計及消納責任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化研究

曹雨微， 郭曉鵬， 董厚琦， 王俐英， 曾 鳴

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院， 北京 102206)

0 引 言

碳達峰、碳中和背景下，構(gòu)建清潔低碳、安全高效、去中心化的能源體系成為我國未來能源體系建設(shè)的發(fā)展方向[1，2]。一方面，高比例可再生能源發(fā)展成為實現(xiàn)低碳目標的必然選擇，而可再生能源電力消納保障機制和綠色證書交易機制則成為助力該目標實現(xiàn)的關(guān)鍵途徑[3]。另一方面，清潔能源發(fā)展需從綜合能源系統(tǒng)全局角度進行統(tǒng)籌規(guī)劃，通過多能互補、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)支撐清潔能源消納[4，5]。因此，研究建立綜合考慮可再生能源電力消納責任權(quán)重、綠色證書交易機制和碳排放等因素的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型對服務(wù)“雙碳”目標具有重要意義。

針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(Regional Integrated Energy System，RIES)運行優(yōu)化，國內(nèi)外學(xué)者通過建立不同優(yōu)化模型對RIES開展能源調(diào)度策略研究，并分析不同設(shè)備的出力運行狀況。文獻[6]以調(diào)度周期內(nèi)運行成本最小為目標，構(gòu)建了電動汽車與地源熱泵協(xié)同作用促進風(fēng)電消納的RIES經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻[7]考慮風(fēng)電出力的不確定性，以綜合運行成本最少、碳排放量最小、能效利用率最高為優(yōu)化目標建立了計及電氣熱綜合需求響應(yīng)的RIES優(yōu)化調(diào)度模型，在保證系統(tǒng)環(huán)保經(jīng)濟運行的同時能夠提高系統(tǒng)能源利用效率。文獻[8]以電、氫為能源載體，提出了考慮氫在可再生能源利用率和季節(jié)互補方面作用的雙層混合整數(shù)規(guī)劃模型，該模型通過合理利用風(fēng)光、地熱能等資源能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備配置優(yōu)化和降低氫供應(yīng)價格的雙重目標。文獻[9]針對風(fēng)光等大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)后電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足的問題，提出了一種考慮火電機組調(diào)峰主動性約束的風(fēng)光水火儲多能系統(tǒng)互補協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略，該策略能有效提升系統(tǒng)可再生能源的消納能力和系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。上述文獻在RIES的運行經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性以及可再生能源消納等方面展開了詳細研究，但考慮可再生能源消納責任權(quán)重制度約束的RIES運行優(yōu)化研究還相對較少。

對于可再生能源電力消納責任權(quán)重和綠色證書(Green Certificate，GC)交易機制的研究，文獻[10]建立了考慮非水可再生能源隨機性的配額制綠證中長期二次交易模型，并通過算例展示了在配額制下非水可再生能源的流動方向。文獻[11]在分析我國GC市場與電力市場聯(lián)動特性和我國GC市場反身性特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適應(yīng)我國國情的GC價格機制模型，并提出了推動構(gòu)建多層級協(xié)調(diào)運作的GC市場交易的政策建議。文獻[12]引入“省間可再生能源交易商”的概念，代理省內(nèi)消納責任主體參與省間可再生能源市場向省外綠電商購電，建立省間可再生能源市場和省內(nèi)電力市場的兩級電力市場運營模式，并建立了基于配額制的兩級電力市場優(yōu)化運行模型，對于完成省內(nèi)消納責任和市場運行發(fā)揮了重要作用。上述文獻多在交易模型、價格機制、政策建議、兩級市場優(yōu)化運行模型等方面對可再生能源電力消納責任權(quán)重和綠色證書交易機制展開研究，但關(guān)于其對RIES運行優(yōu)化結(jié)果影響的研究還十分欠缺。

針對RIES的低碳運行研究，文獻[13]計及碳交易機制和天然氣動態(tài)管存，同時考慮氣潮流仿真的實時修正，建立了考慮風(fēng)電和負荷不確定性的低碳電-氣聯(lián)合系統(tǒng)快速動態(tài)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，該模型在改善系統(tǒng)運行經(jīng)濟性、低碳效益、魯棒性以及風(fēng)電消納能力等方面具有明顯優(yōu)勢。文獻[14]以減少棄風(fēng)和二氧化碳排放量為優(yōu)化目標，提出了一種考慮引入碳捕集系統(tǒng)和需求響應(yīng)機制的風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)隨機日前調(diào)度優(yōu)化模型，該模型驗證了碳捕集系統(tǒng)在限制系統(tǒng)總體碳排放和減輕風(fēng)力發(fā)電不確定性方面的有效性。文獻[15]增加對碳配額交易量約束的考慮，建立了RIES的雙階段魯棒優(yōu)化模型，并分析了碳配額交易量、碳交易價格以及風(fēng)荷不確定因素對調(diào)度結(jié)果的影響。上述文獻研究了碳交易機制、碳捕集技術(shù)對RIES的調(diào)度結(jié)果和低碳效益的影響，但鮮有綜合考慮碳排放成本和可再生能源電力消納責任權(quán)重的RIES優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)研究。

綜上，現(xiàn)有研究中鮮有綜合考慮可再生能源電力消納責任權(quán)重、綠色證書交易以及碳排放成本等因素對RIES優(yōu)化運行影響。鑒于此，本文構(gòu)建了計及可再生能源電力消納責任權(quán)重約束的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型，綜合考慮可再生能源消納責任權(quán)重約束、綠色證書交易、碳排放等因素對系統(tǒng)運行的影響。通過構(gòu)建不同場景進行算例分析，結(jié)果表明考慮可再生能源電力消納責任權(quán)重約束和綠色證書交易的優(yōu)化模型能顯著提高系統(tǒng)總收益，且可再生能源電力消納責任權(quán)重約束相較于綠證價格對系統(tǒng)總收益具有更大的影響程度，驗證了模型的有效性。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)設(shè)備元件模型

在RIES中，能源集線器(Energy Hub，EH)能夠?qū)崿F(xiàn)電、熱、冷、氣等多種能源的輸入、供應(yīng)、轉(zhuǎn)化及存儲，以滿足不同能源需求[16]。本文構(gòu)建的基于EH的RIES物理模型如圖1所示，其由供電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)3部分構(gòu)成，可滿足電、熱、冷3種負荷需求。其中，RIES通過外部電網(wǎng)、可再生能源以及燃氣輪機發(fā)電為用戶提供電負荷；通過燃氣鍋爐、余熱鍋爐滿足熱負荷需求；通過吸收式制冷機和電制冷機提供冷負荷。同時，儲能裝置(儲電裝置、儲熱裝置)實現(xiàn)了能源的充放過程?；贓H，可以便捷分析RIES結(jié)構(gòu)以及各設(shè)備之間的能量流動情況。各設(shè)備建模如圖1所示。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of regional integrated energy system

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組

(1)

1.2 光伏發(fā)電機組

(2)

(3)

1.3 微型燃氣輪機

GGT,t=VGT,tHgas

(4)

PGT,t=GGT,t·ηGT

(5)

(6)

式中：GGT,t、PGT,t、QWHB,t分別為燃氣輪機消耗天然氣的輸入功率、燃氣輪機的發(fā)電功率和余熱鍋爐的熱回收功率，kW；ηGT、ηWHB分別為燃氣輪機的供電效率和余熱鍋爐的熱回收效率；VGT,t為燃氣輪機的天然氣消耗量，m3；Hgas為天然氣低熱值，kW·h/m3。

1.4 燃氣鍋爐

GGB,t=VGB,tHgas

(7)

QGB,t=GGB,t·ηGB

(8)

式中：GGB,t、QGB,t分別為燃氣鍋爐消耗天然氣的輸入功率和燃氣鍋爐的供熱功率，kW；ηGB為燃氣鍋爐的供熱效率；VGB,t為燃氣鍋爐的天然氣消耗量，m3。

1.5 吸收式制冷機

PAC,t=QAC,t·ηAC

(9)

式中：PAC,t為吸收式制冷機的輸出冷功率；QAC,t為吸收式制冷機的輸入熱功率；ηAC為吸收式制冷機的制冷效率。

1.6 電制冷機

PEC,t=EEC,t·ηEC

(10)

式中：PEC,t為電制冷機的輸出冷功率；EEC,t為電制冷機的輸入電功率；ηEC為電制冷機的制冷效率。

1.7 儲能系統(tǒng)

假設(shè)單位時段內(nèi)儲能系統(tǒng)的充放能功率恒定，儲能系統(tǒng)的通用模型如式(11)所示：

(11)

2 計及消納責任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

計及可再生能源電力消納責任權(quán)重的RIES運行優(yōu)化模型以系統(tǒng)總收益最小為目標函數(shù)，包含系統(tǒng)運維成本、燃料成本、購售電收益/成本、碳排放成本和綠證交易收益/成本5部分構(gòu)成，即

minC=Com+Cgas+Cgrid+Ccar+Cgc

(12)

式中：Com、Cgas、Cgrid、Ccar、Cgc分別為系統(tǒng)運維成本、燃料成本、購售電收益/成本、碳排放成本和綠證交易收益/成本。

2.1.1 系統(tǒng)運維成本

(13)

(1)CCHP系統(tǒng)的運維成本

(2)可再生能源發(fā)電設(shè)備的運維成本

(15)

(3)儲能設(shè)備的運維成本

(16)

2.1.2 燃料成本

在文章區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，天然氣分別用于燃氣輪機和燃氣鍋爐，則燃料成本如式(17)所示。

(17)

式中：pgas為天然氣價格。

2.1.3 購售電收益/成本

(18)

2.1.4 碳排放成本

碳排放成本來自于系統(tǒng)購電和購氣，計算如式(19)所示。

(19)

式中：pcar為單位碳排放成本,元/kg；δec、δgt和δgb分別為購電、燃氣輪機發(fā)電和燃氣鍋爐供熱的碳排放系數(shù),kg/kW·h。

2.1.5 綠色證書交易收益/成本

當系統(tǒng)可再生能源電力消納責任權(quán)重低于要求值時，消納責任主體可以從綠證市場購買綠證作為消納量補充，而消納責任權(quán)重高于要求值時可以售出綠證賺取收益[17]，因此綠色證書交易收益或成本如式(20)所示。

Cgc=pgcQgc

(20)

式中：pgc為綠證市場價格，元/kW·h；Qgc為購買(正值)/出售(負值)的綠證量，kW·h。

2.2 約束條件

2.2.1 能量供需平衡約束

(1)電能供需平衡約束

供電系統(tǒng)中，通過風(fēng)光機組發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電、向外網(wǎng)購售電及儲電設(shè)備充放電來滿足系統(tǒng)電負荷需求及電制冷機輸入電功率需求。

(21)

式中：Le,t為電負荷需求。

(2)熱能供需平衡約束

供熱系統(tǒng)中，通過余熱鍋爐和燃氣鍋爐供熱以及儲熱設(shè)備充放熱來滿足系統(tǒng)熱負荷需求及吸收式制冷機輸入熱功率需求。

(22)

式中：Lh,t為熱負荷需求。

(3)冷能供需平衡約束

供冷系統(tǒng)中，通過吸收式制冷機和電制冷機供冷來滿足系統(tǒng)冷負荷需求。

PAC,t+PEC,t=Lc,t

(23)

式中：Lc,t為冷負荷需求。

2.2.2 設(shè)備運行約束

(1)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備功率約束

能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括風(fēng)機、光伏發(fā)電設(shè)備、燃氣輪機、燃氣鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機，各設(shè)備應(yīng)滿足自身功率限值要求，其運行功率約束如式(24)～式(30)所示。

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(2)儲能設(shè)備運行約束

儲能系統(tǒng)容量及充放能功率均需滿足限值要求。此外，文章假設(shè)儲能系統(tǒng)充放能不可同時進行且在調(diào)度周期初始時刻和結(jié)束時刻的儲能量相等。

(31)

(32)

(33)

Wm,0=Wm,T

(34)

2.2.3 外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線約束

系統(tǒng)在與外部電網(wǎng)進行能量交換時，應(yīng)滿足外部電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線限制約束，且假設(shè)系統(tǒng)購電和售電不能同時進行。

(35)

式中：μ為0-1變量，用以表示向外部電網(wǎng)購電、售電不能同時進行，μ=1表示購電，μ=0表示售電。

2.2.4 可再生能源電力消納責任權(quán)重約束

2019年5月，為進一步促進可再生能源電力消納，緩解“棄風(fēng)棄光”等問題，國家發(fā)展改革委、國家能源局正式發(fā)布了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》(發(fā)改能源[2019]807號)，提出設(shè)定可再生能源電力消納責任權(quán)重[18]。在該政策背景下，文章考慮可再生能源電力消納責任權(quán)重約束如式(36)～式(38)，表示系統(tǒng)可再生能源電力消納量與綠證交易量總和應(yīng)不小于消納責任權(quán)重規(guī)定下系統(tǒng)總電力消納量：

Ere+Qgc≥ω·Etotal

(36)

(37)

(38)

式中：ω為可再生能源電力消納責任權(quán)重；Etotal、Ere分別為系統(tǒng)總電量和消納可再生能源電量，kW·h。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取某一園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例，取時間步長為1 h，調(diào)度周期為24 h，在MATLAB環(huán)境下調(diào)用CPLEX求解器求解。該綜合能源系統(tǒng)主要包括電、熱、冷負荷需求，圖2為夏季典型日負荷曲線和風(fēng)光預(yù)測出力曲線。各設(shè)備的技術(shù)和成本參數(shù)如表1所示，儲能系統(tǒng)參數(shù)如表2所示[19]。系統(tǒng)向外網(wǎng)購、售電采用分時電價的形式，具體購、售電價格如表3所示。天然氣低熱值為9.7 kW·h/m3，單價為2.35元/m3[20]。單位碳排放成本為0.023元/kg，相關(guān)設(shè)備的碳排放系數(shù)如表4所示[21]。

圖2 負荷需求及風(fēng)光出力預(yù)測曲線Fig. 2 Forecast curve of load demand and wind turbines and photovoltaic cells output

表1 各設(shè)備技術(shù)和成本參數(shù)Tab.1 Technical and cost parameters of each equipment

基于綠色證書認購交易平臺的歷史交易數(shù)據(jù)，考慮風(fēng)電綠證的購售，取綠證價格為0.128 6元/kW·h(即128.6元/個)。此外，依據(jù)國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于各省級行政區(qū)域2020年可再生能源電力消納責任權(quán)重的通知》，取可再生能源電力的最低消納責任權(quán)重和激勵型消納責任權(quán)重分別為12.5%和13.8%。

表2 儲能系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of energy storage system

表3 購售電峰谷分時電價Tab.3 Peak and valley time-of-use electricity price

表4 相關(guān)設(shè)備的碳排放系數(shù)Tab.4 Carbon emission coefficient of related equipment

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗證分析消納責任權(quán)重和綠證政策、碳排放成本對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響，將消納責任權(quán)重和綠證政策和碳排放成本作為場景設(shè)置變量，重點分析考慮消納責任權(quán)重和綠證政策下的系統(tǒng)運行經(jīng)濟環(huán)境效益及政策影響，故設(shè)置以下3個典型場景。

場景1：未考慮消納責任權(quán)重和綠證、碳排放成本；

場景2：僅考慮碳排放成本；

場景3：同時考慮消納責任權(quán)重和綠證、碳排放成本。

3.2.1 不同場景下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對比

(1)場景1

場景1是未考慮消納責任權(quán)重和綠證、碳排放成本的基礎(chǔ)場景，該場景中的電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可得，系統(tǒng)內(nèi)大部分電負荷需求可以靠風(fēng)機、光伏發(fā)電來滿足。由于風(fēng)電出力在夜間處于較高水平，而此時電負荷需求較低，系統(tǒng)可將多余電量倒送至電網(wǎng)，或者通過余熱鍋爐和電制冷機消納部分剩余電力以滿足熱負荷和冷負荷需求。在12:00～16:00時段，光伏發(fā)電出力增多，且電負荷處于平時段，負荷需求可完全由風(fēng)光、燃氣輪機出力滿足。在8:00～11:00和16:00～20:00時段，電負荷需求高峰時段，光伏出力減小，風(fēng)光出力不足以滿足電負荷需求，電力缺口需依靠燃氣輪機出力增加甚至向外網(wǎng)購電來滿足。

由圖3(b)可得，在1:00～6:00以及18:00～24:00，熱負荷處于高峰時段，系統(tǒng)由燃氣鍋爐和余熱鍋爐協(xié)同供熱，還可依靠儲熱裝置放熱彌補供熱不足以降低系統(tǒng)運維成本。熱負荷需求在7:00～17:00時段處于較低水平，由于燃氣輪機和余熱鍋爐的耦合作用，該時段以余熱鍋爐供熱為主，實現(xiàn)了能源間的互補、提高系統(tǒng)能效；此外，系統(tǒng)剩余產(chǎn)熱可為吸收式制冷機提供熱動力以滿足系統(tǒng)冷負荷需求，在供熱過剩時儲熱裝置可充熱以維持熱功率平衡。由圖3(c)可得，在未考慮消納責任權(quán)重、綠證和碳排放成本時，高峰時段的冷負荷需求以電制冷機出力為主，吸收式制冷機出力為輔，能夠在降低運維成本的同時提高系統(tǒng)能效。

圖3 場景1系統(tǒng)運行優(yōu)化結(jié)果Fig. 3 Operation optimization results of scenario 1

(2)場景2

場景2在場景1的基礎(chǔ)上引入對碳排放成本的考慮，電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖4所示。與基礎(chǔ)場景相比，考慮碳排放成本的情況下，系統(tǒng)各設(shè)備的出力情況與場景1總體類似，說明現(xiàn)階段碳排放成本因素對該系統(tǒng)運行調(diào)度的影響相對較小。

圖4 場景2系統(tǒng)運行優(yōu)化結(jié)果Fig. 4 Operation optimization results of scenario 2

(3)場景3

場景3在場景2的基礎(chǔ)上又增加了對可再生能源電力消納責任權(quán)重和綠色證書交易的考慮，該場景中的電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可得，由于風(fēng)光發(fā)電同時具有環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，場景3下的供電系統(tǒng)仍實現(xiàn)了風(fēng)光的優(yōu)先全額消納。在電負荷的高峰時段，系統(tǒng)仍按風(fēng)光出力、燃氣輪機、購電的優(yōu)先順序滿足負荷需求；而在電負荷需求處于較低水平時，系統(tǒng)則可以將過剩電力售出、為余熱鍋爐和電制冷機提供動力以滿足熱負荷和冷負荷需求。

與場景1相比，場景3在電負荷低谷時期，富余電力更多向外網(wǎng)售電，而用來提供電制冷機動力的電力減少；而在電負荷高峰時段，燃氣輪機出力明顯增加。這是由于風(fēng)光發(fā)電同時具有運維成本低且無碳排放成本的優(yōu)勢，場景1和場景3均實現(xiàn)了風(fēng)光等等可再生能源的滿發(fā)利用，但由于場景3需要進一步滿足可再生能源消納責任權(quán)重，只能在保障風(fēng)光滿發(fā)的基礎(chǔ)上通過購售綠證或者降低電力消納總量兩種途徑來滿足消納責任權(quán)重約束。一方面，考慮綠證證書交易的RIES由于具有較高的綠色證書收益會優(yōu)先考慮可再生能源電力的消納；另一方面，為滿足可再生能源電力消納責任權(quán)重條件的約束，系統(tǒng)還會通過降低部分電制冷機出力以降低系統(tǒng)電力消納總量，滿足消納責任權(quán)重。

而為滿足系統(tǒng)冷負荷需求，則需增加吸收式制冷機出力，因此與場景1和場景2相比，在考慮消納責任權(quán)重約束下，高峰時段的冷負荷需求以吸收式制冷機出力為主，電制冷機出力為輔(如圖5(c)所示)。鑒此，與場景1相比，場景3中供熱系統(tǒng)不再僅以滿足自身熱負荷需求為主，而是提供大量剩余熱量為吸收式制冷機提供熱動力(如圖5(b)所示)。因此燃氣鍋爐與余熱鍋爐出力增加，且由于余熱鍋爐和燃氣輪機具有耦合作用導(dǎo)致燃氣輪機發(fā)電出力增多。在最大化系統(tǒng)總收益的優(yōu)化目標下，為降低由于燃氣輪機和燃氣鍋爐出力增多導(dǎo)致的成本增加所帶來的經(jīng)濟效益損失，系統(tǒng)在電負荷低谷時期以向主網(wǎng)倒送電力的方式提高售電收益；同時，大量綠證收益的增加也提升了系統(tǒng)總收益。綜上所述，場景3下的出力選擇在兼顧系統(tǒng)總收益的同時，提高了系統(tǒng)的可再生能源電力消納比例。

圖5 場景3系統(tǒng)運行優(yōu)化結(jié)果Fig. 5 Operation optimization results of scenario 3

3.2.2 不同場景下系統(tǒng)總收益對比

為比較所提計及消納責任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型的經(jīng)濟優(yōu)越性，以上3種場景的優(yōu)化目標函數(shù)值如表5所示。

由表5可得，未考慮消納責任權(quán)重和綠證交易、碳排放成本的場景1的系統(tǒng)總收益水平為負，總成本達到106 501.37元。其中，從外網(wǎng)購電的成本明顯高于售電收益，購售電成本達3 392.58元。場景2的系統(tǒng)總收益仍為負值，但由于增加了2 452.46元的碳排放成本，從而使得系統(tǒng)總成本增長為108 953.83元。與場景1和場景2相比，場景3的系統(tǒng)總收益水平得到了明顯增長，達到246 935.40元。其中，向外網(wǎng)售電的收入遠超過購電成本，購售電收益可達12 313.58元。由于系統(tǒng)可再生能源的消納責任權(quán)重已滿足可再生能源電力的最低消納責任權(quán)重約束12.5%，因此系統(tǒng)綠證交易售出綠證并獲取收益366 711.19元，將綠證售出后系統(tǒng)實際消納權(quán)重可達16.11%，驗證了該模型在提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時提高了系統(tǒng)的可再生能源電力消納占比。

表5 不同場景下目標函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3.2.3 不同場景下實際可再生能源電力消納責任權(quán)重和碳排放量對比

本節(jié)針對不同場景下的系統(tǒng)可再生能源電力實際消納責任權(quán)重、二氧化碳排放量指標進行對比分析，如圖6所示。

由圖6可得，場景3中未考慮消納責任權(quán)重約束的系統(tǒng)實際可再生能源電力消納占比為48%，而在系統(tǒng)最低消納責任權(quán)重為12.5%的約束下，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的實際可再生能源消納占比為65.31%，相比場景1、2增加了36.06%，場景3通過保障風(fēng)光滿發(fā)并調(diào)整設(shè)備出力極大提高了系統(tǒng)的可再生能源消納比例。此外，場景3的二氧化碳排放量為133 644.79 kg，相比場景1、2增長了25.34%。這是由于與場景1、2相比，考慮綠色證書交易的場景3具有綠色證書交易的收益來源，同時為滿足可再生能源電力消納責任權(quán)重約束，燃氣輪機和燃氣鍋爐出力增加，系統(tǒng)為實現(xiàn)總收益最大化而犧牲了部分環(huán)境效益，進而增加了部分碳排放量。當碳排放成本進一步增加時，環(huán)境目標權(quán)重增大時，系統(tǒng)可能會更加注重碳排放控制，犧牲部分經(jīng)濟效益。

圖6 不同場景下運行優(yōu)化指標對比Fig. 6 Comparison of operation optimization indexes of different scenarios

3.3 敏感性分析

為進一步探討不同因素對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行的影響，本節(jié)針對可再生能源消納責任權(quán)重、綠色證書交易價格等因素開展敏感性分析。以55%的可再生能源消納責任權(quán)重約束，綠色證書交易價格0.128 6元/kW·h，單位碳排放成本0.023元/kg為原始場景。

3.3.1 不同可再生能源電力消納責任權(quán)重約束下的敏感性分析

文章主要研究在可再生能源消納責任權(quán)重約束下的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化問題，因此可再生能源消納權(quán)重約束對系統(tǒng)總收益情況具有重要影響。圖7為不同可再生能源消納責任權(quán)重約束下的系統(tǒng)總收益情況。

可再生能源消納責任權(quán)重約束的變動范圍為原始場景的0～1.8倍，變化率為20%。如圖7所示，隨著可再生能源消納責任權(quán)重約束的增長，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)總收益呈下降趨勢。當可再生能源消納責任權(quán)重約束處于0～47.06%區(qū)間時，系統(tǒng)的總收益為正值，說明系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)可再生能源消納責任權(quán)重要求的同時，能夠?qū)ν獬鍪劬G證并向外網(wǎng)售電獲取收益，且收益值大于系統(tǒng)運行總成本。而當可再生能源消納責任權(quán)重約束大于47.06%時，系統(tǒng)的總收益為負值，說明系統(tǒng)需要購入綠證以滿足系統(tǒng)可再生能源消納責任權(quán)重要求，且系統(tǒng)運行總成本大于售電收益值。因此，隨著可再生能源電力消納責任權(quán)重約束增加，RIES將面臨著犧牲經(jīng)濟效益的概況。

此外，當可再生能源消納責任權(quán)重約束相對于原始場景增長20%時，系統(tǒng)總收益降低138.45%，因此可再生能源消納責任權(quán)重約束對系統(tǒng)總收益情況的影響程度較大。這是由于在可再生能源消納責任權(quán)重約束變動時，系統(tǒng)會協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各機組出力情況，從而滿足可再生能源消納責任權(quán)重要求，因此系統(tǒng)總收益對其敏感性程度較大。

圖7 不同可再生能源消納責任權(quán)重約束下的系統(tǒng)總收益情況Fig. 7 Total system revenue under different responsibility of renewable energy consumption

3.3.2 不同綠色證書交易價格下的敏感性分析

綠證作為系統(tǒng)滿足可再生能源消納責任權(quán)重要求的重要途徑，其價格對系統(tǒng)總收益情況具有重要影響。圖8為不同綠證交易價格下的系統(tǒng)總收益情況。

綠色證書交易價格的變動范圍為原始場景的1.2～3倍，變化率為20%。如圖8所示，隨著綠色證書交易價格的增長，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)總收益呈上升趨勢。當綠色證書交易價格處于0.128 6～0.244 5元/kW·h區(qū)間時，系統(tǒng)的總收益為負值，證明在可再生能源消納責任權(quán)重55%的約束下，系統(tǒng)向外網(wǎng)售電收益與售出綠證收益小于系統(tǒng)總成本。當綠色證書交易價格處于0.244 5～0.385 8元/kW·h區(qū)間時，系統(tǒng)的總收益為正值，證明在可再生能源消納責任權(quán)重55%的約束下，系統(tǒng)向外網(wǎng)售電收益與售出綠證收益大于系統(tǒng)總成本。此外，當綠色證書交易價格相對于原始場景增加20%時，系統(tǒng)總收益增長22.19%，因此系統(tǒng)總收益對綠色證書交易價格的敏感性小于可再生能源消納責任權(quán)重。

圖8 不同綠證交易價格下的系統(tǒng)總收益情況Fig. 8 Total system revenue under different green certificate prices

4 結(jié) 論

文章建立了考慮可再生能源消納責任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型。具體結(jié)論如下：

(1)建立了計及可再生能源消納責任權(quán)重約束的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化模型，綜合考慮了綠色證書交易、碳排放等因素。該優(yōu)化模型在可再生能源消納責任權(quán)重約束下能夠滿足電熱冷等多種負荷需求，同時增加系統(tǒng)總收益。

(2)與未考慮可再生能源消納責任權(quán)重約束的場景對比，考慮可再生能源消納責任權(quán)重約束的場景可通過改變系統(tǒng)各機組出力比例、出售綠色證書等途徑明顯提高系統(tǒng)總收益。

(3)通過對可再生能源消納責任權(quán)重約束、綠色證書交易價格等因素開展敏感性分析，可以得出消納責任權(quán)重約束與系統(tǒng)總收益呈負相關(guān)，且其影響程度明顯大于綠色證書交易價格對系統(tǒng)總收益的影響。

近年來，我國可再生能源實現(xiàn)了規(guī)?；l(fā)展，在國家碳達峰、碳中和以及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)等目標導(dǎo)向下，進一步提高風(fēng)光等可再生能源發(fā)電的消納比例已成為我國能源系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵舉措。在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運行調(diào)度時，引入對可再生能源消納責任權(quán)重、綠色證書交易以及碳排放等多因素的考慮，對于提升能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和清潔化水平提供了有效的借鑒和參考。