黃景光，熊華健，李振興，汪潭

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，各國(guó)的碳排放量與日劇增，減少碳排量成為世界的共同話題；為此，我國(guó)提出2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的減排目標(biāo)[1]。綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System,IES)概念的提出與發(fā)展，為提高可再生能源利用率、實(shí)現(xiàn)碳減排提供了全新途徑[2-5]。IES能夠使不同能源在生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行能量耦合轉(zhuǎn)換和協(xié)同優(yōu)化[6]；有助于系統(tǒng)節(jié)能減排，提高可再生能源利用率，促進(jìn)清潔能源消納[7]。

目前，已有大量的文獻(xiàn)針對(duì)IES經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[8]基于地源熱泵在IES中的高能源轉(zhuǎn)換效率，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[9]考慮P2G機(jī)組等設(shè)備，設(shè)計(jì)了綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行結(jié)構(gòu)，并結(jié)合算例驗(yàn)證了模型的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[10]提出了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)日前最優(yōu)調(diào)度模型，此模型通過(guò)冷/熱/電/氣多能耦合與協(xié)同運(yùn)行使收益最大化。文獻(xiàn)[11]考慮了電/熱儲(chǔ)能互補(bǔ)協(xié)調(diào)特性，結(jié)合電、熱網(wǎng)傳輸特點(diǎn)，構(gòu)建了IES經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。上述文獻(xiàn)的調(diào)度模型僅考慮了IES的經(jīng)濟(jì)性，卻忽略了現(xiàn)在日益嚴(yán)重的碳排放問(wèn)題。

碳交易能同時(shí)兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，是減少碳排放的重要方法[12]。文獻(xiàn)[13-14]基于碳權(quán)交易機(jī)制，建立了考慮風(fēng)電與負(fù)荷不確定性的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15]提出引入碳交易機(jī)制的電-氣-熱聯(lián)供IES調(diào)度模型，分析碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響。文獻(xiàn)[16]在傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中引入碳交易機(jī)制，并用模糊自修正粒子群算法求解此問(wèn)題，分析得出考慮碳權(quán)交易可以降低聯(lián)供系統(tǒng)的綜合運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[17]以能源中心建模思想為基礎(chǔ)，構(gòu)建了計(jì)及碳交易成本的綜合能源系統(tǒng)分散調(diào)度模型，并用分散優(yōu)化算法對(duì)模型求解，分析得出考慮碳權(quán)交易更能充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。文獻(xiàn)[18-19]在IES調(diào)度中引入階梯型碳交易機(jī)制，分析得出階梯式碳交易比傳統(tǒng)碳交易的節(jié)能減排效果更顯著?，F(xiàn)階段主要研究燃煤機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)(Combined Heat and Power,CHP)機(jī)組和燃?xì)忮仩t的碳排放，鮮有文獻(xiàn)分析新能源機(jī)組和儲(chǔ)能裝置的碳排放問(wèn)題；同時(shí)，因?yàn)槟茉吹纳a(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生碳排放，而現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有對(duì)綜合能源系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)碳排放進(jìn)行計(jì)量。此外，現(xiàn)有研究缺乏從碳交易價(jià)格角度分析其對(duì)IES各設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行及能效的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中根據(jù)電、熱負(fù)荷需求，綜合考慮IES內(nèi)部各單元的運(yùn)行特性，建立基于碳交易機(jī)制的IES調(diào)度模型。首先，建立典型的電-熱聯(lián)供IES架構(gòu)；接著，采用生命周期法[20]分析新能源機(jī)組和儲(chǔ)能裝置的碳排放量，將階梯型碳交易機(jī)制引入IES經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，構(gòu)建以碳交易成本和系統(tǒng)運(yùn)行成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo)的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。最后，通過(guò)算例對(duì)比分析不同案例下，不同碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)能減排以及能源利用率的影響。

1 典型電-熱聯(lián)供的IES

建立的電-熱聯(lián)供的IES結(jié)構(gòu)如圖1所示，能源供給端有上級(jí)配電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)(Wind Turbine, WT)、光伏(Photovoltaic Cell, PV)和天然氣源；能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能端有CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t(Gas Boiler, GB)、儲(chǔ)能(Energy Storage, ES)裝置和電鍋爐(Electric Boiler, EB)；能源需求端包括電-熱柔性負(fù)荷。其中儲(chǔ)能裝置包含儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱裝置。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖

1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

CHP系統(tǒng)將天然氣燃燒的高品位能量用于生產(chǎn)電能，同時(shí)利用溴冷機(jī)對(duì)余熱進(jìn)行回收，用于供給熱負(fù)荷。典型的CHP機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)(Gas Turbine，GT)和溴冷機(jī)(Bromine Cooler，BC)組成，其數(shù)學(xué)模型為:

QGT(t)=PGT(t)(1-βGT-βl)/βGT

(1)

PBC,h(t)=QGT(t)δBCλBC,h

(2)

其中，PGT(t)、QGT(t)、PBC,h(t)分別為t時(shí)刻GT的發(fā)電功率和排出的氣體余熱量以及BC的制熱功率；βGT、βl、δBC、λBC,h依次為GT的發(fā)電效率和散熱損失系數(shù)以及BC的煙氣回收率和其制熱系數(shù)。

1.2 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t作為系統(tǒng)主要的供熱源之一，在滿(mǎn)足熱負(fù)荷需求的同時(shí)，也有利于氣-熱兩網(wǎng)的耦合。數(shù)學(xué)模型為:

PGB,h(t)=PGB(t)βGB

(3)

式中PGB(t)和PGB,h(t)分別為t時(shí)刻GB的耗氣功率和制熱功率，βGB為GB的制熱效率。

1.3 電鍋爐

電鍋爐安裝簡(jiǎn)單，高效節(jié)能且環(huán)保，被廣泛用于IES中。其在電價(jià)引導(dǎo)下，可以根據(jù)熱負(fù)荷缺額提供用熱功率，并增大谷值時(shí)段用電量，減小負(fù)荷峰谷差值，提高能源利用率。數(shù)學(xué)模型為：

PEB,h(t)=PEB(t)βEB

(4)

式中PEB(t)和PEB,h(t)分別為t時(shí)刻EB的耗電功率和制熱功率；βEB為EB的能量轉(zhuǎn)換效率。

1.4 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置作為IES重要組成部分，能夠?qū)⒍嘤嗄芰窟M(jìn)行存儲(chǔ)，并在用戶(hù)用能需求無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)提供能量。且可以有效平抑新能源出力的不確定性，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行具有削峰填谷的作用。文中2種電-熱儲(chǔ)能裝置存在相識(shí)的運(yùn)行特性，充、放能量過(guò)程均有一定的損耗等特點(diǎn)[8]，都存在能量自損率。數(shù)學(xué)模型為：

EES(t)=(1-μ)EES(t-1)+(UPES,ch(t)ηchΔt-

VPES,dis(t)ηdisΔt)

(5)

U+V≤1,U?{0,1},V?{0,1}

(6)

其中，EES(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能容量；PES,ch(t)、PES,dis(t)分別為t時(shí)刻儲(chǔ)能裝置的充、放功率；μ、ηch、ηdis分別為儲(chǔ)能裝置的能量損失系數(shù)，充、放能量轉(zhuǎn)換效率；U、V為0、1變量，儲(chǔ)能裝置在U=1時(shí)充電，在V=1時(shí)放電。

2 IES各設(shè)備碳排放分析

2.1 基于生命周期法的風(fēng)光儲(chǔ)能碳排放特性

2.1.1 生命周期評(píng)價(jià)分析法

生命周期評(píng)價(jià)分析法在文中簡(jiǎn)稱(chēng)生命周期法，本質(zhì)是分析能源活動(dòng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的環(huán)境影響；可將其分為三大步驟：歸類(lèi)、特性化、量化。(1)歸類(lèi)：根據(jù)系統(tǒng)能源類(lèi)別和活動(dòng)，歸類(lèi)出對(duì)應(yīng)的污染物清單和邊界范圍；(2)特性化：依據(jù)污染物的排放方式，對(duì)系統(tǒng)能源活動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、分類(lèi)；(3)量化：對(duì)經(jīng)上述步驟處理后的能源活動(dòng)產(chǎn)生的污染物進(jìn)行計(jì)算。

生命周期法將能源在生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物折算成統(tǒng)一碳排放量。為了滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，IES系統(tǒng)在計(jì)及上級(jí)電網(wǎng)(燃煤機(jī)組)、CHP機(jī)組和燃?xì)忮仩t的碳排放外，還應(yīng)考慮新能源機(jī)組和儲(chǔ)能裝置的碳排放。生命周期法的碳排放計(jì)算跨度是從能源開(kāi)采端到消費(fèi)端，不但要評(píng)價(jià)系統(tǒng)能源本身直接消耗所產(chǎn)生的污染物，還要考慮系統(tǒng)運(yùn)行、轉(zhuǎn)化等伴隨效應(yīng)，即IES每提供1 kW·h能量所產(chǎn)生的碳排放總量。

2.1.2 新能源機(jī)組碳排放特性

基于生命周期法的風(fēng)、光新能源機(jī)組產(chǎn)生的溫室氣體碳排放可劃分為設(shè)備生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸兩部分。由于已有文獻(xiàn)表明新能源機(jī)組在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的碳排放極少，因此忽略不計(jì)。則其碳排放特性為：

(7)

式中Epec和Etec分別為新能源機(jī)組在設(shè)備生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)；k為生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程總次數(shù)；m為生產(chǎn)需要的材料種類(lèi)數(shù)；cc為標(biāo)準(zhǔn)單位電量與能耗的換算系數(shù)；ncw和lcw分別為建設(shè)時(shí)所用的第w種材料碳排放強(qiáng)度和內(nèi)含能量強(qiáng)度值；nctw和lctw分別為生產(chǎn)時(shí)所用第w種材料碳排放強(qiáng)度和運(yùn)輸耗費(fèi)能量強(qiáng)度；npu,w和lpu,w分別為第u個(gè)新能源機(jī)組建設(shè)過(guò)程所用第w種材料碳排放強(qiáng)度和內(nèi)含能量強(qiáng)度值；vw為生產(chǎn)建設(shè)時(shí)所用第w種材料的損耗系數(shù)；ntw和ltw分別為運(yùn)輸時(shí)所用第w種材料碳排放強(qiáng)度和運(yùn)輸耗費(fèi)能量強(qiáng)度。

2.1.3 儲(chǔ)能裝置碳排放特性

文中基于生命周期法的儲(chǔ)能裝置碳排放特性只考慮電儲(chǔ)能；由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)熱罐碳排放尚無(wú)研究，因此不計(jì)及儲(chǔ)熱罐。其碳排放同樣可劃分為設(shè)備生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸兩部分，可表示為：

(8)

式中Epsc和Etsc分別為蓄電池在設(shè)備生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放系數(shù)；N和M為生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程總次數(shù)和生產(chǎn)需要的材料種類(lèi)數(shù)；N1和M1為運(yùn)輸過(guò)程中運(yùn)輸方式集合和所需燃料種類(lèi)數(shù)；csc為標(biāo)準(zhǔn)單位電量與能耗的換算系數(shù)；Iw,cu和Iw,ctu分別為生產(chǎn)時(shí)第u階段使用第w種材料的能耗和運(yùn)輸時(shí)第u種運(yùn)輸方式所用第w種燃料的能耗；fc為碳排放因子；Gw,u和Gw,tu分別為生產(chǎn)時(shí)第u階段使用第w種材料的碳排放強(qiáng)度和運(yùn)輸時(shí)第u種運(yùn)輸方式所用第w種燃料的碳排放強(qiáng)度；αw為生產(chǎn)建設(shè)階段所用第w種材料的單位損耗系數(shù)；dw,u為第u種運(yùn)輸方式所用第w種燃料的運(yùn)輸距離；gu為第u種運(yùn)輸方式中運(yùn)送蓄電池部分占總蓄電池容量的占比。

2.2 IES碳權(quán)交易機(jī)制

2.2.1 IES碳排放配額分配原則

碳交易是通過(guò)政府下放的碳排放權(quán)并允許對(duì)其進(jìn)行買(mǎi)賣(mài)交易，從而控制碳排放量的交易機(jī)制[21]。對(duì)于目前國(guó)內(nèi)的電力行業(yè)，一般采用無(wú)償分配的原則對(duì)初始碳排放配額進(jìn)行分配。文中構(gòu)建的IES系統(tǒng)碳排放源主要包括：外購(gòu)電力的燃煤電廠、CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t、可再生能源機(jī)組和儲(chǔ)能裝置。

對(duì)于主要碳排放源的燃煤電廠、CHP機(jī)組和燃?xì)忮仩t，采用基準(zhǔn)線法[18]確定其碳排放配額；通過(guò)將上述單元的實(shí)際產(chǎn)能與政府規(guī)定的基準(zhǔn)值相乘，得到系統(tǒng)各單元的碳排放配額。其中CHP機(jī)組能同時(shí)提供電、熱兩種能量，因此將其發(fā)電量折算成等效供熱量，再根據(jù)總熱量計(jì)算碳排放配額。對(duì)于可再生能源機(jī)組的碳排放配額可參考文獻(xiàn)[22]；由于政府還沒(méi)對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行碳配額規(guī)定，因此文中設(shè)定蓄電池的碳排放配額為0。具體計(jì)算如下：

(9)

Ec=Egrid+ECHP+EGB+Ej

(10)

其中Ec、Egrid、ECHP、EGB、Ej分別為IES、上級(jí)電網(wǎng)的燃煤機(jī)組、CHP機(jī)組、燃?xì)忮仩t、可再生能源機(jī)組的碳排放配額；Ωgrid、ΩCHP、ΩGB、Ωj分別為電網(wǎng)燃煤機(jī)組集合、CHP機(jī)組集合、燃?xì)忮仩t集合、可再生能源機(jī)組集合；Pgrid、PGT、PGB、Pj分別為上級(jí)電網(wǎng)燃煤機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、新能源機(jī)組的功率；PBC,h為BC的制熱功率；αgrid、αh、αj分別為燃煤機(jī)組、CHP機(jī)組和燃?xì)忮仩t、新能源機(jī)組的單位碳排放配額；λGT為發(fā)電量換算成供熱量的系數(shù)。

2.2.2 IES碳交易機(jī)制成本計(jì)算模型

文中構(gòu)建碳權(quán)交易機(jī)制下的IES系統(tǒng)，以利益最大化為目標(biāo)，追隨碳交易價(jià)格的變化，會(huì)自發(fā)的尋找碳排放更低的運(yùn)行方式。IES實(shí)際碳排放量如下：

Er=Eg+Echp+Egb+Epec+Etec+Epsc+Etsc

(11)

式中Er、Eg、Echp、Egb分別為系統(tǒng)實(shí)際碳排放總量、上級(jí)電網(wǎng)(燃煤機(jī)組)碳排放量、CHP機(jī)組碳排放量、燃?xì)忮仩t碳排放量。

為了分析碳權(quán)交易機(jī)制的影響，進(jìn)一步控制系統(tǒng)碳排放量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際碳排放量低于碳配額時(shí)，可售賣(mài)；高于碳配額時(shí)，則必須購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的碳排放權(quán)。由于所建立的碳交易成本模型為非線性，則在對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行求解時(shí)，需對(duì)實(shí)際碳排放量進(jìn)行分段線性化處理。

(12)

式中fc為IES中碳交易成本，正值表示碳購(gòu)買(mǎi)成本，負(fù)值表示碳售賣(mài)收益；λc為市場(chǎng)碳交易價(jià)格；d為碳排放區(qū)間長(zhǎng)度；αc為碳交易價(jià)格增長(zhǎng)幅度。

3 基于碳權(quán)交易的IES優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

文中以IES運(yùn)行總成本與碳交易成本之和最優(yōu)為目標(biāo)，建立的基于生命周期法和碳權(quán)交易的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)如下：

F=min(fe+fq+fmt+fc)

(13)

式中fe為外購(gòu)能源成本，包括購(gòu)氣成本和購(gòu)售電成本；fq為系統(tǒng)機(jī)組啟停成本；fmt為系統(tǒng)運(yùn)維成本。

3.1.1 啟停成本

(14)

式中T為調(diào)度周期；L為可控機(jī)組i的種類(lèi)；Ui(t)為t時(shí)刻可控機(jī)組i的啟停狀態(tài)；Ui(t-1)為t-1時(shí)刻可控機(jī)組i的啟停狀態(tài)；Cq,i為可控機(jī)組i的啟停成本。

3.1.2 能源成本

(15)

式中fQ和fgrid分別為系統(tǒng)購(gòu)氣成本、購(gòu)售電成本；DCH4、LCH4為天然氣氣價(jià)和低熱值；Cgb(t)和Cgs(t)分別為t時(shí)刻系統(tǒng)購(gòu)電電價(jià)和售電電價(jià)；Pgrid(t)為t時(shí)刻電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率，大于0代表購(gòu)電，小于0代表售電。

3.1.3 運(yùn)維成本

(16)

式中Pi(t)、Pj(t)、PES(t)、Si、Sj、SES分別為可控機(jī)組i、新能源機(jī)組j、儲(chǔ)能裝置ES在t時(shí)刻的功率和單位運(yùn)維成本；H為新能源機(jī)組j的種類(lèi)。

3.2 約束條件

為了能使IES系統(tǒng)安全有效運(yùn)行，系統(tǒng)和各機(jī)組應(yīng)滿(mǎn)足以下約束條件。

(1)系統(tǒng)能量平衡約束。

PGT(t)+PWT(t)+PPV(t)+Pgrid(t)+PBS(t)=Pload,e(t)+PEB(t)

(17)

PBC,h(t)+PGB,h(t)+PEB,h(t)+PHS(t)=Pload,h(t)

(18)

(19)

式中PWT(t),PPV(t),Pgrid(t),PBS(t),Pload,e(t)分別為風(fēng)電機(jī)組，光伏機(jī)組，電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線，電儲(chǔ)能，系統(tǒng)電負(fù)荷在t時(shí)刻的功率；PHS(t),Pload,h(t)分別為儲(chǔ)熱罐，系統(tǒng)熱負(fù)荷在t時(shí)刻的功率；Pq(t)為天然氣網(wǎng)在t時(shí)刻的供氣功率。

(2)與上級(jí)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率約束。

Pgrid,min≤Pgrid(t)≤Pgrid,max

(20)

式中Pgrid,min,Pgrid,max分別為電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的最小和最大值。

(3)可控機(jī)組約束。

(21)

(4)儲(chǔ)能裝置約束。

(22)

式中λmax,λmin分別為儲(chǔ)能的最大，最小荷電狀態(tài)；VES為儲(chǔ)能裝置容量；PES,max，PES,min分別為儲(chǔ)能裝置充放功率的最大，最小值。

3.3 能源利用率及模型求解

系統(tǒng)的能源利用率η為：

(23)

式中Pload,e，Pload,h分別為系統(tǒng)電熱負(fù)荷功率；Pbuy，Psell分別為系統(tǒng)的購(gòu)售電功率;Pq為系統(tǒng)天然氣網(wǎng)的供氣功率；PWT,PPV分別為風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組的發(fā)電功率。

文中所建立的基于生命周期法和碳權(quán)交易的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的求解屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題的求解，可以用MATLAB中的CPLEX求解器進(jìn)行該模型的求解。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

為驗(yàn)證所構(gòu)建IES系統(tǒng)在優(yōu)化運(yùn)行與節(jié)能減排方面的經(jīng)濟(jì)性和有效性，綜合考慮了碳權(quán)交易機(jī)制、電熱負(fù)荷需求、峰谷分時(shí)電價(jià)等因素；基于文獻(xiàn)[22-24]中的能源、負(fù)荷及機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。風(fēng)電、光伏機(jī)組出力及電熱負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示。系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)售電分時(shí)電價(jià)及分時(shí)氣價(jià)如圖3所示[25]。

圖3 能源價(jià)格

系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表1所示[17,19,23-24]；碳交易機(jī)制的引入是把碳排量轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行研究，本文單位有功碳排放配額系數(shù)的選取參考國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)的碳排放配額分配的相關(guān)數(shù)據(jù)，其具體數(shù)據(jù)和計(jì)量參數(shù)來(lái)源如表2、表3所示[22]。

表1 系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)

表2 單位有功碳排放配額系數(shù)

表3 碳排放計(jì)量參數(shù)來(lái)源

4.2 算例結(jié)果分析

為研究基于生命周期法下，碳權(quán)交易機(jī)制對(duì)綜合能源系統(tǒng)碳排放、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與能源利用率的影響。設(shè)置了兩種不同的場(chǎng)景，場(chǎng)景1為不計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)，場(chǎng)景2為計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)。

在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，場(chǎng)景1、場(chǎng)景2系統(tǒng)需始終維持電-熱-氣三種功率平衡，且可以隨時(shí)與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率交換；為提高風(fēng)光等新能源機(jī)組的滲透率，采用最大功率跟蹤方式運(yùn)行；蓄電池在峰谷電價(jià)機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下，在電價(jià)谷值時(shí)段存儲(chǔ)能量，在電價(jià)峰值時(shí)段釋放能量，以降低IES的運(yùn)行成本、削峰填谷。

4.2.1 碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響

為了研究碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，本文分析了碳交易機(jī)制下場(chǎng)景1、場(chǎng)景2系統(tǒng)運(yùn)行情況，如圖4、圖5所示。

圖4 碳交易機(jī)制下場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

圖5 碳交易機(jī)制下場(chǎng)景2系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)圖4可知，在碳價(jià)小于80元/t時(shí)，低碳目標(biāo)所占的權(quán)重較小，難以影響系統(tǒng)出力運(yùn)行方式，IES繼續(xù)以原系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行方式工作，各設(shè)備出力保持不變。當(dāng)碳價(jià)從80元/t增加到90元/t時(shí)，隨著碳價(jià)的升高，低碳目標(biāo)所占的權(quán)重增大，此時(shí)該目標(biāo)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可以影響到系統(tǒng)總成本；從而迫使原系統(tǒng)調(diào)整各機(jī)組設(shè)備的出力運(yùn)行方式，以滿(mǎn)足新權(quán)重下系統(tǒng)總成本最優(yōu)。此時(shí)系統(tǒng)熱出力向價(jià)格較高但是更為低碳清潔的CHP機(jī)組和電鍋爐轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致CHP機(jī)組出力快速增加，燃?xì)忮仩t出力急劇減少；同時(shí)由于CHP機(jī)組供電功率增加，使得電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線所需電功率減少。當(dāng)碳交易價(jià)格在90元/t 到140元/t之間變動(dòng)時(shí)，隨著碳價(jià)升高，由于低碳目標(biāo)在系統(tǒng)新的最優(yōu)出力運(yùn)行模型下，所占權(quán)重較少，情況同碳價(jià)小于80元/t時(shí)一樣，系統(tǒng)出力保持不變；即系統(tǒng)電負(fù)荷需求為新能源,CHP機(jī)組及蓄電池出力所提供，此時(shí)聯(lián)絡(luò)線購(gòu)電量下降為143 kW。當(dāng)碳價(jià)達(dá)到150元/t后，由于低碳目標(biāo)權(quán)重較大，系統(tǒng)為追尋最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本，更新各機(jī)組設(shè)備出力運(yùn)行方式；此時(shí)，CHP機(jī)組在碳價(jià)的牽引下，處于最大出力狀態(tài)，聯(lián)絡(luò)線由購(gòu)電轉(zhuǎn)變?yōu)槭垭姞顟B(tài)。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，由于電鍋爐無(wú)碳排放，所以其在運(yùn)行過(guò)程中以最大出力方式運(yùn)行；場(chǎng)景1中電儲(chǔ)能設(shè)備未計(jì)及碳排放，故其出力在最優(yōu)調(diào)度時(shí)段保持不變。

由圖5可知，在碳交易價(jià)格為0～180元/t時(shí)，碳交易機(jī)制對(duì)計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)和不計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)的影響趨勢(shì)大致相同。不同在于，由于考慮電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的影響，場(chǎng)景2低碳目標(biāo)所占權(quán)重比場(chǎng)景1在該碳價(jià)區(qū)間大，使得原本場(chǎng)景1中在碳價(jià)為140元/t時(shí)出現(xiàn)的各設(shè)備出力更新拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)景2中在碳價(jià)為120元/t時(shí)提前到來(lái)。當(dāng)碳交易價(jià)格在120元/t～160元/t，隨著碳價(jià)的升高，為追求經(jīng)濟(jì)效益，電儲(chǔ)能和電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線自動(dòng)減少出力，其差值由CHP機(jī)組承擔(dān)。雖然整個(gè)過(guò)程計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)電儲(chǔ)能利用率降低了，但更有利于調(diào)節(jié)電儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行，使系統(tǒng)出力更加平滑，能源利用率更高，能更有效的完成系統(tǒng)節(jié)能減排的目標(biāo)。

4.2.2 碳交易價(jià)格對(duì)碳排放的影響

為了研究碳交易價(jià)格對(duì)兩種不同場(chǎng)景下碳排放的影響，本文分析了碳交易機(jī)制下場(chǎng)景1、場(chǎng)景2碳排放情況。由圖6可以看出，計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能碳排放的場(chǎng)景2的碳配額比不計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能碳排放的場(chǎng)景1要高。當(dāng)碳價(jià)在0元/t～80元/t變化時(shí)，由于系統(tǒng)低碳目標(biāo)權(quán)重較小，難以影響系統(tǒng)出力運(yùn)行方式，IES繼續(xù)以原系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行方式工作；對(duì)應(yīng)的兩場(chǎng)景的碳排放量和碳配額保持原值。當(dāng)碳價(jià)大于80元/t時(shí)，系統(tǒng)低碳目標(biāo)權(quán)重占比變大，促使系統(tǒng)由能源成本經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)為主向碳交易經(jīng)濟(jì)目標(biāo)為主轉(zhuǎn)變；此時(shí)，碳權(quán)交易機(jī)制作用開(kāi)始顯現(xiàn)，系統(tǒng)碳排放量迅速減少。系統(tǒng)出力向更為清潔、碳排量更小的CHP機(jī)組轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)碳排放量與碳配額減小，且碳配額始終高于碳排放量。系統(tǒng)可以通過(guò)售賣(mài)多余的碳排放配額獲取碳交易收益。當(dāng)碳價(jià)為150元/t時(shí)，隨著系統(tǒng)低碳目標(biāo)權(quán)重比值的增加，系統(tǒng)各設(shè)備出力達(dá)到新的平衡狀態(tài)。此碳價(jià)區(qū)間內(nèi)，場(chǎng)景2碳排放量達(dá)到最小，與未引入碳交易機(jī)制相比碳排量減少了31.4%；當(dāng)碳價(jià)在0元/t至80元/t變化時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量大于碳排放配額，需支付超出的碳排放成本。當(dāng)碳交易價(jià)格大于80元/t時(shí)，碳配額大于碳排放量，系統(tǒng)可以通過(guò)碳交易獲得碳交易收益；但相同碳價(jià)下兩者差額小于場(chǎng)景2，說(shuō)明相同碳價(jià)下場(chǎng)景2的節(jié)能減排效果優(yōu)于場(chǎng)景1。

圖6 碳交易機(jī)制下兩種不同場(chǎng)景的碳排量及碳配額

4.2.3 碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響

為了研究碳交易價(jià)格對(duì)兩種不同場(chǎng)景下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響[32-34]，分析了碳交易機(jī)制下場(chǎng)景1、場(chǎng)景2的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性情況。由圖7可知，碳交易機(jī)制下，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的能源成本和總成本隨著碳價(jià)的變化趨勢(shì)大致相同。當(dāng)碳價(jià)增大到80元/t時(shí)，低碳目標(biāo)所占的權(quán)重較大，隨著碳交易價(jià)格的逐漸升高，系統(tǒng)碳交易所獲收益也會(huì)增大；系統(tǒng)出力向更為清潔、碳排量更小的CHP機(jī)組轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致系統(tǒng)所需的外購(gòu)能源類(lèi)型由電能向天然氣轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)能源成本增加。當(dāng)碳價(jià)達(dá)到160元/t時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)隨著碳價(jià)變化調(diào)整至接近最優(yōu)，CHP機(jī)組的出力達(dá)到滿(mǎn)發(fā)，系統(tǒng)能源成本同時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)碳價(jià)在0元/t～80元/t時(shí)，系統(tǒng)能源成本基本保持不變；這是由于該價(jià)格區(qū)間內(nèi)，低碳目標(biāo)所占權(quán)重較小，各設(shè)備出力按原系統(tǒng)運(yùn)行方式運(yùn)行。但隨著單位碳交易成本逐漸升高，使得系統(tǒng)總成本稍有增加；當(dāng)碳價(jià)超過(guò)80元/t逐漸增加時(shí)，低碳目標(biāo)所占權(quán)重增大，系統(tǒng)減少向主網(wǎng)購(gòu)電需求以減少碳排放，導(dǎo)致碳排放小于碳配額，系統(tǒng)開(kāi)始從碳交易中獲得收益，系統(tǒng)總成本開(kāi)始降低。對(duì)比圖7中碳交易機(jī)制下兩種不同場(chǎng)景的成本變化可知，計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)雖導(dǎo)致能源成本的略微升高，但是卻可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)總成本更小，更經(jīng)濟(jì)。

圖7 碳交易機(jī)制下兩種不同場(chǎng)景的成本變化圖

4.2.4 碳交易價(jià)格對(duì)能源利用率的影響

為了研究碳交易價(jià)格對(duì)兩種不同場(chǎng)景下能源利用率的影響，文中分析了碳交易機(jī)制下場(chǎng)景1、場(chǎng)景2的能源利用率情況。根據(jù)圖8所示，當(dāng)碳價(jià)從80元/t增加到90元/t時(shí)，由于各設(shè)備出力的變化，系統(tǒng)向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電量減小，CHP機(jī)組出力增大，增加了能源之間相互轉(zhuǎn)化的損耗，使得系統(tǒng)綜合能源利用率下降；當(dāng)碳交易價(jià)格大于120元/t時(shí)，場(chǎng)景2的綜合能源利用率逐漸升高，這是因?yàn)橛捎谔純r(jià)的升高，系統(tǒng)減少了電儲(chǔ)能設(shè)備的出力，增加了其他發(fā)電機(jī)組出力，減少了電能充放過(guò)程的能量損耗；當(dāng)碳價(jià)大于160元/t時(shí)系統(tǒng)各機(jī)組已無(wú)可調(diào)度空間，出力基本穩(wěn)定，系統(tǒng)綜合能源利用率穩(wěn)定為93.07%；與場(chǎng)景2相比，場(chǎng)景1在碳價(jià)大于140元/t時(shí)由于不計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放，電儲(chǔ)能出力保持不變，系統(tǒng)出力不夠平滑，導(dǎo)致只能通過(guò)不同能源的相互轉(zhuǎn)化來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)電熱負(fù)荷的需求，造成了能量的損耗，能源利用率與碳價(jià)為90元/t～140元/t時(shí)相比其值進(jìn)一步降低。當(dāng)碳價(jià)大于150元/t時(shí)場(chǎng)景1系統(tǒng)綜合能源利用率穩(wěn)定為92.9%；對(duì)比圖8中碳交易機(jī)制下兩種不同場(chǎng)景的能源利用率變化可知，在碳價(jià)高于120元/t時(shí)，考慮風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的場(chǎng)景2系統(tǒng)能源利用率高于場(chǎng)景1。

圖8 系統(tǒng)綜合能源利用率變化圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)電、熱負(fù)荷需求，綜合考慮IES內(nèi)部各單元的運(yùn)行特性，建立基于生命周期法與碳交易機(jī)制的IES調(diào)度模型。通過(guò)對(duì)比分析了不同的碳交易價(jià)格對(duì)計(jì)及風(fēng)電和蓄電池碳排放與不計(jì)及風(fēng)電和蓄電池碳排放的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、碳排量與碳配額、成本及能源利用率的影響。所得結(jié)論為：

(1)在國(guó)內(nèi)煤炭等一次能源的價(jià)格高于天然氣的條件下，通過(guò)碳權(quán)交易機(jī)制為綜合能源系統(tǒng)的進(jìn)一步減少碳排放提供了有效的途徑，通過(guò)合理的碳價(jià)的引導(dǎo)，當(dāng)碳價(jià)大于150元/t時(shí)，場(chǎng)景2碳排放量達(dá)到最小，與未引入碳交易機(jī)制系統(tǒng)相比碳排量減少了31.4%；

(2)由于以往的研究中未計(jì)及風(fēng)電及電儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放，造成對(duì)綜合能源系統(tǒng)的碳排放計(jì)量不太嚴(yán)謹(jǐn)。為此提出了基于生命周期法的分析方法，對(duì)能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，使各能源設(shè)備的碳排量更具體化，可有利于進(jìn)一步調(diào)整各能源設(shè)備的運(yùn)行，使系統(tǒng)出力更加平滑合理；

(3)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)綜合能源利用率的分析可以看出，碳交易機(jī)制下無(wú)論碳價(jià)如何變化系統(tǒng)的綜合能源利用率均保持在較高水平，且計(jì)及風(fēng)電和電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的系統(tǒng)綜合能源利用率還會(huì)隨著碳價(jià)的升高而升高，這從另一個(gè)角度證明了將基于生命周期法的能源鏈與碳權(quán)交易引入綜合能源系統(tǒng)的有效性。