魏震波，楊 超，李銀江

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610065）

0 引言

隨著全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，加強(qiáng)節(jié)能減排已成為世界各國(guó)的共識(shí)，“雙碳目標(biāo)”更是成為我國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）作為一種高效能源結(jié)構(gòu)載體，被認(rèn)作是未來減排大勢(shì)下的主要手段[2-5]，研究IES 低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法成為學(xué)者們關(guān)注焦點(diǎn)。

在低碳技術(shù)應(yīng)用方面，碳捕集、利用與封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）[6-7]技術(shù)最受關(guān)注。文獻(xiàn)[8]提出了一種考慮碳捕集的IES 調(diào)度策略，其中可再生能源消納率與低碳性都有一定的提升，但其捕集到的CO2未得到充分利用，不能發(fā)揮碳捕集設(shè)備最大效用。文獻(xiàn)[9-11]構(gòu)建了一種考慮碳捕集設(shè)備與電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）協(xié)同的電-氣互聯(lián)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，在提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與綠電占比的同時(shí)，P2G 的引入使CCS 捕集到的CO2得到了利用，進(jìn)一步降低了碳排，但其未考慮新能源的不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[12]在引入CCUS 的同時(shí)，還考慮了分布式電源不確定性對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的影響，但在與市場(chǎng)機(jī)制協(xié)同方面考慮得較為簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[8-12]只在碳捕集設(shè)備應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，但在與相關(guān)的市場(chǎng)機(jī)制協(xié)同方面缺乏深入研究。

在碳資產(chǎn)市場(chǎng)機(jī)制方面，文獻(xiàn)[13-14]研究參與碳交易市場(chǎng)（Carbon Emission Trading，CET）的IES運(yùn)營(yíng)問題，分析了碳交易機(jī)制的引入對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，量化了其在系統(tǒng)的風(fēng)電消納、碳減排中的作用。文獻(xiàn)[15]研究了參與綠色證書交易市場(chǎng)（Green Certificate Trading，GCT）的IES 優(yōu)化運(yùn)行模型，分析了其對(duì)風(fēng)光的消納及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[16]研究了考慮綠色證書跨鏈交易對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，打破了傳統(tǒng)綠證市場(chǎng)中價(jià)值與數(shù)據(jù)的壁壘，但未考慮與CET 的協(xié)同。文獻(xiàn)[17]分析了考慮GCT與CET 協(xié)同對(duì)于綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，但是GCT 與CET 兩個(gè)市場(chǎng)間彼此獨(dú)立，在一定程度上限制了系統(tǒng)的分布式可再生能源的消納能力。文獻(xiàn)[13-17]只研究了CET 與GCT 的引入對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并未考慮兩市場(chǎng)之間交互以及與CCUS系統(tǒng)協(xié)同對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。因此，深入挖掘CET與GCT 的耦合機(jī)制，并與低碳技術(shù)協(xié)同，是一個(gè)亟待深入研究的問題。

綜上，研究CCUS 在碳減排中的作用，不能僅局限于物理系統(tǒng)層面上的優(yōu)化調(diào)整，還需構(gòu)建與之相匹配的市場(chǎng)機(jī)制。因此，針對(duì)當(dāng)前CET，GCT 并行不產(chǎn)生交互以及CCUS 與多元耦合市場(chǎng)協(xié)同的問題，本文在IES 中引入CCUS，通過改進(jìn)現(xiàn)有的階梯型碳交易機(jī)制，并根據(jù)綠證的碳減排原理，提出通過冗余綠證聯(lián)動(dòng)碳交易與綠證交易的耦合市場(chǎng)機(jī)制，構(gòu)建一種綠色證書交易與階梯式碳交易交互機(jī)制下考慮CCUS 的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，最后通過算例仿真對(duì)所提模型及方法的合理性與有效性進(jìn)行了校驗(yàn)。

1 含CCUS的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)模型

本文研究的IES 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)通過燃?xì)廨啓C(jī)（Gas Turbine，GT）和P2G 實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的雙向能量流動(dòng)[18]，其中電源包括燃煤電廠、GT 和風(fēng)電場(chǎng)。系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行邏輯為：通過碳捕集、固碳設(shè)備及P2G 協(xié)同運(yùn)行，提升碳減排和風(fēng)電消納水平；通過GCT-CET 耦合交互機(jī)制，進(jìn)一步改善IES 的運(yùn)行。

圖1 電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electricity-gas interconnection integrated energy system

在煤電機(jī)組中加裝碳捕集設(shè)備、固碳設(shè)備后與P2G 設(shè)備互聯(lián)，即成為可以對(duì)CO2進(jìn)行捕集、封存和利用的CCUS 裝置。碳捕集設(shè)備的數(shù)學(xué)模型見參考文獻(xiàn)[19]，本文的CCUS 運(yùn)行模型如下：

2 多元市場(chǎng)耦合機(jī)制

2.1 碳交易機(jī)制

碳交易的核心是將碳排放權(quán)當(dāng)作商品，在所建立的碳交易市場(chǎng)中自由交易，從而有效控制CO2的排放量[20]。CET 機(jī)制數(shù)學(xué)模型如下所示：

2.2 綠證交易機(jī)制

綠證不僅是國(guó)家對(duì)新能源上網(wǎng)電量的認(rèn)證，也是用戶消費(fèi)綠色電力的唯一憑證。GCT 機(jī)制數(shù)學(xué)模型如下所示：

2.3 GCT-CET耦合交互機(jī)制

由于綠證包含了新能源上網(wǎng)的全部信息，因此新能源供能的碳減排可定量計(jì)算，故在明確綠證歸屬后，可使CET 與GCT 進(jìn)行聯(lián)動(dòng)交互。GCT 與CET 耦合交互機(jī)制原理如圖2 所示。

圖2 GCT-CET耦合交互機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of GCT-CET coupling interaction mechanism

GCT-CET 交互機(jī)制下，系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量由下式確定：

碳排放配額作為一種商品，對(duì)于其在當(dāng)前的CET機(jī)制中單邊化嚴(yán)重問題，本文構(gòu)造了買賣兩側(cè)對(duì)偶的階梯型碳交易成本計(jì)算模型。碳排成本如下式所示：

3 基于GCT-CET 耦合交互機(jī)制的IES優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行以降低CO2排放量與提高風(fēng)電消納為目標(biāo)，既要充分消納清潔的分布式風(fēng)電降低系統(tǒng)的CO2排放量，又要保持系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文目標(biāo)函數(shù)主要包括：系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行成本、購(gòu)氣成本、棄風(fēng)懲罰成本、固碳成本以及碳交易成本：

式中：Cope，CS,buy，CW，Csto分別為系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行成本、氣源購(gòu)氣成本、棄風(fēng)懲罰成本、固碳成本；ai2，ai1，ai0分別為煤電機(jī)組i的二次、一次、常數(shù)項(xiàng)成本系數(shù)；Ii,t為煤電機(jī)組i在t時(shí)段的開關(guān)機(jī)狀態(tài)；π為風(fēng)電的單位發(fā)電成本；為風(fēng)電機(jī)組k在t時(shí)段的發(fā)電量；λGT為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行成本系數(shù)；COi，CSi分別為煤電機(jī)組i在t時(shí)段的啟、停機(jī)成本；Oi,t和Si,t分別為煤電機(jī)組i在t時(shí)段的啟、停機(jī)動(dòng)作變量；NS為氣源個(gè)數(shù)；gf為第f個(gè)氣源的氣價(jià)；為t時(shí)段第f個(gè)氣源的購(gòu)氣量；βW為棄風(fēng)懲罰系數(shù)；λc,sto為單位固碳成本系數(shù)。

3.2 約束條件

3.2.1 電網(wǎng)運(yùn)行約束

本文電網(wǎng)主要包含的約束條件有：電功率平衡約束、直流潮流約束、煤電機(jī)組出力上下限約束、煤電機(jī)組爬坡和滑坡約束、煤電機(jī)組啟停機(jī)約束、電儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行約束等。電功率平衡約束見式（14），其他約束詳見參考文獻(xiàn)[22]。

3.2.2 氣網(wǎng)運(yùn)行約束

與電網(wǎng)類似，為了天然氣網(wǎng)在調(diào)度期內(nèi)的安全穩(wěn)定，需要對(duì)氣網(wǎng)潮流及節(jié)點(diǎn)氣壓進(jìn)行建模。氣網(wǎng)潮流約束見式（9），其為非凸非線性，需要對(duì)其進(jìn)行二階錐松弛，轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐模型，其詳細(xì)過程見參考文獻(xiàn)[22]。管道流量約束與節(jié)點(diǎn)氣壓約束見式（10）—式（12）：

在氣網(wǎng)建模方面，本文還考慮了氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量平衡約束、管存約束與氣源購(gòu)氣約束等，詳見文獻(xiàn)[22]。

4 算例分析

本文基于IEEE39 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)與比利時(shí)20 節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)構(gòu)成電-氣互聯(lián)IES 進(jìn)行仿真分析，仿真在Matlab 中調(diào)用CPLEX 求解，計(jì)算環(huán)境為Intel Core i7-7700CPU，8G。

4.1 仿真數(shù)據(jù)

電-氣互聯(lián)IES 中共有11 臺(tái)發(fā)電機(jī)組（6 臺(tái)煤電機(jī)組、2 臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組、3 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）、4 個(gè)氣源、3臺(tái)P2G 設(shè)備以及儲(chǔ)電設(shè)備1 臺(tái)。電-氣互聯(lián)IES 的結(jié)構(gòu)參數(shù)見文獻(xiàn)[23-24]，系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)參數(shù)與電負(fù)荷、氣負(fù)荷、風(fēng)電出力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見考獻(xiàn)[25]。

為驗(yàn)證本文所提方法的有效性，對(duì)4 種不同運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。場(chǎng)景1 為僅考慮CCUS 的傳統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度；場(chǎng)景2 在場(chǎng)景1 的基礎(chǔ)上考慮階梯CET 與GCT 的影響；場(chǎng)景3 采用本文所提調(diào)度方法，但不考慮CCUS；場(chǎng)景4 采用本文所提調(diào)度方法，同時(shí)考慮CCUS。

4.2 結(jié)果分析

1）考慮GCT-CET 耦合交互機(jī)制的電-氣互聯(lián)IES 優(yōu)化結(jié)果分析。各場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果見表1。

表1 各場(chǎng)景日內(nèi)調(diào)度結(jié)果Table 1 Dispatching results of different scenarios

由表1 可知，場(chǎng)景4 在保持高風(fēng)電消納率與低CO2排放的同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的總成本最少，比場(chǎng)景1與場(chǎng)景2 分別減少了約396.8 萬美元和183.6 萬美元；此外，與反應(yīng)當(dāng)前階段GCT 與CET 并行運(yùn)行的場(chǎng)景2 相比，考慮GCT-CET 耦合交互機(jī)制的場(chǎng)景4在CET 中收益提升約166%，在GCT 中收益提升約2.57%。這是由于GCT 與CET 耦合交互后充分挖掘了綠證在碳減排方面的潛在價(jià)值，在滿足系統(tǒng)責(zé)任消納權(quán)重所需綠證后，冗余的綠證提供的碳減排量參與了CET 交易，使系統(tǒng)在CET 中收益增加，從而大幅降低了系統(tǒng)的總成本。

從綠電消納角度來看：相較于場(chǎng)景1，場(chǎng)景2、場(chǎng)景4 由于考慮了GCT 的作用，在滿足系統(tǒng)自身綠電消納權(quán)重所需的綠證后，將富余的綠證在GCT 中出售給買方，使得風(fēng)電消納率大幅上升，體現(xiàn)了GCT 的有效性；此外，相較于場(chǎng)景2，場(chǎng)景4 在考慮CET 與GCT 耦合交互后風(fēng)電消納率提高了約1.88%，表明GCT-CET 耦合交互機(jī)制有助于提高清潔能源消納。

從碳減排角度來看，場(chǎng)景2、場(chǎng)景4 相較于場(chǎng)景1，CO2排放量大幅下降，體現(xiàn)了CET 的有效性；此外，場(chǎng)景4 的碳排放量最少，與場(chǎng)景1 與場(chǎng)景2 相比，場(chǎng)景4 的CO2排放量分別降低了87.57%和86.33%，體現(xiàn)了在滿足系統(tǒng)清潔能源消納責(zé)任后冗余綠證的碳減排價(jià)值。此外，各場(chǎng)景煤電機(jī)組與燃?xì)鈾C(jī)組出力情況如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)系統(tǒng)考慮CET 時(shí)，由于只在煤電機(jī)組中引入CCUS，所以場(chǎng)景2、場(chǎng)景4 中為了減少碳排放，燃?xì)鈾C(jī)組基本不出力，而裝有碳捕集設(shè)備的煤電機(jī)組出力較場(chǎng)景1大幅上升。

圖3 各場(chǎng)景煤電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組出力圖Fig.3 Coal-fired units and gas-fired units output map under different scenario

2）CCUS 對(duì)優(yōu)化運(yùn)行影響分析。為檢驗(yàn)CCUS在系統(tǒng)低碳運(yùn)行方面的有效性，本文設(shè)置了采用本文所提方法，但不考慮CCUS 的場(chǎng)景3 進(jìn)行對(duì)比分析。由表1 的調(diào)度結(jié)果可知，相較于場(chǎng)景3，場(chǎng)景4總運(yùn)行成本降低130.1 萬美元。此外，場(chǎng)景4 的碳排放量下降6 469.76 t，約69.18%，同時(shí)風(fēng)電消納率提升8.84%。這是因?yàn)镃CUS 系統(tǒng)中碳捕集設(shè)備發(fā)揮作用，捕集和封存了一部分煤電機(jī)組產(chǎn)生的CO2，因此降低了系統(tǒng)的碳排放，在碳市場(chǎng)的收益增加，系統(tǒng)總成本減少；此外，碳捕集設(shè)備的運(yùn)行會(huì)消耗一部分煤電機(jī)組的電能，故風(fēng)電機(jī)組的出力會(huì)增加而填補(bǔ)由于碳捕集運(yùn)行造成的負(fù)荷側(cè)的電力短缺，從而提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平。

場(chǎng)景3、場(chǎng)景4 各機(jī)組出力如圖4 所示。

圖4 各場(chǎng)景設(shè)備出力圖Fig.4 Equipment output diagram for each scenario

由圖4 可知，場(chǎng)景4 在考慮CCUS 之后，風(fēng)電機(jī)組與煤電機(jī)組出力都有一定的增加，這是因?yàn)楸疚奶岢龅膶?duì)偶階梯碳交易機(jī)制的影響，CCUS 中的碳固設(shè)備可使系統(tǒng)碳排放量減少，從而從碳市場(chǎng)中獲取收益，因此煤電機(jī)組會(huì)增加出力，同時(shí)優(yōu)先滿足CCUS 系統(tǒng)捕集CO2所需的運(yùn)行能耗，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組出力增加以滿足用戶側(cè)由于煤電機(jī)組出力減少而造成電力短缺的那部分用電需求。

3）基礎(chǔ)碳交易價(jià)格對(duì)運(yùn)行結(jié)果的影響。為檢驗(yàn)基礎(chǔ)碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響，圖5 給出了不同基礎(chǔ)碳交易價(jià)格下系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。由圖5 可以看出，隨著基礎(chǔ)碳交易價(jià)格的增加，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本不斷減少，這是因?yàn)殡S著碳交易價(jià)格的增加，用戶更加積極地使用清潔能源、增加碳捕集設(shè)備的出力減少碳排放，從而系統(tǒng)在CET 與GCT中的收益不斷增加，系統(tǒng)運(yùn)行的總成本逐漸降低。

圖5 基礎(chǔ)碳交易價(jià)格對(duì)運(yùn)行結(jié)果影響Fig.5 Impact of base carbon trading price on operational results

在碳排放方面，當(dāng)基礎(chǔ)碳交易價(jià)格由0 變?yōu)?0 美元/t 時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量從11 585.67 t 降到了3 620.17 t，這是由于基礎(chǔ)價(jià)格為0 時(shí)相當(dāng)于沒有考慮CET 與GCT，因此系統(tǒng)的碳排放量較大；當(dāng)考慮CET 與GCT（基礎(chǔ)碳交易價(jià)格不為0）時(shí)，系統(tǒng)的CO2排放量相較于基礎(chǔ)價(jià)格為0 時(shí)顯著減少。此外，當(dāng)基礎(chǔ)碳交易價(jià)格大于80 美元/t 時(shí)，系統(tǒng)的碳排放量不再隨著基礎(chǔ)碳交易價(jià)格的升高而降低，但是總成本仍然不斷減少，這是因?yàn)橄到y(tǒng)向CET 賣出碳排放配額的單價(jià)增加，在碳市場(chǎng)中收益增多，因此把碳交易基礎(chǔ)價(jià)格定為80 美元/t 比較合理。

4）不同碳固容量及P2G 容量對(duì)結(jié)果的影響。系統(tǒng)總成本與碳交易成本隨碳固容量變化的運(yùn)行結(jié)果如圖6 所示，其中碳交易成本小于0 表示系統(tǒng)在參與碳市場(chǎng)時(shí)獲利。隨著CCUS 中碳固設(shè)備容量的增大，系統(tǒng)在碳市場(chǎng)的獲利不斷增大，總運(yùn)行成本不斷減少。這是因?yàn)殡S著碳排放量的逐漸減少，系統(tǒng)在碳市場(chǎng)可交易的碳配額增多，碳交易價(jià)格不斷增加，遠(yuǎn)高于固碳成本，因此系統(tǒng)將煤電機(jī)組排放的CO2固定后，將固碳獲取的碳排放配額在CET 中交易，以獲取更多的收益。在碳固容量大于3 000 t 后，碳固容量大于碳捕集設(shè)備所能捕集的CO2量，因此系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性將不再隨碳固容量的增大而提升。

圖6 碳固容量對(duì)結(jié)果影響Fig.6 Effect of carbon solid capacity on results

5）系統(tǒng)各時(shí)刻碳平衡。場(chǎng)景4 系統(tǒng)碳平衡如圖7 所示。

圖7 場(chǎng)景4系統(tǒng)碳平衡圖Fig.7 System carbon balance diagram under scenario 4

由圖7 可知，系統(tǒng)中碳排放量一部分釋放到大氣中，另一部分通過CCUS 系統(tǒng)捕獲用于固碳和P2G利用。在01：00—07：00，由于碳固容量冗余量較大，CCUS 捕獲的CO2主要用于P2G 設(shè)備和碳固。此外，由于碳固成本遠(yuǎn)小于CET 成本，因此系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2應(yīng)盡量通過CCUS 利用和固定，若調(diào)度期內(nèi)已達(dá)到CCUS 的碳固量上限，在08：00—09：00 及12：00—23：00，CCUS 所產(chǎn)生的CO2除少量用于P2G 設(shè)備外，其余幾乎排入大氣中。

5 結(jié)論

為促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)達(dá)成，減少碳排，提高分布式清潔能源消納率，充分發(fā)揮清潔能源在碳減排中的作用，本文提出了一種GCT-CET 耦合交互機(jī)制下含CCUS 的電-氣互聯(lián)IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型及其求解方法，研究結(jié)論如下：

1）在滿足系統(tǒng)綠電責(zé)任消納權(quán)重后，冗余的綠證可以使相互獨(dú)立的GCT 與CET 產(chǎn)生交互，在提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力的同時(shí)，CO2排放量顯著減少。

2）CCUS 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)煤電機(jī)組在碳減排中的作用，還能在IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度層面上保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，發(fā)揮額外的碳減排與促進(jìn)清潔能源消納的作用。

3）本文所構(gòu)建的GCT-CET 耦合交互機(jī)制，進(jìn)一步拓展了風(fēng)光等清潔能源的綠電價(jià)值實(shí)現(xiàn)渠道，提升了承載主體在市場(chǎng)端的收益，也有助于激發(fā)電力用戶對(duì)清潔能源的使用意愿，對(duì)提升清潔能源滲透率有顯著作用。

下一步，在多個(gè)時(shí)間尺度上同時(shí)考慮上述模型的可行性及求解方法是主要研究工作。