葛淑娜，張彩玲，王 爽，栗俊杰，張 巖，韓 偉，段文巖

（1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 451100；2.河南森源電氣股份有限公司，河南 許昌 461500；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著全球變暖、能源危機(jī)等問(wèn)題不斷凸顯，大力推動(dòng)可再生能源消納和氫能多元利用對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)及電力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型有重要意義［1-2］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）能耦合多種能源和各種轉(zhuǎn)換裝置，能滿足負(fù)荷的多元化需求，并可接入高比例可再生能源，為提升可再生能源消納以及降低碳排量提供了有利的技術(shù)支撐［3］。

氫能作為一種低碳、清潔的二次綠色能源，在IES 優(yōu)化運(yùn)行中有著廣泛的應(yīng)用前景［4］。目前，關(guān)于氫能在IES 中應(yīng)用的研究主要聚焦于電制氫技術(shù)、氫儲(chǔ)能以及氫能多階段利用。文獻(xiàn)［5］為提升可再生能源的消納水平，研究可再生能源制氫技術(shù)。文獻(xiàn)［6］針對(duì)電轉(zhuǎn)氣的運(yùn)行特性，提出電-氫IES日前優(yōu)化調(diào)度模型，同時(shí)兼顧新能源消納和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［7］將電轉(zhuǎn)氣過(guò)程精細(xì)化為電制氫、氫制甲烷和氫制熱電3 個(gè)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮了氫能的多方面效益，進(jìn)一步提高了風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)［8］提出一種考慮氫能利用和電、熱柔性負(fù)荷的氫能IES 低碳運(yùn)行方法，并分析氫能利用機(jī)理。文獻(xiàn)［9］構(gòu)建考慮氫能利用和需求響應(yīng)的IES 低碳協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了IES 經(jīng)濟(jì)、低碳運(yùn)行。然而，在利用氫能時(shí)，電解水和氫氣甲烷化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量熱量，現(xiàn)有研究較少考慮這部分熱量的利用，無(wú)法發(fā)揮氫能環(huán)節(jié)的最大利用效率。此外，大多研究?jī)H聚焦于電制氫、氫制甲烷和氫制熱電3 個(gè)環(huán)節(jié)，而忽略了燃?xì)鈸綒鋵?duì)IES優(yōu)化運(yùn)行的作用。

除了通過(guò)引入氫能實(shí)現(xiàn)IES 低碳運(yùn)行外，碳排放交易（carbon emission trading，CET）機(jī)制和綠證交易（green certificate trading，GCT）機(jī)制的應(yīng)用也為IES 低碳運(yùn)行提供了重要的政策支持［10］。CET 機(jī)制是實(shí)現(xiàn)IES 低碳運(yùn)行的關(guān)鍵手段之一。文獻(xiàn)［11］在電-氣IES 模型中引入CET 機(jī)制，通過(guò)懲罰高碳火電機(jī)組引導(dǎo)清潔機(jī)組的積極上網(wǎng)。文獻(xiàn)［12］對(duì)CET機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，提出含獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)和懲罰系數(shù)的獎(jiǎng)懲階梯型CET 機(jī)制，進(jìn)一步限制了IES 的碳排放量。文獻(xiàn)［13］同時(shí)引入綜合需求響應(yīng)策略和CET 機(jī)制，通過(guò)聯(lián)合需求側(cè)資源和政策手段實(shí)現(xiàn)IES 的低碳運(yùn)行。隨著高比例可再生能源接入電力系統(tǒng)，提升風(fēng)電、光伏的消納水平對(duì)降低碳排放量具有重要意義，而GCT 機(jī)制為提升可再生能源消納提供了有效途徑。文獻(xiàn)［14］基于GCT 機(jī)制，提出計(jì)及可再生能源消納責(zé)任權(quán)重的IES 運(yùn)行優(yōu)化模型，提高了綠電占比和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［15］分析綠證價(jià)格對(duì)可再生能源的消納作用，提出考慮GCT 機(jī)制的IES 優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)［16］為提升風(fēng)電消納水平，提出計(jì)及GCT 機(jī)制和CET 機(jī)制的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，分析2種交易機(jī)制同時(shí)作用對(duì)IES的影響。然而，現(xiàn)階段大多研究?jī)H單獨(dú)考慮CET 機(jī)制或GCT 機(jī)制對(duì)IES優(yōu)化運(yùn)行的影響，或簡(jiǎn)單將2 種機(jī)制同時(shí)作用于IES，未充分考慮CET機(jī)制和GCT機(jī)制的相關(guān)特性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種計(jì)及氫能精細(xì)化多元利用和綠證-碳聯(lián)合交易的IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度策略。首先，為發(fā)揮氫能的多方面效益，分別構(gòu)建電制氫、氫制甲烷、氫轉(zhuǎn)熱電以及燃?xì)鈸綒涞臍淠芫?xì)化多元利用模型；其次，分析CET 機(jī)制和GCT 機(jī)制的相關(guān)特性，提出綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制；然后，綜合考慮IES 的低碳性和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建以GCT 成本、購(gòu)能成本、CET成本、棄風(fēng)懲罰成本以及運(yùn)行維護(hù)成本之和最低為目標(biāo)的IES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后，通過(guò)算例仿真設(shè)置不同的調(diào)度方案進(jìn)行對(duì)比，分別驗(yàn)證所提氫能精細(xì)化多元利用模型和綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制在低碳性和經(jīng)濟(jì)性方面的有效性，以實(shí)現(xiàn)IES的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 氫能精細(xì)化多元利用模型

本文提出的氫能精細(xì)化多元利用模型見(jiàn)圖1。電解槽（electrolytic，EL）基于電解水環(huán)節(jié)，通過(guò)利用夜間富裕的風(fēng)電資源進(jìn)行制氫，并將產(chǎn)生的氫氣分別輸送至甲烷反應(yīng)器（methane reactor，MR）、摻氫熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）及氫燃料電池（hydrogen fuel cell，HFC）中進(jìn)行氣、熱、電等不同能源的生產(chǎn)。儲(chǔ)氫罐（hydrogen energy storage，HES）可在氫能利用過(guò)程中對(duì)氫氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能量的平移。在氫能利用環(huán)節(jié)中，考慮到電解水和氫氣甲烷化會(huì)產(chǎn)生部分熱量［17-18］，本文在電解制氫和氫制甲烷過(guò)程中引入余熱回收裝置對(duì)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收利用，并供給熱網(wǎng)管道補(bǔ)充熱能。

圖1 氫能精細(xì)化多元利用模型Fig.1 Refinement diversified utilization model of hydrogen energy

1.1 考慮熱回收的EL模型

本文以堿性EL為例，對(duì)電解制氫環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化建模。EL 的運(yùn)行過(guò)程可分為電解過(guò)程和熱回收過(guò)程［18］，電解過(guò)程是基于電化學(xué)反應(yīng)原理，將電能轉(zhuǎn)換為氫能，在該過(guò)程中存在部分余熱散失，為此，本文在制氫環(huán)節(jié)中增設(shè)余熱回收裝置進(jìn)行熱回收，則計(jì)及熱回收的EL運(yùn)行模型［19］可表示為：

在熱回收過(guò)程中，電解制氫過(guò)程中的熱量可通過(guò)換熱器傳輸至熱網(wǎng)中供應(yīng)熱負(fù)荷?？紤]到熱傳輸過(guò)程中存在損耗，熱傳輸模型可表示為：

式中：P(t)為t時(shí)刻注入熱網(wǎng)的熱功率；ηh為換熱效率分別為t時(shí)刻EL輸出熱功率和熱傳輸損耗。

為反映EL內(nèi)溫度與熱量之間的關(guān)系，可通過(guò)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱模型表示傳熱過(guò)程中EL的溫度變化，即：

式中：Δt為時(shí)間間隔；REL、CEL分別為集總熱阻和集總熱容；TOL(t)為t時(shí)刻的外界溫度。

由式（3）知，P(t)的變化會(huì)導(dǎo)致TEL(t)的變化，從而影響P(t)和PeL(t)的分配比。EL 運(yùn)行綜合效率ηEL可表示為輸出總功率和輸入總功率之比，即：

為了保障EL 正常穩(wěn)定運(yùn)行，TEL(t)需保持在一定范圍內(nèi)，即：

1.2 考慮熱回收的MR模型

由于MR 的甲烷化屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，故反應(yīng)器中的溫度控制至關(guān)重要［20］。MR 甲烷化反應(yīng)的熱量關(guān)系可表示為：

式中：ΔH為產(chǎn)生單位摩爾甲烷而釋放的熱量。

MR 中的反應(yīng)原料和產(chǎn)物需滿足物質(zhì)量平衡關(guān)系，即：

式中：n(t)為t時(shí)刻MR 產(chǎn)生甲烷的摩爾速率；υcMR(t)為t時(shí)刻MR 消耗二氧化碳的速率；N分別為二氧化碳、甲烷和氫氣的相對(duì)分子量；υ(t)為t時(shí)刻MR 產(chǎn)生甲烷的速率；υ(t)為t時(shí)刻MR 消耗氫氣的速率；λ為MR 產(chǎn)生的甲烷和氫氣物質(zhì)的量比例。

因此，利用MR 甲烷化過(guò)程中的熱量可得到MR的產(chǎn)熱功率、余熱回收功率和產(chǎn)氣功率，即：

式中：P(t)為t時(shí)刻MR 產(chǎn)熱功率；ηMR為MR 甲 烷化效率；MH為氫氣的相對(duì)分子質(zhì)量；P(t)為t時(shí)刻甲烷化過(guò)程回收的熱量；ηMR，re為余熱回收裝置的熱回收效率；P(t)為t時(shí)刻MR 產(chǎn)氣功率；P(t)為t時(shí)刻MR耗氫功率。

1.3 HFC模型

HFC可將氫氣燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能和熱能，充分發(fā)揮氫能燃燒效率高且不產(chǎn)生二氧化碳的優(yōu)勢(shì)。本文采用熱電比可調(diào)的HFC模型，即：

1.4 摻氫CHP模型

相關(guān)研究表明，天然氣摻氫體積控制在20 % 之內(nèi)可有效降低燃?xì)赓?gòu)能成本和碳排放量［21］。本文為了進(jìn)一步提升氫能的利用效率，在IES 中引入燃?xì)鈸綒溲b置，構(gòu)建摻氫CHP系統(tǒng)，即：

式中：PCHP(t)為t時(shí)刻輸入摻氫CHP 的混合燃?xì)夤β?；δmix為混合燃?xì)獾牡蜔嶂捣謩e為t時(shí)刻通過(guò)燃?xì)鈸綒溲b置輸入摻氫CHP 的氫能和天然氣量；LH、Lmh分別為氫氣和天然氣的低熱值；ξ(t)為t時(shí)刻的燃?xì)鈸綒浔壤?/p>

摻氫CHP模型可表示為：

2 綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制

2.1 CET機(jī)制

我國(guó)主要采用基準(zhǔn)線法對(duì)IES 碳配額額度進(jìn)行分配，僅考慮使用過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量，認(rèn)為IES中的碳排放來(lái)自外部購(gòu)電和燃?xì)鈾C(jī)組［7，11］，其中外部購(gòu)電主要為燃煤機(jī)組。IES碳配額分配模型為：

式中：D為IES 從外部電網(wǎng)購(gòu)電的無(wú)償碳配額；T為調(diào)度周期的總時(shí)刻數(shù)；αe、αh分別為單位電量和單位熱量碳排放分配額系數(shù)；PGrid(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)的購(gòu)電功率；φe-h為電-熱折算系數(shù)；D為燃?xì)忮仩t的無(wú)償碳配額；P(t)為t時(shí)刻燃?xì)忮仩t的輸出熱功率；D為IES總的碳配額；D為CHP的無(wú)償碳配額。

考慮到IES 中的MR 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)吸收部分二氧化碳，IES的實(shí)際碳排放量模型可表示為：

式中：E為外購(gòu)電力的碳排放量；x1、y1、z1為燃煤機(jī)組碳排放計(jì)算系數(shù)；x2、y2、z2為燃?xì)鈾C(jī)組碳排放計(jì)算系數(shù)；PAll(t)為t時(shí)刻燃?xì)鈾C(jī)組輸出總功率；E為MR吸收的碳排放量；φMR為MR 吸收二氧化碳的效率系數(shù)；E為IES 總的碳排放量；E為燃?xì)鈾C(jī)組碳排放量。

因此，IES的CET成本可表示為：

式中：FCET為IES承擔(dān)的CET成本；cCET為CET價(jià)格。

2.2 GCT機(jī)制

綠證是我國(guó)對(duì)新能源上網(wǎng)電量的認(rèn)證，同時(shí)也是用戶消費(fèi)綠電的憑證。通常將GCT 機(jī)制與新能源配額制度組合，通過(guò)規(guī)定新能源發(fā)電在用戶用電量中的比例促進(jìn)用戶消費(fèi)一定比例的綠電。與CET機(jī)制類似，GCT 機(jī)制也是通過(guò)交易發(fā)揮市場(chǎng)在資源優(yōu)化配置中的作用。當(dāng)電力系統(tǒng)中的綠證數(shù)量低于所分配的綠證配額時(shí)，電力系統(tǒng)需購(gòu)買綠證，以達(dá)到綠證配額指標(biāo)；相反，則電力系統(tǒng)可出售多余的綠證，以獲取收益。GCT成本可表示為：

式中：EIES為IES所需持有的綠證配額指標(biāo)；δe為IES的綠證數(shù)量配額系數(shù)；P(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)所需總電量預(yù)測(cè)值；EWind為IES 可再生發(fā)電獲得的綠證數(shù)量；kgreen為風(fēng)機(jī)發(fā)電量與綠證數(shù)量之間相互轉(zhuǎn)化的量化系數(shù)，1 本綠證對(duì)應(yīng)1 MW·h 的風(fēng)電結(jié)算量；PWind(t)為t時(shí)刻風(fēng)機(jī)輸出電功率；FGCT為GCT 成本；cGCT為單位GCT價(jià)格。

2.3 綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制

由于新能源供能的碳減排量可通過(guò)計(jì)算得到［22］，因此可通過(guò)綠證聯(lián)動(dòng)CET 和GCT 機(jī)制，實(shí)現(xiàn)綠證-碳聯(lián)合交易。一般而言，在考慮GCT和CET機(jī)制的基礎(chǔ)上，在碳排放權(quán)考核時(shí)，可通過(guò)新能源供能引起的碳減排量抵消部分碳排放，進(jìn)而影響CET 機(jī)制。此時(shí)，綠證可同時(shí)參與CET 和GCT 機(jī)制，通過(guò)市場(chǎng)引導(dǎo)交易價(jià)格、需求量等因素實(shí)現(xiàn)兩機(jī)制的聯(lián)合互動(dòng)，綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制的具體步驟如下。

1）計(jì)算IES 的碳排放量。根據(jù)式（13）—（15）計(jì)算IES 燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的碳排放量。

2）分析綠證的碳減排量。由于我國(guó)燃煤發(fā)電的占比較高，本文通過(guò)對(duì)比燃煤發(fā)電與新能源發(fā)電產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量得到綠證引起的碳減排量［22］，即：

式中：Egreen為新能源發(fā)電引起的碳減排量；Dgreen、Dcoal分別為新能源供能和燃煤供能在各自產(chǎn)業(yè)鏈生命周期的碳排放當(dāng)量。

3）計(jì)算新能源抵消碳排放量后的CET成本。根據(jù)式（13）—（16），由于新能源供能抵消一部分碳排放量，則CET成本可表示為：

3 IES優(yōu)化模型

3.1 IES低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)

IES 低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，以CET成本、GCT成本、購(gòu)能成本、各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本以及棄風(fēng)懲罰成本之和最小為目標(biāo)，即：

式中：FIES為IES 的總成本；FBuy、EOper、FWind分別為購(gòu)能成本、各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本和棄風(fēng)懲罰成本。GCT成本和CET成本分別如式（18）、（20）所示，其他成本如式（22）—（24）所示。

1）購(gòu)能成本。

式中：c(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)的購(gòu)電電價(jià)；c(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)購(gòu)天然氣的單價(jià)；P(t)為t時(shí)刻輸入燃?xì)忮仩t的天然氣量；Vg為天然氣低熱值。

2）各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本。

式中：λi、γj分別為能源供應(yīng)設(shè)備i和儲(chǔ)能設(shè)備j的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)，儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、蓄熱槽和HES；Pi(t)為t時(shí)刻能源供應(yīng)設(shè)備i的輸出功率；Pj，chr(t)、Pj，dis(t)分別為t時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備j的充、放能功率。

3）棄風(fēng)懲罰成本。

式中：αq為單位棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)；P(t)為t時(shí)刻的風(fēng)電預(yù)測(cè)功率；P(t)為t時(shí)刻的風(fēng)電上網(wǎng)功率。

3.2 約束條件

本文模型的約束條件包括各設(shè)備運(yùn)行約束、儲(chǔ)能容量約束以及電、熱、氣、氫能的功率平衡約束，如附錄A式（A1）—（A3）所示。

3.3 模型求解

由于式（14）包含平方項(xiàng)，屬于非線性約束，因此本文構(gòu)建的IES 優(yōu)化模型為混合整數(shù)非線性模型，可采用分段線性化方法［7］將約束轉(zhuǎn)換為線性約束，再采用Gurobi 工具箱對(duì)模型進(jìn)行求解，具體處理方法可參考文獻(xiàn)［7］。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證所提調(diào)度模型的經(jīng)濟(jì)、低碳效益，以某地區(qū)冬季典型日為例，以24 h 為一個(gè)調(diào)度周期進(jìn)行仿真分析。典型的電、熱負(fù)荷曲線和風(fēng)電預(yù)測(cè)功率見(jiàn)附錄A 圖A1；分時(shí)電價(jià)見(jiàn)附錄A 表A1；各能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A2 和表A3；在CET 機(jī)制方面，αe、αh分別為0.728 t／（MW·h）和0.102 t／GJ［11］，單位CET 價(jià)格cCET=0.268 元／kg，燃煤機(jī)組的實(shí)際碳排放計(jì)算系數(shù)x1、y1、z1分別為36、-0.38、0.003 4［7］，燃?xì)鈾C(jī)組的實(shí)際碳排放計(jì)算系數(shù)x2、y2、z2分別為3、-0.04、0.001［7］；GCT價(jià)格cGCT= 220元／本［16］。

4.2 氫能多元利用效益分析

為了驗(yàn)證本文所提氫能多元利用模型的有效性，設(shè)置以下4 種方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案1，采用電-熱-氣IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，未考慮氫能利用模型；方案2，在方案1 的基礎(chǔ)上引入包含EL、HFC 和MR的氫能利用模型；方案3，在方案2的基礎(chǔ)上引入摻氫CHP，考慮氫能多元利用模型；方案4，在方案3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮氫能多元利用環(huán)節(jié)的余熱回收。表1為4種方案下的各項(xiàng)成本對(duì)比結(jié)果。

表1 4種方案的成本對(duì)比結(jié)果Table 1 Cost comparison results among four schemes

1）方案1和方案2的對(duì)比分析。

方案1和方案2的電、熱能調(diào)度結(jié)果分別見(jiàn)附錄B 圖B1 和圖B2。在方案1 下，電、熱負(fù)荷的峰谷趨勢(shì)相反，即在電負(fù)荷谷值時(shí)段的熱負(fù)荷較高，由于CHP 的“以熱定電”特性，在夜間熱負(fù)荷較高時(shí)段的CHP 熱出力較高，這導(dǎo)致CHP 電出力較高，從而造成大量的棄風(fēng)現(xiàn)象。相較于方案1，方案2 在IES 優(yōu)化模型中引入了由EL、HFC 和MR 構(gòu)成的氫能利用環(huán)節(jié)，在夜間風(fēng)電功率較高時(shí)段，可通過(guò)EL 將風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫能，不僅提高了夜間風(fēng)電功率消納能力，還補(bǔ)充了電、熱負(fù)荷的供應(yīng)，降低了高峰負(fù)荷時(shí)段的供能壓力和系統(tǒng)購(gòu)能成本。由表1 知，相較于方案1，方案2 的購(gòu)氣成本、IES 總成本和碳排放量分別下降了7.64 %、9.06 % 和22.54 %，驗(yàn)證了氫能利用環(huán)節(jié)的有效性。

2）方案2和方案3的對(duì)比分析。

相較于方案2，方案3通過(guò)在CHP系統(tǒng)中引入摻氫裝置構(gòu)建了摻氫CHP 系統(tǒng)。在方案2 下，氫能的利用只有HFC 和MR 這2 種途徑，但通過(guò)MR 生產(chǎn)氣能后在進(jìn)行熱電生產(chǎn)時(shí)增加了能源的損耗，這導(dǎo)致能源利用效率不高。而方案3由于引入摻氫CHP 增加了氫能的利用途徑，形成了氫能的多元利用環(huán)節(jié)，可將HFC 消納后富裕的氫氣通過(guò)摻氫CHP 進(jìn)行熱電生產(chǎn)，提升了能源利用效率。由表1 可知，相較于方案2，方案3 的IES 總成本和碳排放量分別下降了1.94 % 和2.20 %。

3）方案3和方案4的對(duì)比分析。

相較于方案3，方案4進(jìn)一步考慮了氫能利用環(huán)節(jié)的余熱量回收。圖2為方案4的熱能調(diào)度結(jié)果，圖3為方案3和方案4下CHP和燃?xì)忮仩t的功率對(duì)比結(jié)果。由圖2 和圖3 可知：在方案3 下，由于在01:00 —06:00和23:00 — 24:00時(shí)段熱負(fù)荷較高，為了滿足該時(shí)段的熱負(fù)荷需求，燃?xì)忮仩t處于滿發(fā)狀態(tài)，不足的熱負(fù)荷需求則通過(guò)CHP 補(bǔ)充，因此，CHP 和燃?xì)忮仩t的功率均較高；方案4 由于引入了余熱回收裝置，在EL 和MR 運(yùn)行過(guò)程中能回收部分熱量供應(yīng)熱負(fù)荷，因此緩解了CHP 和燃?xì)忮仩t的供能壓力。由表1可知，相較于方案3，方案4的棄風(fēng)懲罰成本、IES總成本以及碳排放量分別下降了62.74 %、3.05 % 和7.91 %?？梢?jiàn)，考慮余熱回收的氫能多元利用模型能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和低碳性以及能源利用效率。

圖2 方案4的熱能調(diào)度結(jié)果Fig.2 Thermal energy dispatch results of Scheme 4

圖3 方案3和方案4下CHP和燃?xì)忮仩t的功率對(duì)比結(jié)果Fig.3 Power comparison results of CHP and gas boiler between Scheme 3 and Scheme 4

4.3 綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制的有效性分析

為了驗(yàn)證所提綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制的有效性，設(shè)置如下方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案5，在方案4 的基礎(chǔ)上僅考慮CET 機(jī)制；方案6，在方案4 的基礎(chǔ)上僅考慮GCT 機(jī)制；方案7，在方案4 的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮CET機(jī)制和GCT機(jī)制，但未考慮兩機(jī)制間的聯(lián)系；方案8，在方案4 的基礎(chǔ)上考慮本文所提綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制。各方案的對(duì)比結(jié)果如附錄B表B1所示。

1）方案4和方案5的對(duì)比分析。

相較于方案4，方案5引入了CET成本，由于IES內(nèi)部清潔機(jī)組占比較高，且燃?xì)鈾C(jī)組CHP 和燃?xì)忮仩t的碳配額大于其實(shí)際產(chǎn)生的碳排放量，因此，在引入CET 成本后，IES 可在CET 市場(chǎng)中出售富裕的碳配額，從而獲得一部分收益。此外，引入CET成本進(jìn)一步限制了外購(gòu)電力，增加了燃?xì)鈾C(jī)組如CHP 的上網(wǎng)能力。由表B1 可知，相較于方案4，方案5 的IES總成本和碳排放量分別下降7.22 % 和22.73 %，驗(yàn)證了CET機(jī)制的有效性。

2）方案4和方案6的對(duì)比分析。

相較于方案4，方案6 引入了GCT 機(jī)制，由于模型中綠電占比較高，因此IES 能在GCT 市場(chǎng)中獲取部分收益，從而進(jìn)一步提升風(fēng)電功率的消納能力，此時(shí)棄風(fēng)成本降為0。由表B1 可知，相較于方案4，方案6 的IES 總成本和碳排放量分別下降了4.63%和13.10 %?？芍?，GCT和CET機(jī)制的作用有相似之處。

3）方案5 — 8的對(duì)比分析。

相較于方案5 和方案6，方案7 在IES 優(yōu)化模型中同時(shí)引入了CET機(jī)制和GCT機(jī)制。由表B1可知，引入兩機(jī)制后，IES 能同時(shí)在CET 和GCT 市場(chǎng)中獲取收益，因此IES 總成本和碳排放量進(jìn)一步降低。而方案8進(jìn)一步考慮了CET 和GCT 機(jī)制間的相互影響，即在碳排放權(quán)考核時(shí)可通過(guò)新能源供能引起的碳減排量抵消部分碳排放，進(jìn)而影響CET機(jī)制，因此進(jìn)一步降低了IES的碳排放量，提高了IES購(gòu)買綠證和機(jī)組出力的積極性，反映了CET 和GCT 機(jī)制聯(lián)合交易策略的低碳經(jīng)濟(jì)性。由表B1可知，相較于方案7，方案8 的IES 總成本和碳排放量分別下降了1.92 % 和7.85 %，驗(yàn)證了本文所提機(jī)制的有效性。

5 結(jié)論

本文提出一種考慮氫能多元利用和綠證-碳聯(lián)合交易機(jī)制的IES 低碳經(jīng)濟(jì)協(xié)同優(yōu)化模型，充分利用IES 的能源耦合特性和高比例新能源的特點(diǎn)，研究氫能利用、CET 機(jī)制以及GCT 機(jī)制對(duì)IES 優(yōu)化運(yùn)行的影響。通過(guò)算例仿真得到如下結(jié)論：氫能多元利用模型的引入能有效提升夜間風(fēng)電功率的消納能力，不僅避免了可再生資源的浪費(fèi)，還降低了IES 的碳排放量，充分發(fā)揮了氫能的低碳清潔特性；通過(guò)在氫能利用環(huán)節(jié)中引入余熱回收裝置，有效利用了氫能生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換過(guò)程中釋放的余熱量，不僅降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本和碳排放量，還提升了能源利用效率；CET 機(jī)制和GCT 機(jī)制的引入均對(duì)改善IES 的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性有顯著作用，并且在考慮CET 與GCT 機(jī)制聯(lián)合交易后其效果更為明顯，對(duì)提升可再生能源消納水平具有重要意義。

在本文模型中，源、荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均來(lái)自確定性模型，忽略了源、荷不確定性對(duì)IES 優(yōu)化運(yùn)行的影響，在后續(xù)研究中，筆者將重點(diǎn)考慮源、荷不確定性以及多時(shí)間尺度調(diào)度對(duì)IES運(yùn)行的影響。

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