郭 凱，阿敏夫，雅斯太，劉紫琦

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)新型電力系統(tǒng)智能化電網企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

全球氣候環(huán)境危機正在加速發(fā)展，已給人類的健康和安全造成威脅，為促進各行各業(yè)綠色轉型，我國于2020 年9 月第七十五屆聯(lián)合國大會上提出碳達峰、碳中和目標[1]。為實現(xiàn)雙碳目標，減少碳排放，促進電力行業(yè)碳減排，減少污染物的排放，在電力系統(tǒng)優(yōu)化調度中同時引入碳交易-綠色證書（以下簡稱綠證）交易機制和儲能系統(tǒng)，對電力行業(yè)的節(jié)能減排和綠色發(fā)展具有十分重要的意義[2-3]。

圍繞碳交易機制和綠證交易機制，國內外學者已經開展了大量研究[4-6]。文獻[7]提出含有碳交易-綠證交易機制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，可有效提高新能源消納率，減少系統(tǒng)碳排放量。文獻[8]將碳交易機制和綠證交易機制引入電力系統(tǒng)環(huán)境經濟調度中，建立以經濟成本最小和污染物排放量最小的多目標調度模型。文獻[9]建立了基于碳交易成本和綠證交易成本的源-荷互動優(yōu)化調度模型，實現(xiàn)了發(fā)電側資源和多種柔性負荷資源的優(yōu)化分配。文獻[10]建立綜合考慮碳交易機制與綠證交易機制的含風電電力系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，并采用機會約束理論處理風電預測誤差的不確定性，提高了新能源消納能力，實現(xiàn)了優(yōu)化調度。

為提升系統(tǒng)靈活性、促進新能源消納能力，針對儲能系統(tǒng)方面的應用已經做了大量的研究。文獻[11-12]建立了含有儲能模型的微電網優(yōu)化調度模型，并通過仿真驗證了調度模型的有效性。文獻[13]提出了考慮含有碳交易成本和儲能成本的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調度策略，深入分析了碳交易機制的引入對電熱聯(lián)合系統(tǒng)的影響以及儲能促進風電消納的機理。文獻[14]通過充分考慮儲能系統(tǒng)與需求響應之間的有效配合，提出了一種計及儲能系統(tǒng)與需求響應的風水火聯(lián)合電力系統(tǒng)經濟調度模型。文獻[15]為提升系統(tǒng)風電消納能力，建立了碳交易、儲能系統(tǒng)以及兩者共同參與下的電力系統(tǒng)風電消納優(yōu)化模型，得出儲能參與系統(tǒng)優(yōu)化調節(jié)，有利于抑制風電功率波動。文獻[16]詳細分析了新能源所接的電儲能、熱電聯(lián)產所接的熱儲能、電制熱設備所接的熱儲能三類儲能在消納新能源棄電和電負荷削峰場景下的互補協(xié)調關系，建立了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，驗證了電儲能和熱儲能協(xié)調運行能有效降低新能源棄電量。

上述研究對碳交易機制、綠證交易機制的數(shù)學模型和求解算法進行了詳細的研究，但研究中未考慮儲能的引入對碳交易-綠證交易機制下調度結果的影響。本文同時考慮將碳交易-綠證機制和儲能系統(tǒng)引入電力系統(tǒng)，建立計及碳交易-綠證和儲能成本的含風光發(fā)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化調度模型。通過仿真算例分析，驗證了碳交易-綠證機制和儲能系統(tǒng)的引入可有效優(yōu)化能源結構，減少系統(tǒng)碳排放。

1 碳交易-綠證交易機制成本模型

1.1 碳交易機制成本模型

1.1.1 碳排放配額

目前，我國碳交易市場尚處于起步階段，電力行業(yè)碳排放配額主要以免費分配和有償購買為主，免費分配部分本文選擇基準線法，即按照各火力發(fā)電廠的發(fā)電量按比例進行免費碳排放配額分配[17]，單位電量碳排放分配系數(shù)可根據(jù)國家發(fā)展改革委員會發(fā)布的區(qū)域電網基準線排放因子確定[18]。當火電廠的碳排放量大于免費碳排放配額時，需要在碳交易市場中購買碳排放配額；反之，可以在碳交易市場中出售多余的免費碳排放配額來獲取一定的利益。

由于風電和光伏具有隨機性，當風電和光伏接入電網后，為保證電網安全，需要增加火電機組的旋轉備用容量，提高了火電機組運行成本，所以本文考慮從實際出發(fā)，對火電機組的碳排放配額進行補償。

火電機組免費碳排放配額為：

式中：Eq1為火電機組免費碳排放配額；T 為優(yōu)化時段數(shù)；δ為區(qū)域電網基準線排放因子；PGi,t為t時刻火電機組i的出力；NG為常規(guī)火電機組總數(shù)；Pw,t為t時刻風電出力；α為風電出力的備用系數(shù)；Pk,t為t時刻光伏出力；β為光伏出力的備用系數(shù)；λ為風力發(fā)電和光伏發(fā)電碳配額修正系數(shù)。

風電場免費碳排放配額為：

式中：Eq2為風電場免費碳排放配額。

光伏電站免費碳排放配額為：

式中：Eq3為光伏電站免費碳排放配額。

1.1.2 碳排放成本

由于風電和光伏為清潔能源，不產生CO2，所以本文考慮CO2的排放均來自于火電機組，火電機組的碳排放量與有功出力成比例，可表示為：

式中：EC為火電機組碳排放量；ηi為第i 臺火電機組碳排放系數(shù)。

根據(jù)碳交易機制原理，可得出系統(tǒng)碳交易成本為：

式中：FC為系統(tǒng)碳交易成本；PCO2為碳交易價格。

1.2 綠證交易機制成本模型

綠證是可再生能源電量綠色屬性的證明，也是認定可再生能源生產、消費的唯一憑證[19-20]。自2021年起我國實行配額制下的綠證交易，綠證作為一項輔助手段進入了消納的考核范疇。2022-09-15，國家發(fā)展改革委員會、國家能源局發(fā)布《關于推動電力交易機構開展綠色電力證書交易的通知》，提到要積極穩(wěn)妥擴大綠電和綠證交易范圍，更好體現(xiàn)可再生能源的環(huán)境價值，推動電力交易機構開展綠證交易。從綠證類型看，目前我國綠證主要包括補貼綠證和無補貼綠證兩類。其中補貼綠證核發(fā)范圍為納入國家補貼清單的陸上風電、光伏電站項目；無補貼綠證核發(fā)范圍為平價（低價）陸上風電、光伏發(fā)電項目。

綠證交易機制是保證可再生能源配額制度有效貫徹的配套措施，由政府機構對特定的可再生能源發(fā)電量進行認證，發(fā)放具有可再生能源電量標識的可交易的證書[21]。當實際可再生能源消納量大于綠證配額比例時，可以出售多余可再生能源發(fā)電量產生的綠證來獲得利益；當實際可再生能源消納量小于綠證配額比例時，則對不足可再生能源消納量需要購買綠證。其綠證交易成本模型如下：

式中：FS為系統(tǒng)綠證交易成本；k 為可再生能源發(fā)電量占上網電量的配額比；PD,t為系統(tǒng)t 時刻的負荷；PTCG為綠證交易價格。

2 電儲能成本模型

電儲能系統(tǒng)可以通過一定介質存儲電能，在需要時將所存能量釋放發(fā)電[22-24]。電儲能技術的引入將有效削減負荷峰谷差，降低供電成本，有效實現(xiàn)需求側管理。同時，儲能技術的廣泛應用將大大增強電網對大規(guī)?？稍偕茉吹慕蛹{能力，實現(xiàn)間歇式可再生能源發(fā)電的可預測、可控制、可調度，促進傳統(tǒng)電網的升級與變革，實現(xiàn)發(fā)電和用電之間在時間和空間上的解耦，徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設模式。由于電儲能系統(tǒng)并不是電源，僅作為電力系統(tǒng)能量轉移裝置，可根據(jù)其他電源的出力情況解耦電能的生產和消耗。

電儲能裝置作為靈活調控裝置可利用其自身對時間的遷移能力，從而在時間上解耦電能的生產和消費來達到增加新能源并網空間的目的。同時電儲能裝置具備響應速度快、實時調節(jié)的優(yōu)點。本文考慮的電儲能裝置采用電化學儲能裝置，其運行成本表示為：

式中：Fn—儲能裝置運行成本；

Pchu—儲能裝置運行成本系數(shù)；

Pc,t—儲能裝置t時刻充放電功率。

3 優(yōu)化調度模型

3.1 目標函數(shù)

常規(guī)火電機組的發(fā)電成本通常表示為其發(fā)電功率的二次函數(shù)：

式中：FG為火電機組的發(fā)電成本；ai，bi和ci為機組i的燃料成本系數(shù)。

風電機組和光伏發(fā)電設備在發(fā)電過程中會存在一定的運行維護成本，風電和光伏出力成本可以分別表示為：

式中：FW—風電出力成本；

Fk—光伏出力成本；

μW—風電出力成本系數(shù)；

μk—光伏出力成本系數(shù)。

綜上所述，建立系統(tǒng)運行成本最小的目標函數(shù)為：

3.2 約束條件

3.2.1 功率平衡約束

3.2.2 系統(tǒng)旋轉備用容量約束

考慮為了應對新能源出力不確定性對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)需要預留一定的備用容量[24-25]：

式中：PGi,tmax為第i 臺火電機組t 時刻最大出力；PGi,tmin為第i臺火電機組t時刻最小出力；Ru,t、Rd,t為t時刻系統(tǒng)的上、下備用容量；uf、df分別為負荷預測誤差增加的上、下旋轉備用率；uw、dw分別為風電出力預測誤差增加的上、下旋轉備用率；uk、dk分別為光伏出力預測誤差增加的上、下旋轉備用率。

3.2.3 火電機組出力約束

式中：PGi,max、PGi,min分別為常規(guī)火電機組出力上、下限；ΔPui、ΔPdi為機組i 的最大上、下爬坡出力；PGi,t-1為t-1時刻火電機組i的出力。

3.2.4 風電和光伏出力約束

風電和光伏的出力應在預測范圍之內：

式中：Pwf,t、Pkf,t為t時刻風電機光伏預測出力值。

3.2.5 電儲能運行功率約束

本文中電儲能裝置主要考慮充放電功率上下限約束以及充放電工作狀態(tài)裝束[13]。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

本文所建的優(yōu)化模型在Matlab軟件平臺上調用CPLEX求解器進行仿真求解。仿真系統(tǒng)由6臺常規(guī)火電機組、1 個風電場和1 個光伏電站構成，選取調度周期為24 h，單位調度時長為1 h?；痣姍C組參數(shù)如表1 所示。系統(tǒng)負荷、風電和光伏的預測功率見圖1 和圖2；碳交易價格為15 美元/t，可再生能源配額系數(shù)取0.19，綠證交易價格取20 美元/MWh，δ為0.90，λ為0.15，風電、光伏以及負荷備用系數(shù)均取0.10。儲能裝置的容量為200 MWh，充放電最大功率均為50 MW/h，初始荷電狀態(tài)為0.2，運行成本系數(shù)為5美元/MWh，充放電效率取0.95。風電運維成本系數(shù)取18 美元/MW，光伏運維成本系數(shù)為10 美元/MW。

圖1 負荷預測功率Fig.1 Load forecasting power

圖2 風電和光伏預測功率Fig.2 Predicting power of wind power and photovoltaic

表1 火電機組參數(shù)Tab.1 Parameters of thermal power unit

為驗證碳交易-綠證機制對含風光發(fā)電的電力系統(tǒng)調度運行的積極作用以及引入儲能裝置對系統(tǒng)低碳經濟調度的優(yōu)勢，對以下3 種調度方式進行仿真對比分析。

方式1：不考慮碳交易-綠證機制和儲能裝置；

方式2：不考慮碳交易-綠證機制；

方式3：考慮本文所提及碳交易-綠證機制和儲能裝置。

4.2 各調度方式結果對比分析

三種調度方式下系統(tǒng)運行成本、碳交易成本、綠證交易成本、儲能運行成本和碳排放量對比結果如表2 所示。由表2 可知，方式2 的系統(tǒng)運行成本最低，因為方式2 是在方式1 的基礎上引入了儲能裝置，儲能裝置促進了夜間風電的消納，減少了負荷高峰期間火電機組出力，機組的發(fā)電成本相對減小，同時減少了系統(tǒng)碳排放量。

表2 三種調度方式下優(yōu)化結果對比分析Tab.2 Comparative analysis of optimization results under three dispatching modes

方式3 在方式2 的基礎上，進一步考慮了碳交易-綠證機制，系統(tǒng)火電機組多出的碳排放配額需要購買，但風電和光伏作為清潔能源，能夠在碳交易市場中獲益，同時綠證機制的引入也可進一步促進清潔能源的消納，減少系統(tǒng)碳排放量。由上述結果可知，碳交易-綠證機制在減少系統(tǒng)碳排放、促進新能源出力等方面具有良好的效果。同時考慮了碳交易成本和綠證交易成本的方式3與方式1和2相比，其經濟成本會有所上升，但碳排放量會進一步減少，因此建立有序的碳交易市場和綠證交易市場對電力系統(tǒng)節(jié)能減排、促進新能源消納具有很重要的作用。

4.3 碳交易價格對調度結果的影響

碳交易價格的大小對系統(tǒng)碳排放量影響較大，為實際驗證碳交易價格對系統(tǒng)碳排放量的影響效果，本文以方式3為例，分析系統(tǒng)碳交易價格與系統(tǒng)碳排放量、系統(tǒng)總成本的關系（見圖3）。由圖3 可知，系統(tǒng)碳排放量隨著碳交易價格的升高而降低，但系統(tǒng)總成本隨著碳交易價格的升高而升高，當碳交易價格升高至18 美元/t 時，系統(tǒng)的碳排放量基本保持不變，系統(tǒng)碳減排能力達到上限。

圖3 碳交易價格對優(yōu)化結果的影響Fig.3 The influence of carbon trading price on optimization results

4.4 不同可再生能源配額系數(shù)和綠證交易價格的結果分析

本文考慮了不同可再生能源配額系數(shù)下對系統(tǒng)運行成本和碳排放量的影響。本文設定了3種運行方式，可再生能源配額系數(shù)分別為0.18、0.19、0.20。表3 為調度方式3 下，不同可再生能源配額系數(shù)的結果分析。

表3 方式3在不同可再生能源配額系數(shù)下調度結果Tab.3 Dispatching results of mode 3 under different renewable energy quota coefficients

由表3可知，隨著可再生能源配額比例的提高，綠證交易成本會加大，這是由于系統(tǒng)為完成配額任務，會提高部分風電和光伏消納量，但仍無法滿足系統(tǒng)配額任務，因此在可再生能源配額系數(shù)為0.20時，會加大系統(tǒng)綠證交易成本，從而進一步加大系統(tǒng)運行成本。但是，由于風電和光伏消納量有所增加，導致系統(tǒng)碳排放量會有所減少。由上述分析可知，綠證交易機制在電力行業(yè)的應用將對于促進新能源消納和低碳電力的發(fā)展有重要作用。本文設定可再生能源配額系數(shù)為0.18時，綠證交易價格分別為19 美元、20 美元和21 美元的3 種運行方式（見表4）。

表4 不同綠證交易價格時的調度結果Tab.4 Dispatching results under different trading prices of green certificates

由表4可知，隨著綠證交易價格增加，系統(tǒng)運行成本逐步增加，綠證交易成本也會進一步增加，但是系統(tǒng)碳排放量會有所減少，這是由于綠證交易價格提高，導致系統(tǒng)需要花費更多成本完成配額任務，為減少系統(tǒng)運行成本，會提高部分風電和光伏消納量，進一步促進新能源消納量。

5 結論

本文將碳交易機制、綠證交易機制以及電儲能同時引入電力系統(tǒng)中，構建綜合考慮碳交易機制成本、綠證交易機制成本、儲能運行成本、常規(guī)火電機組運行成本、風電運行成本以及光伏運行成本的含風光電力系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，得到如下結論。

（1）首先提出將電儲能系統(tǒng)引入電力系統(tǒng)優(yōu)化調度中，儲能裝置可進一步促進夜間風電消納，減少了負荷高峰期間常規(guī)火電機組出力，導致火電機組的發(fā)電成本相對減小，雖然儲能裝置充放電會產生運行成本，但系統(tǒng)總成本有所減小，同時系統(tǒng)碳排放量進一步減少。

（2）將綠證交易機制、碳交易機制同時引入電力系統(tǒng)中，在保證電力系統(tǒng)一定比例可再生能源出力時，考慮常規(guī)火電機組的碳排放量，有效提高了系統(tǒng)的環(huán)境效益，促進可再生能源消納。

（3）分析了不同碳交易價格、不同可再生能源配額系數(shù)和綠證交易價格對系統(tǒng)調度的影響。結果表明：系統(tǒng)碳排放量隨著碳交易價格的升高而降低，但系統(tǒng)總成本隨著碳交易價格的升高而升高，當碳交易價格升至一定時，系統(tǒng)的碳排放量基本保持不變?？稍偕茉磁漕~系數(shù)越高，系統(tǒng)中會購買更多的綠證數(shù)量，導致可再生能源出力增加，從而減少系統(tǒng)碳排放量。