shè)備主要由2 級(jí)反應(yīng)裝置及控制系統(tǒng)組成，且其設(shè)備容量主要由2 級(jí)反應(yīng)裝置的容量共同決定。由于P2G 設(shè)備的容量對(duì)控制系統(tǒng)的影響不大，本文認(rèn)為不同容量P2G 設(shè)備的控制系統(tǒng)在建造及拆除回收過(guò)程中的碳排放量是一致的，即本文只考慮P2G設(shè)備2級(jí)反應(yīng)裝置的全壽命周期碳排放。

第一級(jí)反應(yīng)裝置為質(zhì)子交換膜水電解制氫裝置［18］，主要由裝置外架構(gòu)以及電解槽組成，其建造過(guò)程中的碳排放主要包括鋼鐵鑄造碳排放以及陰極和陽(yáng)極電催化劑的貴金屬還原碳排放；第二級(jí)反應(yīng)裝置為甲烷化裝置［19］，主要由甲烷化反應(yīng)器、脫硫槽、廢熱鍋爐、蒸汽過(guò)熱器、循環(huán)壓縮機(jī)組成，其建造過(guò)程中的碳排放主要為鋼鐵鑄造碳排放。故P2G設(shè)備在建造過(guò)程中的直接碳排放ψP2G，de可表示為：

式中：PP2G，max為P2G 設(shè)備的安裝容量上限；σsl為鋼鐵鑄造碳排放系數(shù)；σcl為貴金屬還原碳排放系數(shù)，取值為8.25 kg／kW。

P2G 設(shè)備在建造過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生間接碳排放，主要為鋼鐵鑄造和還原貴金屬催化劑時(shí)生產(chǎn)設(shè)備消耗電能所產(chǎn)生的碳排放，可表示為：

式中：ψP2G，inde為P2G 設(shè)備建造過(guò)程中的間接碳排放量，單位為kg／kW；EP2G，inde為P2G 設(shè)備建造過(guò)程中所有生產(chǎn)設(shè)備的用電能耗，單位為kW·h／kW。

2）P2G設(shè)備拆除回收過(guò)程的碳排放。

P2G 設(shè)備在超過(guò)使用年限后，需要拆除回收。由于P2G 設(shè)備的大部分架構(gòu)使用鋼鐵，若能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行合理的回收利用，可大幅降低碳排放。P2G設(shè)備在拆除回收過(guò)程中的碳排放量ψP2G，re可表示為：

式中：ιP2G為P2G設(shè)備拆除回收時(shí)的碳排放系數(shù)。

設(shè)P2G設(shè)備的使用壽命為m2年，貼現(xiàn)率為I2，則P2G 全壽命周期碳排放量的年折現(xiàn)值LP2G（單位為kg／a）可表示為：

2.3 其他碳排放

其他碳排放指IES 中所有設(shè)備的運(yùn)行碳排放，主要包括設(shè)備消耗天然氣的碳排放和外購(gòu)電對(duì)應(yīng)的碳排放兩部分。P2G 設(shè)備產(chǎn)生的CH4會(huì)加入天然氣管道，因此IES 運(yùn)行過(guò)程中的年碳排量ECO2（單位為kg／a）可表示為：

3 P2G設(shè)備和PV的容量配置模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)進(jìn)行P2G設(shè)備和PV 的容量聯(lián)合優(yōu)化配置，系統(tǒng)總成本Call主要包括碳交易成本Cc、購(gòu)能成本Cin、設(shè)備投資成本Ce和設(shè)備運(yùn)維成本Cw，則目標(biāo)函數(shù)如式（20）所示。

1）碳交易成本。

碳交易實(shí)質(zhì)上是通過(guò)建立碳排放權(quán)二次分配的合理制度，借助市場(chǎng)對(duì)碳排放權(quán)進(jìn)行交易，從而控制企業(yè)的碳排放量，促進(jìn)全球溫室氣體減排，助力碳中和［20］。本文設(shè)置了階梯罰金價(jià)格，具體碳交易制度如下：在一定的調(diào)度周期內(nèi)，若企業(yè)的實(shí)際碳排放量小于指定配額，則可通過(guò)出售多余的碳排放額度以獲取收益；若企業(yè)的實(shí)際碳排放量大于指定配額，則必須購(gòu)買(mǎi)額外的碳排放額度。當(dāng)企業(yè)的實(shí)際碳排放量大于指定配額且超額量大于可購(gòu)買(mǎi)的碳排放額度時(shí)，除了需支付購(gòu)買(mǎi)碳排放額度的交易成本外，還需要支付超額部分的高額罰金，且隨著超額量的增加，罰金價(jià)格也會(huì)按一定的幅度增長(zhǎng)。因此，碳交易成本Cc可表示為：

式中：νc為碳交易價(jià)格，本文取值為100 元／t；Dc為IES 的碳排放配額，單位為t；Hc為不同罰金階段IES可購(gòu)買(mǎi)的碳排放額度，單位為t；wc為初級(jí)罰金價(jià)格，單位為元／t；d為罰金價(jià)格增長(zhǎng)系數(shù)，本文取值為1.2。

2）購(gòu)能成本。

根據(jù)分布式能源站的實(shí)際運(yùn)行情況，購(gòu)水成本占據(jù)一定的比例，因此本文將購(gòu)水成本納入購(gòu)能成本，計(jì)算式為：

用水設(shè)備主要包括溴化鋰機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱泵機(jī)、離心式冷水機(jī)組、P2G 設(shè)備。溴化鋰機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱泵機(jī)和離心式冷水機(jī)組用水以攜帶能量供給冷、熱負(fù)荷，用水量由負(fù)荷大小以及負(fù)荷所需溫度決定。溴化鋰機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱泵機(jī)、離心式冷水機(jī)組用水量的計(jì)算式為：

根據(jù)P2G設(shè)備的工作原理，其用水量可表示為：

3）設(shè)備成本。

設(shè)備成本包括設(shè)備投資成本和運(yùn)維成本。設(shè)備投資成本由P2G設(shè)備和PV的容量決定，設(shè)備初始投資等年值成本可表示為：

式中：εPV、εP2G分別為單位容量PV、P2G 設(shè)備的投資成本，單位為元／kW。

設(shè)備運(yùn)維成本包括PV、P2G 設(shè)備的運(yùn)維成本，可表示為：

式中：βPV、βP2G分別為單位容量PV、P2G設(shè)備的年運(yùn)維成本，單位為元／kW。

3.2 約束條件

1）電、熱、冷、氣平衡約束。

2）P2G設(shè)備、PV容量約束。

式中：PP2G，min、PPV，min分別為P2G 設(shè)備、PV 的安裝容量下限。

此外，其他設(shè)備相關(guān)約束如式（1）—（8）所示。

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

本文基于湖南省某實(shí)際分布式能源站IES 進(jìn)行算例分析。PV 發(fā)電具有隨機(jī)性，負(fù)荷也具有一定的波動(dòng)性，且都具有季節(jié)性，因此利用K-means 聚類(lèi)方法將PV 和電、冷、熱負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)按照季節(jié)生成4 個(gè)典型日?qǐng)鼍?，即S=4，s=1，2，3，4 分別對(duì)應(yīng)春、夏、秋、冬季典型日?qǐng)鼍?，?shù)據(jù)曲線見(jiàn)附錄A 圖A1。根據(jù)湖南省的電價(jià)、水價(jià)以及氣價(jià)，確定各能源的分時(shí)價(jià)格如附錄A 表A1 所示。且將能量單位統(tǒng)一換算為kW。利用商業(yè)軟件GAMS進(jìn)行優(yōu)化求解。

4.2 配置方案對(duì)比分析

為了說(shuō)明本文模型的有效性，設(shè)置了8 種情形進(jìn)行對(duì)比分析，如附錄A 表A2 所示。IES 的碳排放配額Dc=6 000 t，不同罰金階段IES 可購(gòu)買(mǎi)的碳排放額度Hc=3000 t，初級(jí)罰金價(jià)格wc=300 元／t。優(yōu)化配置結(jié)果如表1所示。

對(duì)比表1 中情形2—4 的配置結(jié)果可知，相較于P2G 設(shè)備單獨(dú)配置的情形2、PV 單獨(dú)配置的情形3，PV 和P2G 設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的情形4 下P2G設(shè)備容量增加了1 389.24 kW（約3.6 倍），PV 容量增加了2 267.072 kW（約1.46 倍）。可見(jiàn)，聯(lián)合優(yōu)化配置使得PV、P2G 設(shè)備這2 種低碳設(shè)備的接入容量均增大，有效提升了可再生能源的利用率。相較于情形1，情形4的碳交易成本減少了868.942萬(wàn)元，系統(tǒng)總成本減少了1 466.629 萬(wàn)元，這是因?yàn)镻2G 設(shè)備可將PV產(chǎn)生的部分電能轉(zhuǎn)換成燃?xì)猓瑑?nèi)燃發(fā)電機(jī)可將燃?xì)廪D(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的電氣互轉(zhuǎn)，從而降低了系統(tǒng)的購(gòu)能成本，也有效減少了碳排放量以及系統(tǒng)總成本。相較情形1—3，情形4 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，證明了PV、P2G 設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的有效性和可行性。

對(duì)比表1 中情形3、6 的結(jié)果可知，情形3 的PV配置容量增加了1 156.94 kW，碳交易成本減少了62.37 萬(wàn)元，系統(tǒng)總成本減少了4.437 萬(wàn)元；對(duì)比表1中情形2和5、情形4和7的結(jié)果可知，無(wú)論是低碳設(shè)備單獨(dú)配置還是PV與P2G設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置，只要在目標(biāo)函數(shù)中考慮碳交易成本，各低碳設(shè)備的接入容量均增大，且系統(tǒng)總成本相應(yīng)減少?？紤]碳交易機(jī)制的配置方法有效提升了清潔能源的利用率，并兼顧了IES 的經(jīng)濟(jì)性。這是因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)經(jīng)濟(jì)配置模型時(shí)，碳排放系數(shù)小、發(fā)電成本較高的PV 以及吸碳、成本高的P2G設(shè)備沒(méi)有得到有效利用，使得傳統(tǒng)配置方案中包括電網(wǎng)購(gòu)電成本在內(nèi)的購(gòu)能成本較高，導(dǎo)致系統(tǒng)總成本增加，碳排放量也較大。

表1 不同情形的優(yōu)化配置結(jié)果Table 1 Optimal configuration results of different conditions

對(duì)比情形1 和其他情形可知，如果IES 不配置PV、P2G 設(shè)備這2 種低碳設(shè)備，則IES 的碳排放量很高，達(dá)27 736.835 t，系統(tǒng)總成本也最大，達(dá)3 058.975萬(wàn)元，表明PV 與P2G 設(shè)備是目前降低碳排放、助力碳中和的重要手段，有必要在規(guī)劃IES 時(shí)對(duì)PV、P2G設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置。

配置PV 與P2G 設(shè)備后，IES 運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果合理安排機(jī)組出力，且在不同典型場(chǎng)景下IES的運(yùn)行狀態(tài)有所區(qū)別。例如：夏季冷負(fù)荷較大，且供冷的離心式冷水機(jī)組是電制冷設(shè)備，此時(shí)IES 的電負(fù)荷需求較大，IES 應(yīng)以“以電定熱”的模式運(yùn)行，情形4 下各設(shè)備的出力結(jié)果見(jiàn)附錄A 圖A2；而冬季的熱負(fù)荷需求較大，IES 應(yīng)以“以熱定電”的模式運(yùn)行。由圖A2可知，P2G設(shè)備一直處于運(yùn)行狀態(tài)，利用CO2產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的天然氣，促進(jìn)碳中和。由于夜晚PV不發(fā)電，此時(shí)IES 內(nèi)部主要由內(nèi)燃發(fā)電機(jī)供應(yīng)電負(fù)荷，溴化鋰機(jī)組利用其產(chǎn)生的余熱輸出熱功率；而白天PV 發(fā)電量較大，此時(shí)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)出力較少，所產(chǎn)生的較少余熱被溴化鋰機(jī)組轉(zhuǎn)化為冷功率。溴化鋰機(jī)組的產(chǎn)熱／產(chǎn)冷工作狀態(tài)受內(nèi)燃發(fā)電機(jī)影響，而內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的出力受PV 出力影響，且PV 出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，這使得溴化鋰機(jī)組的產(chǎn)熱／產(chǎn)冷量并不穩(wěn)定，因此大部分冷負(fù)荷由離心式冷水機(jī)組提供。當(dāng)PV不出力時(shí)，為了有效利用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的余熱，不造成能量損失，大部分熱負(fù)荷由溴化鋰機(jī)組供應(yīng)。而在夏季熱負(fù)荷很小，此時(shí)熱泵機(jī)不出力。

由于用水成本是IES 的重要能源成本之一，對(duì)比情形4 和8 可知：情形4 考慮了用水成本，PV 與P2G 設(shè)備的配置容量較小，這是因?yàn)镻2G 設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)消耗一定量的水，產(chǎn)生一定的用水成本，當(dāng)將用水成本納入目標(biāo)函數(shù)時(shí)，會(huì)影響P2G 設(shè)備的配置容量，而P2G 設(shè)備容量的減小，也會(huì)影響PV 發(fā)電的消納，使得PV 容量減小。2 種低碳設(shè)備容量的減小，使得IES 的碳排放量稍有增加，但由于設(shè)備成本和包括用水成本在內(nèi)的購(gòu)能成本降低，使得系統(tǒng)總成本降低。因此，考慮用水成本的PV與P2G設(shè)備聯(lián)合配置不僅貼合工程實(shí)際，還使IES 具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

4.3 碳交易機(jī)制分析

4.3.1 碳排放配額對(duì)聯(lián)合配置的影響

目前我國(guó)碳交易機(jī)制仍處于探索階段，合理地設(shè)定碳交易機(jī)制中的參數(shù)，可以有效降低企業(yè)的碳排放量，其中企業(yè)的碳排放配額是重要參數(shù)。為了說(shuō)明碳排放配額Dc的作用，本文將未考慮碳交易成本（情形7）的IES 碳排放量15 001.588 t 作為IES 的碳排放強(qiáng)度，并分析碳排放配額與碳排放強(qiáng)度之比ξ取不同的值時(shí)，對(duì)PV與P2G設(shè)備聯(lián)合配置的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)ξ較小時(shí)，IES的碳排放配額也很小，導(dǎo)致碳交易超額罰金較大，使得碳交易成本對(duì)目標(biāo)函數(shù)的約束力度很強(qiáng)，因此低碳設(shè)備的配置容量也很大，碳排放量小，但系統(tǒng)總成本較高，雖然保證了IES 的環(huán)保性，但I(xiàn)ES 的經(jīng)濟(jì)性并不好；隨著ξ增大，PV 與P2G 設(shè)備的配置容量減小，碳交易成本降低，且購(gòu)能成本增加，系統(tǒng)總成本主要在碳交易成本和購(gòu)能成本的博弈中變化；當(dāng)ξ=40%時(shí)，系統(tǒng)總成本較小，碳排放量也較小，此時(shí)IES 可獲得較好的經(jīng)濟(jì)和低碳效益。

表2 ξ 對(duì)聯(lián)合配置結(jié)果的影響Table 2 Influence of ξ on joint configuration results

4.3.2 超額排放罰金價(jià)格對(duì)聯(lián)合配置的影響

為了控制碳排放量，并使基于碳交易機(jī)制的設(shè)備容量配置更加合理，本文對(duì)IES 設(shè)置超額排放罰金。設(shè)定初級(jí)罰金價(jià)格等于碳交易價(jià)格，即以不計(jì)罰金模式下的碳交易市場(chǎng)為起始點(diǎn)，并使初級(jí)罰金價(jià)格以100 元／t 遞增。低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置時(shí)的碳排放量、系統(tǒng)總成本與初級(jí)罰金價(jià)格的關(guān)系曲線如圖2 所示，不同初級(jí)罰金價(jià)格下的低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置結(jié)果如表3所示。

圖2 碳排放量、系統(tǒng)總成本與初級(jí)罰金價(jià)格的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of carbon emissions and total system cost vs. primary penalty price

表3 初級(jí)罰金價(jià)格對(duì)低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的影響Table 3 Influence of primary penalty price on joint optimal configuration of low-carbon equipment

結(jié)合圖2 與表3 可知，當(dāng)初級(jí)罰金價(jià)格由100元／t 增加至200 元／t 時(shí)，PV、P2G 設(shè)備容量增幅分別為12.26%、28.56%，碳排放量減少了220 t，系統(tǒng)總成本增加了125.235 萬(wàn)元。這是因?yàn)槌跫?jí)罰金價(jià)格的變化使得碳交易市場(chǎng)從無(wú)罰金機(jī)制變?yōu)閹в辛P金機(jī)制，導(dǎo)致碳交易成本迅速增加，為了降低碳交易成本，低碳設(shè)備的接入容量便會(huì)增加。而隨著初級(jí)罰金價(jià)格增大，高額罰金使得碳交易成本在系統(tǒng)總成本中的比重逐漸增大，IES逐漸加強(qiáng)了對(duì)碳排放的約束，促使低碳設(shè)備的配置容量逐漸增大，且碳排放量逐漸減少。通過(guò)合理設(shè)置超額碳排放的初級(jí)罰金價(jià)格，可以有效降低IES 的碳排放量，提升PV 以及P2G設(shè)備的配置容量，助力碳中和。

另外，計(jì)及IES 全壽命周期碳排放與只計(jì)及設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中碳排放的PV 與P2G 設(shè)備的聯(lián)合優(yōu)化配置結(jié)果會(huì)受到初級(jí)罰金價(jià)格的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，當(dāng)初級(jí)罰金價(jià)格較低時(shí)，計(jì)及IES全壽命周期碳排放與只計(jì)及設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中碳排放2 種情形的配置結(jié)果幾乎一致；當(dāng)初級(jí)罰金價(jià)格大于300 元／t 時(shí)，相較于計(jì)及IES 全壽命周期碳排放的情形，只計(jì)及設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中碳排放情形的設(shè)備配置容量均有所增加。這是因?yàn)樵O(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過(guò)程中的碳排放量比設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的碳排放量小，當(dāng)初級(jí)罰金價(jià)格較低時(shí)，設(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過(guò)程中的碳排放量產(chǎn)生的碳交易成本在系統(tǒng)總成本中占比較小，不足以影響優(yōu)化配置結(jié)果；而隨著初級(jí)罰金價(jià)格增大，碳交易成本不斷增加，使得計(jì)及IES全壽命周期碳排放的配置容量相對(duì)減小，從而降低了設(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過(guò)程中的碳排放。

圖3 初級(jí)罰金價(jià)格對(duì)聯(lián)合配置結(jié)果的影響Fig.3 Influence of primary penalty price on joint configuration results

5 結(jié)論

在我國(guó)碳達(dá)峰和碳中和時(shí)代背景下，本文基于以湖南省某分布式能源站為原型的IES，提出了考慮全壽命周期碳排放和碳交易機(jī)制的P2G 設(shè)備與PV聯(lián)合優(yōu)化配置模型。該模型考慮了對(duì)IES 很重要的用水成本和分時(shí)電價(jià)，使得模型更加貼合實(shí)際情況。該模型計(jì)及IES 全壽命周期碳排放和碳交易機(jī)制，可極大地提升PV和P2G設(shè)備的配置容量，保證系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性并有效降低系統(tǒng)的碳排放。此外，碳排放超額罰金對(duì)碳排放量以及容量配置結(jié)果有顯著的影響。我國(guó)碳交易市場(chǎng)機(jī)制會(huì)迅速發(fā)展并逐漸成熟，合理設(shè)定企業(yè)碳排放配額以及碳排放階梯罰金可以使企業(yè)積極參與碳交易并優(yōu)化企業(yè)的用能方式和能源配置結(jié)構(gòu)。

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