呂祥梅, 劉天琪, 劉 絢, 何 川, 南 璐, 曾 紅
(1. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610065; 2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410000;3. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司,成都 610213)
多能源園區(qū)是能源互聯(lián)網(wǎng)最末端的直觀表現(xiàn)形式[1],其耦合多種能源,協(xié)調(diào)調(diào)度多樣供能系統(tǒng),提升能源利用率和降低能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本[2].近年來(lái),隨著全球能源危機(jī)和溫室效應(yīng)的加重,發(fā)展清潔能源和提高用能質(zhì)量已經(jīng)成為各國(guó)共識(shí).因此,為持續(xù)推進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型升級(jí),促進(jìn)用能高質(zhì)量發(fā)展,多能源園區(qū)有望成為“十四五”期間能源發(fā)展的關(guān)鍵[3].同時(shí),我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,多能源園區(qū)的碳排放逐漸成為研究熱點(diǎn)[4].此外隨著多能源園區(qū)的逐漸發(fā)展,風(fēng)電(WT)、光伏(PV)等可再生能源接入比例不斷增加,園區(qū)內(nèi)供需平衡出現(xiàn)新的挑戰(zhàn),高比例新能源消納問(wèn)題亟待解決[5].在此背景下,研究考慮高比例新能源消納的多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題具有重要意義.
為解決多能源園區(qū)高比例新能源消納問(wèn)題,專家學(xué)者提出向多能源園區(qū)引入能源耦合設(shè)備,增強(qiáng)園區(qū)多能互補(bǔ).熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的梯級(jí)利用,充分挖掘電熱關(guān)系,提高電能和熱能的利用率;電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)能夠消納園區(qū)內(nèi)過(guò)剩的新能源出力,增加電-氣能量交換效率;儲(chǔ)能設(shè)備利用“時(shí)移特性”一定程度打破了各能源間的耦合制約,增加能量傳輸和中轉(zhuǎn)的靈活性.文獻(xiàn)[5-6]建立CHP模型,利用儲(chǔ)熱裝置解耦熱電關(guān)系,提出促進(jìn)可再生能源消納的優(yōu)化方法.文獻(xiàn)[7]為促進(jìn)能源耦合利用率,從P2G兩階段運(yùn)行入手,構(gòu)建了含P2G的熱電聯(lián)產(chǎn)變效率模型.文獻(xiàn)[8]中P2G的耗電功率由棄風(fēng)功率提供,直接消納棄風(fēng)功率.文獻(xiàn)[9]引入儲(chǔ)熱設(shè)備且用儲(chǔ)熱因子描述儲(chǔ)熱設(shè)備的狀態(tài),進(jìn)而給出一種分層優(yōu)化調(diào)度策略.文獻(xiàn)[10]考慮供能管網(wǎng)和儲(chǔ)能水罐的儲(chǔ)能特性,建立了工業(yè)園區(qū)多能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型.雖然向多能源園區(qū)引入CHP、P2G等能源耦合設(shè)備能有效促進(jìn)高比例新能源的消納,但是各耦合設(shè)備的潛能還可以進(jìn)一步挖掘.
此外,發(fā)展清潔無(wú)污染的電動(dòng)汽車是促進(jìn)多能源園區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要一步.文獻(xiàn)[11]采用電動(dòng)汽車與地源熱泵協(xié)同作用促進(jìn)風(fēng)電消納.文獻(xiàn)[12]從供需平衡和多能互補(bǔ)的角度出發(fā),研究電動(dòng)汽車的接入對(duì)園區(qū)經(jīng)濟(jì)性的影響.另一方面,隨著需求響應(yīng)技術(shù)的不斷成熟,需求響應(yīng)逐漸成為增加高比例新能源消納的有效手段.文獻(xiàn)[13-15]采用價(jià)格型需求彈性矩陣來(lái)表示電價(jià)變化率對(duì)負(fù)荷變化率的影響,進(jìn)而建立電價(jià)型需求響應(yīng)模型.文獻(xiàn)[16]建立包含可轉(zhuǎn)移可中斷電負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移不可中斷電負(fù)荷、靈活的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷等多類型負(fù)荷的綜合需求響應(yīng)模型.文獻(xiàn)[17]為促進(jìn)電網(wǎng)和氣網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度運(yùn)行,建立了氣電聯(lián)合需求響應(yīng).可見(jiàn),已有的考慮需求響應(yīng)的多能源園區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究,較多文獻(xiàn)只考慮電需求響應(yīng)對(duì)園區(qū)運(yùn)行的影響,對(duì)多元負(fù)荷需求響應(yīng)研究較少,價(jià)格型需求響應(yīng)多以需求彈性矩陣為基礎(chǔ)進(jìn)行建模.
多能源園區(qū)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需要各類低碳技術(shù)和合理的市場(chǎng)機(jī)制共同作用.文獻(xiàn)[18]將捕集的二氧化碳供給P2G消耗,剩余部分制成液態(tài)二氧化碳和干冰,提升了系統(tǒng)的綜合能效.文獻(xiàn)[19]給出一種以儲(chǔ)碳設(shè)備為樞紐連接碳捕集電廠和P2G的靈活運(yùn)行模式.文獻(xiàn)[20]挖掘富氧燃燒技術(shù)對(duì)綜合能源系統(tǒng)低碳排放的優(yōu)勢(shì),以綜合成本最小為目標(biāo)建立系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型.碳中和是我國(guó)現(xiàn)代能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素,多能源園區(qū)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度仍是目前研究的重點(diǎn).
在上述研究基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步促進(jìn)多能源園區(qū)高比例新能源的消納和低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,首先,本文引入熱儲(chǔ)能和氣儲(chǔ)能設(shè)備分別配合電鍋爐和P2G,充分發(fā)揮各能源耦合設(shè)備的優(yōu)勢(shì);其次,對(duì)園區(qū)電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電建模,探究電動(dòng)汽車的可控性對(duì)園區(qū)負(fù)荷“削峰填谷”的影響;再次,考慮不同能源形式的需求響應(yīng)資源,基于階梯型價(jià)格曲線建立價(jià)格型聯(lián)合熱電需求響應(yīng)模型;然后,借鑒綜合能源系統(tǒng)碳交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)碳捕集設(shè)備、儲(chǔ)碳設(shè)備和P2G的協(xié)調(diào)配合,并建立了多能源園區(qū)碳交易模型;最后,以考慮碳交易成本的園區(qū)社會(huì)福利最大為目標(biāo)函數(shù)建立了多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,并通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了所提模型在園區(qū)高比例新能源消納和低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面的積極作用.
本文構(gòu)建的多能源園區(qū)是電-氣-熱耦合系統(tǒng),具體如圖1所示.園區(qū)內(nèi)電負(fù)荷由風(fēng)機(jī)、光伏陣列、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)和上級(jí)電網(wǎng)供給,熱負(fù)荷由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱設(shè)備供能.碳捕集設(shè)備把從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)捕集的二氧化碳直接供給電轉(zhuǎn)氣設(shè)備或者存入儲(chǔ)碳設(shè)備.多能源園區(qū)與上級(jí)電網(wǎng)、氣網(wǎng)進(jìn)行雙向能量交換.為了進(jìn)一步促進(jìn)能源利用,向園區(qū)引入電動(dòng)汽車并考慮電、熱需求響應(yīng).
圖1 多能源園區(qū)具體組成Fig.1 Specific composition of a multi-energy park
多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)是社會(huì)效益最大化,即價(jià)格型聯(lián)合熱電需求響應(yīng)收益減去二氧化碳相關(guān)成本、園區(qū)運(yùn)行成本、棄風(fēng)棄光懲罰成本與失負(fù)荷懲罰成本之和最大.其中,二氧化碳相關(guān)成本由碳交易成本、購(gòu)碳成本與售碳收益組成,園區(qū)運(yùn)行成本包括機(jī)組發(fā)電成本、啟停成本、購(gòu)電/氣成本、售電/氣收益.
max(Cdr-CCO2-Co-Ccur-Clos)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
2.2.1電量平衡約束
(8)
在多能源園區(qū)內(nèi),不考慮網(wǎng)絡(luò)潮流約束,燃?xì)廨啓C(jī)和P2G相當(dāng)于連接在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,燃?xì)鈾C(jī)組和P2G不能同時(shí)運(yùn)行[17].
熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、電鍋爐與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備約束、天然氣平衡約束、熱量平衡約束、儲(chǔ)能約束、失負(fù)荷約束、棄風(fēng)光約束和園區(qū)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)功率交換約束與文獻(xiàn)[21]類似,此處不再贅述.
2.2.2電動(dòng)汽車有序充放電約束
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
2.2.3碳捕集與碳儲(chǔ)存約束
(29)
圖2 需求響應(yīng)階梯型價(jià)格曲線Fig.2 A stepwise price curve of demand response
(30)
(31)
(32)
(33)
(34)
(35)
(36)
(37)
價(jià)格型熱需求響應(yīng)建模和價(jià)格型電需求響應(yīng)類似,如下式所示:
(38)
(39)
(40)
(41)
(42)
(43)
(44)
(45)
圖3 風(fēng)電和光伏出力Fig.3 Outputs of WT and PV
圖4 電、熱負(fù)荷預(yù)測(cè)值和電動(dòng)汽車無(wú)序接入后總電負(fù)荷Fig.4 Predicted value of electric and heat load and total electric load of electric vehicle after unordered access
表1 分時(shí)電價(jià)Tab.1 Time-of-use electricity price
圖4為對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)序接入后的總電負(fù)荷與預(yù)測(cè)電負(fù)荷的對(duì)比.從圖4可以看到,電動(dòng)汽車6:00接入園區(qū)后進(jìn)行無(wú)序充電,13:00所有電動(dòng)汽車充電結(jié)束.相對(duì)于未考慮電動(dòng)汽車的預(yù)測(cè)電負(fù)荷,電動(dòng)汽車無(wú)序充電后電負(fù)荷第一次峰值增99.54 kW,園區(qū)出現(xiàn)“峰上加峰”現(xiàn)象.因此,電動(dòng)汽車無(wú)序充電會(huì)增大園區(qū)電負(fù)荷峰谷差,增加園區(qū)負(fù)荷調(diào)度的難度,不利于多能源園區(qū)的安全運(yùn)行.
為探究?jī)?chǔ)熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備及儲(chǔ)氣設(shè)備對(duì)高比例新能源的消納作用,本節(jié)在假設(shè)電動(dòng)汽車無(wú)序接入的情況下,對(duì)如表2所示4種運(yùn)行方式進(jìn)行仿真分析,其中:“×”表示未接入該設(shè)備;“√”表示接入該設(shè)備.
表2 方式1~4設(shè)置Tab.2 Setting of Mode 1 to 4
表3為方式1~4條件下的園區(qū)成本,由表3可知,方式1~4均沒(méi)有失負(fù)荷.方式1未引入儲(chǔ)熱設(shè)備、P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備,產(chǎn)生棄光功率66.60 kW·h.方式2~4未出現(xiàn)棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象,且相對(duì)于方式1,方式2~4總成本分別減小149.38元、78.29元和160.97元,這是因?yàn)榉绞?比方式1多考慮儲(chǔ)熱設(shè)備,儲(chǔ)熱設(shè)備在電價(jià)低谷時(shí)段把電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存起來(lái),在電價(jià)高峰時(shí)段釋放熱能以降低電鍋爐的用電需求,從而減少園區(qū)購(gòu)電成本,增加售電收益,促進(jìn)新能源消納;方式3在方式1的基礎(chǔ)上接入P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備,P2G將剩余的風(fēng)光出力轉(zhuǎn)換為天然氣儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣設(shè)備中,避免棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生;方式4同時(shí)考慮儲(chǔ)熱設(shè)備、P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備,相同調(diào)度時(shí)間內(nèi)電熱轉(zhuǎn)換、電氣轉(zhuǎn)換的頻次增加,園區(qū)多能互補(bǔ)能力增強(qiáng),進(jìn)一步降低購(gòu)電成本,增加售電收益.因此,儲(chǔ)熱設(shè)備、P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備等能源耦合設(shè)備的引入,增強(qiáng)了園區(qū)多能耦合能力,提高了高比例新能源利用率,降低了園區(qū)運(yùn)行成本.
表3 方式1~4成本(元)Tab.3 Cost of Mode 1 to 4 (RMB Yuan)
圖5和6分別為方式2與3下,CHP出力、燃?xì)廨啓C(jī)出力、電鍋爐耗電和P2G耗電情況.由圖5可知,方式2加入儲(chǔ)熱設(shè)備,電鍋爐可以在電價(jià)低谷時(shí)段將電能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱設(shè)備中供給電價(jià)高峰時(shí)的熱負(fù)荷,不必24 h均開(kāi)機(jī),即在電價(jià)低谷時(shí)段 23:00—7:00和風(fēng)光出力較大時(shí)段10:00—17:00,電鍋爐電制熱成本低,電鍋爐消耗電能產(chǎn)生熱能,8:00—9:00和18:00—20:00的電價(jià)高于購(gòu)氣價(jià)格,電鍋爐不開(kāi)機(jī),CHP出力增加,而 21:00—22:00 雖然電價(jià)比購(gòu)氣價(jià)格貴但風(fēng)電出力較大,因而電鍋爐開(kāi)機(jī)消納剩余的風(fēng)電.由于園區(qū)接入高比例新能源,風(fēng)光出力和CHP出力可以滿足電負(fù)荷需求,且園區(qū)的購(gòu)氣價(jià)格高于谷時(shí)電價(jià),為使園區(qū)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),燃?xì)廨啓C(jī)不開(kāi)機(jī).但在 18:00—21:00 時(shí)間段內(nèi),風(fēng)光出力大幅度減小,CHP滿發(fā)仍不能滿足園區(qū)電負(fù)荷用電需求,燃?xì)廨啓C(jī)需開(kāi)機(jī)以維持電量平衡.由圖6可知,方式3未考慮儲(chǔ)熱設(shè)備,CHP不能滿足園區(qū)熱量平衡,電鍋爐需24 h開(kāi)機(jī),在4:00、13:00和 16:00 風(fēng)電/光伏出力達(dá)到峰值時(shí),電鍋爐不能消納的剩余風(fēng)電由P2G消納.在 17:00—21:00,電鍋爐耗電使得園區(qū)晚高峰的用電需求增加,但此時(shí)風(fēng)光出力較小無(wú)法維持電量平衡,燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)機(jī)并且出力大于方式2.綜上,儲(chǔ)熱設(shè)備可以減少電鍋爐開(kāi)機(jī)時(shí)間,延長(zhǎng)電鍋爐壽命的同時(shí)促進(jìn)新能源消納,P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備可以進(jìn)一步消納剩余新能源,增加新能源的滲透率.
圖5 方式2下CHP出力、燃?xì)廨啓C(jī)出力和電鍋爐耗電功率Fig.5 CHP output, gas turbine output, and power consumption of electric boiler in Mode 2
圖6 方式3下CHP、燃?xì)廨啓C(jī)出力和電鍋爐、P2G耗電功率Fig.6 CHP output, gas turbine output, and power consumption of electric boiler and P2G in Mode 3
為探究電動(dòng)汽車充電方式對(duì)園區(qū)運(yùn)行的影響,在方式4的基礎(chǔ)上設(shè)置有序充電比例分別為20%、40%和60%得到方式4.1~4.3.
圖7描述電動(dòng)汽車不同有序充電比例下的凈電負(fù)荷變化情況.由圖7可知,與方式4相比,方式4.1~4.3的電動(dòng)汽車有序充電功率大部分從 6:00—10:00平移到11:00—16:00,其余有序充電功率轉(zhuǎn)移到23:00—24:00,即電動(dòng)汽車采用有序充電后,園區(qū)凈電負(fù)荷在6:00—10:00減小,在 11:00—16:00增加,園區(qū)凈電負(fù)荷峰谷差分別減小66.06 kW,118.85 kW和123.40 kW.這是因?yàn)?13:00 光伏出力達(dá)到峰值,11:00、13:00 和 16:00 風(fēng)電出力也是峰值,風(fēng)光出力富余,且 14:00—15:00 電價(jià)便宜,充電費(fèi)用較低,所以電動(dòng)汽車進(jìn)行大量有序充電;18:00—22:00 電價(jià)較高,而 23:00—24:00 屬于電價(jià)谷時(shí)段,少量電動(dòng)汽車在 23:00—24:00 充電.再結(jié)合表4可知,隨著電動(dòng)汽車有序充電比例的增加,園區(qū)運(yùn)行成本不斷減少.綜合以上,有序充電方式增強(qiáng)了電動(dòng)汽車的可控性,有效避免電動(dòng)汽車在園區(qū)用電高峰時(shí)段進(jìn)行充電,實(shí)現(xiàn)園區(qū)凈電負(fù)荷“削峰填谷”,降低多能源園區(qū)運(yùn)行成本,有利于園區(qū)安全運(yùn)行,且隨著有序充電比例的增加,其產(chǎn)生的積極作用更明顯.
圖7 EV有序充電對(duì)凈電負(fù)荷的影響Fig.7 Influence of EV ordered charge on net power load
表4 方式4~4.3的園區(qū)成本Tab.4 Cost of park in Mode 4 to 4.3
為驗(yàn)證本文所提聯(lián)合熱電需求響應(yīng)模型的優(yōu)勢(shì),在方式4.3的基礎(chǔ)上設(shè)置電需求響應(yīng)比例為0.1得到方式5,又在方式5的基礎(chǔ)上考慮聯(lián)合熱電需求響應(yīng)得到如下設(shè)置.
方式5.1考慮聯(lián)合熱電需求響應(yīng),且響應(yīng)比例為0.1;
方式5.2在方式5.1的基礎(chǔ)上,增大響應(yīng)比例為0.2.
圖8為考慮需求響應(yīng)后凈電負(fù)荷變化情況圖.從圖8可以看到,方式5考慮電需求響應(yīng),根據(jù)分時(shí)電價(jià)和需求響應(yīng)階梯價(jià)格曲線引導(dǎo),平時(shí)和峰時(shí)電價(jià)高于需求響應(yīng)階梯型價(jià)格,可響應(yīng)電負(fù)荷在 8:00—22:00 轉(zhuǎn)出或中斷,在電價(jià)谷時(shí)段 23:00—7:00 轉(zhuǎn)入;相對(duì)于方式5,方式5.1考慮聯(lián)合熱電需求響應(yīng),電熱耦合增強(qiáng),在電價(jià)谷時(shí)段轉(zhuǎn)入的電負(fù)荷增多,一定程度上減少高峰時(shí)段電負(fù)荷,有效緩解園區(qū)用電高峰期用電緊張情況;在方式5.1的基礎(chǔ)上,方式5.2增加聯(lián)合需求響應(yīng)比例后,園區(qū)內(nèi)可響應(yīng)負(fù)荷的調(diào)度靈活性增強(qiáng),在峰時(shí)段轉(zhuǎn)出或者中斷的負(fù)荷量增多,在谷時(shí)段轉(zhuǎn)入的負(fù)荷也增加.此外,由表5可得,相對(duì)于不考慮需求響應(yīng)的方式4.3,方式5減少園區(qū)購(gòu)氣費(fèi)用,增加電需求響應(yīng)收益,成本降低了145.73元.在方式5的基礎(chǔ)上,方式5.1聯(lián)合熱電需求響應(yīng)收益增加的同時(shí)有效降低園區(qū)購(gòu)電費(fèi)用,成本減少105.03元;方式5.2聯(lián)合熱電需求響應(yīng)的比例增大到20%后,成本比方式5降低了313.20元.因此,采用聯(lián)合熱電需求響應(yīng)比僅采用電需求響應(yīng)更能靈活調(diào)度園區(qū)內(nèi)可響應(yīng)負(fù)荷,有效緩解系統(tǒng)運(yùn)行壓力,增加園區(qū)收益.
圖8 考慮需求響應(yīng)后凈電負(fù)荷變化情況Fig.8 Change of net power load considering demand response
表5 方式4.3~5.2成本對(duì)比(元)Tab.5 Cost comparison in Mode 4.3 to 5.2 (RMB Yuan)
3.5.1碳交易價(jià)格變化對(duì)多能源園區(qū)低碳性的影響 為分析碳交易價(jià)格變化對(duì)園區(qū)低碳性的影響,在方式5.1條件下引入碳交易機(jī)制,設(shè)單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度為0.36 kg/kW,改變碳交易價(jià)格分別為0.50、1.00、1.50、2.00、2.50和3.00元/kg得到方式6.1~6.6.
圖9~11為方式6.1~6.6下園區(qū)各項(xiàng)費(fèi)用、園區(qū)與主網(wǎng)交換功率和燃?xì)廨啓C(jī)出力變化情況.圖9中正值表示成本,負(fù)值表示收益,由于機(jī)組啟停成本和聯(lián)合熱電需求響應(yīng)收益不變,所以未畫(huà)出.圖10中,正值表示園區(qū)向主網(wǎng)購(gòu)電,負(fù)值表示園區(qū)向主網(wǎng)售電.表6為方式6.1~6.6下園區(qū)實(shí)際碳排放量.從圖9可以看到,隨碳交易價(jià)格的增加,購(gòu)電成本不斷減小,售電收益逐漸減小為0,購(gòu)氣成本先保持不變后增加,這是因?yàn)樘冀灰變r(jià)格的增加使碳交易成本在目標(biāo)函數(shù)中的比重逐漸增大,園區(qū)優(yōu)先采取更清潔的供電方式使整體目標(biāo)最優(yōu),又因?yàn)樯霞?jí)電網(wǎng)單位碳排放強(qiáng)度大于燃?xì)廨啓C(jī)大于CHP,所以園區(qū)優(yōu)先采用減少主網(wǎng)購(gòu)電功率、增加CHP出力的供電方式.但CHP機(jī)組為滿足園區(qū)熱負(fù)荷需求一直處于滿發(fā)狀態(tài),無(wú)剩余可調(diào)節(jié)出力,因此為維持系統(tǒng)電量平衡,園區(qū)先減少售電功率,當(dāng)售電功率不能減少后,原本由外購(gòu)電功率供給的電負(fù)荷轉(zhuǎn)為燃?xì)廨啓C(jī)供給,燃?xì)廨啓C(jī)出力隨碳交易價(jià)格的增加而增加.購(gòu)氣成本在燃?xì)廨啓C(jī)未開(kāi)機(jī)前保持不變,后隨燃?xì)鈾C(jī)組出力的增加而增加,購(gòu)電成本隨主網(wǎng)購(gòu)電功率的減小而減少,售電收益隨售電功率逐漸降低到 0 kW 而逐漸減少到0元.此外,由表6可知,隨碳交易價(jià)格的增加,碳排放量先減少后略微增加,碳交易成本不斷減小.因?yàn)樵诜绞?.1~6.3的條件下,購(gòu)電功率不斷減小,燃?xì)廨啓C(jī)未產(chǎn)生碳排放,園區(qū)碳排放量隨購(gòu)電功率減小而減少,碳排放量與碳排放配額差值從正值變?yōu)樨?fù)值,且差值逐漸擴(kuò)大,所以碳交易成本隨碳交易價(jià)格增加而減小.而在方式 6.4~6.6條件下,燃?xì)廨啓C(jī)出力相對(duì)方式6.3分別增加542.21 kW、1 005.52 kW和 1 086.7 kW,園區(qū)內(nèi)生成的二氧化碳增多,但據(jù)表6可知碳排放量略微增加,再結(jié)合碳排放配額計(jì)算式可知碳排放配額增加幅度大于碳排放量增長(zhǎng)幅度,碳交易成本仍然降低.從圖9中還可以看到,園區(qū)總成本隨碳交易價(jià)格的增加先略微增加后逐漸降低,這是因?yàn)榉绞?.1~6.2條件下,碳交易成本降低值小于購(gòu)電成本增長(zhǎng)值與售電收益減小值之和,總成本略微增加,而在方式 6.3~6.6條件下,碳交易成本不斷減小,且其減少值大于購(gòu)電成本增長(zhǎng)值,園區(qū)總成本逐漸降低.
圖9 方式6.1~6.6下園區(qū)各項(xiàng)費(fèi)用變化情況Fig.9 Change of park expenses in Mode 6.1 to 6.6
圖10 方式6.1~6.6主網(wǎng)交換功率Fig.10 Exchange power of major network in Mode 6.1 to 6.6
圖11 方式6.1~6.6燃?xì)廨啓C(jī)出力變化Fig.11 Change of gas turbine output in Mode 6.1 to 6.6
表6 方式6.1~6.6碳排放量Tab.6 Carbon emissions in Mode 6.1 to 6.6
未考慮碳交易約束的園區(qū)二氧化碳生成量為 2 021.56 kg,表6所示方式6.1~6.6的碳排放量分別降低50.69%、76.11%、76.64%、74.86%、73.06%和72.69%.因此,向多能源園區(qū)引入碳交易約束后明顯降低園區(qū)碳排放量,實(shí)現(xiàn)園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.
3.5.2單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度變化對(duì)多能源園區(qū)低碳性的影響 為探究單位電量碳排放基準(zhǔn)額度變化的影響,在方式5.1基礎(chǔ)上設(shè)置碳交易價(jià)格為0.50元/kg,改變單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度分別為0.26,0.36,0.46,0.56,0.66,0.76 kg/kW得到方式7.1~7.6.
表7為園區(qū)在方式7.1~7.6運(yùn)行條件下的各成本明細(xì)和碳排放量變化情況,由于機(jī)組啟停成本和聯(lián)合熱電需求響應(yīng)收益不變,未包含在表7中.由表7可知,隨著單位電量碳排放基準(zhǔn)額度的增加,購(gòu)電成本、碳交易收益、總成本和碳排放量逐漸增加,結(jié)合圖12所示園區(qū)購(gòu)電功率變化情況可知,園區(qū)購(gòu)電功率隨單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度的增加而增加,購(gòu)電成本不斷增加.而單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度的增加使得園區(qū)碳排放配額擴(kuò)大,碳排放約束逐漸寬松,碳排放量略微增加,但碳排放配額增長(zhǎng)幅度大于碳排放量增長(zhǎng)幅度,所以碳排放配額逐漸大于碳排放量,碳交易費(fèi)用由成本轉(zhuǎn)為收益,且收益逐漸增大.綜上,園區(qū)收益增加的幅度大于成本增加的幅度,園區(qū)總成本隨單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度的增加而降低.
表7 式7.1~7.6成本明細(xì)和碳排放量
圖12 方式7.1~7.6購(gòu)電功率Fig.12 Purchasing power in Mode 7.1 to 7.6
本文針對(duì)多能源園區(qū)高比例新能源消納和低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題,在考慮儲(chǔ)熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣及儲(chǔ)氣設(shè)備的基礎(chǔ)上,建立了園區(qū)電動(dòng)汽車有序充電模型、聯(lián)合熱電需求響應(yīng)模型、碳捕集和儲(chǔ)碳模型,然后計(jì)及碳交易約束提出一種考慮高比例新能源消納的多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了所提模型的有效性,具體結(jié)論如下.
(1) 考慮儲(chǔ)熱設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣及儲(chǔ)氣設(shè)備后,多能源園區(qū)能源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升,多能互補(bǔ)能力增強(qiáng),促進(jìn)了高比例新能源的消納.
(2) 通過(guò)有序充電可以引導(dǎo)電動(dòng)汽車在電價(jià)低谷和新能源出力較大時(shí)充電,實(shí)現(xiàn)削峰填谷,增加園區(qū)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性.
(3) 考慮聯(lián)合熱電需求響應(yīng)后,系統(tǒng)電-熱耦合增強(qiáng),可響應(yīng)資源增加,調(diào)度靈活性有效增強(qiáng),購(gòu)電成本明顯降低,園區(qū)收益增加.
(4) 碳交易約束對(duì)多能源園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)作用顯著.考慮碳交易約束后,園區(qū)碳排放量明顯降低;園區(qū)總成本隨碳交易價(jià)格的增加先增加后減小,隨單位電量的碳排放基準(zhǔn)額度的增加而減小.