計(jì)及碳交易-綠證的“源-荷”互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度策略

蘇宜強(qiáng)，劉盛松

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024）

0 引言

近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度開(kāi)采利用和全球氣候變暖，人們逐漸意識(shí)到改善能源結(jié)構(gòu)的重要性，積極開(kāi)發(fā)可再生能源成為當(dāng)今解決能源問(wèn)題的有效措施［1—2］。為減少碳排放、增加可再生能源出力，碳交易機(jī)制和可再生能源配額制受到了廣泛關(guān)注。在碳排放交易機(jī)制中，交易主體可以購(gòu)買或出售碳排放配額，使得碳排放較少的發(fā)電企業(yè)獲益；可再生能源配額制規(guī)定了地區(qū)電網(wǎng)可再生能源發(fā)電所占比例，不足或超出部分可在不同地區(qū)間進(jìn)行交易。

圍繞碳交易機(jī)制、可再生能源配額制，學(xué)者們開(kāi)展了大量的研究。文獻(xiàn)［3］介紹了碳交易機(jī)制，提出了考慮碳排放的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，并證實(shí)了碳交易機(jī)制在降低系統(tǒng)碳排放方面的有效性。文獻(xiàn)［4］研究了可再生能源配額制下的風(fēng)電并網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，輸出不同機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃，證實(shí)了該模型在促進(jìn)風(fēng)電消納方面的有效性。文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［6］在優(yōu)化調(diào)度中均建立了碳排放交易成本模型。文獻(xiàn)［5］引入電儲(chǔ)能，利用Yalmip求解以機(jī)組運(yùn)行成本、儲(chǔ)能裝置運(yùn)行成本和碳交易成本等多項(xiàng)成本最小為目標(biāo)的調(diào)度模型。文獻(xiàn)［6］利用模糊自修正粒子群算法求解考慮碳交易成本的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)低碳調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［7］同樣建立了綠證交易機(jī)制模型和碳抵消機(jī)制模型，在此基礎(chǔ)上以總成本最小為目標(biāo)建立綜合考慮以上兩種機(jī)制的含風(fēng)電電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，但僅從發(fā)電側(cè)的角度出發(fā)，僅考慮了發(fā)電機(jī)組針對(duì)新政策兩項(xiàng)機(jī)制的優(yōu)化方案。

盡管上述研究對(duì)碳交易機(jī)制、可再生能源配額制的數(shù)學(xué)模型和求解算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，但未考慮柔性負(fù)荷對(duì)碳交易-綠證機(jī)制下調(diào)度結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［8］將單一電動(dòng)汽車作為負(fù)荷側(cè)調(diào)度資源，提出了一種計(jì)及電動(dòng)車碳配額的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，結(jié)果證實(shí)了碳排放交易機(jī)制在有效減少碳排放的同時(shí)，也減少了用電成本。以上研究表明，碳交易-綠證機(jī)制是節(jié)能降耗、平抑可再生能源波動(dòng)的重要措施，柔性負(fù)荷對(duì)于碳交易-綠證機(jī)制下的調(diào)度結(jié)果具有重要的影響，因此開(kāi)展相應(yīng)的研究具有重要意義。

本文針對(duì)大規(guī)模新能源消納的情形，提出了同時(shí)包含碳交易-綠證以及需求響應(yīng)的“源-荷”互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度策略，充分考慮了可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷在碳交易-綠證機(jī)制下的影響，利用多機(jī)制協(xié)同，促進(jìn)新能源消納。

1 計(jì)及碳交易-綠證的電力優(yōu)化調(diào)度模型

針對(duì)風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的情形，考慮碳交易-綠證機(jī)制，建立針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型。

1.1 優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為火電機(jī)組運(yùn)行成本、綠證（tradable green certificate,TGC）成 本、碳 交 易（carbon trading,CT）成本、購(gòu)買備用成本以及柔性負(fù)荷調(diào)用成本之和最小，具體如下

式中：f1為火電機(jī)組報(bào)價(jià)成本；f2為TGC成本；f3為CT成本；f4為備用成本；f5為柔性負(fù)荷調(diào)用成本。

1.1.1 火電機(jī)組運(yùn)行成本

火電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行中基于燃料成本給出的報(bào)價(jià)成本為

式中：pfuel為單位碳排放下的燃料價(jià)格，元/t；a i、b i、ci分別為第i臺(tái)火電機(jī)組的CO2排放系數(shù)；P i,t為第i臺(tái)火電機(jī)組在t時(shí)刻的出力；NG為該系統(tǒng)火電機(jī)組的數(shù)量；T為調(diào)度時(shí)間，取24 h。

1.1.2 TGC成本

可再生能源配額制實(shí)施后，電網(wǎng)公司會(huì)同時(shí)參與電力市場(chǎng)和TGC市場(chǎng)的交易，TGC將和電能一樣具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其成本和收益將成為目標(biāo)函數(shù)的重要組成部分。TGC成本公式如下

1.1.3 CT成本

選擇“基準(zhǔn)線法”，即按照各發(fā)電廠的發(fā)電量按比例分配碳排放配額，t時(shí)刻分?jǐn)偟玫降奶寂欧排漕~為

式中：CCT為t時(shí)刻系統(tǒng)分配得到的碳排放配額；kCT為區(qū)域單位電量碳排放配額分配系數(shù)。

CT成本的計(jì)算公式如下

式中：pCT為單位碳排放價(jià)格。

1.1.4 輔助服務(wù)（備用容量）成本

1.1.5 柔性負(fù)荷調(diào)用成本

式中：fshift、fcut、ftrans分別為可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的調(diào)用成本。

1.2 優(yōu)化調(diào)度約束條件

1.2.1 功率平衡約束

為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，單位時(shí)間內(nèi)所有火電出力和風(fēng)電出力應(yīng)等于該時(shí)刻的負(fù)荷預(yù)測(cè)值

1.2.2 機(jī)組啟停變量約束

式中：u i,t為t時(shí)刻第i臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.3 開(kāi)關(guān)狀態(tài)約束

式中：xi,t為第i臺(tái)火電機(jī)組在t時(shí)刻的啟動(dòng)狀態(tài)，啟動(dòng)為1，不啟動(dòng)為0；y i,t為第i臺(tái)火電機(jī)組在t時(shí)刻的停機(jī)狀態(tài)，退出為1，不退出為0；u i,t為第i臺(tái)火電機(jī)組在t時(shí)刻的狀態(tài)變量，開(kāi)機(jī)為1，停機(jī)為0。

1.2.4 火電機(jī)組出力約束

式中：Pi,min和Pi,max分別為第i臺(tái)火電機(jī)組的最小、最大技術(shù)出力。

1.2.5 火電機(jī)組爬坡速率約束

式中：SU i為第i臺(tái)機(jī)組爬坡速率的上界；-SD i為第i臺(tái)機(jī)組爬坡速率的下界。

1.2.6 支路潮流約束

式中：PL l,t為第l條支路在t時(shí)刻的傳輸功率；PLMl為第l條支路的功率限值；QG l,i、QW l,w、QD l,d分別為支路-火力發(fā)電機(jī)、支路-風(fēng)力發(fā)電機(jī)、支路-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣。

2 柔性負(fù)荷模型

柔性負(fù)荷功率總量可以表示為可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷之和

式中：Pshift,d,t、Pcut,d,t、Ptrans,d,t分別為可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，各變量的約束條件分別定義如下。

2.1 可平移負(fù)荷

可平移負(fù)荷在用電時(shí)序上具有一定的前后關(guān)聯(lián)性，故在優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中需在保證時(shí)序關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上對(duì)負(fù)荷曲線進(jìn)行整體平移。

假設(shè)第ds個(gè)可平移負(fù)荷在平移前的負(fù)荷曲線可以用向量表示為

式中：ts1*,…,tsD*為可平移負(fù)荷平移前所處時(shí)間段，則可建立第ds個(gè)可平移負(fù)荷的可行求解空間Pshift_sel,ds

式中：Pshift_sel,ds中的每一行為一種可能的可平移負(fù)荷曲線。利用0-1變量yshift,ds,t來(lái)表示平移后的可平移負(fù)荷Pshift,ds在求解空間Pshift_sel,ds中的位置，yshift,ds,t=1為可平移負(fù)荷從t時(shí)刻開(kāi)始，根據(jù)開(kāi)始時(shí)刻的唯一性，則

則第ds個(gè)可平移負(fù)荷在平移后的負(fù)荷曲線可以通過(guò)下式計(jì)算式

中：Pshift,ds中的第t個(gè)元素Pshift,d,t即為第d個(gè)可平移負(fù)荷在第t個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷大小。

可平移負(fù)荷的成本可通過(guò)下式計(jì)算

式中：pshift,ds為第ds個(gè)可平移負(fù)荷單位電量的價(jià)格；NDS為可平移負(fù)荷的個(gè)數(shù)。第d個(gè)節(jié)點(diǎn)的可平移負(fù)荷與第ds個(gè)可平移負(fù)荷存在如下關(guān)系

2.2 可削減負(fù)荷

可削減負(fù)荷通過(guò)一定的價(jià)格或激勵(lì)手段實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的部分或全部削減。

第t個(gè)時(shí)刻的可削減負(fù)荷需滿足其自身的功率限值約束

式中：Pcut_max,d為第d個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大消減量，可削減負(fù)荷的成本可通過(guò)下式計(jì)算

式中：pcut為可削減負(fù)荷單位電量的價(jià)格。

2.3 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷能夠在調(diào)度周期內(nèi)轉(zhuǎn)移用電功率而不減少電能的使用，相比于可平移負(fù)荷，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)功率的靈活轉(zhuǎn)移而不受用電時(shí)序的約束。

第t個(gè)時(shí)刻的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷需滿足功率限值約束

式中：Ptrans_max,d為第d個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)移量，此外，由于轉(zhuǎn)移前后總電能消耗不變，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷還應(yīng)滿足電能約束

式中：Ptrans0,d,t為第d個(gè)節(jié)點(diǎn)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷在轉(zhuǎn)移前第t個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷大小。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的成本可通過(guò)下式計(jì)算

式中：ptrans為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷單位電量的價(jià)格。

3 算例分析

算例考慮由4臺(tái)火電機(jī)組和1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成的區(qū)域電網(wǎng)，如圖1所示。火電機(jī)組的參數(shù)如表1所示。算例所考慮的負(fù)荷曲線和風(fēng)電功率曲線如圖2所示。碳交易配額取0.95 t/MWh，可再生能源配額取0.25，假設(shè)碳交易和綠色證書的價(jià)格通過(guò)上一級(jí)碳交易市場(chǎng)和綠色證書交易市場(chǎng)確定，碳交易價(jià)格取100元/t，綠證交易價(jià)格取500元/MWh。

圖2 負(fù)荷曲線與風(fēng)電功率曲線Fig.2 Load curve and wind power curve

表1 火電機(jī)組參數(shù)Table 1 Thermal power unit parameters

圖1 5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.1 5-node power system

為了進(jìn)行對(duì)比分析，算例考慮以下兩種情形，分別為：①情形1，不考慮柔性負(fù)荷；②情形2，考慮可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷3種類型的柔性負(fù)荷，其中可平移負(fù)荷考慮5種不同的可平移負(fù)荷，平移前的時(shí)間范圍和允許平移的時(shí)間范圍在表2中列出。

表2 可平移負(fù)荷參數(shù)（5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)）Table 2 Shiftable load parameters(5-node system)

情形1（不考慮柔性負(fù)荷的火電機(jī)組）的調(diào)度結(jié)果如圖3所示；情形2（考慮柔性負(fù)荷的火電機(jī)組）的調(diào)度結(jié)果如圖4所示。對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，引入柔性負(fù)荷后，第1臺(tái)和第3臺(tái)火電機(jī)組的最大功率有所減小。

圖3 不考慮柔性負(fù)荷的火電機(jī)組調(diào)度結(jié)果Fig.3 Scheduling results of thermal units without considering the flexible loads

圖4 考慮柔性負(fù)荷的火電機(jī)組調(diào)度結(jié)果Fig.4 Scheduling results of thermal units considering the flexible loads

圖5給出了情形2中優(yōu)化前后可平移負(fù)荷調(diào)度結(jié)果的對(duì)比，圖6給出了情形2中優(yōu)化前后各類柔性負(fù)荷在總負(fù)荷中的占比。從圖中可以看出，優(yōu)化后的柔性負(fù)荷從中午高峰（11:00—14:00）和晚高峰時(shí)段（18:00—22:00）轉(zhuǎn)移到了夜晚低谷時(shí)段（1:00—6:00），優(yōu)化后的負(fù)荷曲線在高峰時(shí)段低于優(yōu)化前的負(fù)荷曲線，驗(yàn)證了本文的優(yōu)化調(diào)度模型的合理性。

圖5 可平移負(fù)荷的調(diào)度結(jié)果Fig.5 Scheduling results of shiftable loads

圖6 優(yōu)化前后各類型柔性負(fù)荷在總負(fù)荷中所占比例Fig.6 Amount of different flexible loads before and after optimization

為了進(jìn)一步說(shuō)明碳交易-綠證機(jī)制下柔性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)企業(yè)的影響，表3給出了考慮柔性負(fù)荷和不考慮柔性負(fù)荷兩種情形下的碳交易成本和綠證交易成本。由表3可以看出，考慮了柔性負(fù)荷后的碳交易成本（303 830元）相較于不考慮柔性負(fù)荷時(shí)（311 340元）有所下降，同時(shí)，出售綠證所獲得的收益（117 080元）比不考慮柔性負(fù)荷時(shí)（113 880元）有所增加。算例結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的優(yōu)化調(diào)度模型的合理性和有效性，同時(shí)說(shuō)明柔性負(fù)荷的引入能夠節(jié)能降耗、平抑可再生能源波動(dòng)及促進(jìn)可再生能源消納，從而更好地發(fā)揮碳交易-綠證機(jī)制的作用。

表3 兩種情形下的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of optimization results in the 2 scenarios

4 結(jié)論

本文在低碳排放和可再生能源大力發(fā)展的背景下，考慮綠證和碳交易成本，建立了計(jì)及多類型柔性負(fù)荷資源的優(yōu)化調(diào)度模型。通過(guò)算例分析主要得到以下結(jié)論。

（1）在優(yōu)化模型中加入可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷后得到的優(yōu)化結(jié)果表明，柔性負(fù)荷可以有效減少部分火電機(jī)組的最大功率。

（2）本文所建立的柔性負(fù)荷模型使得可平移負(fù)荷從用電高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段，并且優(yōu)化后的負(fù)荷曲線明顯優(yōu)于優(yōu)化前的負(fù)荷曲線，有效緩解了用電高峰時(shí)段的壓力。

（3）本文將兩種情形下（即是否考慮柔性負(fù)荷）的棄風(fēng)量、碳交易成本以及綠證成本進(jìn)行對(duì)比，得到考慮柔性負(fù)荷后的3項(xiàng)指標(biāo)均低于未考慮柔性負(fù)荷時(shí)的指標(biāo)值，證明了柔性負(fù)荷的引入可以更好地促進(jìn)風(fēng)電消納和發(fā)揮碳交易-綠證機(jī)制的作用。D