張菁，林毓軍，齊曉光，苗世洪，張倩茅，董家盛，陳宇

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊市 050024；2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，武漢市 430074；3.電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，武漢市 430074)

0 引 言

隨著人類社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，全球變暖問題日益嚴(yán)峻，給人類生存與發(fā)展帶來的負(fù)面影響逐漸凸顯。中國作為世界能源主要消耗國家，面向氣候變化問題開展了大量節(jié)能減排工作。2021年，“碳達(dá)峰、碳中和”被寫入政府工作報(bào)告，我國承諾“爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1-2]。然而，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍以資源密集型和勞動(dòng)密集型為主，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)高碳能源的依賴性仍然較強(qiáng)。國際能源署的調(diào)查報(bào)告指出，我國的二氧化碳排放主要來源于以煤炭為主的能源行業(yè)，其中，電力行業(yè)碳排放量約占全國碳排放量的一半[3-4]。因此，亟需對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，深入研究電力系統(tǒng)碳減排策略。

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，碳排放具有負(fù)外部性，其本身對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益并沒有直接影響[5]。因此，需要由政府主導(dǎo)制定碳規(guī)制來約束電力系統(tǒng)碳排放行為，從而提高系統(tǒng)減排積極性。目前大體上存在兩類碳規(guī)制：碳稅制和碳交易制。其中，碳交易制主要是通過市場(chǎng)碳交易價(jià)格調(diào)控來達(dá)到碳減排的目標(biāo)；而碳稅制則是對(duì)碳排放量強(qiáng)制收取稅收，通過高昂的碳排放成本促使排放主體改變消費(fèi)能源結(jié)構(gòu)[6]。

針對(duì)碳規(guī)制影響下電力系統(tǒng)如何優(yōu)化運(yùn)行的問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究。文獻(xiàn)[7-8]通過建立考慮碳交易市場(chǎng)的虛擬電廠報(bào)價(jià)模型和風(fēng)電儲(chǔ)能協(xié)同優(yōu)化模型，表明碳交易機(jī)制能夠有效調(diào)整消費(fèi)能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源利用占比。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了發(fā)電-售電的電力供應(yīng)鏈模型，識(shí)別了階梯型碳稅制對(duì)可再生能源投資決策的影響。文獻(xiàn)[10-11]分析了碳稅制對(duì)發(fā)電機(jī)組出力均衡以及碳排放水平的影響，證明了合理的運(yùn)行方法可以提高碳稅制下系統(tǒng)的碳減排積極性。

上述研究對(duì)碳規(guī)制背景下電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的建立具有指導(dǎo)意義。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多聚焦于單一碳規(guī)制下系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法，較少研究涉及到碳稅和碳交易替代效應(yīng)的建模過程，且往往忽略了碳交易價(jià)格波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)低碳調(diào)度策略的影響。已有資料表明，以碳稅與碳交易為主的復(fù)合碳規(guī)制已經(jīng)在諸多國家和地區(qū)得到了積極應(yīng)用。在2008年，挪威政府對(duì)能源行業(yè)、航空行業(yè)等大工業(yè)用戶的碳排放政策進(jìn)行了調(diào)整，在保持征收碳稅的基礎(chǔ)上將其覆蓋進(jìn)歐盟碳排放交易體系，通過結(jié)合2種機(jī)制更好地實(shí)現(xiàn)了碳減排的目標(biāo)[12]。隨后，丹麥、芬蘭等國家在征收碳稅的同時(shí)也將高排放工業(yè)納入了歐盟碳排放交易體系[13]。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)[14-15]研究表明碳交易與碳稅復(fù)合策略較單一碳規(guī)制效果更優(yōu)，協(xié)同應(yīng)用碳稅與碳交易兩種碳規(guī)制，能夠在保證減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的同時(shí)緩和碳減排壓力與排放主體經(jīng)濟(jì)效益之間的矛盾。同時(shí)，文獻(xiàn)[16]指出，碳價(jià)大幅度波動(dòng)會(huì)給碳減排策略收益帶來不確定性，影響碳減排主體的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何定量分析碳稅和碳交易二者之間的替代效應(yīng)，建立考慮碳價(jià)不確定性的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型，為制定低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略提供指導(dǎo)，仍有待進(jìn)一步研究。

為此，本文首先采用隨機(jī)場(chǎng)景法描述碳價(jià)不確定性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)階梯型碳稅與碳交易替代效應(yīng)進(jìn)行建模；其次，建立考慮靈活碳捕集設(shè)備與儲(chǔ)能電站協(xié)調(diào)互動(dòng)的兩階段低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并采用蝙蝠優(yōu)化算法求得不同碳價(jià)場(chǎng)景下的最優(yōu)解。最后，通過算例仿真，驗(yàn)證考慮階梯型碳稅與波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)的優(yōu)化模型可以有效提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境聯(lián)合效益。

1 階梯型碳稅與波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)模型

1.1 系統(tǒng)碳排放成本模型

在碳交易與碳稅復(fù)合碳規(guī)制環(huán)境下，電力系統(tǒng)根據(jù)火電機(jī)組的發(fā)電量獲取無償分配的初始碳排放配額[17]。本文采用基準(zhǔn)線法確定系統(tǒng)的初始碳排放配額QGP，如式(1)所示：

(1)

本文假定系統(tǒng)從電力市場(chǎng)購買的電量均來源于火電機(jī)組，因此，所考慮的電力系統(tǒng)碳排放量主要有2個(gè)來源，分別由外購的電力以及火電機(jī)組燃煤產(chǎn)生。為了便于求解，本文忽略了火電機(jī)組碳排放系數(shù)中的二次項(xiàng)，如式(2)所示：

(2)

當(dāng)一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放量超過初始碳排放配額后。系統(tǒng)需要選擇在碳交易市場(chǎng)中購買碳排放許可證或者為部分碳排放量支付碳稅，從而產(chǎn)生額外的碳排放成本，如式(3)—(5)所示:

QT=QGP+QTA+QTR

(3)

QTR=μ(QT-QGP)

(4)

CT=CTA+CTR

(5)

式中：QTA為系統(tǒng)分配于支付碳稅的碳排放量；QTR為分配于購買碳排放許可證的碳排放量；μ為替代系數(shù)；CT為總碳排放成本；CTA、CTR分別為碳稅成本和碳交易成本。

1.2 碳交易成本函數(shù)

在碳交易市場(chǎng)中，受到市場(chǎng)供給、排放需求等眾多因素的影響，碳排放許可證購買價(jià)格呈現(xiàn)出不確定性[18]。文獻(xiàn)[19]通過實(shí)證分析表明碳價(jià)不確定性擬合度最優(yōu)的是幾何布朗運(yùn)動(dòng)，如式(6)所示：

dPctra(t)=ρPctra(t)dt+σPctra(t)dB(t)

(6)

式中:dPctra(t)為碳價(jià)的不確定性量；ρ為碳價(jià)的期望增長(zhǎng)率；Pctra(t)為t時(shí)刻碳價(jià)；dt為時(shí)間增量；σ表示碳排放權(quán)交易價(jià)格波動(dòng)率；B(t)為標(biāo)準(zhǔn)維納過程，dB(t)為標(biāo)準(zhǔn)維納過程增量。

考慮到碳價(jià)不確定性存在大量公開且具有可信來源的歷史數(shù)據(jù)，且碳價(jià)波動(dòng)主要影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文基于隨機(jī)場(chǎng)景法對(duì)碳價(jià)不確定性進(jìn)行建模。

圖1 基于隨機(jī)場(chǎng)景法的碳價(jià)不確定性建模

(7)

基于碳交易成本函數(shù)，電力系統(tǒng)作為碳交易市場(chǎng)中的價(jià)格接受者，為每個(gè)碳價(jià)場(chǎng)景建立對(duì)應(yīng)的約束集合。綜合所有碳價(jià)場(chǎng)景下的約束集合和碳交易成本函數(shù)，系統(tǒng)統(tǒng)一求解低碳調(diào)度模型，獲取調(diào)度周期內(nèi)每個(gè)碳價(jià)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的調(diào)度計(jì)劃、替代系數(shù)以及分配于購買碳排放許可證的碳排放量，從而制定考慮碳價(jià)不確定性的碳交易市場(chǎng)購買計(jì)劃。

1.3 階梯型碳稅成本函數(shù)

在現(xiàn)行的碳稅制中，稅率主要有兩種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)：一種是以排放主體的排放量獨(dú)立計(jì)量；另一種是按碳交易價(jià)格的比例進(jìn)行計(jì)算[21]。本文采用第一種碳稅標(biāo)準(zhǔn)，即碳稅稅率取決于系統(tǒng)分配于支付碳稅的碳排放量，從而消除碳稅成本與碳交易成本之間的耦合關(guān)系，便于分析碳稅與碳交易兩種碳規(guī)制之間的替代效應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行效益的影響。

為了提高電力系統(tǒng)碳減排積極性，本文在構(gòu)建碳稅成本計(jì)算模型中引進(jìn)階梯型碳稅，通過對(duì)系統(tǒng)超過初始配額的碳排放量收取階梯式增高的碳稅，從而充分挖掘系統(tǒng)低碳減排潛力。

階梯型碳稅稅率示意圖如圖2所示。階梯型碳稅將系統(tǒng)分配于支付碳稅的碳排放量分成多個(gè)區(qū)間。隨著碳排放量的增加，階梯型碳稅的稅率逐漸增大(圖2中體現(xiàn)為各區(qū)間縱軸的函數(shù)值RTA)。

圖2 階梯型碳稅

根據(jù)遞進(jìn)式的階梯型碳稅稅率，可以獲取碳稅成本函數(shù)，如式(8)所示。

(8)

式中：R1為基礎(chǔ)稅率；Q1為碳稅區(qū)間長(zhǎng)度；α為稅率增長(zhǎng)幅度。

圖2只列出了碳排放量大于零時(shí)的情景，對(duì)于初始碳排放配額充足的情景，系統(tǒng)只允許在滿足自身碳排放量需求后在碳交易市場(chǎng)出售多余的碳排放權(quán)。

在構(gòu)建波動(dòng)價(jià)格碳交易成本函數(shù)和階梯型碳稅成本函數(shù)的基礎(chǔ)上，只需對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，獲取系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)碳排放量、碳排放配額以及替代系數(shù)后，即可求解系統(tǒng)支付的碳排放成本。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型目標(biāo)函數(shù)

本文所考慮的電力系統(tǒng)主要由風(fēng)電光伏機(jī)組、火電機(jī)組、儲(chǔ)能電站以及碳捕集設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)以風(fēng)光機(jī)組和火電機(jī)組為主要發(fā)電來源，同時(shí)，向互聯(lián)電力市場(chǎng)購買電量來滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。儲(chǔ)能電站安裝在風(fēng)光出力側(cè)，通過能量時(shí)移特性為風(fēng)光機(jī)組出力波動(dòng)提供電能補(bǔ)償。碳捕集設(shè)備安裝在火電機(jī)組側(cè)，與火電機(jī)組一同構(gòu)成碳捕集電廠，減少機(jī)組發(fā)電過程碳排放量。

其中，碳捕集設(shè)備采用靈活運(yùn)行模式，并同時(shí)配備儲(chǔ)液罐實(shí)現(xiàn)碳捕獲能耗時(shí)移。

電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)是在計(jì)及碳排放成本的基礎(chǔ)上，使調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小?？紤]到系統(tǒng)中火電機(jī)組的啟停狀態(tài)在日前確定之后無法根據(jù)場(chǎng)景碳價(jià)的改變而做出調(diào)整。因此，模型將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)分為第一階段的火電機(jī)組啟停成本和第二階段的火電機(jī)組運(yùn)行成本、購電成本以及碳排放成本之和。

系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為：

(9)

2.2 模型約束條件

面向所研究的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，本節(jié)主要考慮包括碳捕集設(shè)備運(yùn)行約束、儲(chǔ)能電站運(yùn)行約束、火電機(jī)組運(yùn)行約束、系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功率平衡約束等約束條件。

1)碳捕集設(shè)備運(yùn)行約束。

火電機(jī)組可以通過安裝碳捕集設(shè)備組成碳捕集電廠，從而實(shí)現(xiàn)煤燃燒后二氧化碳的捕獲與存儲(chǔ)，避免其排放到大氣中。本節(jié)采用捕獲水平靈活以及配置儲(chǔ)液罐的碳捕集設(shè)備，通過設(shè)備運(yùn)行能耗時(shí)移來降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

碳捕集設(shè)備的總能耗包括固定能耗和運(yùn)行能耗，其中，運(yùn)行能耗與碳捕集設(shè)備解析及壓縮捕獲的二氧化碳量有關(guān)，如式(10)所示：

(10)

火電機(jī)組輸出功率部分被碳捕集設(shè)備所消耗，因此，碳捕集電廠總輸出功率為：

(11)

在碳捕集設(shè)備采用捕獲水平靈活并配置儲(chǔ)液罐的條件下，設(shè)備捕獲的二氧化碳量由兩部分組成，從火電機(jī)組煤燃燒中吸收的碳排放量，以及儲(chǔ)液罐釋放或儲(chǔ)存的碳排放量，如式(12)所示：

(12)

其中，為了維持碳捕集設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，需要設(shè)定捕獲水平的最小、最大值，如式(13)所示：

(13)

在配置儲(chǔ)液罐的條件下，碳捕集設(shè)備可以利用乙醇胺等溶劑溶解部分二氧化碳，暫時(shí)儲(chǔ)存在富液罐中。在其余時(shí)段，設(shè)備可將富液罐中的溶液運(yùn)送至氣提塔進(jìn)行釋放捕獲，從而將部分高電力需求時(shí)段的捕獲能耗轉(zhuǎn)移到低電力需求時(shí)段，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性[22]。本文模型采用乙醇胺溶液作為儲(chǔ)液罐溶劑，其單位二氧化碳溶解所需溶液體積如式(14)所示：

(14)

假設(shè)溶劑存儲(chǔ)和提取過程不同時(shí)進(jìn)行，結(jié)合乙醇胺溶液消耗體積可得儲(chǔ)液罐中富液罐、貧液罐的體積計(jì)算表達(dá)式以及溶液體積上下限約束。

(15)

2)儲(chǔ)能電站運(yùn)行約束。

通過建立儲(chǔ)存電量、充放電功率和始末儲(chǔ)存能量平衡約束，可對(duì)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行特性進(jìn)行建模。

儲(chǔ)能電站充放電功率約束：

(16)

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約束：

(17)

式中：Es,tω為場(chǎng)景ω下t時(shí)刻儲(chǔ)能電站s的儲(chǔ)能狀態(tài)；ε為儲(chǔ)能電站自損耗率；ηC為充電效率；EA為儲(chǔ)能電站總?cè)萘浚籈max、Emin為容量狀態(tài)的上下限值。

始末儲(chǔ)存能量平衡約束：

|Es,Tω-Es,0ω|≤ΔE

(18)

式中：Es,0ω、Es,Tω代表儲(chǔ)能電站s初始時(shí)刻和末尾時(shí)刻的容量狀態(tài)；ΔE為始末時(shí)刻允許的容量偏差值。

3)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功率平衡約束。

線路潮流約束：

(19)

線路潮流上下限約束：

-Fl,max≤fl,tω≤Fl,max

(20)

式中：Fl,max為線路l潮流限值。

系統(tǒng)功率平衡約束：

(21)

此外，火電機(jī)組約束及購電市場(chǎng)約束可參見文獻(xiàn)[23-24]，在此不再贅述。

3 模型優(yōu)化求解方法

考慮階梯型碳稅和波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)后，調(diào)度模型變成一個(gè)非線性且存在變量相乘的混合整數(shù)非線性優(yōu)化模型，難以進(jìn)行有效優(yōu)化求解。因此，本節(jié)首先對(duì)階梯型碳稅進(jìn)行分段函數(shù)線性化處理，進(jìn)而得出碳稅成本函數(shù)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，采用蝙蝠優(yōu)化算法處理變量相乘問題，通過智能算法搜索獲取不同場(chǎng)景下的最優(yōu)替代系數(shù)，從而制定電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)劃。

對(duì)于遞進(jìn)式階梯型碳稅稅率，本節(jié)結(jié)合輔助連續(xù)變量和0-1變量進(jìn)行分段函數(shù)線性化。根據(jù)式(8)所示的五分段稅率，結(jié)合5個(gè)0-1變量zi和6個(gè)連續(xù)變量wi將系統(tǒng)分配于支付碳稅的碳排放量以及碳稅成本進(jìn)行線性化表述，如式(22)所示：

QTA=Q1w2+2Q1w3+3Q1w4+4Q1w5+5Q1w6

(22)

進(jìn)一步，結(jié)合階梯型碳稅稅率在分段點(diǎn)的函數(shù)值可得碳稅成本。

CTA=R1Q1w2+R1Q1(2+α)w3+R1Q1(3+3α)w4+R1Q1(4+6α)w5+R1Q1(5+10α)w6

(23)

其中，輔助變量需滿足式(24)約束。

(24)

結(jié)合式(22)—(24)的轉(zhuǎn)化，可將連續(xù)分段的碳稅成本進(jìn)行線性化表述。隨后，本文采用蝙蝠優(yōu)化算法處理變量相乘問題，通過啟發(fā)式算法搜索不同場(chǎng)景下的最優(yōu)替代系數(shù)，得到系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃。

在優(yōu)化算法中，蝙蝠個(gè)體位置代表一組替代系數(shù)的可能取值。算法將替代系數(shù)傳遞給多場(chǎng)景電力系統(tǒng)低碳調(diào)度模型，模型根據(jù)替代系數(shù)取值進(jìn)行優(yōu)化求解，獲取系統(tǒng)運(yùn)行成本作為蝙蝠個(gè)體的適應(yīng)度[25]。在獲取所有蝙蝠個(gè)體的適應(yīng)度后，算法對(duì)每個(gè)蝙蝠個(gè)體的頻率、位置和速度進(jìn)行更新，并記錄最優(yōu)適應(yīng)度的個(gè)體。算法通過不斷迭代更新蝙蝠個(gè)體參數(shù)并計(jì)算其適應(yīng)度，從而得到優(yōu)化后的替代系數(shù)以及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃。算法具體實(shí)施流程如圖3所示。

圖3 蝙蝠算法優(yōu)化流程

結(jié)合分段函數(shù)線性化表述和蝙蝠優(yōu)化算法處理，將本文優(yōu)化主體問題轉(zhuǎn)換為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，利用常用的商業(yè)優(yōu)化軟件即可進(jìn)行求解。本文采用Pycharm2019.3.x64調(diào)用Gurobi求解器實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)設(shè)置

本文基于某地區(qū)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真分析，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，將火電廠G1—G4改造為碳捕集電廠，風(fēng)電光伏接入節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)36與節(jié)點(diǎn)31，并在風(fēng)光接入節(jié)點(diǎn)同步配置儲(chǔ)能電站。系統(tǒng)與外界電力市場(chǎng)的聯(lián)絡(luò)線接入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)30。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

購電市場(chǎng)采用峰谷平分時(shí)電價(jià)形式，其中，谷時(shí)段00:00—09:00、23:00—24:00，電價(jià)為0.37元/(kW·h)，平時(shí)段09:00—12:00、21:00—23:00，電價(jià)為0.76元/(kW·h)，峰時(shí)段12:00—21:00，電價(jià)為1.08元/(kW·h)[26]。外購電量的碳排放計(jì)算參數(shù)取0.78 t/(MW·h)。碳交易市場(chǎng)中期望碳排放權(quán)交易價(jià)格為45元/t。由于本文所建模型為電力系統(tǒng)日前調(diào)度模型，因此，幾何布朗運(yùn)動(dòng)方程中的時(shí)間增量dt=1天，μ=1，σ=0.47[18]?；痣姍C(jī)組、碳捕集設(shè)備、儲(chǔ)能電站以及其他設(shè)備參數(shù)詳見文獻(xiàn)[27-28]。

4.2 模型優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)碳交易價(jià)格不確定性的擬合方程式，模型采用蒙特卡洛模擬法進(jìn)行場(chǎng)景抽樣，抽取出的碳交易價(jià)格場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 碳交易價(jià)格場(chǎng)景

以碳交易價(jià)格場(chǎng)景1為例，模型調(diào)度周期內(nèi)的火電機(jī)組出力、碳捕集設(shè)備能耗、儲(chǔ)能電站充放電功率以及購電功率如圖6所示。

圖6 場(chǎng)景1下系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果

從場(chǎng)景1的調(diào)度結(jié)果可以看出，在01:00—08:00時(shí)段以及23:00—24:00時(shí)段，由于系統(tǒng)負(fù)荷較小，且購電市場(chǎng)大多處于谷時(shí)段電價(jià)區(qū)間，因此負(fù)荷需求主要由風(fēng)光機(jī)組出力和購電功率滿足。而在10:00—22:00時(shí)段，系統(tǒng)負(fù)荷需求功率上升，購電價(jià)格升高，購電平均成本大于火電機(jī)組發(fā)電成本，系統(tǒng)通過增加火電機(jī)組出力來滿足地區(qū)負(fù)荷供電需求。儲(chǔ)能電站在負(fù)荷低谷期和電價(jià)較低的時(shí)段儲(chǔ)存多余電能，而在用電高峰期釋放電能滿足部分負(fù)荷需求。此外，碳捕集設(shè)備通過消耗部分火電功率，捕集機(jī)組排放的二氧化碳并進(jìn)行封存處理，從而有效降低碳捕集電廠自身碳排放量。結(jié)果表明模型通過整合低碳調(diào)度資源，協(xié)調(diào)不同設(shè)備出力，可有效挖掘系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

圖7為不同碳交易價(jià)格場(chǎng)景下系統(tǒng)的碳排放量構(gòu)成。由于本文假定系統(tǒng)外購電量均來源于火電機(jī)組，并計(jì)算其碳排放參數(shù)，因此，碳規(guī)制整體強(qiáng)度的增加會(huì)使得系統(tǒng)在電價(jià)谷時(shí)段減少從電力市場(chǎng)購買的電量，增加系統(tǒng)內(nèi)部火電機(jī)組的出力，降低系統(tǒng)的碳排放懲罰成本。對(duì)比碳價(jià)較高的場(chǎng)景8、14和16和碳價(jià)較低的場(chǎng)景1和19可以看出，隨著碳交易價(jià)格的提高，一方面，系統(tǒng)會(huì)傾向于使用火電機(jī)組發(fā)電替代從電力市場(chǎng)中購買電量，另一方面，碳捕集設(shè)備的碳捕獲量也隨之增加，降低了火電機(jī)組向系統(tǒng)中注入的發(fā)電功率，系統(tǒng)通過增加發(fā)電成本來減少調(diào)度周期內(nèi)的剩余碳排放量。結(jié)合不同場(chǎng)景的調(diào)度結(jié)果可以看出，由于碳交易市場(chǎng)成交的碳排放權(quán)價(jià)格存在不確定性，因此，電力系統(tǒng)應(yīng)該充分考慮碳交易價(jià)格的波動(dòng)性，根據(jù)不同的碳排放權(quán)價(jià)格靈活制定調(diào)度計(jì)劃，從而有效協(xié)同整合系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益。

圖8和圖9分別為不同碳交易價(jià)格場(chǎng)景下系統(tǒng)剩余碳排放量分配結(jié)果以及替代系數(shù)、系統(tǒng)剩余碳排放量與碳價(jià)的關(guān)系?？梢钥闯觯冀灰變r(jià)格越高，碳交易對(duì)階梯型碳稅的替代效應(yīng)越小(系統(tǒng)分配于支付碳稅的碳排放量占比越大)。系統(tǒng)剩余碳排放量與場(chǎng)景的碳交易價(jià)格也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。如圖9所示，當(dāng)碳交易市場(chǎng)的碳價(jià)從34.8元/t提高到56.9元/t時(shí)，系統(tǒng)剩余碳排放量從7 124.7 t下降到4 326.6 t。算例結(jié)果表明通過調(diào)整免費(fèi)碳配額等手段不斷提高碳交易市場(chǎng)價(jià)格，可以明顯增強(qiáng)電力系統(tǒng)的碳減排主觀意愿，促使系統(tǒng)逐步降低碳排放量。然而，過高的碳規(guī)制強(qiáng)度會(huì)增加系統(tǒng)發(fā)電成本負(fù)擔(dān)，無法起到合理激勵(lì)系統(tǒng)碳減排的作用。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要完善并推廣碳排放權(quán)交易機(jī)制，適當(dāng)控制碳交易價(jià)格的波動(dòng)區(qū)間，將碳交易價(jià)格穩(wěn)定在合理水平，從而有效平衡系統(tǒng)的減排積極性和經(jīng)濟(jì)效益。此外，通過分析系統(tǒng)剩余碳排放量和碳價(jià)的關(guān)系可知，隨著碳價(jià)的進(jìn)一步下降，系統(tǒng)剩余碳排放量的增長(zhǎng)逐漸減緩。這表明通過合理運(yùn)用階梯型碳稅手段，可以避免碳交易價(jià)格過低造成碳減排調(diào)節(jié)作用失靈的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 碳排放量分配結(jié)果

圖9 替代系數(shù)、碳排放量與碳價(jià)關(guān)系

4.3 替代效應(yīng)對(duì)模型調(diào)度結(jié)果的影響

為了說明本文所構(gòu)建模型考慮階梯型碳稅與波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)低碳調(diào)度計(jì)劃優(yōu)越性的提高，本節(jié)參考其他文獻(xiàn)的建模方法，設(shè)置了以下4個(gè)情景進(jìn)行對(duì)比分析：情景1，采用文獻(xiàn)[29]的建模方法，即僅考慮碳交易制的系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；情景2，僅考慮碳稅制的系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；情景3，采用文獻(xiàn)[30]的建模方法，即考慮階梯型碳稅與碳交易替代效應(yīng)的系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，忽略碳交易價(jià)格波動(dòng)性；情景4，考慮階梯型碳稅與波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)的系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

4個(gè)情景的系統(tǒng)碳排放量、總運(yùn)行成本、購電成本以及單位碳排放成本如表1所示。對(duì)比前3個(gè)情景的調(diào)度結(jié)果可以得出，相較于情景1和2，情景3在建立階梯型碳稅與碳交易替代效應(yīng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本有所下降。算例結(jié)果表明，通過對(duì)碳稅與碳交易替代效應(yīng)的合理建模，可以有效反映電力系統(tǒng)在復(fù)合碳規(guī)制影響下的優(yōu)化決策過程，促使系統(tǒng)靈活協(xié)調(diào)調(diào)度資源。從政策層面上分析，充分認(rèn)清碳稅與碳交易的替代效應(yīng)，加快建立協(xié)調(diào)適應(yīng)的復(fù)合碳規(guī)制，能夠發(fā)揮碳稅與碳交易之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，在考慮系統(tǒng)利益訴求的基礎(chǔ)上提高系統(tǒng)碳減排的積極性。進(jìn)一步分析其他調(diào)度結(jié)果可知，情景3中的單位碳排放成本相比情景2卻增加了0.55元/t。這是由于情景3在建模過程中忽略了碳交易價(jià)格的不確定性，導(dǎo)致在碳交易價(jià)格較高的場(chǎng)景下系統(tǒng)仍將較多的剩余碳排放量分配于購買碳排放許可證，從而增加了調(diào)度周期內(nèi)的碳排放成本。

表1 調(diào)度結(jié)果對(duì)比

對(duì)比情景3和情景4的調(diào)度結(jié)果可知，相較于情景3，情景4的運(yùn)行成本減少了0.99萬元，單位碳排放成本減少了1.43元/t，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本和單位碳排放成本均有所降低?？紤]碳交易價(jià)格的波動(dòng)特性并采用隨機(jī)場(chǎng)景法對(duì)其進(jìn)行建模后，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)景碳交易價(jià)格靈活制定購電計(jì)劃、火電機(jī)組出力計(jì)劃以及碳排放許可證購買計(jì)劃，降低碳交易價(jià)格不確定性對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益造成的風(fēng)險(xiǎn)，有助于進(jìn)一步提高系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)劃的有效性和優(yōu)越性。

4.4 碳捕集設(shè)備和儲(chǔ)能電站對(duì)模型調(diào)度結(jié)果的影響

為了分析碳捕集設(shè)備與儲(chǔ)能電站協(xié)調(diào)優(yōu)化對(duì)模型調(diào)度結(jié)果的影響，本節(jié)在情景4的基礎(chǔ)上設(shè)置以下4種運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)比分析：模式1，不考慮碳捕集設(shè)備和儲(chǔ)能電站；模式2，僅考慮儲(chǔ)能電站；模式3，僅考慮碳捕集設(shè)備；模式4，考慮碳捕集設(shè)備和儲(chǔ)能電站進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化。4種運(yùn)行模式的調(diào)度結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 運(yùn)行模式結(jié)果對(duì)比

相較于運(yùn)行模式1和3，模式2和4在風(fēng)光接入節(jié)點(diǎn)同步配置儲(chǔ)能電站。對(duì)比分析結(jié)果表明，儲(chǔ)能電站的配置能夠有效降低系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光量、碳排放量以及運(yùn)行成本。一方面，儲(chǔ)能電站通過響應(yīng)購電價(jià)格波動(dòng)，在電價(jià)谷時(shí)段購入更多電能進(jìn)行儲(chǔ)存，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。另一方面，儲(chǔ)能電站能夠緩解風(fēng)光資源供給與地區(qū)負(fù)荷需求之間的時(shí)間錯(cuò)峰問題，提高可再生能源消納能力。對(duì)比模式1、3以及模式2、4的調(diào)度結(jié)果可知，運(yùn)行模式3、4考慮了碳捕集設(shè)備的參與后，系統(tǒng)的碳排放量和運(yùn)行成本均有明顯下降。碳捕集設(shè)備能夠減少高碳火電機(jī)組的碳排放量，從源側(cè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳化。此外，模式3和4的棄風(fēng)棄光量相較于模式1和2分別減少了26.5 MW·h和21.5 MW·h。這表明捕獲水平靈活且配置儲(chǔ)液罐的碳捕集設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)等同于儲(chǔ)能設(shè)施的能量時(shí)移功能，進(jìn)一步提升可再生能源的利用率。4種運(yùn)行模式的調(diào)度結(jié)果對(duì)比分析表明，系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型通過碳捕集設(shè)備與儲(chǔ)能電站的協(xié)調(diào)優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)源荷兩側(cè)靈活低碳資源的充分利用，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益。

5 結(jié) 論

本文在分析階梯型碳稅與波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立協(xié)調(diào)優(yōu)化碳捕集設(shè)備和儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。通過仿真分析得出以下結(jié)論：

1)本文結(jié)合幾何布朗運(yùn)動(dòng)方程和隨機(jī)場(chǎng)景法對(duì)碳交易價(jià)格不確定性進(jìn)行建模，有效降低了不確定性對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益造成的風(fēng)險(xiǎn)，提高調(diào)度計(jì)劃的靈活性。

2)建立了考慮階梯型碳稅和波動(dòng)價(jià)格碳交易替代效應(yīng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，可以有效反映電力系統(tǒng)在復(fù)合碳規(guī)制影響下的優(yōu)化決策過程，協(xié)調(diào)提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益。

3)通過協(xié)調(diào)優(yōu)化碳捕集設(shè)備和儲(chǔ)能電站運(yùn)行方式，可以緩解系統(tǒng)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，充分挖掘系統(tǒng)運(yùn)行的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。