王凌云，徐健哲，李世春，田 恬

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

0 引言

為了加快實現(xiàn)我國提出的“雙碳”目標(biāo)，大力發(fā)展可再生能源，加快碳排放步伐，以減輕環(huán)境污染問題，同時提高能源利用率，實現(xiàn)電力系統(tǒng)常規(guī)火電的低碳替代，引領(lǐng)電力系統(tǒng)向低碳綠色發(fā)展。綜合能源系統(tǒng)一方面可以促進可再生能源的消納，另一方面內(nèi)部含有能量轉(zhuǎn)化、儲存裝置可以有效提高能源利用率，兩方面的協(xié)調(diào)運行使系統(tǒng)向低碳經(jīng)濟運行發(fā)展[1-3]。如今，對于優(yōu)化綜合能源系統(tǒng)低碳運行的研究已成為熱點。

目前大量文獻研究了可再生能源與負(fù)荷不確定性對綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟影響[4-5]，也有相關(guān)文獻從低碳運行的角度對綜合能源系統(tǒng)進行研究。文獻[6]研究碳捕集電廠對綜合能源系統(tǒng)的影響。文獻[7]將傳統(tǒng)的碳捕集電廠與富氧燃燒電廠進行比較，考慮綜合能源系統(tǒng)的低碳性與經(jīng)濟性。文獻[8]提出雙碳量模型使碳捕集流程更符合實際。文獻[9]提出碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的協(xié)同優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性同時降低系統(tǒng)的碳排量。文獻[4-9]雖然考慮了環(huán)境效益問題，但沒有將碳交易機制引入綜合能源系統(tǒng)。

需求響應(yīng)利用多元負(fù)荷靈活的調(diào)節(jié)能力，提高能源利用效率，降低系統(tǒng)運行成本。文獻[10-11]提出一種考慮電、氣、熱負(fù)荷的需求響應(yīng)機制，以分析其對系統(tǒng)運行的影響。文獻[12-13]將需求響應(yīng)引入綜合能源系統(tǒng)中，配合碳捕集電廠實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳運行。文獻[10-13]雖然考慮了需求響應(yīng)可以提高綜合能源系統(tǒng)的靈活協(xié)調(diào)能力，但忽略了需求響應(yīng)不僅包括同種能源在用能時間上的調(diào)整，還包括用能種類的替代。

文獻[14]在綜合能源系統(tǒng)中引入碳交易機制，分析對系統(tǒng)的經(jīng)濟性與碳排量的影響。文獻[15]提出階梯式碳交易機制能進一步約束系統(tǒng)碳排量。文獻[16]研究碳交易機制下綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行，證明在碳交易機制下不僅可以減少碳排放，還可以降低系統(tǒng)的運行成本。文獻[17]提出碳交易價格變化會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生影響。文獻[14-17]分析了綜合能源系統(tǒng)運行過程碳排放的問題，并制定了碳排放措施，但沒有考慮綜合能源系統(tǒng)中包含各種種類的能源，系統(tǒng)中能源的運輸、轉(zhuǎn)換和使用對系統(tǒng)碳排放量會產(chǎn)生影響。

本文提出基于需求側(cè)響應(yīng)和階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。首先，考慮用戶側(cè)電、氣、熱3 種負(fù)荷的柔性特性，構(gòu)建含有電、氣、熱的需求響應(yīng)模型。其次，運用生命周期分析法，分析綜合能源系統(tǒng)中不同能源鏈的碳軌跡，更加精確計算系統(tǒng)的總碳排量。此外，在綜合能源系統(tǒng)中考慮階梯式碳交易機制，進一步減小系統(tǒng)碳排放量，構(gòu)建階梯型碳交易機制下以系統(tǒng)運行總成本最小為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。最后，通過設(shè)置多個典型場景進行算例分析，驗證所提模型的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)含有多種能源形式，通過多種能源與能源轉(zhuǎn)化設(shè)備滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求。本文綜合能源系統(tǒng)中考慮電、氣、熱3 種能源形式，其框架如圖1 所示，系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）、燃氣鍋爐（Gas Boiler，GB）、熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）、風(fēng)電機組（Wind Turbines，WT），以及含有儲電裝置（Energy Storage，ES）和儲熱罐（Heat Storage，HS）的儲能設(shè)備。關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的基本模型已有較多文獻報道，系統(tǒng)內(nèi)各單元的數(shù)學(xué)模型可參考文獻[1]。

將傳統(tǒng)的電轉(zhuǎn)氣過程分為電解水和氫氣甲烷化2 個過程。如圖2 所示。

圖2 P2G兩階段過程Fig.2 P2G Two-stage process

其化學(xué)方程式為：

2 電-氣-熱需求響應(yīng)模型

2.1 電-氣負(fù)荷需求響應(yīng)

電負(fù)荷和氣負(fù)荷市場商品屬性相似，都是隨著市場價格的變化改變需求響應(yīng)量，存在如下關(guān)系：

式中：ΔD和ΔQ分別為電、氣負(fù)荷需求響應(yīng)量矩陣；Δρe，Δρg為電、氣負(fù)荷價格變化量矩陣；φee，φeg，φge，φgg為需求響應(yīng)價格彈性系數(shù)矩陣；ΔDt，ΔQt分別為需求響應(yīng)后t時段電、氣負(fù)荷的需求變化量；和分別為t時段需求響應(yīng)前電負(fù)荷和氣負(fù)荷需求；T為調(diào)度周期。

本文考慮了綜合能源系統(tǒng)中電、氣負(fù)荷可以實現(xiàn)各自時間維度上的轉(zhuǎn)移，任一種負(fù)荷可以劃分為可削減負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷以及可替代負(fù)荷3 部分：

2.2 熱負(fù)荷需求響應(yīng)

由于用戶對供熱舒適度具有一定的模糊性，當(dāng)供熱溫度在人體感到舒適的范圍內(nèi)變化，并不會對用戶產(chǎn)生很大影響，一定程度上增加了柔性負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力。另外，熱網(wǎng)在傳輸熱負(fù)荷過程中具有較大的熱慣性[18-21]，由于受到傳熱介質(zhì)的比熱容和質(zhì)量的影響，受熱介質(zhì)的溫度變化在時間上總是落后于傳熱介質(zhì)的溫度變化，使負(fù)荷調(diào)節(jié)速率減慢，熱能從熱源傳輸?shù)接脩魷囟葴笠话銥閹资昼姷綆讉€小時，一定程度上促進了清潔能源的消納。本文考慮空間熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷特性，將熱負(fù)荷作為柔性負(fù)荷參與綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。

通過自回歸滑動平均模型（Autoregressive Moving Averager Model，ARMA）來描述供熱系統(tǒng)的溫度動態(tài)特性，如式（8）所示。

式中：Th,t，Tn,t，Tg,t，Tw,t為t時段熱網(wǎng)回水溫度、建筑物室內(nèi)溫度、供水溫度、室外溫度；t-j為延遲了j個單位的時段；J為ARMA 時間序列模型階次，表示熱傳輸過程中的延遲程度；αj，βj，γj，θj，?j，ωj為延遲j個時段的供熱系統(tǒng)熱慣性物理參數(shù)。

本文考慮熱負(fù)荷為室內(nèi)建筑戶采暖，建筑戶室內(nèi)溫度可表示為：

式中：Tin,t，Tout,t分別為t時段建筑物室內(nèi)、建筑物環(huán)境溫度；e為自然底數(shù)；Cair為建筑物室內(nèi)熱容；R為建筑物的等效熱阻；Ph,load(t)為t時段熱負(fù)荷功率；Δt為時間增量。

由式（9）可知根據(jù)室內(nèi)空氣溫度計算熱負(fù)荷功率的關(guān)系式為：

考慮到人體舒適度的溫度范圍，對于室內(nèi)溫度有如下約束：

式中：Tmax，Tmin分別為室內(nèi)最高和最低溫度。

3 基于生命周期評價的階梯型碳交易機制

生命周期評價能源循環(huán)的溫室氣體排放主要來自能源開采、能源運輸和使用。本文考慮的能源包括煤電、風(fēng)電機組和天然氣，各個環(huán)節(jié)具體計量過程可參考文獻[22]。

階梯型碳交易機制模型主要由以下3 個部分組成：碳排放權(quán)初始配額模型、實際碳排放模型以及階式型碳排放交易模型。

3.1 碳排放權(quán)初始配額模型

綜合能源系統(tǒng)中的碳排放源主要有3 類：上級購電、CHP 和GB。目前國內(nèi)采用的配額方法主要為無償分配初始配額模型[23-25]，其模型為：

式中：EIES，Ee,buy，EG分別為綜合能源系統(tǒng)、上級購電、天然氣生產(chǎn)的碳排放權(quán)配額；δe，δg分別為產(chǎn)生單位電功率、單位氣功率的碳排放權(quán)配額；ηe-chp和ηh-chp為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的氣轉(zhuǎn)電效率和氣轉(zhuǎn)熱系效率；ηg-gb為燃氣鍋爐的能源轉(zhuǎn)化效率；Pchp(t)為t時段CHP 機組的輸出功率；Pgb(t)為t時段燃氣鍋爐的供熱功率；Pe,buy(t)為t時段上級購電量。

3.2 實際碳排放模型

本文運用生命周期分析方法計算后的歸一化碳排放系數(shù)計入實際碳排放模型中，該系統(tǒng)的實際碳排量包括上級購電、以天然氣為原料的CHP 和GB，WT，甲烷反應(yīng)器（Methane Reactor，MR）和碳捕集設(shè)備。

式中：EIES,a，Ee,buy,a，EG,a，EW,a，EMR,a，ECCS,a分別為實際的綜合能源系統(tǒng)碳排量、實際的上級購電碳排量、實際的天然氣碳排量、實際的WT 碳排量、實際MR 吸收CO2量、實際碳捕集設(shè)備捕集的CO2量；Ee為單位燃煤發(fā)電量的碳排放系數(shù)；Eg為單位天然氣發(fā)電量的實際碳排放系數(shù)；Ewind為風(fēng)電機組每單位發(fā)電量的實際排放系數(shù)；PDG(t)為t時段風(fēng)電機組輸出的功率；ω為MR 設(shè)備氫能轉(zhuǎn)化天然氣過程吸收CO2的參數(shù)；PMR,a(t)為t時段甲烷反應(yīng)器輸出的功率；μ為碳捕集設(shè)備捕集CO2的參數(shù)；PCCS,a(t)為t時段碳捕集設(shè)備的輸出功率。

實際參與到碳交易市場的碳排放權(quán)交易額ΔEIES為：

3.3 階梯式碳排放交易模型

階梯式碳交易機制劃分了多個購買區(qū)間，隨著需要購買的碳排放權(quán)配額越多，相應(yīng)區(qū)間的購買碳排放權(quán)配額的價格越高。階梯式碳交易模型為：

式中：λ為碳交易基價；l為碳排放量區(qū)間長度；ζ為價格增長率；CT為階梯式碳交易成本。

4 考慮需求響應(yīng)與階梯型碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文綜合考慮了綜合能源系統(tǒng)的購能成本Cprice、階梯式碳交易成本CT、棄風(fēng)懲罰成本CDG,cut，優(yōu)化目標(biāo)使系統(tǒng)的總運行成本F最小。

1）購能成本Cprice為：

式中：Pg,buy(t)為t時段的購氣量；at，bt分別為t時段的電價、氣價。

2）階梯式碳交易成本CT見式（16）。

3）棄風(fēng)懲罰成本CDG,cut為：

式中：εDG為風(fēng)電機組棄風(fēng)懲罰系數(shù)；PDG,pre(t)為風(fēng)電機組在t時段預(yù)測輸出功率。

4.2 約束條件

1）風(fēng)電機組出力約束。

3）功率平衡約束。電功率平衡為購電量與WT、氫燃料電池、CHP 輸出電功率之和，等于電負(fù)荷加上電制氫、碳捕集設(shè)備、儲電裝置輸入電功率之和；熱負(fù)荷功率平衡為MR，CHP，GB 輸出熱功率之和，等于熱負(fù)荷加上儲熱裝置輸入熱功率之和；氣負(fù)荷功率平衡為購氣量與MR的輸出天然氣功率之和，等于氣負(fù)荷加上CHP，GB，儲氣罐輸入天然氣功率之和[1]。

4.3 模型求解

在綜合能源系統(tǒng)中，用戶根據(jù)能源價格變化改變用能行為，負(fù)荷分布趨勢也隨之變化。同時，階梯式碳交易機制對系統(tǒng)碳排放量進行約束，從式（14）可知，系統(tǒng)碳排放量與系統(tǒng)內(nèi)部機組的運行情況有關(guān)，改變系統(tǒng)內(nèi)部機組的出力情況使系統(tǒng)達到最優(yōu)運行。

本文構(gòu)建的基于需求側(cè)響應(yīng)和階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，決策變量是每個時間段的電價、氣價，每個時間段參與碳交易市場的碳排放配額，每個時間段風(fēng)電機組的輸出功率。本文利用基于Yalmip 平臺的求解器CPLEX，在Matlab 環(huán)境下求解該模型，得到全局最優(yōu)解（即系統(tǒng)的總運行成本）。

5 算例分析

為驗證所提低碳經(jīng)濟調(diào)度策略的有效性，本文基于包含電、氣、熱負(fù)荷的綜合能源系統(tǒng)進行算例分析。以1 天24 h 為1 個周期進行優(yōu)化調(diào)度，綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部的各種負(fù)荷與風(fēng)機出力預(yù)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 風(fēng)電負(fù)荷預(yù)測與用戶負(fù)荷曲線預(yù)測圖Fig.3 Wind power load forecasting and user load curve forecasting

分時電價和分時氣價如表1 和表2 所示。

表1 分時電價Table 1 Time-of-use electricity price 元·（kWh）-1

表2 分時氣價Table 2 Time-sharing gas price 元·（kWh）-1

電力價格型需求響應(yīng)自彈性系數(shù)取-0.1，天然氣價格型需求響應(yīng)自彈性系數(shù)取-0.2，交叉彈性系數(shù)均為0.03。各設(shè)備的安裝容量與運行參數(shù)，各儲能的安裝容量與參數(shù)參考文獻[1]。每個能量鏈的碳排放系數(shù)和各能源類型碳排放分配額參考文獻[20]，單位棄風(fēng)懲罰成本εDG為0.1 元/（kWh），電、熱、氣負(fù)荷的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷、替代型負(fù)荷占比分別為總負(fù)荷的10%與5%。

5.1 不同調(diào)度模型的效益分析

為了驗證文中所提考慮需求響應(yīng)和階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的有效性，本文設(shè)置4 種典型場景的低碳經(jīng)濟調(diào)度情況進行對比分析。

場景一：階梯式碳交易機制下，計及電、氣、熱多能耦合互補優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)中不考慮碳交易成本，未計及需求響應(yīng)模型

場景二：傳統(tǒng)碳交易機制下，計及電、氣、熱多能耦合互補優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)中考慮碳交易成本，未計及需求響應(yīng)模型。

場景三：階梯型碳交易機制下，計及電、氣、熱多能耦合互補優(yōu)化，將碳交易成本考慮到優(yōu)化目標(biāo)中，未及需求響應(yīng)模型。

場景四：階梯型碳交易機制下，計及電、氣、熱多能耦合互補優(yōu)化和需求響應(yīng)模型，將碳交易成本考慮到優(yōu)化目標(biāo)中。

表3 為不同場景下系統(tǒng)的成本和碳排量的情況。

表3 不同場景下系統(tǒng)的成本和碳排量情況Table 3 Cost and carbon emission in different scenarios

1）場景一與場景二對比分析

由于場景一在優(yōu)化調(diào)度時沒有考慮碳交易成本，故以用能總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)通過購買大量天然氣來供能，使天然氣設(shè)備處于高排放狀態(tài)，燃燒天然氣會大幅增加碳排量。場景二在優(yōu)化調(diào)度時考慮了碳交易成本，對碳排放量進行約束。雖然購氣價格比購電價格低，但此時系統(tǒng)燃燒天然氣處于高排放狀態(tài)，選擇用購氣代替購電所節(jié)約的成本低于燃燒天然氣產(chǎn)生的高碳排放量在碳交易市場上購買碳排放權(quán)配額的成本。因此場景一碳排放量比場景二高361.9 kg，總成本比場景二高969.9 元。

2）場景二與場景三對比分析

場景三相較于場景二采用了階梯式碳交易機制來計算碳交易成本，碳排放權(quán)配額的購價呈階梯式增長，因此增加了碳交易成本在總成本中的占比，場景三碳排放量相較于場景二少了184.8kg，即減排了4.5%。

3）場景三與場景四對比分析

場景四相較于場景三考慮了用戶側(cè)的需求響應(yīng)，用戶根據(jù)電價來改變用能策略。用戶在分時電價的作用下，將白天一部分的負(fù)荷需求轉(zhuǎn)移到了夜間，減輕了設(shè)備的供能壓力。故場景四碳排放量相較于場景三少了155.5 kg，即減排了3.97%。

5.2 負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

階梯式碳交易機制下，場景四的優(yōu)化結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電、熱、氣負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results of electric，heat and gas loads

在夜間時段，由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性，為了防止出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，電負(fù)荷替代了一部分熱、氣負(fù)荷。同時在分時電價的作用下，將白天的一部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜間，此時電負(fù)荷主要由風(fēng)電機組出力提供，不足部分通過從外部電網(wǎng)購買電量滿足電負(fù)荷需求。

熱負(fù)荷在夜間需求較高，一方面通過甲烷反應(yīng)器放出的熱能滿足熱負(fù)荷需求，另一方面讓耗天然氣設(shè)備處于高碳排放狀態(tài)來滿足熱負(fù)荷需求，受到碳交易成本的約束，將夜間部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到白天時段，減少系統(tǒng)的碳排放量，夜間熱負(fù)荷主要由CHP，GB，MR 出力提供。白天時段由于CHP 機組能將天然氣轉(zhuǎn)化為滿足用戶的電負(fù)荷與熱負(fù)荷需求，但效率不高，更多由產(chǎn)熱效率更高的GB 出力滿足熱負(fù)荷需求。

夜間氣負(fù)荷由一部分電負(fù)荷替代來進一步消納風(fēng)電功率，減少系統(tǒng)碳排量。白天時段氣價低于電價，通過購氣滿足氣負(fù)荷需求，在白天氣負(fù)荷可以替代一部分的電、熱負(fù)荷，緩解燃氣設(shè)備的供能壓力。

5.3 碳交易價格分析

碳交易價格是基于階梯式碳交易優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度模型中目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。圖5 為碳排放量、系統(tǒng)總成本與碳交易價格的關(guān)系曲線。

圖5 碳交易基價對系統(tǒng)的影響Fig.5 Influence of carbon trading base price on the system

由圖5 可知，隨著碳交易基價增加，表示碳排放成本的權(quán)重越大，碳交易成本作用越強，系統(tǒng)只能通過減小碳排量來降低碳交易成本，系統(tǒng)碳排量階梯式下降。因為當(dāng)碳交易基價增加到某一范圍內(nèi)，系統(tǒng)各設(shè)備出力趨于穩(wěn)定，碳排放水平也趨于穩(wěn)定，當(dāng)碳交易基價增加達到某一特定值時，系統(tǒng)各設(shè)備重新調(diào)整出力，又達到新的穩(wěn)定點；碳交易成本的提高，系統(tǒng)總成本也相應(yīng)增加。

5.4 需求響應(yīng)前后用戶負(fù)荷變化曲線

需求響應(yīng)前后用戶的電、氣、熱負(fù)荷曲線如圖6所示，考慮需求響應(yīng)后用戶的電、氣、熱負(fù)荷峰谷差相較于需求響應(yīng)前分別下降了15%，15.01%和11.33%。

首先分析圖6（a）的電負(fù)荷曲線，在分時電價的影響下，為減輕供能設(shè)備壓力，用戶在電價高峰時將部分電負(fù)荷轉(zhuǎn)移至電價低谷時使用。

如圖6（b）所示，為了更好的消納風(fēng)電，電負(fù)荷將替代一部分熱負(fù)荷，夜間熱負(fù)荷需求降低，同時將夜間的部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到白天時段，減少系統(tǒng)的碳排量。白天部分熱負(fù)荷由氣負(fù)荷替代，緩解天然氣設(shè)備的供能壓力。

圖6 需求響應(yīng)前后電、熱、氣負(fù)荷變化曲線Fig.6 Variation curves of electricity，heat and gas loads before and after demand response

如圖6（c）所示，因為用戶對氣負(fù)荷可靠性要求較高，為了保證用戶的舒適度，本文設(shè)置可轉(zhuǎn)移負(fù)荷比例占總量的10%，經(jīng)過需求響應(yīng)后，用戶的電、熱、氣負(fù)荷曲線也呈現(xiàn)出了削峰填谷的趨勢。

6 結(jié)論

本文考慮電、氣、熱負(fù)荷的柔性特性，并運用生命周期分析方法，分析綜合能源系統(tǒng)中不同能源鏈的遷移轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的碳排放，建立考慮需求響應(yīng)和階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，假設(shè)了4 種場景進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1）考慮電氣熱需求響應(yīng)可以提高系統(tǒng)能源利用率，有效減少負(fù)荷峰谷差，緩解供能設(shè)備供能壓力。

2）考慮綜合能源系統(tǒng)參與碳交易市場同時能夠保證低運行成本同時，減少碳排放。階梯式碳交易機制相較于傳統(tǒng)碳交易機制對碳排量有更嚴(yán)格的控制，進一步約束碳排量增加。

3）文中所提考慮需求響應(yīng)、生命周期法和階梯式碳交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型綜合考慮系統(tǒng)的碳排放與總成本，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性和低碳性綜合最優(yōu)。