計及碳交易的光熱電站與風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

崔 楊，鄧貴波，王 錚，王茂春，趙鈺婷

（1. 東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室，吉林 吉林 132012；2. 國網(wǎng)甘肅省電力公司 調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030；3. 國網(wǎng)青海省電力公司 調(diào)度控制中心，青海 西寧 810008）

0 引言

近年來，由碳排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，推動低碳發(fā)展已經(jīng)成為全球共識。面對嚴(yán)峻的生態(tài)保護(hù)形勢以及日益提高的綠色用能需求，我國已提出2030 年碳排放達(dá)峰、碳排放強(qiáng)度下降60%～65%的戰(zhàn)略目標(biāo)［1］。電力系統(tǒng)低碳化的實現(xiàn)途徑可以概括為兩方面：技術(shù)方面，如廣泛采用風(fēng)電、光熱發(fā)電CSP（Concentrated Solar Power）等新能源技術(shù)等；政策方面，如引入碳交易、健全市場機(jī)制等。通過兩方面協(xié)調(diào)配合能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運行。

對于低碳技術(shù)而言，風(fēng)電具有邊際成本低、無碳排放等優(yōu)點，但風(fēng)電出力的波動性與隨機(jī)性不僅會導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象頻發(fā)［2］，還會提高火電機(jī)組承擔(dān)的備用容量，使排碳量居高不下，由此需要出力靈活的電源來配合風(fēng)電發(fā)展低碳電力。配備儲熱系統(tǒng)和電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的CSP電站可以充分利用太陽能出力穩(wěn)定可控且具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能的優(yōu)勢，能夠克服傳統(tǒng)CSP 電站受光照條件制約而導(dǎo)致調(diào)度靈活性不足的缺陷［3］。文獻(xiàn)［4］分析了不同市場政策下CSP 電站減少全球碳排放的巨大潛力。其與火電機(jī)組聯(lián)合并網(wǎng)時，可以有效降低火電機(jī)組出力，進(jìn)而減少碳排量［5］；與風(fēng)電、火電聯(lián)合運行時，可以平抑風(fēng)電出力的波動性［6］，并可將由系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足產(chǎn)生的棄風(fēng)轉(zhuǎn)化為熱量存儲于CSP 電站的儲熱系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)低碳排放并促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)消納［7］。同時，考慮到風(fēng)電并網(wǎng)后加重了火電提供旋轉(zhuǎn)備用的負(fù)擔(dān)，為降低系統(tǒng)的備用成本并進(jìn)一步降低碳排量，國內(nèi)外已有研究利用CSP 電站分擔(dān)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用。文獻(xiàn)［8］考慮CSP電站提供旋轉(zhuǎn)備用，降低了火電機(jī)組所需承擔(dān)的備用容量的同時促進(jìn)了風(fēng)電消納。文獻(xiàn)［9］提出了利用電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和CSP 電站共同提供旋轉(zhuǎn)備用的調(diào)度策略，并分析驗證了調(diào)度策略的有效性，從而有效降低系統(tǒng)排碳量。上述研究分析了CSP 電站降低碳排量的作用，但仍存在一定的局限性：第一，若CSP 配比足夠理想，可能實現(xiàn)可再生能源全額消納，此時火電機(jī)組的總出力固定不變，而不同火電機(jī)組碳排放強(qiáng)度與發(fā)電成本不同，可能存在某一機(jī)組低成本高碳排或高成本低碳排的情況；第二，考慮到目前CSP電站仍受限于裝機(jī)容量較小與建設(shè)成本較高等，在上述研究中仍由碳的主要排放源（火電機(jī)組）為電力系統(tǒng)提供基荷。因此需要研究火電機(jī)組間出力的“再分配”，挖掘低碳潛力，引入低碳政策與低碳技術(shù)協(xié)調(diào)配合。

對于低碳政策而言，作為市場減排機(jī)制的碳交易機(jī)制已成為兼顧系統(tǒng)低碳性和經(jīng)濟(jì)性的重要舉措［10］。文獻(xiàn)［11］將碳交易機(jī)制引入火電系統(tǒng)中，構(gòu)建了以能耗成本與碳排放成本最小為目標(biāo)的調(diào)度模型。文獻(xiàn)［12］將發(fā)電側(cè)、需求側(cè)與碳交易機(jī)制相結(jié)合，從經(jīng)濟(jì)性與低碳性兩方面分析運行成本，降低了系統(tǒng)的運行成本與碳排量。上述文獻(xiàn)分析了CSP等低碳技術(shù)與碳交易機(jī)制在抑制碳排量和促進(jìn)新能源消納方面的作用，有一定的理論與實踐價值，但仍存在可進(jìn)一步研究和探討的問題：第一，從CSP電站內(nèi)部而言，對于電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和儲熱裝置的聯(lián)合運行如何影響碳排量、棄風(fēng)量與運行成本的分析尚有不足；第二，從電源內(nèi)部挖掘低碳潛力，由電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、CSP 電站分擔(dān)火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用從而降低碳排量的效果如何以及對于系統(tǒng)整體成本的影響如何有待進(jìn)一步研究；第三，鮮有研究考慮風(fēng)電、火電與CSP 聯(lián)合運行時輔以合理的低碳政策從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的碳排量，提升風(fēng)電、CSP的消納水平。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，在保證系統(tǒng)低碳環(huán)保的前提下兼顧系統(tǒng)的風(fēng)電消納與運行經(jīng)濟(jì)性，提出了一種考慮碳交易的CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。在低碳技術(shù)方面，通過風(fēng)電、火電與CSP 聯(lián)合運行，并由CSP 電站分擔(dān)火電機(jī)組承擔(dān)的備用容量，這能夠降低碳排放并促進(jìn)風(fēng)電消納；在低碳政策方面，利用碳交易機(jī)制挖掘火電機(jī)組減排的潛力，實現(xiàn)降低碳排放的目標(biāo)。二者協(xié)調(diào)配合，建立以綜合成本最低為目標(biāo)的CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性與低碳性。

1 計及碳交易的CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)減碳機(jī)理分析

1.1 碳交易模型

碳交易機(jī)制是《京都議定書》提出的限制碳排放的市場化減排機(jī)制，是提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與低碳性的有效舉措之一［13］。

火電機(jī)組的碳排放配額如式（1）所示。

式中：δh，i為第i臺火電機(jī)組的配額系數(shù)；Dh，i，t和PGi，t分別為t時段第i臺火電機(jī)組的碳排量配額和輸出功率。

火電機(jī)組的碳排量如式（2）所示。

式中：Di，t為t時段第i臺火電機(jī)組的實際碳排量；δi為第i臺火電機(jī)組的碳排放系數(shù)。

系統(tǒng)的碳交易成本Cp如式（3）所示。

式中：T為調(diào)度周期的時段數(shù)；NG為火電機(jī)組的數(shù)量；σ為單位碳排放權(quán)交易價格。

1.2 計及碳交易的CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)減碳機(jī)理分析

本文從低碳技術(shù)和低碳政策2 個角度出發(fā)，將CSP 電站和風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)與碳交易市場相結(jié)合，有利于實現(xiàn)低碳環(huán)保、促進(jìn)風(fēng)電消納且經(jīng)濟(jì)運行的目標(biāo)，其具體運行框架如圖1所示。

1.2.1 運用低碳技術(shù)減碳機(jī)理分析

首先，從低碳技術(shù)角度分析減碳機(jī)理。CSP 電站主要由光場、儲熱系統(tǒng)、電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以及功率轉(zhuǎn)換模塊組成，其具體運行原理如圖1 所示。光場集中太陽輻射吸收太陽能轉(zhuǎn)換為熱能來加熱導(dǎo)熱工質(zhì)HTF（Heat-Transfer Fluid）。HTF可以與儲熱系統(tǒng)進(jìn)行熱量的雙向傳遞，同時HTF 的熱能還可以加熱水蒸氣并推動功率轉(zhuǎn)換模塊的汽輪機(jī)組產(chǎn)生電能［14］。同時，電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可以將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為熱量的形式存儲于CSP 電站的儲熱系統(tǒng)中，這能有效提升風(fēng)電消納水平并且為CSP電站提供更多的熱源，當(dāng)負(fù)荷需求量大于系統(tǒng)發(fā)電量時，儲熱系統(tǒng)可輸出的熱量增多，轉(zhuǎn)化的電能也隨之增多，提升了CSP電站的調(diào)節(jié)能力。由上述分析可知，電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與儲熱系統(tǒng)聯(lián)合運行使得CSP 電站調(diào)度靈活性增強(qiáng)，能為火電機(jī)組分擔(dān)調(diào)峰壓力，從而實現(xiàn)減碳。

圖1 計及碳交易機(jī)制的CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of CSP plant and wind power system considering carbon trading mechanism

此外，為應(yīng)對風(fēng)電及負(fù)荷的不確定性，系統(tǒng)需要預(yù)留一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，這一部分備用容量大多由火電機(jī)組單獨提供。為了進(jìn)一步減碳，圖1 所示的系統(tǒng)通過CSP電站和電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可利用的電能為電力系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用，等效減少火電機(jī)組所需承擔(dān)的旋轉(zhuǎn)備用，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下降低火電機(jī)組出力，從而促進(jìn)系統(tǒng)減碳。此外，由于火電機(jī)組提供旋轉(zhuǎn)備用所需成本遠(yuǎn)高于CSP電站與電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)［15］，本文提出的備用容量提供方案能夠減少系統(tǒng)的備用成本，保證運行的經(jīng)濟(jì)性。

綜上，含儲熱系統(tǒng)和電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)能有效促進(jìn)風(fēng)電消納并降低碳排量。

1.2.2 運用低碳政策減碳機(jī)理分析

然后，從低碳政策角度分析減碳機(jī)理。碳交易機(jī)制利用市場調(diào)節(jié)手段促使高碳機(jī)組主動減排，等效提升風(fēng)電與CSP 等新能源的上網(wǎng)空間，有利于低碳電力的發(fā)展。有無碳交易機(jī)制的火電機(jī)組成本如圖2 所示?？梢娙舨淮嬖谔冀灰讬C(jī)制，則火電單位成本低的機(jī)組1和機(jī)組2優(yōu)先出力，優(yōu)先出力的機(jī)組2 碳排量遠(yuǎn)高于機(jī)組1，但由于沒有碳交易機(jī)制，導(dǎo)致機(jī)組2 的碳排量居高不下，不利于系統(tǒng)的低碳運行。若存在碳交易機(jī)制，則高碳機(jī)組需要承擔(dān)較高的碳交易成本，低碳機(jī)組只需要承擔(dān)較低的碳交易成本，這使得高碳機(jī)組2 總單位成本反而高于機(jī)組3，此時由低碳性能好的機(jī)組1和機(jī)組3優(yōu)先出力，促使系統(tǒng)減碳。

圖2 火電廠成本分析圖Fig.2 Cost analysis diagram of thermal power plant

考慮到電源側(cè)已具備較為良好的低碳性能，但由火電出力提供基荷的電源側(cè)仍具備減碳的潛力，將碳交易機(jī)制引入CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)中，從火電機(jī)組內(nèi)部進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)的低碳性，提高了運行的低碳性與經(jīng)濟(jì)性。綜上，碳交易機(jī)制和CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合分析有利于發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在促進(jìn)減碳的同時促進(jìn)風(fēng)電消納。

2 計及碳交易的CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

為兼顧系統(tǒng)發(fā)電過程中的低碳性與經(jīng)濟(jì)性，本文以系統(tǒng)綜合成本最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，考慮各機(jī)組及元件約束，構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文目標(biāo)函數(shù)如式（4）所示。

式中：F為低碳經(jīng)濟(jì)模型的綜合成本；C1—C3分別為火電機(jī)組、CSP 電站和風(fēng)電的運行成本；C4為電熱轉(zhuǎn)換成本；C5為棄風(fēng)懲罰成本。

1）火電機(jī)組運行成本。

式中：Ui，t為t時段第i臺火電機(jī)組的狀態(tài)變量，取值為1時表示火電機(jī)組處于運行狀態(tài)，取值為0時表示處于停機(jī)狀態(tài)；ai、bi、ci為第i臺火電機(jī)組的煤耗成本系數(shù)；Ci為第i臺火電機(jī)組的啟停成本。

2）CSP電站運行成本。

式中：Ks為CSP 電站的運維成本系數(shù)；PCSP，t為t時段CSP 電站的調(diào)度出力；Ue，t為t時段CSP 電站的開停機(jī)狀態(tài)變量，取值為1 時表示CSP 電站處于運行狀態(tài)，取值為0 時表示處于停機(jī)狀態(tài)；Ce為CSP 電站的啟停成本。

3）風(fēng)電運行成本C3。

式中：Kw為風(fēng)電的運行成本系數(shù)；Pw，t為t時段風(fēng)電的輸出功率。

4）電熱轉(zhuǎn)換成本。

電熱轉(zhuǎn)換成本為部分棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為熱能時，電熱轉(zhuǎn)換設(shè)備所需要的運行成本。

式中：Kr為電熱轉(zhuǎn)換成本系數(shù)為t時段電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換的電功率。

5）棄風(fēng)懲罰成本。

本文將棄風(fēng)量等效為懲罰成本，將其考慮到系統(tǒng)成本中，從而優(yōu)化風(fēng)電消納能力。

式中：Kq為棄風(fēng)懲罰成本系數(shù)；為t時段棄風(fēng)功率；為t時段日前風(fēng)電的預(yù)測功率。

6）碳交易成本。

碳交易成本如式（3）所示，不再贅述。

2.2 約束條件

1）系統(tǒng)功率平衡約束。

式中：Pl.t為t時段日前負(fù)荷預(yù)測功率；PLw，t為t時段風(fēng)電向電網(wǎng)提供的功率。

2）CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)運行約束。

本文不考慮能量交換的動態(tài)過程［16］，CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部的電、熱能量流動狀況如圖3所示。

圖3 CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)能量流圖Fig.3 Energy flow diagram of CSP plant and wind power system

根據(jù)圖3，系統(tǒng)中風(fēng)電的輸出功率分為兩部分：向電網(wǎng)提供的電功率與向電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)提供的電功率。風(fēng)電場運行約束如式（12）所示。

根據(jù)圖3 所示的能量流動關(guān)系，在HTF 處滿足如下能量守恒關(guān)系：

電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的功率約束如式（15）所示。

儲熱系統(tǒng)的最大儲熱容量一般用滿負(fù)荷小時數(shù)FLH（Full-Load Hour）表示，如8 FLHs表示在無太陽輻射條件下儲熱系統(tǒng)的最大儲熱容量能夠保證CSP電站8 h 的最大功率發(fā)電。限于篇幅，CSP 電站的儲熱系統(tǒng)功率約束、最大最小儲熱容量約束、出力約束、爬坡約束、啟停約束詳見文獻(xiàn)［16］，不再贅述。

3）常規(guī)火電機(jī)組約束。

常規(guī)火電機(jī)組出力約束、爬坡約束、啟停時間約束等相關(guān)約束詳見文獻(xiàn)［17］，不再贅述。

4）系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用約束。

為了避免風(fēng)電及負(fù)荷的不確定性導(dǎo)致電網(wǎng)安全問題，CSP 電站、火電機(jī)組與電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)共同提供系統(tǒng)所需的旋轉(zhuǎn)備用，如式（16）所示。

5）潮流約束。

本文引入發(fā)電機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)移分布因子矩陣G描述潮流分布，具體約束如式（20）所示。

式 中：Pl，max和Pl，min分 別 為 線 路l的 傳 輸 功 率 上、下限；Pd，t為t時段節(jié)點d的負(fù)荷需求；NL為負(fù)荷節(jié)點數(shù)；Gl?i和Gl?j分別描述節(jié)點i和節(jié)點j注入功率對于線路l產(chǎn)生的影響。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)概述

本文采用改進(jìn)的IEEE 30 節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行算例分析，將CSP 電站和風(fēng)電場分別替換原系統(tǒng)中的第2號和第11 號火電機(jī)組，并將對應(yīng)的支路傳輸容量分別擴(kuò)建至原來的3倍和4倍，以適應(yīng)大容量新能源電站并網(wǎng)，其余4 臺火電機(jī)組的參數(shù)見附錄A 表A1，改進(jìn)后的IEEE 30 節(jié)點系統(tǒng)圖見附錄A 圖A1。

風(fēng)電出力數(shù)據(jù)來自西北某200 MW 風(fēng)電場2018年全年實測數(shù)據(jù)；100 MW CSP電站主要參數(shù)見附錄A表A2，其中電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的最大功率為50 MW，太陽直接輻射DNI（Direct Normal Irradiance）數(shù)據(jù)來自美國國家可再生能源實驗室開發(fā)的CSP電站仿真軟件SAM［18］。典型日風(fēng)電預(yù)測功率、太陽輻射指數(shù)以及24 個調(diào)度時段的負(fù)荷預(yù)測功率變化情況見附錄A圖A2，優(yōu)化過程參數(shù)見附錄A表A3。

本文所構(gòu)建的日前調(diào)度模型以24 h 為周期，以1 h 為步長進(jìn)行仿真。采用優(yōu)化軟件CPLEX 進(jìn)行優(yōu)化求解，計算環(huán)境為Intel Core i5-7500 CPU，內(nèi)存為12 GB。

3.2 算例結(jié)果分析

3.2.1 調(diào)度結(jié)果分析

為驗證本文所提低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略對降低碳排量、提高風(fēng)電消納水平及降低系統(tǒng)綜合成本的有效性，本文設(shè)置以下2類調(diào)度模式：模式A，不考慮碳交易成本的調(diào)度模式，本文稱之為傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度；模式B，考慮碳交易成本的調(diào)度模式，本文稱之為低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。其中每類調(diào)度模式包括以下3 個運行場景：場景1，系統(tǒng)無電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，火電機(jī)組與CSP電站共同提供備用；場景2，系統(tǒng)引入電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，火電機(jī)組單獨提供備用；場景3，系統(tǒng)引入電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并與火電機(jī)組和CSP電站三者共同提供備用。

本文以A1—A3分別表示場景1—3 的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，以B1—B3分別表示場景1—3 的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，其中B3為本文所構(gòu)建的模型。上述6個模型均以典型日負(fù)荷及風(fēng)電、太陽輻射指數(shù)為基礎(chǔ)，以綜合成本最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，對比分析各模型最終的碳排量、風(fēng)電消納率以及系統(tǒng)運行成本，得到系統(tǒng)運行情況如表1所示，上述6個運行模型的各機(jī)組出力計劃見附錄B圖B1—B3。

表1 不同模型的調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results of different models

本文采用橫向與縱向2 種方式進(jìn)行對比分析。通過對比圖B1 與圖B3 可以研究CSP 電站內(nèi)部電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的裝設(shè)給調(diào)度帶來的影響；通過圖B1—B3的3個場景調(diào)度結(jié)果的對比可以研究CSP電站與電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)協(xié)同火電機(jī)組提供備用給調(diào)度帶來的影響；通過圖B1—B3的A、B這2類模式調(diào)度結(jié)果的對比可以研究碳交易機(jī)制對調(diào)度的影響。通過6 個模型的對比，驗證本文所提調(diào)度策略的有效性。

1）有無電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與儲熱系統(tǒng)聯(lián)合運行對調(diào)度結(jié)果影響分析。

對比圖B1與圖B3的調(diào)度結(jié)果（即對比場景1與場景3 的調(diào)度結(jié)果）可知，調(diào)度模型A3、B3在CSP 電站內(nèi)部裝設(shè)了電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為熱量存儲在儲熱系統(tǒng)中，在有效提升風(fēng)電的消納水平的同時提高了CSP 電站的調(diào)度靈活性；通過電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可利用的電量提供備用，使火電機(jī)組出力降低，有效降低碳排量；與調(diào)度模型A1、B1相比，模型A3、B3大幅減少棄風(fēng)量并壓縮火電機(jī)組出力，有效降低了火電機(jī)組運行成本、碳交易成本與棄風(fēng)懲罰成本，進(jìn)而降低了綜合成本。

由表1 數(shù)據(jù)可知，與模型A1、B1相比，調(diào)度模型A3、B3的調(diào)度結(jié)果顯示碳排量分別降低了513.7、617.1 t，風(fēng)電消納率分別提升了11.67%、10.83%，且綜合成本分別下降了13.50%、15.07%，證明了CSP電站中電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的裝設(shè)對于提升風(fēng)電利用率、降低碳排量以及降低綜合成本的有效性。

2）不同旋轉(zhuǎn)備用提供方案對調(diào)度結(jié)果影響分析。

對比附錄B 圖B1—B3 所示的調(diào)度結(jié)果（即對比場景1—3 的調(diào)度結(jié)果）可知，場景1 可以通過出力穩(wěn)定且調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的CSP電站作為靈活性電源與火電機(jī)組共同提供備用，減少火電機(jī)組承擔(dān)的備用容量，進(jìn)而降低碳排量；場景3 在場景1 的基礎(chǔ)上考慮電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)可利用的電量也承擔(dān)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用，在保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行的同時進(jìn)一步壓縮火電機(jī)組出力，使得碳排量進(jìn)一步減少。但場景2 下的調(diào)度模型僅由火電機(jī)組單獨承擔(dān)備用，導(dǎo)致火電機(jī)組出力居高不下，碳排量處于較高的水平，遠(yuǎn)高于場景1與場景3。

另外，由圖B1—B3 的對比可以看出，場景2 下的2 類調(diào)度模型火電機(jī)組出力最大，但棄風(fēng)量少于場景1。這是由于與場景1 相比，場景2 在CSP 電站內(nèi)部裝設(shè)電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可以有效消納棄風(fēng)電量，使得棄風(fēng)率低于場景1；與場景3 相比，場景2 的火電機(jī)組出力較高，導(dǎo)致風(fēng)電供給負(fù)荷的出力空間被壓縮。同時，受最大電熱轉(zhuǎn)換功率的限制，此場景的棄風(fēng)電量并不能全部被消納，因此消納水平低于場景3。因此，場景2 下的2 類調(diào)度模型的火電機(jī)組運行成本、碳交易成本、棄風(fēng)懲罰成本均高于場景3 下的模型，系統(tǒng)總成本較高。

由表1數(shù)據(jù)可知，與模型A2、B2相比，場景3下的2 類調(diào)度模型A3、B3的調(diào)度結(jié)果顯示碳排量分別降低了979.6、815.2 t，風(fēng)電消納率分別提升了2.39%、0.92%，且綜合成本分別降低了25.26%、24.62%，證明了本文所提的旋轉(zhuǎn)備用提供方案在減少碳排量、棄風(fēng)量和綜合成本等方面的有效性。

3）有無碳交易機(jī)制對調(diào)度結(jié)果影響分析。

分別對比附錄B 圖B1—B3 所示的調(diào)度結(jié)果（即對比各場景下模式A 與模式B 的調(diào)度結(jié)果）可知，與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型相比，3 種低碳經(jīng)濟(jì)模型由于考慮了碳排放成本，火電機(jī)組出力下降，碳排量減少，清潔機(jī)組利用率得到提高。在圖B1（b）中，引入碳交易成本后，模型B1下的火電機(jī)組在01:00—07:00時段內(nèi)主動降低出力，使棄風(fēng)量減少；在圖B2（b）中，模型B2下的火電機(jī)組在全時段內(nèi)減少出力，大幅減少碳排量，有效提高了風(fēng)電消納水平；在圖B3（b）中，模型B3在01:00—11:00時段內(nèi)，CSP 電站與電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主動承擔(dān)備用，大幅減少了火電機(jī)組出力，降低了碳排量，在12:00—18:00 時段內(nèi)，CSP 電站利用光場吸收的熱量直接發(fā)電，為火電分擔(dān)負(fù)荷需求。

為具體分析碳交易機(jī)制如何挖掘火電機(jī)組內(nèi)部的低碳潛力，需要分析有無碳交易機(jī)制時不同火電機(jī)組出力的變化情況。限于篇幅，本文比較場景1下調(diào)度模型A1、B1的火電機(jī)組出力，如圖4所示。

圖4 場景1下有無碳交易時火電出力對比Fig.4 Comparison of thermal power output with and without carbon trading under Scenario 1

根據(jù)圖4可知，場景1下火電機(jī)組與CSP電站共同提供旋轉(zhuǎn)備用容量，此時火電機(jī)組出力不高，在不考慮碳交易成本時，運行成本低的火電機(jī)組G1與G4優(yōu)先出力，運行成本較高的G3與G5停機(jī)；在成本水平接近的前提下，G1、G4的碳排放強(qiáng)度分別為0.98、1.08 t／（MW·h），考慮到引入碳交易機(jī)制后低碳低成本機(jī)組優(yōu)先出力，G1出力上升，G4出力降低為0，G3與G5由于成本較高仍停機(jī)，但總體上火電總出力共下降了360.12 MW。碳交易機(jī)制實現(xiàn)了火電機(jī)組間出力的“再分配”，實現(xiàn)了減碳的目標(biāo)，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了空間，促進(jìn)了風(fēng)電消納。

由表1 數(shù)據(jù)可知，考慮碳交易機(jī)制后，3 個場景下的調(diào)度結(jié)果顯示碳排量分別減少了75.6、343.4、179 t，風(fēng)電消納率分別提升了1.64%、2.27%、0.8%。此外，3 個場景的綜合成本也分別下降了2.55%、5.14%、4.32%，這是由于考慮碳交易機(jī)制后，系統(tǒng)的碳交易成本、火電機(jī)組運行成本大幅下降，雖然風(fēng)電運行維護(hù)成本增加，但這使得棄風(fēng)懲罰成本下降，系統(tǒng)總體成本得到優(yōu)化。上述分析與表1 的調(diào)度結(jié)果證明了碳交易機(jī)制對降低碳排量、提升風(fēng)電消納水平以及降低綜合成本的有效性。

通過以上6 個模型的對比可知，模型B3（本文所提模型）調(diào)度結(jié)果的碳排量最少、風(fēng)電消納水平最高、綜合成本最優(yōu)，驗證了本文所提出的低碳調(diào)度策略的有效性。

3.2.2 最大儲熱容量與電熱轉(zhuǎn)換最大功率對調(diào)度運行的影響

上文考慮了CSP 電站最大儲熱容量為6 FLHs、電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最大功率為50 MW 時的運行情況。為研究不同最大儲熱容量和電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最大功率對調(diào)度的影響，在此設(shè)定9 個運行場景，具體如表2所示，根據(jù)調(diào)度結(jié)果分析對比碳排量、棄風(fēng)量與系統(tǒng)綜合成本情況。

表2 不同最大儲熱容量與電熱轉(zhuǎn)換最大功率的9個場景Table 2 Nine scenarios with different maximum thermal energy storage capacities and maximum power of electro-thermal conversion

圖5（a）—（c）分別為上述9 個場景的系統(tǒng)棄風(fēng)量、碳排量與系統(tǒng)綜合成本的對比圖。

通過圖5（a）、（b）可以看出，隨著CSP 電站最大儲熱容量的增加，系統(tǒng)棄風(fēng)量與排碳量隨之減少。當(dāng)電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)最大功率為0、最大儲熱容量為6 FLHs時，與1 FLH相比，系統(tǒng)棄風(fēng)量由875.6 MW·h降低至830.1 MW·h，系統(tǒng)排碳量由2 311 t 降低至2 054.1 t。這是由于隨著最大儲熱容量的增加，CSP電站可提供的旋轉(zhuǎn)備用隨之增加，等效減少了火電機(jī)組承擔(dān)的備用，進(jìn)而減少碳排量，風(fēng)電上網(wǎng)空間上升，但總體棄風(fēng)水平與排碳量水平都比較高。

圖5 不同情況下不同指標(biāo)量的對比Fig.5 Comparison of different indexes under different conditions

基于此，當(dāng)CSP電站最大儲熱容量為6 FLHs，電熱轉(zhuǎn)換最大功率由0增大至50 MW時，系統(tǒng)棄風(fēng)量由830.01 MW·h 驟減至8.87 MW·h，碳排量由2 054.1 t減少至1572.3 t，下降了23.46%，效果顯著。這是由于隨著電熱轉(zhuǎn)換最大功率的增加，系統(tǒng)能將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)換為熱量存儲在儲熱系統(tǒng)中，棄風(fēng)量顯著減少。故而CSP 電站能獲得更多的熱源，與電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)共同承擔(dān)的備用容量的能力提高，火電機(jī)組承擔(dān)的備用容量進(jìn)一步減少，碳排量進(jìn)一步降低。因此，隨著棄風(fēng)量和碳排量的減少，系統(tǒng)的棄風(fēng)懲罰成本、碳交易成本與火電機(jī)組運行成本均降低，保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。通過圖5（c）可以看出，系統(tǒng)綜合成本隨著最大儲熱容量與電熱轉(zhuǎn)換最大功率的增大而減小。

與CSP 電站最大儲熱容量為1 FLH、電熱轉(zhuǎn)換最大功率為0 的場景相比，無論是增大最大儲熱容量還是增大電熱轉(zhuǎn)換最大功率，棄風(fēng)量、碳排量與綜合成本均呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)最大儲熱容量為6 FLHs、電熱轉(zhuǎn)換最大功率為50 MW 時，碳排量最低、棄風(fēng)量最少且系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好，驗證了電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與含儲熱系統(tǒng)的CSP電站聯(lián)合運行對于低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度具有積極意義。

4 結(jié)論

為提高電力系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平和低碳性能，同時兼顧運行經(jīng)濟(jì)性，本文提出了一種計及碳交易的CSP 電站與風(fēng)電系統(tǒng)低碳調(diào)度策略，將低碳技術(shù)與市場減排機(jī)制相結(jié)合，并通過算例仿真得出以下結(jié)論。

1）將碳交易機(jī)制引入傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，在成本水平接近時可實現(xiàn)火電機(jī)組間出力的“再分配”，有效降低碳排量并保證運行的經(jīng)濟(jì)性。

2）合理配置CSP電站的儲熱容量與電熱轉(zhuǎn)換最大功率，并利用電熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與含儲熱系統(tǒng)的CSP電站聯(lián)合運行，同時利用二者提供系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量對低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度具有積極意義。

3）將低碳技術(shù)與市場減排機(jī)制相結(jié)合分析所構(gòu)建的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型可知，其全時段調(diào)度總成本僅為508 198.6 元，排碳量為1 472.3 t，棄風(fēng)率為0.1%。與其他調(diào)度模型相比，本文所提模型在各方面均為最優(yōu)，驗證了所提低碳調(diào)度策略的有效性。

為助力實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，筆者后續(xù)研究擬在傳統(tǒng)火電機(jī)組中引入碳捕集裝置與CSP電站相配合，提高系統(tǒng)調(diào)度靈活性與低碳性能，并輔以碳交易市場機(jī)制，在考慮系統(tǒng)不確定性的前提下進(jìn)一步挖掘電力系統(tǒng)低碳潛力。

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