黃文軒，劉道兵 ，李世春，李偉鋒，鮑志陽(yáng)，袁野

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在第七十五屆聯(lián)合國(guó)代表大會(huì)上，我國(guó)提出“雙碳目標(biāo)”，即2030年碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。2021年10月，我國(guó)印發(fā)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》。其中，進(jìn)一步明確指出健全碳達(dá)峰，碳中和體系。能源系統(tǒng)作為碳排放的主體之一，深化能源改革，實(shí)現(xiàn)碳排放按計(jì)劃減排成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的迫切需要。

綜合能源系統(tǒng)IES(Integrated Energy System)特指多種能源進(jìn)行有機(jī)耦合與優(yōu)化協(xié)調(diào)后所形成的能源系統(tǒng)[2-3]。IES作為未來(lái)能源形式的主體之一，深化研究IES在“雙碳目標(biāo)”下的減排潛力是十分有必要的。當(dāng)前也有很多專(zhuān)家學(xué)者注意到這一問(wèn)題：文獻(xiàn)[4]將碳排放權(quán)交易和綠色證書(shū)交易相互結(jié)合，建立IES含市場(chǎng)價(jià)值風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[5]考慮了發(fā)電機(jī)組發(fā)電時(shí)的碳排放，還運(yùn)用生命周期法分析了IES中機(jī)組及儲(chǔ)能設(shè)備在生產(chǎn)與建設(shè)過(guò)程中的碳排放。文獻(xiàn)[6]利用電動(dòng)汽車(chē)充放電特性調(diào)整IES負(fù)荷曲線，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與碳排放相互協(xié)調(diào)。文獻(xiàn)[7]考慮了熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性對(duì)IES的影響，并以此為基礎(chǔ)研究了IES在碳交易市場(chǎng)下優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[8-9]提出了階梯式碳交易機(jī)制，相對(duì)于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制，更能反應(yīng)碳交易的市場(chǎng)靈活特性。但以上在研究IES低碳優(yōu)化模式下，都將綜合能源抽象為一個(gè)整體，忽略了IES內(nèi)部用戶(hù)及運(yùn)營(yíng)商在低碳減排方面的潛力與其相互協(xié)同作用，無(wú)法最大程度發(fā)揮IES節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。

需求側(cè)響應(yīng)作為IES重要的可調(diào)度資源，極大增強(qiáng)了負(fù)荷側(cè)的靈活性[10]，使負(fù)荷側(cè)根據(jù)分時(shí)電價(jià)與碳排放機(jī)制，靈活選擇用能需求，對(duì)園區(qū)內(nèi)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)節(jié)能減排有著積極意義。文獻(xiàn)[11]研究了需求側(cè)響應(yīng)與儲(chǔ)能裝置相互協(xié)調(diào)消納風(fēng)電的低碳調(diào)度模型，將碳排放和經(jīng)濟(jì)性作為雙目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]對(duì)負(fù)荷側(cè)進(jìn)行按類(lèi)別詳細(xì)建模，按參與需求類(lèi)型將電負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移，可平移，可削減負(fù)荷，分析其需求響應(yīng)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，碳排放影響。P2G作為綜合能源系統(tǒng)園區(qū)中另一種重要調(diào)度資源，文獻(xiàn)[13]將P2G(Power to Gas，電轉(zhuǎn)氣)細(xì)化為兩階段過(guò)程，電制氫與電制天然氣。分析P2G在階梯電價(jià)機(jī)制下減排的優(yōu)勢(shì)。以上文獻(xiàn)都結(jié)合IES系統(tǒng)可調(diào)控資源在含碳交易或約束下進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，但都側(cè)重于某一個(gè)方面，沒(méi)有將綜合能源系統(tǒng)需求響應(yīng)與P2G相結(jié)合，沒(méi)有分析用戶(hù)側(cè)在雙碳目標(biāo)下的行為特性。

基于此背景，為了深化研究用戶(hù)側(cè)與社區(qū)運(yùn)營(yíng)商在IES節(jié)能減排的作用，首先將用戶(hù)負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)。分為剛性負(fù)荷、能源價(jià)格敏感型負(fù)荷與碳價(jià)敏感型負(fù)荷。并與社區(qū)運(yùn)營(yíng)商的P2G設(shè)備聯(lián)合作用，建立含用戶(hù)與IES運(yùn)營(yíng)商的兩主體參與的階梯碳交易機(jī)制，構(gòu)建含IES運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化模型。最后通過(guò)KKT條件與對(duì)偶定理將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層的線性混合整數(shù)優(yōu)化模型，利用yalmip+gurobi求解。此外分析敏感型負(fù)荷對(duì)需求響應(yīng)的影響，需求響應(yīng)及P2G聯(lián)合優(yōu)化在IES上節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。最后通過(guò)多種情景分析，驗(yàn)證了所提模型的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)中碳交易機(jī)制、P2G與需求響應(yīng)

社區(qū)綜合能源系統(tǒng)由供電、氣系統(tǒng)(EGS)供應(yīng)能量，其構(gòu)成主體包括社區(qū)能源運(yùn)營(yíng)商(CEO)與用戶(hù)(USER)(見(jiàn)圖1)。其中，社區(qū)能源運(yùn)營(yíng)商由燃?xì)廨啓C(jī)(GT)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)燃?xì)忮仩t(GB)、余熱鍋(WHB)、風(fēng)電機(jī)組(WTG)、儲(chǔ)能(ES)、電與天然氣管網(wǎng)組成，這些元件構(gòu)成了社區(qū)能量運(yùn)營(yíng)商在低碳目標(biāo)下靈活運(yùn)行的基礎(chǔ)。供能側(cè)為電與天然氣供應(yīng)商，負(fù)荷側(cè)包括電負(fù)荷(EL)與熱負(fù)荷(HL)。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖

1.1 兩主體階梯碳交易模型

在IES中，參與節(jié)能減排的有兩個(gè)主體：用戶(hù)與IES運(yùn)營(yíng)商。故文中建立雙主體階梯碳交易模型。模型包括：碳配額分配，碳排放量化，碳交易成本支出[8]。階梯式碳交易模型的本質(zhì)是當(dāng)碳排放大于碳配額時(shí)，其碳交易價(jià)格按照一定區(qū)間長(zhǎng)度階梯遞加，當(dāng)碳排放小于碳配額時(shí)，通過(guò)向外出售碳配額獲取收益，其收益也為按照一定區(qū)間長(zhǎng)度階梯遞加。IES為碳排放主體單元，故不考慮向外售出碳配額。結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，目前我國(guó)碳配額主要采用無(wú)償分配[14]。其中，具體碳交易模型還有待細(xì)化。IES運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)具體碳配額模型如下：

1.1.1 IES運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)碳配額模型

IES運(yùn)營(yíng)商的碳配額主要來(lái)自于從火電機(jī)組購(gòu)電量、社區(qū)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)忮仩t的額定功率。用戶(hù)的碳配額主要來(lái)自于購(gòu)熱、電量，其模型如下：

(1)

(2)

其中，ECEO,t、ECEO,ebuy,t、ECEO,GT、ECEO,GB分別為IES的CEO該時(shí)段總的碳配額、購(gòu)電量碳配額、燃?xì)廨啓C(jī)碳配額與燃?xì)忮仩t碳配額；PCEO,ebuy(t)、PGT,e、PGT,h、PGB,h分別為IES典型日負(fù)荷曲線的購(gòu)電功率，燃?xì)廨啓C(jī)在標(biāo)況參數(shù)下額定電功率與熱功率和燃?xì)忮仩t額定熱功率；αCEO,ebuy、αGT,e、αGT,h、αCEO,GB分別為CEO購(gòu)電的碳配額折算系數(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)的電、熱功率碳配額折算系數(shù)、燃?xì)忮仩t額定熱功率的碳配額折算系數(shù)。同理，EUSER,t、EUSER,ebuy,t、EUSER,hbuy,t分別為用戶(hù)側(cè)總的碳配額與用戶(hù)側(cè)購(gòu)電、購(gòu)熱的碳配額；αUSER,ebuy、αUSER,hbuy為其用戶(hù)購(gòu)電、熱分別對(duì)應(yīng)的碳配額折算系數(shù)；PUSER,ebuy、PUSER,hbuy分別為用戶(hù)側(cè)對(duì)應(yīng)的典型日負(fù)荷曲線的購(gòu)電、購(gòu)熱功率。

1.1.2 IES運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)的碳排放模型

在文中，CEO的碳排放額的計(jì)算為IES整體的碳排放量，CEO以IES整體碳排放量參與碳交易市場(chǎng)交易，USER的碳排放量為用戶(hù)側(cè)的碳排放量，其所產(chǎn)生的碳排放費(fèi)用交由CEO代收。而且假設(shè)IES所購(gòu)電能全部來(lái)自于火電機(jī)組，由此，兩主體式碳排放數(shù)學(xué)模型如下：

(3)

(4)

其中,ECEO,r,t、EP2G,r,t分別為CEO實(shí)際碳排放量、P2G消納的實(shí)際碳排放量；ECEO,ebuyr,t、ECEO,gbuyr,t分別為社區(qū)運(yùn)營(yíng)商購(gòu)電、購(gòu)氣所產(chǎn)生的碳排放量；EUSER,r,t、EUSER,ebuy,t、EUSER,hbuy,t分別為USER總的實(shí)際碳排放量與購(gòu)電、熱所產(chǎn)生的實(shí)際碳排放量；ai、bi、ci反映了CEO購(gòu)電、氣碳排放的耦合系數(shù);εp2g、εUSER,ebuyr、εUSER,hbuyr分別為P2G設(shè)備系數(shù)碳消納系數(shù)與USER購(gòu)電、熱實(shí)際碳排放系數(shù);PCEO,ebuyr、PCEO,gbuyr、PUSER,ebuyr、PUSER,hbuyr分別為CEO實(shí)際購(gòu)電、氣功率與USER實(shí)際購(gòu)電、熱功率。

1.1.3 IES運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)參與市場(chǎng)交易的碳排放模型

IES運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)參與碳交易市場(chǎng)的碳排放量為該主體實(shí)際碳排放量減去該主體所擁有的碳配額。其數(shù)學(xué)模型如下：

ECEO,m,t=ECEO,r,t-ECEO,t-EUSER,t

(5)

EUSER,m,t=EUSER,r,t-EUSER,t

(6)

其中，ECEO,m,t、EUSER,m,t為CEO與USER參與市場(chǎng)的碳排放量。

綜上，兩主體參與的階梯碳交易模型為：

(7)

(8)

其中，CCEO,CO2為CEO參與碳交易市場(chǎng)的費(fèi)用;c為碳交易的基準(zhǔn)價(jià)格;d為碳交易的區(qū)間長(zhǎng)度;a為階梯碳交易價(jià)格增長(zhǎng)系數(shù);CUSER,CO2為USER參與碳交易市場(chǎng)成本;K為USER與CEO碳排放關(guān)系的關(guān)于長(zhǎng)度周期的比例向量。由于時(shí)間上的連續(xù)性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)于具體的時(shí)段而言,K近似為定值。其比例關(guān)系等于其前一日該時(shí)段CEO與USER的碳排放量關(guān)系。其中碳排放量與碳交易價(jià)格的具體函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩主體階梯碳交易的碳價(jià)模型

1.2 用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)

用戶(hù)在計(jì)劃安排自己生產(chǎn)需求時(shí)，受到用能價(jià)格和園區(qū)內(nèi)碳排放價(jià)格的雙重影響，用戶(hù)側(cè)為了更好滿(mǎn)足自身用能需求，通過(guò)需求響應(yīng)來(lái)參與系統(tǒng)優(yōu)化。文中將用戶(hù)負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)，分為剛性負(fù)荷、能源價(jià)格敏感型負(fù)荷與碳價(jià)敏感型負(fù)荷。其中剛性負(fù)荷默認(rèn)為IES中負(fù)荷側(cè)一定比例的不可削減負(fù)荷，熱負(fù)荷需求響應(yīng)原理同電負(fù)荷相同故不展開(kāi)敘述，其電負(fù)荷具體數(shù)學(xué)模型如下：

PUSER,ebuy,t=PUSER,e1,t+PUSER,e2,t+PUSER,e3,t

(9)

式中PUSER,e1,t、PUSER,e2,t、PUSER,e3,t分別為用戶(hù)側(cè)剛性負(fù)荷、電價(jià)敏感型負(fù)荷與碳價(jià)敏感型負(fù)荷。

其中，能源價(jià)格敏感型負(fù)荷與碳價(jià)敏感型負(fù)荷都改變了用電總量，但不同的是用戶(hù)側(cè)能源價(jià)格敏感性負(fù)荷受到CEO發(fā)布能源價(jià)格的影響，用戶(hù)碳排放的改變只是能源價(jià)格敏感性負(fù)荷改變的結(jié)果。而碳價(jià)敏感型負(fù)荷主要受到階梯碳價(jià)的影響，碳排放量的改變?yōu)樘純r(jià)敏感型負(fù)荷的目的。兩者的數(shù)學(xué)模型如下：

(10)

(11)

式中λe2、λco2分別為對(duì)應(yīng)項(xiàng)的比例系數(shù)，反應(yīng)對(duì)應(yīng)項(xiàng)對(duì)該種需求響應(yīng)的影響；ˉPUSER,ebuy,t、EUSER,r,t表示IES中典型日負(fù)荷的用戶(hù)側(cè)該時(shí)段的平均購(gòu)電功率與平均參與碳市場(chǎng)交易的碳排放量；ρUSER,ebuy,t、ρUSER,co2,t、ρUSER,ebuyave,t、ρUSER,co2ave,t分別為用戶(hù)側(cè)該時(shí)段的購(gòu)電電價(jià)、碳交易價(jià)格、平均購(gòu)能電價(jià)與平均碳交易價(jià)格，其中，階梯碳交易價(jià)格如圖(2)所示。當(dāng)該時(shí)段價(jià)格高于平均電價(jià)或者碳價(jià)時(shí)PUSER,e2,t與PUSER,e3,t為負(fù)值，表示用戶(hù)通過(guò)需求響應(yīng)削減負(fù)荷，反之，用戶(hù)負(fù)荷增加。

1.3 P2G設(shè)備

P2G設(shè)備極大增強(qiáng)了IES系統(tǒng)中電與天然氣的耦合程度。其具體工作原理分為兩階段[15]：第一階段，P2G通過(guò)電解水生成氫氣，第二階段通過(guò)氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成天然氣。在IES系統(tǒng)中，當(dāng)棄風(fēng)過(guò)多導(dǎo)致棄風(fēng)成本過(guò)高或者碳排放太高導(dǎo)致碳交易成本過(guò)高時(shí)，會(huì)加強(qiáng)P2G生產(chǎn)力度，從而降低IES的用能成本。其數(shù)學(xué)模型如下所示[16]：

(12)

式中fP2G,t為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段，經(jīng)過(guò)P2G設(shè)備所得天然氣氣流量;PP2G,t為P2G設(shè)備所需功率;ηCHP為P2G設(shè)備轉(zhuǎn)換效率;CHV為天然氣的高熱值，其值是一個(gè)常數(shù);N為IES中P2G設(shè)備臺(tái)數(shù)。

2 雙層優(yōu)化模型

文中在雙主體碳交易機(jī)制下建立雙層優(yōu)化模型(見(jiàn)圖3)，上層模型主體為IES中社區(qū)能源運(yùn)營(yíng)商(CEO)，其目標(biāo)為在碳交易市場(chǎng)下運(yùn)行利潤(rùn)最大，費(fèi)用包括購(gòu)、售能費(fèi)用之差，CEO運(yùn)維成本，IES碳交易成本，棄風(fēng)成本，收取用戶(hù)的碳交易費(fèi)用。下層優(yōu)化模型的主體為用戶(hù)側(cè)，其優(yōu)化目標(biāo)為在園區(qū)內(nèi)碳交易機(jī)制下，用能成本最低。用能成本包括購(gòu)能成本及雙主體碳交易機(jī)制下的碳排放成本。

圖3 雙層優(yōu)化模型

2.1 CEO上層優(yōu)化模型

(13)

2.2 上層模型約束條件

CEO在上層優(yōu)化模型中，主要的約束條件有：向購(gòu)能網(wǎng)絡(luò)購(gòu)能約束，園區(qū)碳排放約束，內(nèi)部設(shè)備出力約束，儲(chǔ)能約束，功率平衡約束及為保護(hù)用戶(hù)權(quán)益的售能價(jià)格約束等。其具體數(shù)學(xué)模型如下：

(1)購(gòu)能功率約束：

(14)

(2)內(nèi)部出力約束：

(15)

(3)設(shè)備爬坡約束：

(16)

(4)碳交易約束：

(17)

(5)儲(chǔ)能約束：

,i∈{e,h}

(18)

Qi(1)=Qi(24)

(19)

式中Qi(t)為第i種能源儲(chǔ)能的t時(shí)刻儲(chǔ)能容量；ηi,in、ηi,out為第i種能源形勢(shì)儲(chǔ)能的充放電效率；Psi,in(t)、Psi,out(t)為第i種能源形勢(shì)儲(chǔ)能的充放電功率。

(6)售能價(jià)格約束：

(20)

(7)功率平衡約束：

PCEO,ebuy,t+PW,t+PGT,e,t+PEES,out,t=PCEO,esell,t+PP2G,t+PEES,in,t

(21)

PWHB,h,t+PGB,h,t+PHES,out,t=PCEO,hsell,t+PHES,in,t

(22)

(23)

式中PW,t、PGT,e,t、PP2G,t、PEES,in,t、PEES,out,t分別為第t個(gè)調(diào)度時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電機(jī)組出力、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出電功率、P2G設(shè)備的用能功率與電儲(chǔ)能充、放電功率。PWHB,h,t、PGB,h,t、PHES,int,t、PHES,out,t分別為第t個(gè)調(diào)度時(shí)間段內(nèi)余熱鍋爐供熱功率、燃?xì)忮仩t供熱功率與熱儲(chǔ)能充、放熱功率；PGB,h,t為第t個(gè)調(diào)度時(shí)間段內(nèi)燃?xì)忮仩t制熱功率；ηGT、ηGB,h分別為燃?xì)廨啓C(jī)耗氣效率與燃?xì)忮仩t制熱效率。

2.3 USER下層優(yōu)化模型

(24)

2.4 下層模型約束條件

用戶(hù)側(cè)的下層優(yōu)化模型約束主要為購(gòu)能約束及碳排放約束，具體數(shù)學(xué)模型如下：

(1)購(gòu)能約束：

(25)

(26)

(2)碳排放約束：

(27)

3 求解方法

首先，將式(3)分段線性化[17]。在雙層模型優(yōu)化中，上層模型的社區(qū)能源運(yùn)營(yíng)商(CEO)根據(jù)分時(shí)能源價(jià)格，向下層模型用戶(hù)側(cè)發(fā)布園區(qū)內(nèi)的購(gòu)能價(jià)格與市場(chǎng)階梯碳交易價(jià)格。用戶(hù)根據(jù)園區(qū)碳交易機(jī)制與購(gòu)能價(jià)格決定購(gòu)能策略。對(duì)于下層模型而言，園區(qū)發(fā)布的購(gòu)能價(jià)格與階梯碳交易價(jià)格已知，其模型本質(zhì)是關(guān)于購(gòu)能功率與碳排放量的線性規(guī)劃模型。因此，可以通過(guò)KKT條件將下層模型轉(zhuǎn)化為上層的約束條件，從而將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層模型。再通過(guò)引入布爾變量將約束條件線性化，并通過(guò)強(qiáng)對(duì)偶理論讓目標(biāo)函數(shù)與對(duì)偶問(wèn)題相等，具體方法參考文獻(xiàn)[14,18]，在此不詳細(xì)展開(kāi)。所得的單層優(yōu)化模型如下：

(28)

(29)

(30)

綜上所述，優(yōu)化模型為：

(31)

4 算例分析

在仿真驗(yàn)證過(guò)程中，忽略了發(fā)電側(cè)的不確定性與隨機(jī)性，是由于該模型為小時(shí)級(jí)別調(diào)度模型，時(shí)間間隔小，預(yù)測(cè)誤差不大?；诖?，為突出文中研究主旨，著重研究用戶(hù)側(cè)與園區(qū)“低碳”背景下的節(jié)能減排潛力及用能行為，文中忽略了該相對(duì)次要因素。

基于上述條件，文中通過(guò)算例分析，驗(yàn)證所提模型的有效性，并基于雙主體階梯碳交易機(jī)制分析雙層優(yōu)化模型在節(jié)能減排上的優(yōu)勢(shì)，敏感型負(fù)荷對(duì)用戶(hù)側(cè)的需求響應(yīng)影響及P2G設(shè)備與需求響應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化對(duì)風(fēng)電消納的效果。該仿真反映了在碳交易市場(chǎng)下對(duì)下層用戶(hù)側(cè)用能決策的影響及社區(qū)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)優(yōu)化思路。對(duì)“雙碳”目標(biāo)下，IES優(yōu)化研究有著積極意義。文中在MATLAB中利用yalmip +gurobi求解所得優(yōu)化模型。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

文中參數(shù)來(lái)源與參考文獻(xiàn)[8,9,17,20],并將一天分為24個(gè)調(diào)度時(shí)段。其中，園區(qū)運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)側(cè)的購(gòu)電單位碳排放權(quán)配額0.798 kg/(kW·h)，購(gòu)氣單位碳排放權(quán)配額 0.385 kg/(kW·h)[19]。碳交易的基礎(chǔ)價(jià)格為267.6元/t，階梯碳交易價(jià)格增長(zhǎng)系數(shù)為 0.25，碳交易價(jià)格區(qū)間長(zhǎng)度為0.8t[20]。棄風(fēng)懲罰成本0.2元/(kW·h)。園區(qū)內(nèi)風(fēng)電出力及負(fù)荷預(yù)測(cè)如圖4。

圖4 IES負(fù)荷預(yù)測(cè)

4.2 場(chǎng)景設(shè)置

為了驗(yàn)證所提模型的合理性，建立4種情景進(jìn)行分析如下：

(1)情景1：當(dāng)前多目標(biāo)優(yōu)化模型[21]，將IES視為一個(gè)整體，考慮碳排放懲罰成本，并忽略用戶(hù)側(cè)的作用與P2G設(shè)備；

(2)情景2：當(dāng)前多目標(biāo)優(yōu)化模型[8,9,13]，將IES視為一個(gè)整體，在階梯碳交易機(jī)制下，并忽略用戶(hù)側(cè)的作用與P2G設(shè)備協(xié)同；

(3)情景3：雙層優(yōu)化模型，將IES分為社區(qū)運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)兩主體，在雙主體階梯碳交易機(jī)制下，考慮用戶(hù)側(cè)的能源價(jià)格敏感性負(fù)荷與碳價(jià)敏感性負(fù)荷在電價(jià)與碳排放激勵(lì)下的作用，并忽略與P2G設(shè)備相協(xié)同；

(4)情景4：雙層優(yōu)化模型，將IES分為社區(qū)運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)兩主體，在雙主體階梯碳交易機(jī)制下，發(fā)揮用戶(hù)側(cè)敏感型負(fù)荷的需求響應(yīng)作用與CEO側(cè)的P2G設(shè)備相協(xié)同。四種情景經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)性比較Tab.1 Economic comparison

4.3 雙主體階梯碳交易機(jī)制分析

分析四種情景來(lái)驗(yàn)證兩主體階梯碳交易機(jī)制的有效性。對(duì)比四種情景，情景4總成本最低，為30 063.4元，比情景1低849.9元，比情景2低4 804.8元，比情景3低1 137.7元。最高成本與最低成本的相差占比最高總成本的13.78%。情景4的碳排放量最低，為28 321.5 kg，情景3次之，情景2排名第三，情景1碳排放總量最多。其中最低碳排放量情景4相較于最高排放量情景1減少碳排放6 812.9 kg，占比最高碳排放的19.39%。

在經(jīng)濟(jì)性與碳排放方面，由于情景1采用傳統(tǒng)碳排放懲罰機(jī)制，碳排放懲罰力度過(guò)小，以犧牲環(huán)境成本為代價(jià)，大幅度提高了經(jīng)濟(jì)性，甚至風(fēng)電盈余時(shí)，由于沒(méi)有P2G設(shè)備參與，產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象產(chǎn)生。情景2由于采用階梯碳排放機(jī)制，與情景1相比大幅降低碳排放總量，但由于階梯碳排放機(jī)制導(dǎo)致碳排放成本大幅度上升，總成本增加較多。情景3與情景4相較于情景2而言，采用了雙主體參與的階梯碳排放機(jī)制，可以有效發(fā)揮用戶(hù)側(cè)的需求響應(yīng)能力，降低了用戶(hù)購(gòu)能成本的同時(shí)，也降低了碳排放。其原因在于，在風(fēng)電盈余時(shí)，與用戶(hù)需求響應(yīng)相互配合，增加風(fēng)電消納的同時(shí)，也減少了碳排放量。當(dāng)能源價(jià)格過(guò)高時(shí)，此時(shí)用戶(hù)側(cè)的能源價(jià)格敏感負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位，削減用戶(hù)側(cè)負(fù)荷；當(dāng)階梯碳價(jià)過(guò)高時(shí)，此時(shí)碳價(jià)敏感型負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位，削減用戶(hù)側(cè)負(fù)荷。反之亦然。正是兩主體階梯碳交易機(jī)制充分發(fā)揮了用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)特性，使其從傳統(tǒng)電價(jià)引導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿侥茉磧r(jià)格與碳交易價(jià)格雙重引導(dǎo)，充分發(fā)揮了用戶(hù)的主動(dòng)性，使其在綜合園區(qū)經(jīng)濟(jì)性與碳排放方面，有著良好表現(xiàn)。

4.4 敏感型負(fù)荷與用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)

在兩主體階梯碳交易機(jī)制下，對(duì)比情景3、4來(lái)分析敏感型負(fù)荷對(duì)用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)的影響。其中，情景3、4各時(shí)段電負(fù)荷出力如圖5、6所示，熱負(fù)荷出力如圖7、8所示。

圖5 情景3電負(fù)荷

圖6 情景4電負(fù)荷

圖7 情景3熱負(fù)荷

圖8 情景4熱負(fù)荷

由分析可知，情景3中，電負(fù)荷在0點(diǎn)到4點(diǎn)間，由于電負(fù)荷處于全天較低水平，電價(jià)較低，故電價(jià)型敏感負(fù)荷在該時(shí)段占比較大，且3點(diǎn)到達(dá)峰值。在8點(diǎn)到下午6點(diǎn)間，電負(fù)荷處于全天較高水平，此時(shí)電價(jià)型敏感負(fù)荷呈現(xiàn)主動(dòng)削減狀態(tài)，且下午5點(diǎn)達(dá)到峰值。對(duì)于碳價(jià)敏感型負(fù)荷而言，在4點(diǎn)到8點(diǎn)與晚間7點(diǎn)到0點(diǎn)，占比較大，其主要原因是由于該時(shí)段風(fēng)力出力較大，在一定程度上減少了IES園區(qū)的碳排放量。

對(duì)比情景3與情景4，可以明顯發(fā)現(xiàn)在0點(diǎn)到7點(diǎn)與晚上7點(diǎn)以后，情景4電負(fù)荷需求響應(yīng)程度更大。這是由于在該時(shí)段，情景4加入了P2G裝置可以與負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)相互協(xié)同，園區(qū)碳排放量大大降低，導(dǎo)致該時(shí)段碳交易價(jià)格降低，使得碳價(jià)敏感型負(fù)荷大大增加，加大了該時(shí)段需求響應(yīng)能力。而在8點(diǎn)到晚上6點(diǎn)，由于風(fēng)電出力小于電負(fù)荷需求，導(dǎo)致P2G設(shè)備處于閑置狀態(tài)，兩者在該時(shí)段電價(jià)型敏感負(fù)荷與碳價(jià)型敏感負(fù)荷表現(xiàn)幾乎一致。直到晚上7點(diǎn)以后，風(fēng)電達(dá)到一個(gè)較高水平后，由于P2G設(shè)備的出力，碳價(jià)敏感型負(fù)荷參與需求響應(yīng)力度開(kāi)始加大。

針對(duì)情景3熱負(fù)荷，在0點(diǎn)到8點(diǎn)，由于熱負(fù)荷處于日內(nèi)較高水平，熱價(jià)型敏感負(fù)荷與碳價(jià)型敏感負(fù)荷削減量均處在較高水平，9點(diǎn)至下午5點(diǎn)，由于熱負(fù)荷處于日內(nèi)總量較低水平，需求響應(yīng)總量較少，熱價(jià)型敏感負(fù)荷與碳價(jià)型敏感負(fù)荷變化范圍不大。晚上6點(diǎn)以后，由于碳價(jià)與熱價(jià)處于全天平均水平，故敏感型負(fù)荷幾乎不參加需求響應(yīng)。

對(duì)比情景3,4熱負(fù)荷曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)情景4的0點(diǎn)至8點(diǎn)，熱負(fù)荷參與需求響應(yīng)程度變低，這是由于在該時(shí)間段，由于P2G設(shè)備的加入，IES的園區(qū)碳排放量減少，導(dǎo)致熱負(fù)荷的碳價(jià)敏感型負(fù)荷參與需求響應(yīng)量削減量減少，甚至在4點(diǎn)與5點(diǎn)時(shí)，呈現(xiàn)需求響應(yīng)為正的促進(jìn)熱負(fù)荷增加的碳價(jià)型敏感負(fù)荷，出現(xiàn)逆調(diào)峰現(xiàn)象。

由此，可知合理調(diào)節(jié)價(jià)格型敏感負(fù)荷與碳價(jià)型敏感負(fù)荷，可以大大促進(jìn)電負(fù)荷的調(diào)峰能力，同時(shí)在促進(jìn)園區(qū)節(jié)能減排上有著重要優(yōu)勢(shì)。

4.5 P2G與需求響應(yīng)對(duì)風(fēng)電消納的影響

分析情景3，4各設(shè)備電功率平衡出力圖(見(jiàn)圖9，10)來(lái)分析P2G與需求響應(yīng)對(duì)風(fēng)電的消納情況。

圖9 情景3電功率功率平衡圖

圖10 情景4電功率功率平衡圖

由分析知，情景3在0～7點(diǎn)與22～23點(diǎn)對(duì)風(fēng)電的消納主要依賴(lài)于儲(chǔ)能與電負(fù)荷及其需求響應(yīng)。當(dāng)IES配置的電儲(chǔ)能容量不足或者用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求較高時(shí)，可能導(dǎo)致棄風(fēng)棄電現(xiàn)象或加大儲(chǔ)能投資成本。情景4相較于情景3而言，在風(fēng)電盈余的時(shí)刻的0～7點(diǎn)與19～23點(diǎn)，通過(guò)電儲(chǔ)能、P2G設(shè)備與需求響應(yīng)聯(lián)合進(jìn)行盈余風(fēng)電消納。情景4的多設(shè)備聯(lián)合消納風(fēng)電，不僅減少了儲(chǔ)能的投資成本與棄風(fēng)棄電的概率，還讓用能行為更為靈活，可以發(fā)揮低碳效益的同時(shí)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，P2G與需求響應(yīng)的聯(lián)合優(yōu)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著重要意義，同時(shí)在“雙碳”背景下，用戶(hù)側(cè)用能的需求響應(yīng)行為也發(fā)生一定改變。以雙主體碳交易機(jī)制為基礎(chǔ)的雙層優(yōu)化模型，可以較好的反應(yīng)各主體利益的同時(shí)，也能發(fā)揮其節(jié)能減排的主動(dòng)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中主要完成以下工作：

(1)深化IES中用戶(hù)及社區(qū)運(yùn)營(yíng)商節(jié)能減排潛力，文中提出將用戶(hù)側(cè)參與需求響應(yīng)的負(fù)荷分為剛性負(fù)荷，價(jià)格型敏感負(fù)荷，碳價(jià)型敏感負(fù)荷。并在社區(qū)運(yùn)營(yíng)商中增設(shè)P2G設(shè)備，進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化;

(2)建立了用戶(hù)與IES運(yùn)營(yíng)商參與的雙主體階梯碳交易機(jī)制，并在該基礎(chǔ)上，建立雙層優(yōu)化模型。上層模型為IES運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)收益最大，下層模型為用戶(hù)側(cè)受到園區(qū)內(nèi)階梯碳價(jià)與分時(shí)能源價(jià)格下的用能費(fèi)用最小。相較于現(xiàn)有優(yōu)化模型，用戶(hù)行為不僅受到能源價(jià)格影響，還受到碳交易價(jià)格的影響;

(3)此外還分析敏感型負(fù)荷對(duì)需求響應(yīng)的影響，需求響應(yīng)及P2G聯(lián)合優(yōu)化在IES上的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，為能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了一定的理論支撐。

未來(lái)將繼續(xù)深化研究“雙碳”目標(biāo)下，能源系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題及參與者決策行為的特點(diǎn)，分析發(fā)電側(cè)不確定性與隨機(jī)性對(duì)優(yōu)化調(diào)度影響，深入研究綜合能源系統(tǒng)在“雙碳”目標(biāo)下節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。