錢俊杰，徐懂理，袁樂，李廣華，3，高瑞陽，徐北碩

(1. 南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2. 國網(wǎng)泰州供電公司，江蘇 泰州 225300；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得環(huán)境污染、化石能源短缺和全球氣候變暖等問題日益突出，在此背景下，我國提出了力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)[1]。國家發(fā)展改革委和國家能源局也在“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)中明確指出要建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)銜接，提升清潔能源消納能力[2-3]。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)內(nèi)部將多種形式的能源進(jìn)行耦合并聯(lián)合供應(yīng)，打破了電、熱、氣等傳統(tǒng)能源體系獨(dú)立運(yùn)營的壁壘[4]，使各能源在生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)有機(jī)協(xié)調(diào)[5]，有利于提高能源利用效率，降低能源使用成本，促進(jìn)新能源消納，對推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

氫能是一種具有高熱值、低污染、易儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換形式多樣等特點(diǎn)的清潔能源[6]，其可以與電能、天然氣、熱能等多種能源耦合互補(bǔ)，以此提高IES的能源利用靈活性，對實(shí)現(xiàn)IES低碳運(yùn)行和“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。目前對IES中氫能流的研究主要集中在制氫、氫轉(zhuǎn)氣、氫轉(zhuǎn)電熱和儲(chǔ)氫等方面。文獻(xiàn)[7-8]構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣(power-to-gas，P2G)技術(shù)的IES，促進(jìn)了風(fēng)光消納；文獻(xiàn)[9]在考慮P2G的基礎(chǔ)上細(xì)化了P2G的兩階段模型，引入電解槽、甲烷反應(yīng)器、氫燃料電池等設(shè)備，提高了IES的低碳經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[10-11]對P2G設(shè)備中的制氫環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化建模，細(xì)致分析了氫能利用機(jī)理和氫能利用環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換形式。上述文獻(xiàn)大多從能流分析與優(yōu)化的角度出發(fā)，研究氫能在IES中的運(yùn)用，但多數(shù)建模過程將氫能設(shè)備能量流轉(zhuǎn)換效率視為常數(shù)，忽略了實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)載功率等外在因素的影響，無法正確反映氫能各環(huán)節(jié)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況。

熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power，CHP)機(jī)組因具有低成本、高能源利用率、低污染、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，在IES中被廣泛利用。然而CHP機(jī)組運(yùn)行模式大多為“以熱定電”或“以電定熱”，其恒定熱電比往往很難實(shí)現(xiàn)電、熱負(fù)荷的最優(yōu)供給配置，難以同時(shí)滿足IES的電、熱需求，因此，現(xiàn)有研究提出了多種CHP解耦方式[12-13]。文獻(xiàn)[14]在傳統(tǒng)CHP機(jī)組中引入了有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rank cycle，ORC)來打破熱電耦合，將用電高峰時(shí)的部分余熱用于發(fā)電，從而靈活調(diào)節(jié)CHP熱電比；文獻(xiàn)[15]在電解制氫環(huán)節(jié)引入了儲(chǔ)氫罐，通過燃料電池和ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的耦合來改善熱電耦合性能。上述文獻(xiàn)大多對CHP機(jī)組中過剩的低溫余熱進(jìn)行回收利用，然而燃?xì)廨啓C(jī)所生產(chǎn)的熱多為中高溫余熱，具有變溫蒸發(fā)特性的卡琳娜循環(huán)(Kalina cycle system，KCS)在中高溫余熱回收方面有著更高的利用效率[16]。

碳排放權(quán)交易(carbon emission trading，CET)機(jī)制能夠優(yōu)化IES資源配置并促進(jìn)節(jié)能減排。文獻(xiàn)[17]在IES的優(yōu)化調(diào)度中考慮了CET機(jī)制，計(jì)及CET成本，通過優(yōu)化調(diào)度過程減少IES碳排放；文獻(xiàn)[15，18]提出了階梯式CET機(jī)制，進(jìn)一步減少IES碳排放；文獻(xiàn)[19-20]運(yùn)用生命周期評價(jià)(life cycle assessment，LCA)法分析IES中各能源流在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)的碳排放并納入優(yōu)化目標(biāo)。上述文獻(xiàn)所建立的IES碳排放模型大多不計(jì)及外部購能所包含的碳排放，或是采用宏觀統(tǒng)計(jì)法，利用固定的平均碳排放因子來計(jì)量外部購能的碳排放，無法準(zhǔn)確核算IES的碳足跡。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。首先，考慮系統(tǒng)中氫能設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行特性，對氫能設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化建模，在傳統(tǒng)CHP機(jī)組中引入KCS和電鍋爐，建立氫能和CHP設(shè)備的靈活輸出模型；然后，為對IES中全過程碳足跡進(jìn)行核算，引入碳排放流理論，通過基于碳排放流理論的節(jié)點(diǎn)碳勢對系統(tǒng)中外生碳足跡進(jìn)行核算，利用生命周期評價(jià)法計(jì)量系統(tǒng)中內(nèi)生碳足跡，并計(jì)算出階梯型碳交易機(jī)制下的碳交易成本；最后，以系統(tǒng)運(yùn)行總成本和碳交易成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。以一個(gè)典型的IES為算例進(jìn)行仿真分析，來驗(yàn)證本文所提的計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型的有效性和實(shí)用性。

1 計(jì)及靈活輸出模型的IES架構(gòu)

本文構(gòu)建的計(jì)及靈活輸出模型的IES架構(gòu)如圖1所示。IES涉及電、氣、熱、氫4種能源形式，系統(tǒng)與外部電網(wǎng)及氣網(wǎng)相連接，通過各多能耦合設(shè)備將各形式能源供應(yīng)給負(fù)荷，內(nèi)部主要包含風(fēng)電機(jī)組(wind turbine，WT)、光伏(photovoltaic，PV)、蓄電池(battery，BT)、電解槽(electrolytic，EL)、甲烷反應(yīng)器(methane reactor，MR)、氫燃料電池(hydrogen fuel cell，HFC)、儲(chǔ)氫罐(hydrogen tank，HT)、CHP、燃?xì)忮仩t(gas boiler，GB)、蓄熱槽(heat storage，HS)、儲(chǔ)氣罐(gas storage，GS)，CHP主要由燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)、余熱鍋爐(waste heat boiler，WHB)、KCS和電鍋爐(electric boiler，EB)構(gòu)成。

圖1 計(jì)及靈活輸出模型的IES架構(gòu)Fig.1 IES architecture with flexible output models

1.1 氫能設(shè)備靈活輸出模型

氫能具有高效、低碳、清潔等特性，且可以有效促進(jìn)風(fēng)光消納，是實(shí)現(xiàn)IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要組成部分。在IES中氫能流主要包含電解制氫環(huán)節(jié)、氫制甲烷環(huán)節(jié)、氫轉(zhuǎn)電-熱環(huán)節(jié)及儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)。

1.1.1 電解制氫環(huán)節(jié)

EL是IES的主要產(chǎn)氫設(shè)備，EL的產(chǎn)氫效率可用其消耗電功率的標(biāo)幺值的二次函數(shù)來近似表示[21]，其模型為：

(1)

1.1.2 氫制甲烷環(huán)節(jié)

MR是氫制甲烷環(huán)節(jié)的主要設(shè)備，其利用EL產(chǎn)出的氫氣與CO2反應(yīng)生成甲烷注入天然氣管道供應(yīng)給氣負(fù)荷，模型為：

(2)

1.1.3 氫轉(zhuǎn)電-熱環(huán)節(jié)

HFC將氫氣與氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能及熱能分別供應(yīng)給電、熱負(fù)荷，其可以直接消耗氫能，減少能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗，同時(shí)可發(fā)揮氫能燃燒不產(chǎn)生碳排放且燃燒效率高于天然氣的優(yōu)勢。HFC的發(fā)電效率和產(chǎn)熱效率可用其輸出電功率標(biāo)幺值的五次函數(shù)來近似表示[22]，其模型為：

(3)

1.1.4 儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)

HT在IES中主要為氫能設(shè)備提供氫能并儲(chǔ)存多余的氫能，其模型如下：

(4)

1.2 CHP熱電靈活輸出模型

傳統(tǒng)的CHP機(jī)組有“以熱定電”和“以電定熱”2種運(yùn)行模式。CHP機(jī)組中GT以恒定的熱電比輸出，在產(chǎn)生熱(電)的同時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生電(熱)，而CHP的恒定熱電比難以匹配電、熱負(fù)荷的變化，只能以發(fā)熱(電)量的大小來確定發(fā)電(熱)量[23]。為此，本文在CHP機(jī)組中引入KCS和EB，將其與GT和WHB相結(jié)合，建立CHP靈活輸出模型，打破熱電耦合，從而實(shí)現(xiàn)IES電、熱靈活響應(yīng)。

1.2.1 GT模型

(5)

1.2.2 WHB模型

(6)

1.2.3 KCS模型

(7)

1.2.4 EB模型

(8)

1.2.5 GT電、熱功率傳輸模型

GT電功率流向EB及系統(tǒng)電負(fù)荷，GT熱功率流向WHB及KCS。

(9)

式中：Pnet，t為t時(shí)段GT流向系統(tǒng)電負(fù)荷的功率。

1.2.6 CHP電、熱輸出模型

(10)

2 計(jì)及全過程碳足跡的碳交易機(jī)制模型

IES的全過程碳足跡包括外生碳足跡和內(nèi)生碳足跡2個(gè)部分[24]。外生碳足跡即IES汲取自外部電網(wǎng)或氣網(wǎng)的能流對應(yīng)的碳足跡；內(nèi)生碳足跡是指IES內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的碳排放足跡，主要碳排放源包括CHP機(jī)組、風(fēng)光機(jī)組、氫能設(shè)備和儲(chǔ)能裝置等。

2.1 外生碳足跡

在當(dāng)前研究中，大多不計(jì)及外購能源所蘊(yùn)含的碳排放，或是采用宏觀統(tǒng)計(jì)法，利用固定的平均碳排放因子來計(jì)量外部購能的碳排放，無法準(zhǔn)確核算IES的碳足跡。因此，本文引入碳排放流理論，通過基于碳排放流理論的節(jié)點(diǎn)碳勢對系統(tǒng)中外生碳足跡進(jìn)行核算。

根據(jù)碳排放流相關(guān)定義[25-27]，IES外購的電能和天然氣的碳排放量為：

(11)

2.2 內(nèi)生碳足跡

IES除向外部電網(wǎng)、氣網(wǎng)購能產(chǎn)生外生碳排放外，還有內(nèi)部機(jī)組日常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)生碳排放，本文采用LCA法對IES中燃?xì)鈾C(jī)組、風(fēng)電光伏機(jī)組、氫能設(shè)備和儲(chǔ)能裝置在生產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)輸、運(yùn)維等整個(gè)生命周期所產(chǎn)生的碳足跡進(jìn)行核算。

a)風(fēng)光機(jī)組。由于風(fēng)電、光伏等新能源機(jī)組在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的碳排放極少，可以忽略不計(jì)[19]，故風(fēng)光機(jī)組的LCA能量循環(huán)碳排放可分為生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸2個(gè)階段。關(guān)于風(fēng)電光伏機(jī)組的LCA能量循環(huán)碳排放已有較多文獻(xiàn)研究，本文參考文獻(xiàn)[28]，風(fēng)、光機(jī)組的LCA碳排放系數(shù)δWT、δPV分別取9.5 g/kWh、86 g/kWh。

b)氫能設(shè)備機(jī)組。IES中氫能設(shè)備主要由EL、MR和HFC組成，設(shè)備的生產(chǎn)建設(shè)和出廠運(yùn)輸環(huán)節(jié)是LCA能量循環(huán)碳排放的主要來源。

EL的LCA碳排放特性為：

(12)

式中：δEL為EL每單位產(chǎn)氫量的實(shí)際總碳排放系數(shù)；δpEL、δtEL分別為EL在生產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)輸過程中每單位產(chǎn)氫量的碳排放系數(shù)；ηEL為在LCA統(tǒng)計(jì)中EL單位標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)氫量與能耗的換算系數(shù)；φpELi為EL生產(chǎn)建設(shè)過程中第i種材料的損耗系數(shù)；QpELi、VpELi分別為EL生產(chǎn)建設(shè)過程中第i種材料的碳排放強(qiáng)度、內(nèi)能值；QtELi、VtELi分別為EL運(yùn)輸環(huán)節(jié)中第i種燃料的碳排放強(qiáng)度、運(yùn)輸損耗值。

MR在IES中可吸收一部分CO2與氫氣反應(yīng)生成甲烷，同時(shí)參考文獻(xiàn)[29]，MR的LCA碳排放系數(shù)δMR為-136.4 g/kWh；HFC的LCA碳排放特性與EL類似，根據(jù)歐盟委員會(huì)報(bào)告[30]，HFC碳排放系數(shù)δHFC為29 g/kWh。

c)儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)前暫無針對熱能、天然氣和氫能的LCA碳排放計(jì)量的研究，故本文僅考慮電儲(chǔ)能的LCA碳排放。BT的LCA能量循環(huán)碳排放可分為生產(chǎn)建設(shè)和運(yùn)輸2個(gè)階段，即：

(13)

式中：δBT為BT的實(shí)際總碳排放系數(shù)；δpBT、δtBT為BT在生產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)輸過程中的碳排放系數(shù)；ηBT為在LCA統(tǒng)計(jì)中BT單位標(biāo)準(zhǔn)電量與能耗的換算系數(shù)；VpBTij、QpBTij分別為BT在生產(chǎn)建設(shè)過程中第i個(gè)階段第j種材料的能耗、碳排放強(qiáng)度；αj為生產(chǎn)建設(shè)過程中第j種材料的單位損耗系數(shù)；VtBTij、QtBTij分別為運(yùn)輸過程中第i種運(yùn)輸方式第j種燃料的能耗、碳排放強(qiáng)度。

采用LCA法對IES中內(nèi)生碳足跡進(jìn)行計(jì)量，得到IES內(nèi)生碳排放量

(14)

式中：Ω為IES內(nèi)設(shè)備集合；δi為IES中第i個(gè)設(shè)備的碳排放系數(shù)；Pi為IES中第i個(gè)設(shè)備的出力。

2.3 階梯式碳交易機(jī)制

碳排放配額系數(shù)參考國家有關(guān)部門下達(dá)的碳排放配額分配方案。當(dāng)前碳交易市場并未對儲(chǔ)能設(shè)備和氫能設(shè)備設(shè)置碳排放配額，故本文儲(chǔ)能設(shè)備和氫能設(shè)備無碳排放配額。

階梯式碳交易成本模型為：

(15)

式中：fc為IES碳交易成本；λc為碳交易基價(jià)；Er為實(shí)際總碳排放量；Ec為碳排放配額；d為碳排放區(qū)間長度；αc為碳交易價(jià)格增長因子。

3 IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提的計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型以24 h為調(diào)度區(qū)間、1 h為步長進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以IES總成本F最小構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，其中總成本包括碳交易成本、系統(tǒng)運(yùn)維成本和購能成本，碳交易成本見式(15)。

minF=fbuy+fom+fc，

(16)

(17)

(18)

式(16)—(18)中：fbuy、fom分別為IES購能成本、運(yùn)維成本；λi為系統(tǒng)中第i個(gè)設(shè)備的運(yùn)維成本；Pi，t為t時(shí)段第i個(gè)設(shè)備的功率；λe，t、λg，t分別為t時(shí)段的電價(jià)、天然氣價(jià)。

3.2 約束條件

3.2.1 設(shè)備運(yùn)行約束

氫能設(shè)備靈活輸出模型約束條件見式(1)—(4)，CHP靈活輸出模型約束條件見式(5)—(10)。IES內(nèi)其他能源轉(zhuǎn)換設(shè)備及儲(chǔ)能設(shè)備同樣需滿足包括輸出功率上、下限約束、爬坡率約束和儲(chǔ)能約束，具體為：

(19)

(20)

3.2.2 功率平衡約束

(21)

3.3 模型求解

本文所建立的計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型屬于混合整數(shù)非線性優(yōu)化模型，因此，本文在MATLAB環(huán)境下在Yalmip平臺(tái)建立優(yōu)化模型，并通過Yalmip工具箱調(diào)用IPOPT求解器進(jìn)行求解。

4 算例分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證本文所提的計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型的有效性和實(shí)用性，以1個(gè)典型的IES為例進(jìn)行仿真分析。對IES中1日24 h內(nèi)風(fēng)光出力和電、熱、氣負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測并繪制新能源出力與負(fù)荷預(yù)測曲線，如圖2所示。能源價(jià)格中，電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)計(jì)價(jià)方式，天然氣價(jià)取4.5元/m3，折算到元/kWh，按0.45元/kWh計(jì)算，具體價(jià)格見表1。

表1 分時(shí)電價(jià)與天然氣價(jià)Tab.1 Time-of-use electricity and gas prices

圖2 新能源出力與負(fù)荷預(yù)測曲線Fig.2 New energy output and load forecast curves

IES中各設(shè)備參數(shù)見表2。外購電能的碳排放密度如圖3所示，外購天然氣的碳排放密度不隨時(shí)間而變化，取560 g/kWh。采用LCA法對系統(tǒng)中各設(shè)備的碳排放系數(shù)整理歸一化至統(tǒng)一參數(shù)單位，IES各環(huán)節(jié)碳排放系數(shù)見表3。

表2 設(shè)備參數(shù)Tab.2 Equipment parameters

表3 系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備LCA碳排放系數(shù)Tab.3 LCA carbon emission coefficient of each device in the system

圖3 外購電能的碳排放密度曲線Fig.3 Carbon emission intensity of external input power

4.2 氫能設(shè)備靈活輸出模型分析

氫能運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，系統(tǒng)氫能全部來自于EL，耗氫設(shè)備主要為HFC和MR。氫能設(shè)備均在00：00—09：00和18：00—24：00時(shí)段運(yùn)行，而其他時(shí)間氫能設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，這是由于在00：00—04：00和24：00時(shí)段系統(tǒng)電負(fù)荷較低，熱負(fù)荷較高且電價(jià)處于低谷時(shí)段，EL全功率產(chǎn)出氫氣輸入到MR和HFC供應(yīng)氣負(fù)荷、電負(fù)荷和熱負(fù)荷；在05：00—9：00和18：00—23：00時(shí)段，氫能設(shè)備的出力隨著系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)光出力的變化而減少或增加；HT在03：00—07：00和24：00處于充能狀態(tài)并在00：00—02：00、08：00—09：00和18：00—19：00時(shí)段放氫以滿足HFC的用氫需求。

圖4 氫功率平衡圖Fig.4 Diagram of hydrogen power balance

4.3 熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備靈活輸出模型分析

本文在傳統(tǒng)CHP機(jī)組的基礎(chǔ)上引入KCS和EB，建立熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備靈活輸出模型，電、熱功率運(yùn)行結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 電功率平衡圖Fig.5 Diagram of electric power balance

由圖5、6可知，IES電負(fù)荷需求主要由外部購電、風(fēng)光出力和CHP機(jī)組共同滿足，IES熱負(fù)荷需求主要由HFC、CHP和GB共同供給。CHP機(jī)組主要在熱負(fù)荷高的夜間時(shí)段提供熱出力，在電負(fù)荷高的白天時(shí)段提供電出力，打破了“以熱定電”或“以電定熱”的限制，實(shí)現(xiàn)了熱、電靈活輸出。

CHP機(jī)組熱電出力情況如圖7所示，GT輸出的電、熱功率流向如圖8、9所示。結(jié)合圖7、8、9可知，在10：00—19：00時(shí)段，由于熱負(fù)荷較低且電負(fù)荷和電價(jià)較高，CHP機(jī)組完全充當(dāng)一個(gè)發(fā)電設(shè)備，GT生產(chǎn)的電能全部流向IES，GT生產(chǎn)的熱能全部輸入KCS供給系統(tǒng)電負(fù)荷；在00：00—07：00和23：00—24：00時(shí)段，由于電負(fù)荷較低且熱負(fù)荷較高，同時(shí)風(fēng)電出力充足，CHP機(jī)組完全充當(dāng)產(chǎn)熱設(shè)備，GT產(chǎn)生的熱能全部輸入WHB，GT產(chǎn)生的電能輸入EB供應(yīng)系統(tǒng)熱負(fù)荷；在08：00—09：00和20：00—22：00時(shí)段，CHP機(jī)組根據(jù)電、熱負(fù)荷情況，靈活調(diào)整電、熱輸出情況。

圖7 CHP機(jī)組出力情況Fig.7 Output of CHP unit

圖8 GT輸出的電功率流向Fig.8 Electric power flow direction of GT output

圖9 GT輸出的熱功率流向Fig.9 Thermal power flow direction of GT output

4.4 計(jì)及全過程碳足跡的碳交易機(jī)制模型分析

本文引入碳排放流理論，通過基于碳排放流理論的節(jié)點(diǎn)碳勢對IES中外生碳足跡進(jìn)行核算，利用LCA法對系統(tǒng)中氫能等設(shè)備建立能量循環(huán)碳排放模型，計(jì)算內(nèi)生碳排放量。IES碳排放比例和外生碳排放量分別如圖10、11所示。

圖10 IES碳排放比例Fig.10 Diagram of carbon emission ratio in IES

圖11 IES外生碳排放量Fig.11 Diagram of carbon emission in IES

由圖10、11可以看出，系統(tǒng)主要碳排放源自向外部購能的外生碳排放量，其中外購的天然氣中所蘊(yùn)含的碳排放量是外購電能的2.9倍。當(dāng)配電網(wǎng)碳勢較低時(shí)，IES向外網(wǎng)中購入高比例清潔能源電能，將其存儲(chǔ)或輸入氫能設(shè)備，此時(shí)IES中燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電量全部輸入EB以供給熱負(fù)荷；當(dāng)配電網(wǎng)中碳勢較高時(shí)，系統(tǒng)減少向外網(wǎng)購電，KCS將燃?xì)鈾C(jī)組所生產(chǎn)的熱能轉(zhuǎn)化為電能，BT將碳勢低時(shí)所存儲(chǔ)的高比例清潔能源電能放出以滿足系統(tǒng)電負(fù)荷。

5 結(jié)論

本文針對IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，提出了一種計(jì)及全過程碳足跡和靈活輸出模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，通過算例分析得到如下結(jié)論：

a)氫能設(shè)備精細(xì)化模型主要描述了EL和HFC的能源轉(zhuǎn)換效率問題，EL和HFC的能源轉(zhuǎn)換效率與輸入功率有關(guān)，同時(shí)氫能設(shè)備的出力隨系統(tǒng)負(fù)荷和風(fēng)光出力的變化而減少或增加，降低了棄風(fēng)棄光率，既提高了能源利用效率，又避免了資源的浪費(fèi)。

b)在傳統(tǒng)CHP機(jī)組中，通過引入KCS和EB構(gòu)造CHP靈活輸出模型來解除CHP的熱電耦合，打破了“以熱定電”或“以電定熱”的限制，實(shí)現(xiàn)了熱、電靈活輸出，提高了IES供能靈活性。

c)引入基于碳排放理論的節(jié)點(diǎn)碳勢對IES外購能源的外生碳足跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)量，同時(shí)通過LCA核算系統(tǒng)的內(nèi)生碳足跡，并利用階梯式碳交易有效約束IES的高碳排放行為，引導(dǎo)CHP機(jī)組靈活調(diào)整電、熱輸出比例，有利于兼顧IES的經(jīng)濟(jì)性、低碳性和供能靈活性。