駱 釗，王菁慧，王 華，趙偉杰，楊林燕，沈 鑫

（1.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650220；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，云南 昆明 650051）

0 引言

為應(yīng)對全球環(huán)境污染和化石能源危機(jī)，我國承諾2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和［1］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）耦合電、熱、氣網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了電、熱、氣及可再生能源間的多源互補(bǔ)與梯級利用，為碳減排提供了有效的途徑，現(xiàn)已成為研究的熱門領(lǐng)域［2-4］。

碳捕集技術(shù)的快速發(fā)展為IES 的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了契機(jī)。碳捕集、利用與封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）裝置捕集到的CO2可作為電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）反應(yīng)過程中所需碳源，文獻(xiàn)［5］將碳捕集電廠及P2G設(shè)備作為一個(gè)整體聯(lián)合運(yùn)行，建立了P2G -碳捕集電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［6］將碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）、P2G 及熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）機(jī)組耦合，解除了CHP機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行特性的約束。文獻(xiàn)［7］在IES中加入碳捕集和電-氫-氣雙向轉(zhuǎn)換模型，建立了一種電氫碳協(xié)同運(yùn)行的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式，但對碳捕集建模時(shí)，未考慮CO2再生環(huán)節(jié)與吸收過程之間的耦合。文獻(xiàn)［8］將CCUS 捕集到的CO2作為P2G 反應(yīng)過程中所需碳源，提出了一種含CCUS 及P2G 的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。隨著能源革命的推進(jìn)和綠色能源利用技術(shù)的不斷發(fā)展，氫能的精細(xì)化利用逐漸成為IES 優(yōu)化調(diào)度過程中的重要一環(huán)。文獻(xiàn)［9］指出P2G 的運(yùn)行過程包含電制氫和甲烷化2 個(gè)環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)［10］基于荷側(cè)用能替代，提出了一種電、熱、氣聯(lián)產(chǎn)模型，對P2G甲烷化反應(yīng)過程中的余熱回收進(jìn)行了研究，但未分析碳捕集技術(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行低碳性及經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)［11］通過研究氫能的多方面效益，實(shí)現(xiàn)了制氫環(huán)節(jié)中氫能的高效、清潔利用。以上文獻(xiàn)從碳利用的角度研究了碳捕集、P2G 技術(shù)耦合對系統(tǒng)低碳運(yùn)行的影響，但未考慮P2G的電制氫環(huán)節(jié)，忽略了甲烷化反應(yīng)效率低對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，同時(shí)甲烷化反應(yīng)過程中所需的CO2增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，且天然氣在燃燒時(shí)釋放的CO2降低了系統(tǒng)的環(huán)保性能。

在市場機(jī)制層面，碳交易機(jī)制的設(shè)立與推行也為IES 的低碳化提供了有效的途徑［12］。文獻(xiàn)［13］建立了含碳交易機(jī)制的IES 調(diào)度模型，降低了系統(tǒng)的碳排放量。文獻(xiàn)［14］將減排努力值指標(biāo)引入碳交易機(jī)制中，提高了碳交易的安全性及高效性。文獻(xiàn)［15］利用光熱電站充當(dāng)“CHP 機(jī)組”，建立了含P2G及“CHP機(jī)組”的IES，并引入碳交易機(jī)制約束系統(tǒng)的碳排放量。上述文獻(xiàn)采用的碳交易機(jī)制均為傳統(tǒng)型碳交易機(jī)制，在一定程度上降低了系統(tǒng)的碳排量。為進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)的低碳特性，階梯式碳交易機(jī)制成為新的研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)［16］構(gòu)建了階梯碳交易機(jī)制下的碳交易費(fèi)用計(jì)算模型。文獻(xiàn)［17］對電力系統(tǒng)三階段最優(yōu)階梯碳價(jià)機(jī)制進(jìn)行了分析，提出了一種基于區(qū)域碳排放均衡性的綜合指標(biāo)碳排放權(quán)分配方案。文獻(xiàn)［18］基于燃?xì)鈸綒涞奶摂M電廠，采用階梯式碳交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低碳化及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

鑒于此，本文從低碳技術(shù)和市場機(jī)制2 個(gè)層面出發(fā)，提出了一種含CCUS-P2G-CHP 耦合的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。建立含儲液裝置的CCUS 模型，解除了CO2捕集與再生環(huán)節(jié)的耦合，又將傳統(tǒng)的P2G模型細(xì)化為電制氫和甲烷化兩階段，精準(zhǔn)反映P2G的運(yùn)行工況。將CCUS、兩段式P2G 及CHP 機(jī)組作為一個(gè)整體聯(lián)合運(yùn)行，CCUS 裝置捕集CHP 機(jī)組及微型燃?xì)廨啓C(jī)（microturbine，MT）產(chǎn)生的CO2，一部分進(jìn)行驅(qū)油封存，另一部分作為兩段式P2G 甲烷化反應(yīng)過程中所需碳源。引入階梯式碳交易機(jī)制，并分析各參數(shù)不同取值對系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響。提出以IES運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度策略，對比不同運(yùn)行情景下CCUS、兩段式P2G及階梯式碳交易機(jī)制對IES優(yōu)化調(diào)度的影響。

1 含CCUS-P2G-CHP耦合的IES結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建的含CCUS-P2G-CHP 耦合的IES 由風(fēng)電機(jī)組、光伏單元、CCUS、CO2驅(qū)油封存裝置、兩段式P2G、CHP 機(jī)組、MT、電制冷機(jī)、天然氣網(wǎng)及冷、熱、電、氣負(fù)荷構(gòu)成，具體框架圖如圖1 所示。CCUS 捕集CHP 及MT 產(chǎn)生的CO2，一部分進(jìn)行驅(qū)油封存，另一部分作為兩段式P2G 甲烷化反應(yīng)過程中所需碳源。兩段式P2G 中，電能經(jīng)電解槽（electrolyzer，EL）轉(zhuǎn)化為氫能，其中一部分氫能輸入甲烷轉(zhuǎn)換器（methane reactor，MR）與CCUS 捕集到的CO2進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)合成的天然氣供應(yīng)給氣負(fù)荷及MT，另一部分氫能經(jīng)氫燃料電池（hydrogen fuel cell，HFC）直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能。

圖1 IES框架圖Fig.1 Frame diagram of IES

1.1 CCUS-P2G-CHP耦合機(jī)理

1.1.1 CCUS建模

CCUS技術(shù)含CO2捕集、利用與封存3個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)路線圖見附錄A圖A1。CCUS消耗的電功率PCCUS，t包含基本耗能PB，t和運(yùn)行耗能PR，t，基本耗能與碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)無關(guān)，可視為常數(shù)［19］。

式中：σ為捕獲單位CO2所需能耗［19］；EZST，t為t時(shí)刻CCUS中再生塔處理的CO2量。

由于CO2再生環(huán)節(jié)與吸收過程存在耦合，且CCUS能耗主要集中于再生塔［19］，因此，本文在CCUS上加設(shè)儲液裝置，解除碳捕集過程中CO2再生環(huán)節(jié)與吸收過程的耦合。

式中：Ir，t為t時(shí)刻富液儲液裝置的容量；ir，in，t、ir，out，t分別為t時(shí)刻流進(jìn)、流出富液儲液裝置的流量；Ip，t為t時(shí)刻貧液儲液裝置的容量；ip，in，t、ip，out，t分別為t時(shí)刻流進(jìn)、流出貧液儲液裝置的流量。

單位體積富液與吸收的CO2之間的關(guān)系為：

式中：br為單位體積富液所能吸收的CO2量倍數(shù)；ECCUS，t為t時(shí)刻CCUS 捕集到的CO2量；EJZ，t為t時(shí)刻機(jī)組排放的CO2量；Eair，t為t時(shí)刻排入大氣中的CO2量；μcc為CCUS 的捕集效率，本文取0.9［18］；ρ1為CO2的密度；χ為CO2量的計(jì)算系數(shù)；PCHP，t為t時(shí)刻CHP 輸出的電功率；PMT，t為t時(shí)刻MT輸出的電功率。

CCUS的電功率約束為：

式中：PCCUS，min、PCCUS，max分別為CCUS電功率的下、上限。

1.1.2 兩段式P2G建模

為了精準(zhǔn)反映P2G 的運(yùn)行工況，本文用EL、MR、HFC 替換傳統(tǒng)的P2G 模型，將其細(xì)化為電制氫和甲烷化2個(gè)過程，EL將電能轉(zhuǎn)化為氫能，其中一部分氫氣輸入MR與CCUS捕集到的CO2進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，另一部分氫氣經(jīng)HFC直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能。

EL產(chǎn)生的氫能與其消耗的電能之間的關(guān)系為：

式中：HEL，t為t時(shí)刻EL輸出的氫功率；ηH2為氫能轉(zhuǎn)化效率［11］；PP2G，t為t時(shí)刻輸入P2G的電功率。

P2G的電功率約束為：

式中：PP2G，min、PP2G，max分別為P2G電功率的下、上限。

MR轉(zhuǎn)化的氣功率QMR，t表示為：

式中：ηMR為MR 轉(zhuǎn)化效率［11］；HMR，t為t時(shí)刻MR 消耗的氫功率。

甲烷化過程中所需的CO2量EMR，t為：

式中：T為調(diào)度時(shí)間。

甲烷化反應(yīng)過程中所需CO2由CCUS提供，即：

式中：Estorage，t為t時(shí)刻進(jìn)行驅(qū)油封存的CO2量。HFC輸出的電功率和熱功率分別為：

式中：PHFC，t、RHFC，t分別為t時(shí)刻HFC 產(chǎn)生的電功率、熱功率；分別為HFC 的電、熱轉(zhuǎn)化效率［11］；HHFC，t為t時(shí)刻輸入HFC的氫功率。

1.1.3 CCUS-P2G-CHP耦合模型

基于上述研究，本文將CCUS、兩段式P2G 及CHP 機(jī)組耦合，作為一個(gè)整體聯(lián)合運(yùn)行，建立CCUSP2G-CHP 耦合模型。CHP 機(jī)組可為CCUS 和P2G 提供電能，在電負(fù)荷低谷時(shí)期，CHP機(jī)組通過P2G將電能轉(zhuǎn)換為天然氣，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，為風(fēng)電消納提供空間；CHP、MT在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的CO2一部分經(jīng)煙氣排入大氣，另一部分被CCUS 捕集，捕集到的CO2一部分作為兩段式P2G 甲烷化反應(yīng)過程中所需碳源，另一部分進(jìn)行驅(qū)油封存，實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)利用。

CHP的熱電特性表示為：

式中：PCHP，min和PCHP，max分別為CHP 輸出電功率的下限和上限；Zv1和Zv2分別為最小和最大輸出功率對應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)化系數(shù)；RCHP，t為t時(shí)刻CHP 輸出的熱功率；RCHP0為CHP 機(jī)組熱功率的最小值；Sm為CHP 輸出電功率和熱功率的線性供給斜率；PE，t為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的上網(wǎng)功率。

CHP的電功率約束為：

CHP的熱功率約束為：

式中：RCHP，min和RCHP，max分別為CHP 輸出熱功率的下限和上限。

由式（7）、（9）和式（16）可得含CCUS 及P2G 技術(shù)的CHP向電網(wǎng)提供的電功率范圍為：

式中：PE，min和PE，max分別為CCUS-P2G-CHP 模型中電網(wǎng)供應(yīng)功率的下限和上限。

將式（15）進(jìn)一步化簡，CCUS-P2G-CHP 的熱電耦合特性可表示為：

將式（7）、（9）代入（19），CCUS-P2G-CHP 的熱電耦合特性可進(jìn)一步改寫為：

由式（17）、（18）和式（20）可知，將CCUS 和P2G技術(shù)引入CHP，CHP 機(jī)組的最小電功率從PCHP，min減小到PE，min，電功率輸出范圍增大，可調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，耦合特性降低。

將式（8）代入式（9），CCUS-P2G-CHP 模型中的氫功率范圍表示為：

式中：HEL，min和HEL，max分別為CCUS-P2G-CHP 模型中的氫功率的下限和上限。

由式（20）、（21）可知，在CCUS-P2G-CHP 模型中，氫功率受CHP 向電網(wǎng)提供的電功率限制，當(dāng)電網(wǎng)電功率取最小值時(shí)，EL 產(chǎn)生的氫功率達(dá)到最大值；當(dāng)電網(wǎng)電功率取最大值時(shí)，EL 產(chǎn)生的氫功率最小。

將式（1）、（8）代入式（20），不計(jì)CCUS 基本能耗對 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 的 影 響，令PCCUS，t=PR，t，則CCUS-P2GCHP模型中電、熱、氫之間的關(guān)系表示為：

由式（20）—（22）可知，含CCUS 及P2G 的CHP，可調(diào)節(jié)范圍增大，耦合特性降低。

2 階梯式碳交易機(jī)制

階梯式碳交易機(jī)制在傳統(tǒng)碳交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，采用階梯定價(jià)機(jī)制，將購買區(qū)間劃分開，隨著碳排放配額需求的增多，購買價(jià)格逐步提高，以此約束碳排放。為提高減排積極性，引入補(bǔ)償系數(shù)加大獎(jiǎng)勵(lì)程度，刺激減排。詳細(xì)建模過程見附錄A 式（A1）—（A4）。

3 含CCUS-P2G-CHP 耦合的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以IES 運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，包括碳交易成本、CCUS-P2G-CHP 耦合模型運(yùn)行成本、MT燃料成本、棄風(fēng)懲罰成本、棄光懲罰成本、電制冷機(jī)運(yùn)行成本和碳交易成本，具體如下：

式中：F為系統(tǒng)運(yùn)行總成本；FCO2為碳交易成本；FCHP為CCUS-P2G-CHP 耦合模型的運(yùn)行成本；FMT為MT的燃料成本；Fcwind為棄風(fēng)懲罰成本；Fcpv為棄光懲罰成本；FER為電制冷機(jī)的運(yùn)行成本。

P2G運(yùn)行成本FP2G為：

式中：m1為P2G 的運(yùn)行和維修成本系數(shù)；r1為P2G 中甲烷化反應(yīng)過程所需CO2的成本系數(shù)。

CCUS運(yùn)行成本FCCUS為：

式中：m2為CCUS 設(shè)備的運(yùn)行和維修成本系數(shù)；s1為驅(qū)油封存成本系數(shù)［20］。

CCUS-P2G-CHP的運(yùn)行成本FCHP為：

式中：a、b、c為CCUS-P2G-CHP 耦合系統(tǒng)的運(yùn)行成本系數(shù)。

碳交易機(jī)制、MT、電制冷機(jī)等常見設(shè)備的運(yùn)行成本及棄風(fēng)、棄光懲罰成本的具體表達(dá)式見附錄A式（A5）—（A10）。

3.2 約束條件

1）電功率平衡。

任意時(shí)刻系統(tǒng)的總發(fā)電量等于負(fù)荷的用電量，即：

式中：Pwind，t為t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組出力；Ppv，t為t時(shí)刻光伏機(jī)組出力；PL，t為t時(shí)刻的電負(fù)荷；Per，t為t時(shí)刻電制冷機(jī)的耗電功率。

2）熱功率約束。

考慮熱慣性、熱損失與熱時(shí)滯，熱功率約束為：

式 中：ar，max、ar，min分 別 為 熱 網(wǎng) 中 調(diào) 整 比 例 的 上、下限［7］；RMT，t為t時(shí)刻MT 輸出的熱功率；RL，t為t時(shí)刻的熱負(fù)荷。

3）冷功率約束。

考慮冷慣性、冷損失與冷時(shí)滯，冷功率約束為：

式 中：ac，max、ac，min分 別 為 冷 網(wǎng) 中 調(diào) 整 比 例 的 上、下限［7］；CMT，t為t時(shí)刻MT 輸出的冷功率；Cer，t為t時(shí)刻電制冷機(jī)輸出的冷功率；CL，t為t時(shí)刻的冷負(fù)荷。

4）氣功率平衡。

兩段式P2G 設(shè)備輸出的天然氣與氣源共同為MT及氣負(fù)荷供氣，即：

式中：QL，t為t時(shí)刻的氣負(fù)荷；Qs，t為t時(shí)刻氣源輸出的氣功率；QMT，t為t時(shí)刻MT消耗的氣功率。

5）氫功率平衡。

式中：Hs，t為t時(shí)刻輸入儲能裝置的氫能。

6）CCUS-P2G-CHP功率約束。

式中：λu、λl分別為CCUS-P2G-CHP 耦合系統(tǒng)的爬坡功率上、下限。

7）CCUS的CO2捕集約束。

CCUS 捕集到的CO2小于等于IES 的碳排放量，即：

式中：ε1—ε3為CHP 的二氧化碳排放系數(shù)；ε4為MT的CO2排放系數(shù)。

8）EL運(yùn)行約束。

式中：λu，EL、λl，EL分別為EL的爬坡功率上、下限［11］。9）MR運(yùn)行約束。

式中：HMR，max、HMR，min分別為輸入MR 的氫功率上、下限；λu，MR、λl，MR分別為MR的爬坡功率上、下限［9］。

10）HFC運(yùn)行約束。

式中：HHFC，max、HHFC，min分別為輸入HFC 的氫功率上、下限；λu，HFC、λl，HFC分別為HEC 的爬坡功率上、下限；Kmax、Kmin分別為HFC的熱電比上、下限［11］。

其他常見設(shè)備約束見附錄A式（A11）—（A14）。

4 算例分析

以我國云南某地區(qū)的某工業(yè)園區(qū)IES 為例進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證所提調(diào)度方法的可行性，電、熱、氣、冷負(fù)荷及風(fēng)光預(yù)測出力見附錄A 圖A2，系統(tǒng)各機(jī)組參數(shù)見附錄A表A1。

為驗(yàn)證CCUS-P2G-CHP 耦合的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益，設(shè)置了如下4 種不同的情景進(jìn)行對比分析，其中情景4 采用本文所提的調(diào)度方法：情景1，不含CCUS、P2G 的CHP；情 景2，含CCS、傳 統(tǒng)P2G 的CHP；情景3，含CCS、兩段式P2G 的CHP；情景4，含CCUS、兩段式P2G的CHP。

4.1 CCUS-P2G-CHP耦合模型分析

本文考慮上述4 種情景下的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度情況，驗(yàn)證所提模型的可行性及優(yōu)勢，表1 為4 種情景的調(diào)度結(jié)果。

表1 各情景的調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results in each scenario

4.1.1 CCUS效益分析

由表1可知，當(dāng)IES中不含CCUS時(shí)，系統(tǒng)總運(yùn)行成本及碳排放量最高，風(fēng)、光消納能力最差。情景3基于兩段式P2G，引入CCS 技術(shù)，CCS 捕獲CHP 及MT 產(chǎn)生的CO2，為P2G 的甲烷化反應(yīng)過程提供碳源，在降低系統(tǒng)碳排量的同時(shí)，減少了P2G的購碳成本，從而降低了系統(tǒng)的總運(yùn)行成本。情景4 耦合CCUS、兩段式P2G 及CHP，將三者作為一個(gè)整體聯(lián)合運(yùn)行。與CCS 相比，CCUS 增加了碳的利用環(huán)節(jié)，CCUS 捕獲到的CO2，一部分作為兩段式P2G 甲烷化反應(yīng)過程中所需碳源，剩余部分進(jìn)行驅(qū)油封存，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的碳排放量，使得碳排放權(quán)的可交易量增加，進(jìn)而降低系統(tǒng)的總運(yùn)行成本。通過上述分析可知，相較于CCS技術(shù)，CCUS技術(shù)具有更高的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，更有利于系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.1.2 兩段式P2G效益分析

由表1 可知，當(dāng)IES 中不含P2G 時(shí)，系統(tǒng)總運(yùn)行成本及碳排放量最高，風(fēng)、光消納能力最弱。情景2引入P2G 技術(shù)，相較于情景1，系統(tǒng)總運(yùn)行成本下降了11.79 %，碳排放量下降了8.98 %。情景3細(xì)化P2G兩階段運(yùn)行過程，系統(tǒng)總運(yùn)行成本及碳排放量進(jìn)一步下降，相較于情景2，總成本下降了24.63 %，碳排放量下降了18.85 %。通過上述分析可知，將P2G 模型細(xì)化為EL、MR、HFC 及儲氫裝置的組合，實(shí)現(xiàn)了氫能的高效利用，減少了天然氣的燃燒，從而降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用及碳排放量，與傳統(tǒng)P2G模型相比，具有一定的優(yōu)勢。

4.1.3 情景4運(yùn)行結(jié)果分析

情景4 的IES 電、熱、冷、氣、氫功率運(yùn)行結(jié)果見附錄A圖A3 — A7。

由圖A3 可知，電負(fù)荷及電制冷機(jī)所需電能由CHP、MT、風(fēng)光機(jī)組及HFC 提供。（00:00，05:00］、（10:00，15:00］和（22:00，24:00］時(shí)段為可再生能源出力高峰期，風(fēng)光機(jī)組為用電單元提供大部分電能；P2G 將CHP 的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，減弱CHP 的電熱耦合特性，為清潔能源的消納提供了上網(wǎng)空間；電制冷機(jī)消耗電能為冷負(fù)荷供冷，增大電負(fù)荷，減少M(fèi)T 的電功率輸出，以此提高可再生能源的消納率，具體見圖A6。在可再生能源出力低谷期，電負(fù)荷需求增大，為保證供電穩(wěn)定性，CHP、HFC的電功率輸出增加。

由圖A4 可知，熱負(fù)荷所需熱能由MT、CHP 及HFC提供，在可再生能源出力高峰期，CHP輸出熱功率，在可再生能源出力低谷期，由于風(fēng)光機(jī)組難以滿足電負(fù)荷需求，CHP輸出電功率，以確保系統(tǒng)供電可靠性，此時(shí)熱負(fù)荷所需熱能主要由HFC 提供。由圖A5 可知，在可再生能源出力高峰期，P2G 將電功率轉(zhuǎn)化為氣功率，為MT 及氣負(fù)荷提供氣源，此時(shí)氣網(wǎng)輸出功率減小，運(yùn)行費(fèi)用降低，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。由圖A7 可知，在可再生能源出力高峰期，EL產(chǎn)生的氫氣經(jīng)MR 轉(zhuǎn)化為天然氣供應(yīng)給氣負(fù)荷，或存儲到儲氫設(shè)備中，在可再生能源出力低谷期，儲氫設(shè)備釋放氫能。

4.2 新能源消納能力分析

各情景在各時(shí)刻的風(fēng)能消納情況如圖2（a）所示?？梢娫冢?0:00，05:00］、（22:00，23:00］時(shí)段，風(fēng)電出力處于高峰期，熱負(fù)荷需求相對較高，電負(fù)荷需求又相對較低，由于CHP 機(jī)組的熱電特性，CHP 機(jī)組出力增加，清潔能源的上網(wǎng)空間減小，導(dǎo)致棄風(fēng)產(chǎn)生。情景2、3 與情景1 相比，引入碳捕集及P2G 技術(shù)，消耗了CHP 的電能，減少了CHP 機(jī)組的上網(wǎng)電量，擴(kuò)大CHP 機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍，為風(fēng)電消納提供空間，將風(fēng)電的消納率從64.68 % 提高至90.62 %。

圖2 各情景新能源消納情況Fig.2 Consumption of new energy in each scenario

各情景在各時(shí)段的光伏消納情況如圖2（b）所示?？梢娫冢?0:00，15:00］時(shí)段，光伏出力達(dá)到高峰期，情景2、3 和情景1 相比，由于碳捕集和P2G 裝置所需電能除光伏外，還來自于CHP，因此CHP 減少了部分上網(wǎng)出力，光伏的利用率從67.96 % 增加至95.41 %，通過對比情景4 和情景3 可知，本文提出的含CCUS-P2G-CHP 耦合的IES 調(diào)度模型運(yùn)行方式靈活，通過實(shí)現(xiàn)CHP 的熱電解耦，進(jìn)一步將光伏消納率提高至99.75 %，從而提升了系統(tǒng)的能源利用率。

4.3 階梯式碳交易機(jī)制分析

4.3.1 階梯式碳交易機(jī)制效益分析

為驗(yàn)證階梯式碳交易機(jī)制的優(yōu)越性，設(shè)置如下3 種情景進(jìn)行對比分析：情景5，不含碳交易機(jī)制的IES；情景6，含傳統(tǒng)碳交易機(jī)制的IES；情景7，含階梯式碳交易機(jī)制的IES。3種情景的運(yùn)行結(jié)果見表2。

表2 各情景調(diào)度結(jié)果Table 2 Scheduling results of each scenario

由表2 可知，相較于情景5，情景6 的碳排放量下降了16.98 %，總成本下降了11.61 %；相較于情景6，情景7 的碳排放量下降了29.3 %，總成本下降了22 %。由此可見，階梯式碳交易機(jī)制的碳排放約束能力及經(jīng)濟(jì)性高于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制。

由于情景5不考慮碳交易機(jī)制，在IES的優(yōu)化調(diào)度過程中，僅以除碳交易成本外的用能總成本為優(yōu)化目標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)大量燃燒價(jià)格較低的天然氣進(jìn)行供能，導(dǎo)致CHP 機(jī)組和MT 處于高碳排量狀態(tài)，因此，情景5 的碳排量最高，碳交易成本及總成本最大；情景6 引入傳統(tǒng)碳交易，考慮了碳交易成本對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，相較于情景5碳排量減少了16.98 %，此時(shí)碳配額出現(xiàn)盈余，系統(tǒng)售賣額外的碳配額獲得了735 元的收益，但傳統(tǒng)碳交易機(jī)制采用固定碳價(jià)，限制了碳減排的作用；情景7 考慮階梯式碳交易機(jī)制，隨著碳排放量的提高，碳價(jià)呈階梯式增長，引導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)整各機(jī)組出力，實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行，且售賣盈余配額所獲利益高于采用階梯碳價(jià)而增加的成本，因此情景7 相較于情景6 碳排放量下降了29.3 %，系統(tǒng)總成本下降了22 %。由此可知，在階梯式碳交易機(jī)制下，系統(tǒng)在約束碳排放的同時(shí)兼顧了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4.3.2 階梯式碳交易參數(shù)分析

階梯式碳交易各參數(shù)取值對IES 運(yùn)行結(jié)果存在較大影響，為此，本文針對碳交易基價(jià)、區(qū)間長度、價(jià)格增長率及補(bǔ)償系數(shù)4 個(gè)參數(shù)，從碳排放量和系統(tǒng)總成本2 個(gè)角度出發(fā)，分析了各參數(shù)靈敏性對系統(tǒng)運(yùn)行效益的影響，如圖3所示。

圖3 各參數(shù)靈敏性對IES的影響Fig.3 Influences of parameter sensitivity on IES

由圖3（a）可知：當(dāng)碳交易基價(jià)小于150 元時(shí)，碳排放量隨碳交易基價(jià)增大而減小，這是因?yàn)榛鶅r(jià)增大導(dǎo)致碳交易成本提高，系統(tǒng)為保障運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性而刺激減排，且此時(shí)存在盈余的碳排放配額，售賣碳配額所獲利潤隨基價(jià)的增大而增大，該利潤大于因階梯碳價(jià)而產(chǎn)生的成本，因此，當(dāng)基價(jià)增大時(shí)，總成本呈下降趨勢；當(dāng)基價(jià)大于等于150 元時(shí)，碳排放量逐漸呈穩(wěn)定趨勢，可見，不同基價(jià)對系統(tǒng)碳排放量影響較小。

由圖3（b）可知：當(dāng)區(qū)間長度在（0.5，2］ t內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)碳排放量最低，總成本最高，原因在于該范圍內(nèi)區(qū)間長度相對較小，系統(tǒng)采用階梯碳價(jià)，以犧牲經(jīng)濟(jì)性保障低碳性；當(dāng)區(qū)間長度在（2，5］ t內(nèi)時(shí)，以階梯碳價(jià)購入的碳配額較少，因此，總成本減小，系統(tǒng)碳約束能力減弱，碳排放量逐漸升高；當(dāng)區(qū)間長度在（5，8］ t內(nèi)時(shí)，碳排放量逐漸趨于穩(wěn)定且值最大，總成本最低，這是采用基價(jià)及階梯碳價(jià)的起始價(jià)格進(jìn)行碳交易的結(jié)果?？梢姡到y(tǒng)碳排放量與區(qū)間長度成正比，運(yùn)行總成本與區(qū)間長度成反比。

由圖3（c）可知：當(dāng)價(jià)格增長率在［0，0.45）內(nèi)時(shí)，碳排放量隨價(jià)格增長率的增大而減小，總成本隨價(jià)格增長率的增大而增大，為保障系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)調(diào)整各機(jī)組出力約束碳排放；當(dāng)價(jià)格增長率在［0.45，0.8］內(nèi)時(shí)，各機(jī)組出力逐漸穩(wěn)定，碳排放量也不再變化，系統(tǒng)總成本仍呈上升趨勢，上升幅度逐漸減小。

由圖3（d）可知，當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)在［0，0.2）內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)總成本隨補(bǔ)償系數(shù)的增大而減小，碳排放量最大且保持穩(wěn)定趨勢，此時(shí)補(bǔ)償系數(shù)對系統(tǒng)刺激較小。當(dāng)系統(tǒng)處于碳排放量高峰期，CCUS 對CO2進(jìn)行捕集，系統(tǒng)碳排放量降低，CCUS 運(yùn)行成本通過售賣碳配額所獲利潤滿足；在碳排放量低谷期，系統(tǒng)轉(zhuǎn)移高峰期捕集的CO2，因此，系統(tǒng)總的碳排放量保持不變，通過售賣碳排放權(quán)所獲收益大于碳轉(zhuǎn)移所需成本，所以系統(tǒng)總成本呈下降趨勢。當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)在［0.2，0.4）內(nèi)時(shí)，補(bǔ)償系數(shù)增大刺激系統(tǒng)減排，因此碳排放量下降，碳交易成本減小，系統(tǒng)運(yùn)行總成本減小。當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)大于等于0.4時(shí)，機(jī)組出力變化微乎其微，碳排放量開始呈穩(wěn)定趨勢，由于補(bǔ)償系數(shù)持續(xù)增大，系統(tǒng)總成本仍然保持下降。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了含CCUS-P2G-CHP 耦合的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，在CCUS-P2G-CHP 耦合的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)P2G 細(xì)化為電制氫和甲烷化2 個(gè)過程，并引入階梯式碳交易機(jī)制模型，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，具體結(jié)論如下：

1）CCUS-P2G-CHP 聯(lián)合運(yùn)行模式在降低CHP“以熱定電”運(yùn)行約束的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用，減少系統(tǒng)的用能成本，有利于系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

2）相比于CCS，CCUS 增加了碳的利用環(huán)節(jié)，進(jìn)一步限制了系統(tǒng)的碳排放量，盈余碳排放權(quán)的售賣使得系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)一步降低；

3）將傳統(tǒng)P2G 細(xì)化為EL、MR、HFC 及儲氫裝置的組合，在保證風(fēng)光消納的同時(shí)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及低碳性，減少了能量的梯級損失，實(shí)現(xiàn)了氫能的高效清潔利用；

4）引入階梯式碳交易機(jī)制，在進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)低碳性的同時(shí)，分析各參數(shù)靈敏性對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，為階梯式碳交易機(jī)制的參數(shù)取值提供了參考。

此外，負(fù)荷、風(fēng)光出力等系統(tǒng)不確定性會影響系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果，后續(xù)研究需要建立計(jì)及不確定性的CCUS-P2G-CHP IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，提升系統(tǒng)調(diào)度的魯棒性。

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