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.

1 多能源園區(qū)組成

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

2 考慮碳交易的多能源園區(qū)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

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 約束條件

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)

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)介紹

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.

3.2 多能源轉(zhuǎn)換設(shè)備對(duì)高比例新能源消納的影響

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

3.3 電動(dòng)汽車充電方式對(duì)多能源園區(qū)調(diào)度的影響

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

3.4 價(jià)格型聯(lián)合熱電需求響應(yīng)模型的優(yōu)勢(shì)

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 多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度仿真分析

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

4 結(jié)論

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.