駱 釗，羅蒙順，沈 鑫，王 華，劉德文，喻品欽

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南省 昆明市 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，云南省 昆明市 650051；3.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南省 昆明市 650500）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）可以實(shí)現(xiàn)多種能源之間的互聯(lián)、互通、互濟(jì)，通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化不同形式能源的相互轉(zhuǎn)換，促進(jìn)節(jié)能減排、提高能源利用率，現(xiàn)已成為能源轉(zhuǎn)型的重要載體［1-2］。煤炭作為中國(guó)重要的化石能源，煤礦開(kāi)采及礦區(qū)人員生活產(chǎn)能、用能形式多樣，且礦區(qū)周邊風(fēng)光資源豐富，具備IES 的特點(diǎn)。因此，亟須深入開(kāi)展礦區(qū)IES（coal mine IES，CMIES）研究。

煤礦在開(kāi)采過(guò)程會(huì)產(chǎn)生瓦斯、乏風(fēng)、涌水等伴生能源。礦區(qū)一般只注重煤礦開(kāi)采效率，而對(duì)煤礦伴生能源只是簡(jiǎn)單排放，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年中國(guó)由瓦斯和乏風(fēng)造成的溫室效應(yīng)等效為2 億t CO2［4］。此外，煤礦開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的礦井涌水約為45 億t［5］。目前針對(duì)礦區(qū)伴生能源的利用和CMIES 已有一些研究。文獻(xiàn)［6］構(gòu)建了包含煤矸石、煤層氣及涌水的綜合用能系統(tǒng)，促進(jìn)煤炭伴生資源循環(huán)利用。文獻(xiàn)［7］為提高分布式光伏消納及礦山能源利用率，構(gòu)建了含光-儲(chǔ)-氣-廢舊礦井抽蓄的多能互補(bǔ)礦山IES。文獻(xiàn)［8］將煤炭伴生資源與礦區(qū)柔性負(fù)荷進(jìn)行耦合，綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境成本、碳交易成本和用戶不滿意度，構(gòu)建基于靈活負(fù)載的CMIES 調(diào)度模型。上述研究為礦區(qū)伴生能源的利用提供了途徑，但未涉及多伴生能源綜合利用對(duì)CMIES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響。

碳交易機(jī)制與碳捕集、封存（carbon capture and storage，CCS）作為目前促進(jìn)節(jié)能減排的有效政策與關(guān)鍵技術(shù)［9-10］，在IES 中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)［11］將碳交易機(jī)制引入IES 來(lái)控制系統(tǒng)碳排放量，并分析了碳交易機(jī)制各參數(shù)靈敏度對(duì)系統(tǒng)碳排放及總運(yùn)行成本的影響。文獻(xiàn)［12］為促進(jìn)低碳-零碳化新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，構(gòu)建了以電力系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的風(fēng)電-碳捕集調(diào)度模型?？紤]到碳捕集與電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）的耦合特性［13］，即碳捕集設(shè)備捕集系統(tǒng)中燃?xì)鈾C(jī)組排放的CO2與P2G 產(chǎn)生的H2在甲烷反應(yīng)器（methane reactor，MR）中生成天然氣，為IES 中的CO2利用提供了新路徑。文獻(xiàn)［14］提出含耦合P2G 和碳捕集系統(tǒng)的園區(qū)級(jí)IES 優(yōu)化模型，以促進(jìn)節(jié)能減排及可再生能源消納。文獻(xiàn)［15］在碳捕集-P2G 的協(xié)同運(yùn)行模式基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮碳排放源和碳去向問(wèn)題，建立考慮時(shí)空擴(kuò)散和碳匯的碳捕集-P2G 協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。然而，上述政策和CCS-P2G 耦合模型針對(duì)CMIES 的研究較少。

綜上所述，本文綜合考慮礦區(qū)伴生能源、CCS、兩段式P2G 及獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制對(duì)CMIES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，以購(gòu)能成本、棄能懲罰成本、碳交易成本、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、碳封存成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo)。最后，通過(guò)分析不同場(chǎng)景的調(diào)度結(jié)果，驗(yàn)證了所提模型的有效性。

1 含伴生能源和CCS-P2G 耦合的CMIES模型構(gòu)建

1.1 CMIES 結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建的含伴生能源和CCS-P2G 耦合的CMIES 具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含能量供應(yīng)、利用、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)。能量供應(yīng)指風(fēng)光可再生能源、外部電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和礦區(qū)伴生能源。能量利用指電、熱、冷等礦區(qū)負(fù)荷及CCS。能量轉(zhuǎn)換指熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）裝置、燃?xì)忮仩t（gas boiler，GB）、電制冷機(jī)（electric chiller，EC）、燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine，GT）、余熱鍋爐（waste heat boiler，WHB）、吸收式制冷機(jī)（absorption chiller，AC）、蓄熱氧化（regenerative thermal oxidation，RTO）裝置、水源熱泵（water source heat pump，WSHP）、兩段式P2G。能量存儲(chǔ)指儲(chǔ)電（electricity storage，ES）設(shè)備、蓄熱（heat storage，HS）設(shè)備。兩段式P2G 由電解槽（electrolyzer，EL）、MR、氫燃料電池（hydrogen fuel cell，HFC）、儲(chǔ)氫罐（hydrogen energy storage，HES）構(gòu)成。其中，CCS 用于捕集燃?xì)庠O(shè)備產(chǎn)生的CO2，降低礦區(qū)碳排放量。

圖1 CMIES 結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CMIES

與典型區(qū)域IES 相比，CMIES 具備以下特點(diǎn)：1）綜合考慮瓦斯、乏風(fēng)、涌水等礦區(qū)伴生能源利用，將其轉(zhuǎn)化為電或熱能，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染；2）礦區(qū)作為高耗能企業(yè)，碳排放量較多，且周邊風(fēng)光資源豐富，碳捕集、P2G 設(shè)備協(xié)同運(yùn)行可以促進(jìn)礦區(qū)能源電力低碳轉(zhuǎn)型；3）在礦區(qū)實(shí)施獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制，可進(jìn)一步提升企業(yè)減排意愿，加速“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1.2 伴生能源利用模型

根據(jù)不同伴生能源的利用特性，將瓦斯供給GT 發(fā)電，乏風(fēng)、涌水分別供給RTO 裝置、WSHP 進(jìn)行產(chǎn)熱［16］。WHB 對(duì)GT、RTO 裝置產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)行回收利用，AC 將余熱功率轉(zhuǎn)化成冷功率，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)伴生能源、電、熱、冷等多種異質(zhì)能源的耦合互聯(lián)與協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化。

1）GT

式中：PGT，t和HGT，t分別為t時(shí)刻GT 輸出的電功率和熱功率；ηGT為GT 電功率轉(zhuǎn)化系數(shù)；Lgas為甲烷的低位熱值；FGT，t和βGT，t分別為t時(shí)刻GT 中瓦斯流量與甲烷濃度；ηloss為GT 的熱損失系數(shù)；PGT，max為GT的最大輸出功率；和分別為GT 爬坡功率的上、下限。

2）RTO 裝置

式中：HRTO，t為t時(shí)刻RTO 裝置輸出的熱功率；ηRTO為RTO 裝置的熱功率轉(zhuǎn)化系數(shù)；FRTO，t和βRTO，t分別為t時(shí)刻RTO 裝置中乏風(fēng)流量與甲烷濃度；HRTO，max為RTO 裝置的最大輸出功率；和分別為RTO 裝置爬坡功率的上、下限。

3）WSHP

式中：HWSHP，t為t時(shí)刻WSHP 輸出的熱功率；FWSHP，t為t時(shí)刻WSHP 中涌水的流量；P1、P2為WSHP 制熱狀態(tài)下的擬合系數(shù)；HWSHP，max為WSHP 的最大輸出功率；和分別為WSHP 爬坡功率的上、下限。

4）WHB

5）AC

式中：HAC，t和PAC，t分別為t時(shí)刻AC 輸入的余熱功率和輸出的冷功率；ηAC為AC 的冷功率轉(zhuǎn)化系數(shù)；PAC，max為AC 的最大輸出功率；和分別為AC 爬坡功率的上、下限。

1.3 CCS 和P2G 聯(lián)合運(yùn)行模型

本文所提的CCS-P2G 耦合系統(tǒng)包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：兩段式P2G 和碳捕集。下面將針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行建模。

1.3.1 兩段式P2G 環(huán)節(jié)

當(dāng)風(fēng)、光出力在滿足系統(tǒng)電功率需求的前提下仍存在大量棄風(fēng)、棄光時(shí)，EL 利用富余電能電解水產(chǎn)生H2，一部分H2輸入MR 與CO2進(jìn)行甲烷化產(chǎn)生天然氣，供給CHP、GB，剩下的直接輸送給HFC 轉(zhuǎn)換為電功率和熱功率或者在HES 中存儲(chǔ)［17］。

1）EL

式中：PEL，t和PeEL，t分別為t時(shí)刻EL 輸出的氫功率和輸入的電功率；ηEL為EL 的氫功率轉(zhuǎn)化系數(shù)；PEL，max為EL 的最大輸出功率；和分別為EL 爬坡功率的上、下限。

2）MR

式中：PMR，t為t時(shí)刻MR 產(chǎn)生的天然氣；HMR，t為t時(shí)刻MR 消耗的氫功率；ηMR為MR 的天然氣轉(zhuǎn)化系數(shù)；CMR，t為t時(shí)刻甲烷化反應(yīng)過(guò)程所需的CO2量；χ為CO2的計(jì)算系數(shù)；PMR，max為MR 的最大輸出功率。

3）HFC

式中：PHFC，t和HHFC，t分別為t時(shí)刻HFC 輸出的電功率和熱功率；和分別為HFC 電功率和熱功率轉(zhuǎn)化系數(shù)；為t時(shí)刻HFC 輸入的氫功率；PHFC，max為HFC 的最大輸出功率；和分別為HFC 爬坡功率的上、下限；和分別為HFC 熱電比的上、下限。

1.3.2 碳捕集環(huán)節(jié)

碳捕集技術(shù)可以分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集3 種，本文僅考慮燃燒后碳捕集［18］。CCS 技術(shù)捕獲燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的CO2，其中一部分作封存處理，另一部分CO2作為甲烷化原料輸送給P2G 設(shè)備進(jìn)行甲烷化。其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：PCCS，t為CCS 設(shè)備t時(shí)刻捕集CO2消耗的電功率；和分別為t時(shí)刻CCS 的基本能耗和運(yùn)行能耗；λc為捕集單位CO2的耗電量［19］；CCO2，t為CCS 設(shè)備t時(shí)刻捕獲的CO2總量；CMR，t和CF，t分別為t時(shí)刻甲烷化消耗的CO2量與封存的CO2量；CZCO2，t為t時(shí)刻燃?xì)鈾C(jī)組排放的CO2量；ηCCS為CCS 的碳捕集率。

風(fēng)電、光伏、CHP、GB、EC、儲(chǔ)能設(shè)備詳細(xì)建模過(guò)程見(jiàn)附錄A 式（A1）至式（A6）。

2 獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制

系統(tǒng)碳配額、碳交易成本詳細(xì)建模過(guò)程見(jiàn)附錄A 式（A7）至式（A10）。

3 含伴生能源和CCS-P2G 耦合的CMIES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以購(gòu)能成本、棄能懲罰成本、碳交易成本、設(shè)備運(yùn)維成本、碳封存成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：F為CMIES 的總成本；Fe、Fq、FCO2、Foper、FFC分別為購(gòu)能成本、棄能懲罰成本（包括棄風(fēng)、棄光和棄伴生能源）、碳交易成本、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、碳封存成本，如式（11）所示。

式中：Pgrid，t和Pgas，t分別為t時(shí)刻CMIES 向電網(wǎng)的購(gòu)電量和向天然氣網(wǎng)的購(gòu)氣量；和分別為t時(shí)刻的購(gòu)電價(jià)格、購(gòu)氣價(jià)格；Pcwind，t和Pcpv，t分別為t時(shí)刻棄風(fēng)、棄光功率；αw和αpv分別為單位棄風(fēng)、棄光懲罰系數(shù)；λ1、λ2、λ3分別為單位棄瓦斯、乏風(fēng)、涌水懲罰系數(shù)；Fw，t、Ff，t、Fy，t分別為t時(shí)刻棄瓦斯、乏風(fēng)、涌水功率；FCO2，t為t時(shí)刻碳交易成本；αi和Pi，t分別為t時(shí)刻設(shè)備i的單位維護(hù)費(fèi)用和輸出功率；fCO2為碳封存單價(jià)。

3.2 功率平衡約束

1）電功率平衡

式中：Pwind，t和PPV，t分別為t時(shí)刻系統(tǒng)實(shí)際消耗的風(fēng)力和光伏發(fā)電；PCHP，t為t時(shí)刻CHP 輸出的電功率；Ppl，t為t時(shí)刻電負(fù)荷需求量；和分別為t時(shí)刻ES 裝置的充、放電功率；為t時(shí)刻EC 輸入的電功率。

2）熱功率平衡

式中：HCHP，t為t時(shí)刻CHP 輸出熱功率；HGB，t為t時(shí)刻GB 輸出的熱功率；Hhl，t為t時(shí)刻熱負(fù)荷需求量；和分別為t時(shí)刻HS 裝置的充、放熱功率。

3）冷功率平衡

式中：PEC，t為t時(shí)刻EC 輸出的冷功率；Pcl，t為t時(shí)刻冷負(fù)荷需求量。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證本文所提含伴生能源和CCS-P2G 耦合的CMIES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的有效性，以云南某大型煤礦為例。該礦區(qū)周邊建有風(fēng)力發(fā)電廠和光伏電站，CMIES 耦合結(jié)構(gòu)如圖1 所示。礦區(qū)風(fēng)光及負(fù)荷預(yù)測(cè)出力如附錄B 圖B1 所示，煤礦某典型日下的瓦斯、乏風(fēng)、涌水流量與濃度分別如圖B2 至圖B4 所示。各設(shè)備參數(shù)如附錄C 表C1 所示，所采用的分時(shí)電價(jià)如表C2 所示，棄風(fēng)、棄光、棄伴生能源懲罰系數(shù)如表C3 所示。

4.2 場(chǎng)景設(shè)置及結(jié)果分析

為驗(yàn)證CMIES 中考慮伴生能源利用及P2GCCS 協(xié)同運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，設(shè)置以下4 個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行分析。

場(chǎng)景1：不考慮伴生能源利用，不含CCS、P2G。

場(chǎng)景2：不考慮伴生能源利用，含CCS、傳統(tǒng)P2G。場(chǎng)景3：考慮伴生能源利用，含CCS、傳統(tǒng)P2G。場(chǎng)景4：考慮伴生能源利用，含CCS、兩段式P2G。

對(duì)設(shè)置的4 種場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，其優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如表1 所示。

表1 各場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results of each scenario

4.2.1 場(chǎng)景分析

由表1 可知，與場(chǎng)景1 相比，場(chǎng)景2 引入碳捕集和傳統(tǒng)P2G 設(shè)備后，系統(tǒng)總成本減少了2.62 萬(wàn)元，CO2排放量減少了100.23 t，風(fēng)光消納率分別提升至96.00%和97.02%。P2G 設(shè)備利用風(fēng)光富余電能電解水從而轉(zhuǎn)化成H2，同時(shí)碳捕集裝置捕獲礦區(qū)碳排放設(shè)備產(chǎn)生的CO2，二者在MR 中進(jìn)行甲烷化從而產(chǎn)生天然氣，供給礦區(qū)燃?xì)庠O(shè)備使用，促進(jìn)礦區(qū)節(jié)能減排與可再生能源消納。與場(chǎng)景2 相比，場(chǎng)景3 考慮了礦區(qū)伴生能源的利用。伴生能源作為煤礦開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的優(yōu)質(zhì)能源，可以直接供給伴生能源利用設(shè)備產(chǎn)生電功率和熱功率，從而降低購(gòu)能成本和碳排放量。場(chǎng)景4 在場(chǎng)景3 的基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)P2G 替換為兩階段P2G，細(xì)化為EL、HFC、HES 及MR 的組合。H2可以直接供給HFC 產(chǎn)生電功率和熱功率，相較于進(jìn)行甲烷化產(chǎn)生天然氣再供給燃?xì)庠O(shè)備，減少了一個(gè)能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高了氫能的利用效益，且不產(chǎn)生CO2。HES 可以提高氫能利用靈活性，更有利于系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2.2 系統(tǒng)功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

本節(jié)基于場(chǎng)景4 的運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析，電、熱、冷功率平衡如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.2 Scheduling results of system power optimization

CMIES 中電功率平衡如圖2（a）所示，GT、HFC、CHP、風(fēng)電、光伏、購(gòu)電及ES 裝置為系統(tǒng)電負(fù)荷及耗電設(shè)備提供電能需求。01：00—05：00、22：00—24：00 和10：00—15：00 時(shí)段為風(fēng)光出力高峰期，在保證系統(tǒng)用電需求的前提下，P2G 裝置將風(fēng)光富余電能轉(zhuǎn)化成氫能，同時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)電，提高風(fēng)光利用率。06：00—07：00、17：00—18：00 時(shí)段風(fēng)光出力減少，負(fù)荷需求上升，HFC 和儲(chǔ)能設(shè)備放電不能滿足用電需求，需要從大電網(wǎng)購(gòu)電。CMIES 中熱功率平衡如圖2（b）所示，CHP、GB、HFC、WHB、WSHP 及HS 裝置為系統(tǒng)提供熱能需求。12：00—13：00、17：00 時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷需求較低，HS 裝置進(jìn)行蓄熱，減少熱能浪費(fèi)。04：00—06：00、23：00 時(shí)系統(tǒng)熱負(fù)荷需求較高，蓄熱槽放熱滿足系統(tǒng)熱功率平衡。CMIES 中冷功率平衡如圖2（c）所示，AC、EC 為系統(tǒng)冷負(fù)荷提供冷能需求。01：00—05：00、22：00—24：00 和10：00—15：00 時(shí)段為風(fēng)光出力高峰期，EC 消耗風(fēng)光富余電能為系統(tǒng)提供主要冷能需求，其余時(shí)段AC 提供的冷能較多。

4.3 風(fēng)、光消納能力分析

各場(chǎng)景在01：00—24：00 時(shí)段的風(fēng)電、光伏消納率如附錄B 圖B5 和圖B6 所示。場(chǎng)景1 中，在風(fēng)電出力高峰期01：00—05：00、22：00—24：00，由于風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，該時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)電負(fù)荷需求低，在滿足CMIES 正常運(yùn)行的前提下仍出現(xiàn)大量棄風(fēng)，因而風(fēng)電消納率較低。對(duì)于光伏而言，10：00—15：00時(shí)段為光伏出力高峰期，電負(fù)荷需求較高，棄光較少。場(chǎng)景2 引入CCS-P2G 耦合設(shè)備，進(jìn)一步消納多余的光伏和風(fēng)力發(fā)電，提高了光伏和風(fēng)電消納率。場(chǎng)景3 和場(chǎng)景4 在場(chǎng)景2 的基礎(chǔ)上，考慮了礦區(qū)伴生能源的利用，由于瓦斯和乏風(fēng)等伴生能源的利用設(shè)備會(huì)產(chǎn)生碳排放，碳捕集裝置耗電增強(qiáng)，系統(tǒng)將加大對(duì)風(fēng)電和光伏的利用程度，進(jìn)一步提高風(fēng)電光伏消納率。

4.4 伴生能源利用效益及設(shè)備容量分析

為保證礦區(qū)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，相較于可再生能源，本文考慮優(yōu)先消納礦區(qū)伴生能源，其消納率受伴生能源懲罰系數(shù)影響較大。下面將研究不同懲罰系數(shù)對(duì)伴生能源消納率和系統(tǒng)總成本的影響。

如圖3 所示，當(dāng)懲罰系數(shù)在［80，120）元/MW時(shí)，風(fēng)光消納率高于伴生能源消納率，系統(tǒng)優(yōu)先消納風(fēng)電和光伏。當(dāng)懲罰系數(shù)在［120，180）元/MW 時(shí)，涌水的消納率逐漸提升，高于風(fēng)光消納率，系統(tǒng)優(yōu)先消納涌水。隨著懲罰系數(shù)繼續(xù)增加，風(fēng)光和涌水消納率不變。當(dāng)懲罰系數(shù)在［180，240）元/MW 時(shí)，瓦斯和乏風(fēng)的消納率逐漸高于風(fēng)光消納率，系統(tǒng)優(yōu)先消納瓦斯和乏風(fēng)，隨著懲罰系數(shù)的持續(xù)增加，風(fēng)光和伴生能源消納率保持不變。系統(tǒng)總運(yùn)行成本隨著風(fēng)光和伴生能源消納率的提升而逐漸下降，當(dāng)懲罰系數(shù)大于240 元/MW 時(shí)，風(fēng)光和伴生能源消納率保持不變，系統(tǒng)總成本趨于穩(wěn)定且不變。

圖3 懲罰系數(shù)對(duì)伴生能源消納率和系統(tǒng)總成本的影響Fig.3 Influence of penalty coefficient on associated energy accommodation rate and total system cost

通過(guò)設(shè)置合理的儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量可使系統(tǒng)總成本達(dá)到最優(yōu)。如圖4 所示，當(dāng)儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量較小時(shí)，系統(tǒng)成本較高。隨著儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量的增加，系統(tǒng)總成本呈下降趨勢(shì)。當(dāng)儲(chǔ)能容量為10 MW、儲(chǔ)氫容量為8 MW 時(shí)，二者之間的協(xié)同效果最佳，系統(tǒng)總成本最小，隨著各自容量增加，系統(tǒng)總成本保持不變。這是因?yàn)楫?dāng)儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量較小時(shí)，由于容量有限，無(wú)法消納風(fēng)、光及伴生能源產(chǎn)生的富余電能，導(dǎo)致大量棄風(fēng)、棄光和棄伴生能源。相比較而言，風(fēng)、光及伴生能源的棄能成本遠(yuǎn)大于設(shè)備維護(hù)成本，因而系統(tǒng)總成本較高。當(dāng)儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量增大時(shí)，能夠消納更多的富余電能，降低系統(tǒng)棄能成本，雖然維護(hù)成本也隨之增加，但總體而言，系統(tǒng)總成本下降。儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量達(dá)到最優(yōu)值表明設(shè)備出力達(dá)到最大值。由于本文儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫設(shè)備維護(hù)成本與設(shè)備出力相關(guān)，繼續(xù)增大設(shè)備容量不會(huì)降低系統(tǒng)總成本，同時(shí)也不會(huì)增加設(shè)備維護(hù)成本。因此，系統(tǒng)總成本不會(huì)隨著儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫容量的增加而增大。

圖4 設(shè)備容量分析Fig.4 Analysis on equipment capacity

4.5 獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制的參數(shù)靈敏度分析

獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制中各參數(shù)取值對(duì)CMIES 優(yōu)化運(yùn)行影響較大。因此，本節(jié)研究獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制區(qū)間長(zhǎng)度、價(jià)格增長(zhǎng)率、補(bǔ)償系數(shù)對(duì)系統(tǒng)總成本和碳排放量的影響。

如圖5（a）所示，當(dāng)階梯式碳交易設(shè)置的區(qū)間在［0.5，2）時(shí)，系統(tǒng)總成本較高，碳排放水平低。原因在于此區(qū)間碳配額較少，系統(tǒng)需要購(gòu)買較多的碳配額以保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)約束機(jī)組出力，減少碳排放。當(dāng)區(qū)間設(shè)置在［2，4）時(shí)，隨著階梯式碳交易機(jī)制的區(qū)間長(zhǎng)度變寬，系統(tǒng)獲得免費(fèi)的碳配額增多，系統(tǒng)總運(yùn)行成本降低，碳交易機(jī)制的碳約束能力減弱，碳排放量增多。當(dāng)區(qū)間設(shè)置在［4，8）時(shí)，碳排放量隨區(qū)間長(zhǎng)度呈正比增長(zhǎng)，總成本隨區(qū)間長(zhǎng)度呈反比減少。

圖5 獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制各參數(shù)變量對(duì)CMIES 的影響Fig.5 Influence of each parameter variable of reward and punishment stepwise carbon trading mechanism on CMIES

如圖5（b）所示，當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率區(qū)間在［0，0.35）時(shí)，碳排放量隨著階梯式碳交易的價(jià)格增長(zhǎng)率增大而減小，系統(tǒng)運(yùn)行成本上升。原因在于碳交易價(jià)格提高，為了保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，會(huì)約束系統(tǒng)碳排放機(jī)組的出力，減少碳排放量。當(dāng)區(qū)間在［0.35，8）時(shí)，由于碳排放成本較高，各機(jī)組出力逐漸趨于穩(wěn)定，碳排放量減少，總成本繼續(xù)呈上升趨勢(shì)。二者最終都趨于穩(wěn)定。

如圖5（c）所示，當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)區(qū)間在［0，0.2）時(shí)，對(duì)用戶的刺激較小，碳排放量幾乎不變且較高，總成本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)區(qū)間在［0.2，0.4）時(shí)，碳排放量呈下降趨勢(shì)且較為顯著，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行下，系統(tǒng)會(huì)減小或轉(zhuǎn)移自己的用能，以期獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，系統(tǒng)總運(yùn)行成本減小。當(dāng)補(bǔ)償系數(shù)大于0.4 時(shí)，機(jī)組出力變化小，碳排放量和系統(tǒng)總成本最終趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文構(gòu)建了含瓦斯、乏風(fēng)、涌水等多伴生能源綜合利用的CMIES 框架，提出了一種基于伴生能源和CCS-P2G 耦合的CMIES 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。最后，通過(guò)算例進(jìn)行分析驗(yàn)證，具體結(jié)論如下：

1）綜合考慮瓦斯、乏風(fēng)、涌水等礦區(qū)伴生能源的利用，可顯著減少系統(tǒng)總運(yùn)行成本，同時(shí)降低碳排放量。

2）在礦區(qū)引入CCS-P2G 耦合設(shè)備，系統(tǒng)碳排放量減少了100.23 t，風(fēng)光利用率分別提升至96.00%和97.02%，系統(tǒng)總成本減少2.62 萬(wàn)元。細(xì)化P2G兩階段后，系統(tǒng)總成本和碳排放量進(jìn)一步下降，說(shuō)明CCS 與細(xì)化P2G 兩階段協(xié)同運(yùn)行有利于促進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能減排與可再生能源消納。

3）伴生能源懲罰系數(shù)作為影響伴生能源消納的關(guān)鍵因素，可通過(guò)設(shè)置合理的懲罰系數(shù)促進(jìn)伴生能源消納，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

4）通過(guò)對(duì)階梯式碳交易機(jī)制各參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，為選擇合適的碳交易機(jī)制區(qū)間長(zhǎng)度、價(jià)格增長(zhǎng)率及補(bǔ)償系數(shù)提供參考。

本文為CMIES 的優(yōu)化運(yùn)行提供了新思路，后續(xù)工作將深入研究礦區(qū)生產(chǎn)工藝和流程控制，對(duì)礦區(qū)能源進(jìn)行全壽命周期碳足跡追蹤，進(jìn)一步挖掘CMIES 運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與低碳性。

本文得到云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(202201AT070220，202101AT070080)和云南省興滇英才支持計(jì)劃(KKRD202204024)幫助，特此感謝！

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