張翰林,汪睿哲,劉友波,袁川,向月,劉俊勇

(1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都市 610065;2.浙江大學(xué)先進(jìn)電氣國際研究中心,浙江省海寧市 314400;3.國網(wǎng)四川省電力公司,成都市 610041)

0 引 言

當(dāng)今世界因碳排放造成的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。電力工業(yè)作為主要的碳排放路徑,目前已占中國能源活動(dòng)碳排放的40%左右[1-3],電力工業(yè)減碳問題迫在眉睫。我國于2020年提出了“雙碳”目標(biāo),目標(biāo)于2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。在“雙碳”的背景下,電網(wǎng)體系面臨著前所未有的巨大考驗(yàn)。

近年來對(duì)電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的相關(guān)研究大多從源側(cè)碳排放交易市場、荷側(cè)需求響應(yīng)手段開展。針對(duì)碳排放交易市場方面,引入發(fā)電商碳排放權(quán)交易機(jī)制可以促進(jìn)發(fā)電商主動(dòng)優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu),從而降低發(fā)電碳排。文獻(xiàn)[4]在含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中引入碳排放權(quán)交易機(jī)制,構(gòu)建了考慮低碳效益與經(jīng)濟(jì)效益的系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)的調(diào)度模型。同樣,碳排放權(quán)的價(jià)格變化同樣會(huì)影響機(jī)組調(diào)度結(jié)果,在一定范圍內(nèi),碳交易單價(jià)越高,高碳機(jī)組的出力越小,從而降低電力系統(tǒng)的總碳排量[5-11],文獻(xiàn)[12]研究了碳捕集電廠分流式與儲(chǔ)液式2種方式相結(jié)合的綜合靈活運(yùn)行方式,并將其加入到碳交易成本模型之中,通過碳捕集設(shè)備進(jìn)一步提高機(jī)組限碳效率。上述文獻(xiàn)均采用固定碳交易價(jià)格來計(jì)算碳市場成本,無法在“雙碳”目標(biāo)下對(duì)于系統(tǒng)全局碳排有更好的抑制作用。文獻(xiàn)[13-14]將階梯式碳交易機(jī)制引入綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中,將機(jī)組碳排放量分成多個(gè)區(qū)間,并對(duì)每個(gè)區(qū)間相應(yīng)制定不同的碳交易價(jià)格使得高碳排放機(jī)組的碳交易成本更高,從而使得低碳調(diào)度模型對(duì)系統(tǒng)碳排的抑制能力更強(qiáng)。此外,針對(duì)荷側(cè)需求響應(yīng)手段,文獻(xiàn)[15-22]結(jié)合分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)調(diào)整用電側(cè)負(fù)荷主動(dòng)響應(yīng),可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)“削峰填谷”,促進(jìn)風(fēng)電消納,降低總體碳排;同時(shí),需求側(cè)包含可調(diào)度多類型負(fù)荷的協(xié)調(diào)優(yōu)化,文獻(xiàn)[23]研究了柔性負(fù)荷概念對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度的影響,文獻(xiàn)[24-27]考慮將可中斷負(fù)荷加入需求響應(yīng)模型中,進(jìn)一步提升了需求側(cè)資源的多樣性,充分實(shí)現(xiàn)荷側(cè)多類型資源高效利用,以此達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放量之間雙向平衡的目標(biāo)。

對(duì)于電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量的計(jì)算方法目前主流還是根據(jù)能源消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),無法體現(xiàn)電網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)”特征。同時(shí)兼顧電力系統(tǒng)運(yùn)行及網(wǎng)絡(luò)特性的碳排放流理論提出有效地將碳排以“碳流”的形式在電網(wǎng)中的分布清晰展現(xiàn)[28-30],理論中提出的碳勢指標(biāo)等價(jià)于節(jié)點(diǎn)消費(fèi)單位電量所造成的等效碳排放責(zé)任量,可以用于衡量在該節(jié)點(diǎn)消費(fèi)電力所產(chǎn)生的碳排放量。借由節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo),文獻(xiàn)[31]構(gòu)建了一種考慮碳流追蹤和碳排放程度評(píng)級(jí)的雙層電力消費(fèi)綠色責(zé)任證書分配模型計(jì)算各用戶分區(qū)的最優(yōu)碳排限額,在提高系統(tǒng)能源利用率及節(jié)能減排方面取得了一定成果。文獻(xiàn)[32]借由節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo)建立了雙層低碳調(diào)度模型,通過分時(shí)電價(jià)和節(jié)點(diǎn)碳勢引導(dǎo)柔性負(fù)荷進(jìn)行需求響應(yīng),實(shí)現(xiàn)電-碳市場的有效耦合,對(duì)于電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

綜上所述,上述文獻(xiàn)考慮了碳排放交易市場,荷側(cè)需求響應(yīng)手段對(duì)電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響,但目前相關(guān)研究集中于源側(cè)角度實(shí)施低碳策略,荷側(cè)降碳手段單一且源荷兩側(cè)低碳手段缺乏有效互動(dòng)。鮮有通過碳排放流理論對(duì)全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)碳排放進(jìn)行實(shí)時(shí)感知,并利用節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo)對(duì)源荷雙側(cè)進(jìn)行低碳耦合,引導(dǎo)多類型負(fù)荷需求響應(yīng)。在“雙碳“目標(biāo)的背景下,研究碳排放流特性并有效耦合源荷側(cè)多種低碳手段,從而提高系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)效益,成為現(xiàn)階段亟需攻堅(jiān)克難的一項(xiàng)課題。

鑒于此,本文在基于節(jié)點(diǎn)碳勢引導(dǎo)多類型負(fù)荷需求響應(yīng)的荷側(cè)減碳手段上,同時(shí)利用節(jié)點(diǎn)碳勢選擇對(duì)源側(cè)高碳機(jī)組加入碳捕集設(shè)備,并對(duì)源荷側(cè)進(jìn)行碳排放責(zé)任歸算、制定區(qū)別負(fù)荷類型的碳排約束,將節(jié)點(diǎn)碳勢作為工具耦合源荷側(cè)低碳手段。通過加入碳捕集、多類型需求響應(yīng)、源荷碳排約束更加針對(duì)性地實(shí)行源荷側(cè)聯(lián)動(dòng)節(jié)能減排的措施,構(gòu)建考慮源荷碳勢耦合的電力系統(tǒng)雙層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)源荷側(cè)多重低碳手段聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)多類型負(fù)荷針對(duì)性低碳經(jīng)濟(jì)細(xì)化,促進(jìn)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展,為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供理論支撐。

1 基于碳排放流理論的指標(biāo)

1.1 碳排放流定義及計(jì)算方法

電網(wǎng)碳排由于電力資源的消納特點(diǎn),往往具有“異地碳排”的特征,即負(fù)荷用電本身不產(chǎn)生碳排,而電能生產(chǎn)往往伴隨采用煤炭等不可再生能源發(fā)電所產(chǎn)生二氧化碳排放。因此,為了對(duì)負(fù)荷側(cè)碳排進(jìn)行更加準(zhǔn)確的追蹤,需要引入電力系統(tǒng)碳排放流理論實(shí)現(xiàn)對(duì)于從發(fā)電側(cè)到負(fù)荷側(cè)的碳排放分量追蹤,以達(dá)到碳排溯源的效果,如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)碳排放流和潮流示意圖Fig.1 Schematic diagram of power system carbon emission flow and power flow

1)碳流率。

碳流率(carbon emission flow rate, CEFR)意義是在單位時(shí)間內(nèi)通過節(jié)點(diǎn)或支路的能量流所對(duì)應(yīng)的碳排放量,用R來表示,單位為t/h。

(1)

式中:C為碳排放量;t為時(shí)間。

2)碳流密度。

碳流密度(carbon intensity, CI)表示電力系統(tǒng)中

單位電量對(duì)應(yīng)的碳排放量,碳流密度同時(shí)包括了發(fā)電機(jī)碳排放強(qiáng)度、支路碳流密度2個(gè)概念[33],單位均為t/(MW·h)。

其中,發(fā)電機(jī)碳排放強(qiáng)度定義為發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的實(shí)時(shí)發(fā)電碳排放強(qiáng)度,根據(jù)機(jī)組發(fā)電特性得出,用QG表示。

支路碳流密度指電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)支路傳輸單位電量所造成的的碳排放值,即為支路碳流率與該支路流過的有功潮流的比值,用ρ來表示。

(2)

式中:P為流過支路的有功潮流。

3)節(jié)點(diǎn)碳勢。

節(jié)點(diǎn)碳勢(nodal carbon intensity, NCI)[24]定義為流入節(jié)點(diǎn)的支路碳流之和與流過該節(jié)點(diǎn)的功率之比,表示為節(jié)點(diǎn)消費(fèi)單位電能所產(chǎn)生的等效于發(fā)電側(cè)的碳排放量,數(shù)值上等于所有流入該節(jié)點(diǎn)的支路碳流密度關(guān)于其有功潮流的加權(quán)平均,單位為t/(MW·h)。在表達(dá)上用e表示,節(jié)點(diǎn)i的碳勢ei可表示為:

(3)

式中:Pi為注入節(jié)點(diǎn)i的功率;ρi為注入節(jié)點(diǎn)i的支路碳流密度;PGi為節(jié)點(diǎn)i發(fā)電機(jī)的輸出功率;eGi為節(jié)點(diǎn)i發(fā)電機(jī)的碳勢;I為與此節(jié)點(diǎn)相連的注入功率的支路數(shù)量。

得到節(jié)點(diǎn)碳勢后就可以計(jì)算負(fù)荷節(jié)點(diǎn)i碳排放責(zé)任分?jǐn)偭?

(4)

式中:Ei為節(jié)點(diǎn)i的碳排放責(zé)任分?jǐn)偭俊?/p>

通過碳排放流理論,可以根據(jù)電力潮流、發(fā)電側(cè)出力、機(jī)組碳排放強(qiáng)度等基礎(chǔ)指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的碳排放流分布情況,包括各節(jié)點(diǎn)的碳勢以及支路碳流密度等,基于碳勢指標(biāo)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的碳排分?jǐn)偭?有效地將碳排放責(zé)任從發(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)移分?jǐn)偟接脩魝?cè),從而有針對(duì)性地對(duì)高碳勢節(jié)點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┑吞继幚泶胧?/p>

1.2 碳捕集設(shè)備相關(guān)影響

1)碳捕集運(yùn)行原理及出力特性。

碳捕集的運(yùn)行過程可簡化為吸收、再生、壓縮3個(gè)部分。碳捕集設(shè)備的能耗主要包括固定能耗與運(yùn)行能耗,所以出力和能耗特性可表示為:

(5)

2)基于碳勢指標(biāo)的針對(duì)性降碳措施。

對(duì)于加入碳捕集機(jī)組選擇需要計(jì)算碳排放流理論中的節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo)。假設(shè)電力系統(tǒng)具有N個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的碳勢為ei,則節(jié)點(diǎn)碳勢向量INod可表示為:

(6)

節(jié)點(diǎn)碳勢向量的計(jì)算式為:

(7)

式中:PNod為節(jié)點(diǎn)有功通量矩陣;PB為支路潮流分布矩陣;PG,in為機(jī)組注入分布矩陣;QG為發(fā)電機(jī)組碳排強(qiáng)度矩陣。

借由碳排放流理論計(jì)算電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo);隨后在高節(jié)點(diǎn)碳勢區(qū)域的燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)設(shè)置碳捕集設(shè)備,從而降低全局碳勢,降低系統(tǒng)碳排。

2 碳市場交易模型

碳交易市場機(jī)制是目前主流的提高電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)效益的市場機(jī)制,通過對(duì)制定的碳排放權(quán)進(jìn)行交易來從源側(cè)限制系統(tǒng)碳排放量。

2.1 碳交易配額

本文發(fā)電側(cè)機(jī)組碳排放量采用排放限額與發(fā)電量成正比的固定碳排因子來進(jìn)行計(jì)算,發(fā)電機(jī)組的碳排放量可表示為:

E(i,t)=QGPGi,t

(8)

式中:E(i,t)為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組在第t時(shí)段內(nèi)的碳排放總量;PGi,t為發(fā)電機(jī)組在t時(shí)段的有功出力。

其中,經(jīng)碳捕集改造后的火電機(jī)組碳排放量為:

E′(i,t)=E(i,t)-Eb,t

(9)

式中:E′(i,t)為經(jīng)碳捕集改造后的火電機(jī)組在t時(shí)段的凈碳排放量;Eb,t為碳捕集設(shè)備捕獲的碳排放量。對(duì)于不同發(fā)電機(jī)組,其配額與其輸出功率以及配額系數(shù)有關(guān):

Ec=ηhPGi,t

(10)

式中:Ec為給定的機(jī)組碳配額;ηh為碳排放配額系數(shù)。

2.2 階梯式碳交易市場模型

(11)

式中:ρ2為碳交易價(jià)格的初始值;p為碳交易模型中機(jī)組碳排放的區(qū)間長度,考慮本文提出系統(tǒng)實(shí)際機(jī)組出力情況,區(qū)間長度取值為25 t;γ為碳交易價(jià)格的增長幅度,本文取10%;

相比于固定碳價(jià)的傳統(tǒng)碳交易模式,階梯式碳交易模型由于存在碳價(jià)分段點(diǎn),使得在同等系統(tǒng)收益下相較于傳統(tǒng)碳交易模型,階梯式碳交易模型對(duì)發(fā)電機(jī)組碳排量的抑制能力更強(qiáng),有利于系統(tǒng)全局碳排的有效控制。

3 考慮源-荷碳勢耦合的雙層調(diào)度模型

在階梯碳交易市場模型的基礎(chǔ)上,對(duì)日前調(diào)度階段進(jìn)行雙層建模,對(duì)于上層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型而言,調(diào)度的各機(jī)組出力結(jié)果可通過碳排放流方法轉(zhuǎn)化成各節(jié)點(diǎn)碳勢指標(biāo),利用碳勢計(jì)算負(fù)荷側(cè)節(jié)點(diǎn)的碳排放責(zé)任量,將傳統(tǒng)的源側(cè)碳排放量有效地分?jǐn)偟礁髫?fù)荷節(jié)點(diǎn),通過多類型的負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷分布,將響應(yīng)后的負(fù)荷量重新代入上層調(diào)度模型并通過碳勢指標(biāo)進(jìn)行源荷雙側(cè)的碳排約束,獲得系統(tǒng)的最優(yōu)日前調(diào)度決策。

通過碳勢將電-碳市場責(zé)任分?jǐn)倷C(jī)制、上層調(diào)度模型與下層需求響應(yīng)模型有效耦合起來,構(gòu)建一個(gè)能滿足多類型負(fù)荷低碳需求的調(diào)度模型,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)針對(duì)性降碳的效果。

考慮到風(fēng)電場站發(fā)電功率波動(dòng)性大的特點(diǎn),本文基于某地區(qū)實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)和歷史風(fēng)速預(yù)測數(shù)據(jù),利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(numerical weather prediction,NWP)方法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測,NWP方法基礎(chǔ)定義及計(jì)算方法和公式推導(dǎo)部分詳見文獻(xiàn)[34]。

3.1 多類型負(fù)荷需求響模型

由于工業(yè)負(fù)荷與居民負(fù)荷用戶可以在整體不影響生產(chǎn)計(jì)劃和生活需求的前提下在一定時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷達(dá)到整體調(diào)度時(shí)段負(fù)荷削峰填谷的目的,本文上述兩類負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)的實(shí)施通過負(fù)荷側(cè)碳價(jià)為價(jià)格信號(hào),基于分段碳價(jià)的制定實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移,實(shí)施后,工業(yè)、居民負(fù)荷用戶每個(gè)時(shí)段的負(fù)荷可表示為:

Ptri,t=Pexp,t+Pdr,t

(12)

式中:Ptri,t為t時(shí)段響應(yīng)后的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值;Pexp,t為t時(shí)段響應(yīng)前的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷值;Pdr,t為t時(shí)段負(fù)荷的響應(yīng)值。

稻苞蟲又叫卷葉蟲，常常幾年發(fā)生一次，導(dǎo)致水稻大幅度減產(chǎn)。成蟲為赤褐色的蝴蝶，幼蟲危害水稻，稻葉被害后，殘缺斷落，嚴(yán)重時(shí)僅留葉脈，稻叢象刷鍋帚一樣。特別是水稻孕穗期被害后，幼蟲吐絲把稻葉綴合在一起，形成稻穗卷曲，無法出穗，影響產(chǎn)量。

上述2種類型負(fù)荷在進(jìn)行需求響應(yīng)時(shí)應(yīng)滿足以下2個(gè)約束條件:1)用戶在一個(gè)完整調(diào)度周期內(nèi)用電總量保持不變;2)用戶在每個(gè)調(diào)度時(shí)段的轉(zhuǎn)移負(fù)荷量不能超過可允許的最大范圍值。考慮到本文實(shí)際情況,需求響應(yīng)量變化范圍為該時(shí)段預(yù)測負(fù)荷的[-12.5%,+7.5%]。需求響應(yīng)模型約束可以表示為:

(13)

-0.125Pexp,t≤Pdr,t≤0.075Pexp,t

(14)

對(duì)于工業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷類型,進(jìn)行碳價(jià)需求響應(yīng)后的碳排放量可表示為:

(15)

對(duì)于商業(yè)負(fù)荷諸如大型商場、學(xué)校、醫(yī)院場所,由于自身行業(yè)限制,本文將其歸類于剛性負(fù)荷,轉(zhuǎn)移負(fù)荷能力差,很難利用分時(shí)碳價(jià)進(jìn)行負(fù)荷的轉(zhuǎn)移,在實(shí)際運(yùn)行中可通過向該類負(fù)荷用戶發(fā)布負(fù)荷削減指令使該用戶根據(jù)自身情況進(jìn)行響應(yīng)削減一部分負(fù)荷并獲得響應(yīng)補(bǔ)償,負(fù)荷削減模型可表示為:

Pcut,t≤Pcut,t,max

(16)

t∈Tcut

(17)

Pcut,t,max≤0.1Pexp,i,t

(18)

式中:Pcut,t為t時(shí)段商業(yè)負(fù)荷削減量;Pcut,t,max為t時(shí)段可削減量最大值;Tcut為可削減時(shí)段集合,對(duì)于可削減時(shí)段,設(shè)置t時(shí)段中可削減量最大值不超過該時(shí)段負(fù)荷Pexp,i,t的10%。

對(duì)于商業(yè)負(fù)荷類型,進(jìn)行響應(yīng)時(shí)段負(fù)荷削減后的碳排放量可表示為:

(19)

3.2 上層低碳經(jīng)濟(jì)機(jī)組調(diào)度模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)度模型主要考慮系統(tǒng)成本最低,將碳交易市場以及碳捕集系統(tǒng)加入模型后,模型還需考慮碳捕集運(yùn)行成本與碳交易成本。同時(shí)為了提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力,本文同時(shí)在系統(tǒng)成本中加入棄風(fēng)懲罰成本,故上層調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)可表示為:

min(CZ+CH+CK+CW+Cq+F1)

(20)

式中:CZ為碳捕集運(yùn)行成本;CH為火電機(jī)組發(fā)電成本;CK為火電機(jī)組的啟停機(jī)成本;CW為風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電成本;Cq為系統(tǒng)棄風(fēng)懲罰成本;F1為碳交易成本。

(21)

3.2.2 約束條件

1)在直流潮流計(jì)算中,線路潮流流量的基本形式為:

Pij=(θi-θj)/bij

(22)

式中:Pij為線路i-j上的潮流量;θi、θj分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的電壓相角;bij為線路導(dǎo)納。故本文中模型直流潮流約束可表示為:

(23)

2)發(fā)電機(jī)出力上下限約束。

(24)

3)火電機(jī)組爬坡約束。

(25)

4)系統(tǒng)的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束。

(26)

5)源荷平衡等式約束。

(27)

6)碳捕集約束。

考慮系統(tǒng)中加入碳捕集設(shè)備的高碳燃煤機(jī)組,其機(jī)組的碳捕集約束為:

(28)

7)火電機(jī)組啟停機(jī)約束。

(29)

8)源-荷碳勢約束。

為了使源荷雙側(cè)減少對(duì)高碳排放強(qiáng)度機(jī)組的依賴,利用碳勢控制的方法,在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中加入源-荷雙側(cè)計(jì)及多類型負(fù)荷的碳排約束,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于源-荷雙側(cè)碳排放量的限制。不同節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷類型占比存在差異,不同負(fù)荷類型的碳排限制程度也不同:

0

(30)

(31)

關(guān)于負(fù)荷側(cè)碳排約束上限的制定,具體方案為:利用碳排放流理論計(jì)算在傳統(tǒng)最優(yōu)潮流下各節(jié)點(diǎn)分?jǐn)偟奶寂欧帕繑?shù)值Emax,在此基礎(chǔ)上,對(duì)于不同分區(qū)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷分別設(shè)置碳排上限:

EIP,max=Emax(1-RIP)

(32)

ECP,max=Emax(1-RCP)

(33)

ERP,max=Emax(1-RRP)

(34)

式中:RIP、RCP、RRP分別為工業(yè)、商業(yè)、居民負(fù)荷的碳排下降比例,以百分比來表示。國務(wù)院頒布的《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》文件中指出,到2025年前,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放同比下降18%,每年單位電量產(chǎn)生的碳排需要降低3.6%,基于文獻(xiàn)[35]中的方法,考慮公平及效率原則以及可持續(xù)性原則最終得到RIP=4.9%、RCP=3.7%、RRP=1.4%。

利用式(30)、(31),可以使碳流在系統(tǒng)中合理分布,避免出現(xiàn)某一負(fù)荷分類具有高碳流密度的情況,有效控制了源荷雙側(cè)的碳排量。

3.3 下層多類型需求響應(yīng)模型

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文經(jīng)上層模型得到發(fā)電機(jī)組在碳交易市場下的啟停計(jì)劃與機(jī)組出力,并將數(shù)據(jù)送到下層模型;通過碳排放流方法計(jì)算出當(dāng)前發(fā)電計(jì)劃中各節(jié)點(diǎn)的碳勢及碳排量,在下層中,以負(fù)荷側(cè)碳價(jià)為價(jià)格信號(hào)考慮多負(fù)荷類型進(jìn)行需求響應(yīng),將響應(yīng)后的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷量代入上層調(diào)度模型,重復(fù)上述步驟直到系統(tǒng)用戶碳責(zé)任分?jǐn)偭坎辉僮兓癁橹?。下層需求響?yīng)低碳調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為用戶碳排放責(zé)任成本與多類型需求響應(yīng)成本之和最小,目標(biāo)函數(shù)可表示為:

min{Cdr+Ccut+Clp}

(35)

式中:Cdr為工業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點(diǎn)碳價(jià)需求響應(yīng)成本;Ccut為商業(yè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)削減負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用;Clp為碳排放責(zé)任成本。

(36)

式中:G為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)量;GIP、GCP、GRP分別為工業(yè)、商業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù)量;cdr為工業(yè)和居民負(fù)荷需求響應(yīng)單位負(fù)荷量成本價(jià)格;ccut為商業(yè)居民負(fù)荷削減單位負(fù)荷量補(bǔ)償成本;σt為t時(shí)段負(fù)荷側(cè)的碳交易價(jià)格。

3.3.2 約束條件

下層模型的約束條件包括商業(yè)負(fù)荷可削減負(fù)荷量和工業(yè)、居民負(fù)荷響應(yīng)時(shí)移負(fù)荷量的規(guī)定時(shí)間與容量上下限,具體約束式為式(13)、(14),式(16)—(18)。

3.4 雙層模型求解流程

本文所構(gòu)建的雙層電力系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度模型的求解流程如圖2所示,求解步驟為:

1)首先輸入機(jī)組節(jié)點(diǎn)參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、碳交易分段價(jià)格等算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù);

2)求解上層低碳經(jīng)濟(jì)機(jī)組調(diào)度模型,得到機(jī)組調(diào)度周期內(nèi)出力以及各線路傳輸?shù)挠泄β蕯?shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳至下層需求響應(yīng)模型,利用碳排放流方法計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)碳勢以及負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量;

3)根據(jù)制定的負(fù)荷側(cè)分時(shí)碳價(jià)以及上層調(diào)度結(jié)果得到的各節(jié)點(diǎn)碳排放責(zé)任量,求解負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任成本;

4)進(jìn)入下層需求響應(yīng)低碳調(diào)度模型,求解優(yōu)化后的負(fù)荷量;

5)將優(yōu)化后的負(fù)荷量重新代入上層模型中重新進(jìn)行日前調(diào)度,重復(fù)上述過程直至2次流程之間負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量之差小于臨界值ε=0.02 MW時(shí),輸出最優(yōu)調(diào)度方案。

4 算例分析

本節(jié)以改進(jìn)后的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,利用CPLEX求解器對(duì)雙層調(diào)度模型進(jìn)行求解。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工商業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示,具體負(fù)荷分類節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷量按照國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配。分別在節(jié)點(diǎn)2、13處引入燃?xì)饣痣姍C(jī)組,節(jié)點(diǎn)8引入風(fēng)電機(jī)組,風(fēng)電場的相關(guān)風(fēng)速參數(shù)參考文獻(xiàn)[36]。為驗(yàn)證本文所提模型的合理性,負(fù)荷取時(shí)間步長為1 h。結(jié)合1天24 h的動(dòng)態(tài)優(yōu)化結(jié)果對(duì)本文提出的雙層調(diào)度模型進(jìn)行研究。節(jié)點(diǎn)負(fù)荷分布見表1。

表1 系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)具體分布Table 1 Specific distribution of system load nodes

圖3 改進(jìn)的IEEE 30系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of the improved IEEE 30 partition system

4.1 風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)[21]方法對(duì)1 000組風(fēng)電預(yù)測場景按照置信度區(qū)間進(jìn)行削減,不同置信度水平下多場景風(fēng)電預(yù)測情況如圖4所示。由圖4可知,隨著可信度增加,削減后剩下的風(fēng)電場景個(gè)數(shù)減少,當(dāng)置信度取0.90、0.95、0.99時(shí),分別得到削減后的9組、3組、1組風(fēng)電場景。

圖4 不同置信度下風(fēng)電功率預(yù)測情況Fig.4 Prediction of wind power with diffierent confidence levels

當(dāng)置信度取0.99時(shí),得到唯一可信度最高的風(fēng)電場景,因此將該場景作為典型風(fēng)電場景。負(fù)荷量及置信度0.99的風(fēng)電日前預(yù)測出力詳見附錄圖A1。

4.2 調(diào)度結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略能夠有效降低全局碳排、提高風(fēng)電消納水平以及降低系統(tǒng)綜合成本,本文首先在基于碳勢指標(biāo)選取碳勢較高的G1、G3設(shè)置碳捕集的前提下,設(shè)置3個(gè)不同場景來驗(yàn)證模型的有效性?；痣姍C(jī)組參數(shù)見附錄表B1。

場景A：本文提出的考慮源荷兩側(cè)碳勢耦合的電力系統(tǒng)雙層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度;

場景B：未考慮多類型需求響應(yīng)模型的電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度;

場景C：未考慮源荷碳排約束的雙層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

通過經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本與碳排放量2個(gè)維度對(duì)上述場景進(jìn)行對(duì)比,系統(tǒng)具體調(diào)度結(jié)果及各場景風(fēng)電消納率如表2及圖5、6所示。

表2 各場景調(diào)度結(jié)果Table 2 Scheduling results of different scenarios

圖5 不同場景下機(jī)組出力及棄風(fēng)功率對(duì)比Fig.5 Comparison of unit output and abandoned wind power under different scenarios

從圖5各場景調(diào)度結(jié)果對(duì)比可以看出,在調(diào)度時(shí)段中,各場景碳排放量的差異主要集中在兩方面:1)清潔能源風(fēng)電消納水平?jīng)Q定了被替代的火電機(jī)組出力大小,風(fēng)電消納率越高,火電出力越少,碳排量越少;2)高碳火電機(jī)組出力越少,碳排量越少。

1)有無多類型需求響應(yīng)對(duì)調(diào)度結(jié)果影響分析。

本文提出的第二階段需求響應(yīng)低碳模型基于負(fù)荷側(cè)分時(shí)碳價(jià)制定負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偟奶寂欧懦杀疽约肮I(yè)、居民可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和商業(yè)可削減負(fù)荷,考慮到如何讓用戶側(cè)更積極地參與低碳市場,本文將負(fù)荷側(cè)碳價(jià)按照一天時(shí)段分成峰平谷3個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段類型對(duì)應(yīng)時(shí)段以及負(fù)荷側(cè)碳排放價(jià)格、可削減商業(yè)負(fù)荷補(bǔ)償價(jià)格及可調(diào)度時(shí)段見附錄表B2—B4。

通過對(duì)表2中場景A、B調(diào)度結(jié)果的比較看出,在均考慮碳交易市場的情況下,場景A考慮多類型需求響應(yīng)模型后,系統(tǒng)運(yùn)行成本為297.84萬元,減少7.38%,調(diào)度周期內(nèi)碳交易成本下降10.1%,碳排放量約減少831.8 t,同時(shí)通過圖6中不同場景下風(fēng)電消納率的對(duì)比可以看出,多類型需求響應(yīng)提高了碳交易機(jī)制對(duì)于系統(tǒng)的低碳激勵(lì)作用,分時(shí)負(fù)荷側(cè)碳價(jià)信號(hào)引導(dǎo)用戶自覺進(jìn)行低碳用電行為,從而降低了棄風(fēng)量、系統(tǒng)碳排以及系統(tǒng)運(yùn)行成本,說明本文提出的多類型需求響應(yīng)模型可以提高電網(wǎng)在碳交易機(jī)制下的低碳經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 不同場景下風(fēng)電消納率對(duì)比Fig.6 Comparison of wind power consumption rates under different scenarios

考慮需求響應(yīng)前后系統(tǒng)負(fù)荷變化曲線對(duì)比如圖7所示。由圖7可知,電力負(fù)荷在午高峰、晚高峰2個(gè)時(shí)段削減了部分商業(yè)負(fù)荷,同時(shí)以負(fù)荷側(cè)碳排放價(jià)格為價(jià)格信號(hào)的需求響應(yīng)模型將部分峰時(shí)負(fù)荷量轉(zhuǎn)移到低谷,達(dá)到負(fù)荷側(cè)“削峰填谷”的作用。未加入需求響應(yīng)的調(diào)度結(jié)果顯示在11:00—20:00負(fù)荷高峰時(shí)段,碳捕集機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組與風(fēng)電機(jī)組凈出力已達(dá)到上限,高成本高碳排的燃煤火電機(jī)組迫不得已出力補(bǔ)足負(fù)荷缺口,造成系統(tǒng)發(fā)電成本與碳排量上升。經(jīng)過需求響應(yīng)之后,高峰缺口的部分負(fù)荷通過轉(zhuǎn)移和削減2種手段集中到05:00—10:00以及20:00—23:00谷時(shí)時(shí)段,此時(shí)段處于分時(shí)碳價(jià)的谷平時(shí)碳價(jià),負(fù)荷由低成本低碳排的碳捕集機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組以及無碳排風(fēng)電機(jī)組出力供給,達(dá)到了同時(shí)減排以及降低運(yùn)行成本的作用。

圖7 需求響應(yīng)前后負(fù)荷對(duì)比Fig.7 Load comparison before and after demand response

2)有無源荷碳排約束對(duì)于調(diào)度結(jié)果的影響。

考慮源荷碳排約束前后各分區(qū)碳排量、總碳排量以及系統(tǒng)風(fēng)電消納率對(duì)比如表3所示。

表3 不同場景下各分區(qū)碳排量對(duì)比Table 3 Comparison of carbon emissions by partition under different scenarios

從表3可以看出,相較于場景C,場景A在考慮源荷碳排約束后新能源機(jī)組得到充分利用;系統(tǒng)風(fēng)電消納率提高了2.38%,碳排量下降了242.9 t,達(dá)到9.57%。同時(shí)通過分區(qū)負(fù)荷針對(duì)性的碳排約束,使得在3種類型區(qū)域中工業(yè)地區(qū)的碳排量得到了最大的限制,達(dá)到13.36%,符合“雙碳”目標(biāo)下工商業(yè)區(qū)限碳的優(yōu)先級(jí)要求[8]。

圖8和表4進(jìn)一步對(duì)比了系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)在引入源荷碳排約束后的碳勢分布情況。在負(fù)荷高峰時(shí)段,2種場景下的碳勢均有一定程度的提升,但引入源荷碳排約束的場景A全局碳勢相比場景C下降了5.5%,尤其是碳勢較高的工業(yè)地區(qū)節(jié)點(diǎn),碳勢下降程度更大,達(dá)到8.32%。場景C的節(jié)點(diǎn)碳勢最高可達(dá)0.98 t/(MW·h),調(diào)度場景A下的節(jié)點(diǎn)碳勢高峰明顯較低,說明本文所提出的碳排約束有利于削減市場碳高峰,實(shí)現(xiàn)電力市場低碳態(tài)勢均衡及效益優(yōu)化。

表4 不同場景下系統(tǒng)碳勢對(duì)比Table 4 Comparison of system carbon potential under different scenarios t/(MW·h)

4.3 敏感度分析

影響系統(tǒng)碳排變化以及系統(tǒng)總運(yùn)行成本的因素主要包括碳交易單價(jià)的變化及模型源荷碳排約束量等。在場景A模型的基礎(chǔ)上,分析包括碳交易單價(jià)以及源荷碳排約束量的變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放量的影響,如圖9所示。

圖9 碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)成本及碳排的影響Fig.9 Impact of carbon trading price on system cost and carbon emission

由圖9可以看出,碳交易價(jià)格增加幅度在30%以內(nèi)時(shí),碳排放量大幅減少,最多達(dá)到298.4 t,而總發(fā)電成本有微弱的上升趨勢,這是因?yàn)殡娋W(wǎng)從碳交易中獲取的收益不足以彌補(bǔ)在調(diào)度低碳機(jī)組而造成的發(fā)電成本增加。而當(dāng)碳交易價(jià)格增加40%以上時(shí),碳排放量變化不明顯,機(jī)組減碳效用降低,機(jī)組的碳交易收益減少從而使總成本迅速增加,可知該碳交易價(jià)格下的調(diào)度模型已不具備經(jīng)濟(jì)性與低碳性的優(yōu)勢,因此通過碳價(jià)的敏感度分析可對(duì)比制定合適的碳交易單價(jià),同時(shí)兼顧系統(tǒng)的低碳性與經(jīng)濟(jì)性。

分析碳排約束量對(duì)系統(tǒng)碳排的影響,圖10展示了碳排約束量改變后系統(tǒng)總碳排趨勢以及碳排中各分區(qū)負(fù)荷碳排具體構(gòu)成。由圖10可知,隨著碳排約束量上升,系統(tǒng)總碳排會(huì)逐漸降低,當(dāng)碳排約束量增加30%時(shí),碳排放降低了475.9 t,并且工業(yè)碳排量所占比例也會(huì)隨之下降,從63%降低到了55%。目前電力來源火電比例較高,但在“雙碳”目標(biāo)下,未來隨著新能源大量并網(wǎng),源荷碳排約束量也會(huì)隨之增加,這會(huì)對(duì)促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)整體低碳轉(zhuǎn)型起到重要作用。

圖10 碳排約束對(duì)系統(tǒng)碳排的影響Fig.10 Impact of carbon emission constraints on systemic carbon emissions

4.4 碳捕集設(shè)備設(shè)置及分析

為了分析碳捕集設(shè)備加入調(diào)度模型在減碳方面的有效性,本文利用碳勢分析方法來分析設(shè)置碳捕集前后系統(tǒng)全局的碳勢變化情況。進(jìn)行碳捕集低碳處理前后各節(jié)點(diǎn)碳勢如圖11所示。

圖11 進(jìn)行碳捕集低碳處理前后各節(jié)點(diǎn)碳勢Fig.11 Carbon potential at each node before and after the low carbon treatment with carbon capture

1)未設(shè)碳捕集電廠的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)碳勢計(jì)算。

針對(duì)3臺(tái)碳排放強(qiáng)度較高的燃煤火電機(jī)組,計(jì)算未進(jìn)行碳捕集低碳處理時(shí)3臺(tái)燃煤機(jī)組的碳排放強(qiáng)度為:

QG=[0.980 0.872 0.909]T

(37)

通過碳排放流得到的系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)碳勢如圖11(a)所示,處于節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)11的燃煤機(jī)組G1、G3相比于機(jī)組G2碳勢較高。

2)設(shè)置碳捕集電廠系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)碳勢計(jì)算。

相比于未加入碳捕集設(shè)備的機(jī)組,2臺(tái)高碳燃煤機(jī)組G1、G3的碳排放強(qiáng)度均有不同程度的降低,此時(shí)3臺(tái)燃煤機(jī)組的碳排放強(qiáng)度為:

Q′G=[0.680 0.941 0.713]T

(38)

重新計(jì)算碳捕集設(shè)備后系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)碳勢如圖11(b)所示。由圖11可知,碳捕集加入前后兩機(jī)組節(jié)點(diǎn)及相鄰節(jié)點(diǎn)的碳勢均有明顯降低,由于碳捕集的加入需要系統(tǒng)額外供能,因此未加入碳捕集G2的機(jī)組及附近節(jié)點(diǎn)碳勢有些許上升。全系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的碳勢在加入碳捕集后總體呈下降趨勢,體現(xiàn)了本文模型在加入碳捕集系統(tǒng)后影響全局碳排態(tài)勢上的有效性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證利用碳勢定位高碳機(jī)組,設(shè)置碳捕集在低碳上的作用,本文分析在選擇不同機(jī)組進(jìn)行碳捕集的情況下系統(tǒng)碳排的差異,具體選擇場景如下:

場景1：利用碳勢指標(biāo)選取節(jié)點(diǎn)碳勢最高的G1、G3機(jī)組進(jìn)行碳捕集改造;

場景2：選取G2、G3機(jī)組進(jìn)行碳捕集改造;

場景3：選取G1、G2機(jī)組進(jìn)行碳捕集改造;

場景4：無碳捕集改造。

為了分析以上4種場景在減碳方面的效用,本文首先展示不同碳捕集配置方案前后的調(diào)度情況,結(jié)果如圖12所示。

圖12 各場景碳排量及運(yùn)行成本Fig.12 Carbon emissions and operating costs by scenario

由圖12可知,相比于無碳捕集設(shè)備加入的場景4,設(shè)置碳捕集的場景1—3均在減碳方面有不同程度的效果,且在其他條件完全相同的情況下,場景1—3對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行成本也有所降低,這說明碳捕集電廠在階梯碳交易市場機(jī)制下,可以有效地降低系統(tǒng)的碳交易成本,從而降低總運(yùn)行成本。

分析對(duì)比設(shè)置了碳捕集的3個(gè)場景,在運(yùn)行成本相差不大的前提下,場景1的碳排放量相較于場景2、3分別降低了99.3、117.4 t,這是由于場景1在最高節(jié)點(diǎn)碳勢的機(jī)組設(shè)置碳捕集設(shè)備最大化了碳捕集的捕集能力,促使發(fā)電機(jī)組的碳捕集運(yùn)行在較大捕集水平上,捕集盡可能多的CO2,提高了系統(tǒng)整體減碳能力。說明本文提出的基于碳排放流的碳捕集低碳策略在低碳經(jīng)濟(jì)上的有效性。

為了分析碳捕集加入前后對(duì)于負(fù)荷側(cè)影響效果,本文計(jì)算了4個(gè)場景下負(fù)荷側(cè)碳排責(zé)任成本,結(jié)果如表5所示。由表5可知,在加入了碳捕集的前3個(gè)場景中,碳排放責(zé)任成本均大幅降低,降低最多的是場景1,碳排放責(zé)任成本降低了3.66萬元,這是因?yàn)樘疾都瓜到y(tǒng)中最高碳機(jī)組的碳排放強(qiáng)度降低,從而使系統(tǒng)全局碳勢下降,負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偟奶寂咆?zé)任量下降,有效降低了全局碳排放成本,通過碳排放流理論使得源側(cè)的傳統(tǒng)碳捕集減碳手段更加有效地優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)碳排量以及經(jīng)濟(jì)效益。

表5 不同場景下的碳排放責(zé)任成本Table 5 Cost of carbon responsibility under different scenarios

5 結(jié) 論

本文提出了一種考慮碳捕集電廠和多類型需求響應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的計(jì)及源荷碳勢耦合的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法,在源荷兩端碳排放不超過約束限額的情況下,充分利用源荷雙側(cè)可調(diào)節(jié)資源以提高系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)效益以及風(fēng)電利用率,經(jīng)過改進(jìn)后的IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例測試,可以得到以下結(jié)論:

1)所提考慮源荷碳勢耦合的電力系統(tǒng)兩階段優(yōu)化調(diào)度模型能夠綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行成本與碳排放,與不考慮源荷碳排約束以及需求響應(yīng)的模型相比,系統(tǒng)運(yùn)行成本分別減少7.38%、11.30%,調(diào)度周期內(nèi)碳排放量約減少831.8、242.9 t,具有良好的低碳效益。

2)建立的基于碳排放流理論、考慮源荷雙側(cè)碳排約束的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度具有現(xiàn)實(shí)的減排價(jià)值,考慮不同負(fù)荷類型進(jìn)行針對(duì)性需求響應(yīng),使得在3種類型區(qū)域中工業(yè)地區(qū)的碳排量得到了最大的限制,系統(tǒng)全局碳勢相比普通場景下降了5.5%,能夠滿足多類型用戶的減碳需求,在保證碳排放量不超過區(qū)域限制的情況下,兼顧了“雙碳”目標(biāo)下低碳性與經(jīng)濟(jì)性的雙重要求,同時(shí)對(duì)碳市場的分類負(fù)荷低碳措施研究提供了一些新的方向。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,本研究后續(xù)擬在原有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮擴(kuò)展至綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,滿足更加多元化的低碳需求。