電-氫-碳綜合能源系統(tǒng)協(xié)同經(jīng)濟(jì)調(diào)度

于麗芳，李燕雪，朱明晞，張瑞聰，鄒徐歡，劉皓明

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)（北京）綜合能源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100052；3.國(guó)網(wǎng)國(guó)際發(fā)展有限公司 市場(chǎng)開發(fā)部，北京 100031；4.國(guó)網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100052）

0 引言

目前隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益凸顯，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳減排工作將成為國(guó)家未來發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。氫能源由于具有綠色高效，季節(jié)級(jí)、大容量存儲(chǔ)等突出優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來能源替代的終極解決方案［1］。在雙碳目標(biāo)愿景下，研究以電和氫為能源載體，實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-儲(chǔ)-荷”耦合互動(dòng)的電氫綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的協(xié)同規(guī)劃策略，對(duì)促進(jìn)可再生能源消納和碳減排具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值。

在IES模型的優(yōu)化研究方面，文獻(xiàn)［2］以電轉(zhuǎn)氣設(shè)備為橋梁耦合電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)，從而建立實(shí)現(xiàn)電-氣-電能量閉環(huán)的IES模型，實(shí)現(xiàn)電氣互換。隨著氫能源應(yīng)用不斷挖掘和技術(shù)手段的發(fā)展，氫元素逐漸引入IES模型中。文獻(xiàn)［3］基于價(jià)格型需求響應(yīng)，建立考慮電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）全過程的電-氫-氣模型，高效利用中間產(chǎn)物氫能，降低能源損耗。文獻(xiàn)［4］在綜合能源系統(tǒng)模型中加入風(fēng)電場(chǎng)耦合制氫模型，研究對(duì)電制氫的不同控制，實(shí)現(xiàn)電氫能量之間的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)［5］在電解水制氫模型中加入氫儲(chǔ)能設(shè)備，提高系統(tǒng)消納特性。在上述研究中忽略了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的低碳特性，未對(duì)電轉(zhuǎn)氣兩階段運(yùn)行過程細(xì)化建模。

目前，隨著雙碳戰(zhàn)略的深入發(fā)展，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究在碳交易機(jī)制下IES的優(yōu)化配置及優(yōu)化運(yùn)行方面的經(jīng)濟(jì)特性和消納特性。文獻(xiàn)［6］深入挖掘了氫能的發(fā)展?jié)撃?，提出未來電氫協(xié)同發(fā)展的必要性，建立碳交易下的綜合能源系統(tǒng)基本模型。文獻(xiàn)［7］通過考慮風(fēng)電調(diào)度、多網(wǎng)耦合以及靈活調(diào)節(jié)出力3個(gè)方面關(guān)系，評(píng)估了電-氫和電-氣技術(shù)在多能源網(wǎng)絡(luò)中的作用，分析其對(duì)多能耦合效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效性。文獻(xiàn)［8］考慮多能源需求的不確定性，建立計(jì)及碳交易機(jī)制的P2G和風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的混合整數(shù)非線性規(guī)劃調(diào)度模型，研究分析其風(fēng)電消納和碳減排能力。文獻(xiàn)［9］考慮能源樞紐系統(tǒng)，在電力和天然氣系統(tǒng)中提出了雙層優(yōu)化規(guī)劃模型，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。上述研究中在促進(jìn)碳減排方面有一定效果，但缺乏考慮在碳交易機(jī)制下，電氫耦合模式整體優(yōu)化調(diào)度帶來的碳?xì)涫找妗?/p>

通過上述分析，本文基于電氫碳系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行從經(jīng)濟(jì)利用、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互動(dòng)調(diào)節(jié)以及參與碳交易市場(chǎng)等角度建立面向用戶多元化用能需求的綜合能源系統(tǒng)。

1 基于電-氫-碳耦合的綜合能源系統(tǒng)模型

本文考慮了電力、供暖、冷卻、天然氣和氫氣供應(yīng)需求，構(gòu)建基于電氫碳協(xié)同的IES模型架構(gòu)，如圖1所示。其中由風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、電網(wǎng)以及冷熱電聯(lián)供（combined cool heat and power，CCHP）機(jī)組、氫燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備平衡電負(fù)荷能量需求；由CCHP機(jī)組、氫燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)平衡熱負(fù)荷能量需求；由CCHP機(jī)組和吸收式制冷機(jī)平衡冷負(fù)荷能量需求；由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和天然氣網(wǎng)平衡氣負(fù)荷能量需求。

圖1 電氫碳協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)Fig.1 IES with electricity-hydrogen-carbon synergy

基于P2G兩階段運(yùn)行原理，合理調(diào)度設(shè)備運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)電、氫、碳、氣能量流協(xié)同一體化。其機(jī)理如圖2所示［10］。

圖2 電轉(zhuǎn)氣運(yùn)行機(jī)理Fig.2 Power to gas operation mechanism

P2G技術(shù)第一階段利用電解槽設(shè)備電解水，實(shí)現(xiàn)電氫耦合。在此基礎(chǔ)上通過引入儲(chǔ)氫罐和氫燃料電池設(shè)備，在用電低谷時(shí)期，利用電解槽將過剩電能轉(zhuǎn)化為氫能，存儲(chǔ)于儲(chǔ)氫罐中；在用電高峰時(shí)期以氫氣為燃料，利用氫燃料電池發(fā)電和制熱滿足用戶需求，從而促進(jìn)了可再生能源的消納，其功能作用與蓄電池相似。第二階段引入碳捕集設(shè)備，將系統(tǒng)內(nèi)CCHP和微型燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備燃燒產(chǎn)生的CO2捕獲，提供給甲烷反應(yīng)器，產(chǎn)生的甲烷注入天然氣網(wǎng)，供其他能源轉(zhuǎn)換設(shè)備使用，提高了能源利用效率，并在一定程度上減少CO2排放。

（1）電解槽

電解槽通過電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，制氫功率可以表示為

式中：Pp2g1in,t為電解槽的輸入電功率；α1為電解槽的制氫效率；Pp2g1in,min和Pp2g1in,max分別為電解槽的最小和最大輸入電功率；ΔPp2g1,min和ΔPp2g1,max分別為電解槽爬坡下、上限。

（2）儲(chǔ)氫罐

通過儲(chǔ)氫罐實(shí)現(xiàn)多余風(fēng)電能量向負(fù)荷高發(fā)時(shí)段轉(zhuǎn)移，有效平抑風(fēng)光出力隨機(jī)性和負(fù)載需求突變引起的波動(dòng)，同時(shí)也是氫燃料電池的燃料提供者。忽略氫能壓縮過程中的損耗，儲(chǔ)氫罐模型為

式中：Ehs,t、Ehs,t-1分別為t時(shí)段和t-1時(shí)段的儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)能量；δhs為氫儲(chǔ)能的自耗能率；Δt為優(yōu)化運(yùn)行間隔時(shí)長(zhǎng)；Phs,cha,t、Phs,dis,t分別為氫儲(chǔ)能在t時(shí)段充氫和放氫功率；ηhs,cha、ηhs,dis分別為儲(chǔ)氫罐的充放氫效率。

氫儲(chǔ)能設(shè)備的最大充/放能功率約束、始末能量約束和狀態(tài)約束的約束條件如下

式中：SOChs,min、SOChs,max分別為氫儲(chǔ)能的最小和最大荷能狀態(tài)；Ehs,N為氫儲(chǔ)能的額定容量；γhs,cha、γhs,dis分別為氫儲(chǔ)能的最大充能和放能倍率；Ehs(0)和Ehs(T)分別為氫儲(chǔ)能在當(dāng)天開始和結(jié)束時(shí)段儲(chǔ)能儲(chǔ)氫量；Ehs,t為t時(shí)刻儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存的容量。

（3）燃料電池

氫燃料電池是將高品位氫能與電能、熱能聯(lián)系起來的橋梁，是實(shí)現(xiàn)電、氫、熱能耦合的關(guān)鍵。氫燃料電池電能產(chǎn)出模式是基于氧化還原反應(yīng)，在電堆模塊中由于電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電勢(shì)，進(jìn)而將產(chǎn)生的電能輸送給電網(wǎng)。熱能產(chǎn)出模式是伴隨著氫發(fā)電過程產(chǎn)生，將電堆反應(yīng)產(chǎn)生的熱能進(jìn)行回收，利用換熱器對(duì)循環(huán)熱力系統(tǒng)回水進(jìn)行加熱以供應(yīng)熱負(fù)荷。氫燃料電池的模型為

式中：Phfc,e,t、Phfc,h,t分別為氫燃料電池的發(fā)電功率和制熱功率；β1、β2分別為氫燃料電池發(fā)電和制熱效率；Phfcin,t為t時(shí)段輸入到氫燃料電池的功率；Phfcin,min、Phfcin,max分別為氫燃料電池的最小和最大輸入功率；ΔPhfcin,min、ΔPhfcin,max分別為氫燃料電池的爬坡下、上限。

（4）甲烷反應(yīng)器

甲烷反應(yīng)器的制氣功率可以表示為

式中：Pp2g2in,t為電解槽的輸入電功率；α2為電解槽的制氫效率；Pp2g2in,min、Pp2g2in,max分別為電解槽的最小和最大的輸入電功率；ΔPp2g2,min、ΔPp2g2,max分別為電解槽爬坡下、上限。

（5）碳捕集設(shè)備

碳捕集設(shè)備可以將系統(tǒng)內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)和微型燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備燃燒產(chǎn)生的CO2捕獲并將其提供給P2G技術(shù)中的甲烷反應(yīng)器，減少CO2排放。碳捕集所消耗的電功率可以表示為

式中：Qco2,t為碳捕集設(shè)備的捕獲的CO2量；γ為計(jì)算CO2量的系數(shù)；χ為碳捕集設(shè)備所消耗的電能與所捕獲的CO2之間的對(duì)應(yīng)系數(shù)；Pe,t為系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電設(shè)備在t時(shí)段發(fā)出的有功功率之和；aco2、bco2和cco2分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)和CCHP機(jī)組CO2的排放系數(shù)。

（6）CCHP機(jī)組

CCHP機(jī)組作為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中最重要的多能耦合設(shè)備，基于“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用的原理”，可以高效的將清潔能源天然氣轉(zhuǎn)換為電能、熱能和冷能，其數(shù)學(xué)模型［11］為

式中：Pcchp,g,t為CCHP機(jī)組在t時(shí)段的天然氣消耗功率；Pcchp,e,t為CCHP機(jī)組在t時(shí)段的輸出電功率；Pwhb,h,t為CCHP機(jī)組中余熱回收鍋爐在t時(shí)段的輸出熱功率；ηcchp,e、ηcchp,loss分別為CCHP機(jī)組的發(fā)電效率和熱能自耗散率；Pcchp,c,t為CCHP機(jī)組在t時(shí)段的冷功率；Plr,h,t為溴化鋰制冷機(jī)組在t時(shí)段從燃?xì)廨啓C(jī)吸收的熱功率；ηlr為溴化鋰制冷機(jī)冷熱轉(zhuǎn)換效率；Pcchp,h,t為CCHP機(jī)組在t時(shí)段的輸出熱功率；rl,cchp、ru,cchp分別為CCHP機(jī)組的上、下爬坡速率限制；Pcchp,e,min、Pcchp,e,max分別為CCHP機(jī)組輸出電功率的下、上限。

（7）微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)通過燃燒天然氣將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，具有投資成本較少、污染物排放較低、制熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。微型燃?xì)廨啓C(jī)模型為

式中：Pmt,e,t為微型燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)刻的輸出電功率；Pmts,t為微型燃?xì)廨啓C(jī)在t時(shí)刻消耗的輸入功率；ηmt為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；Pmt,h,t為微型燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)刻的輸出熱功率；ηr為熱損失系數(shù)；rl,mt、ru,mt分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)的上、下爬坡速率限制。

（8）電制冷機(jī)組

電制冷機(jī)的電功率與冷功率之間的關(guān)系為

式中：Pec,t為t時(shí)刻電制冷機(jī)輸入功率；Pecc,t為t時(shí)刻電制冷機(jī)的制冷功率；ηec為電制冷機(jī)的轉(zhuǎn)換效率；Pec,min、Pec,max分別為最小和最大制冷功率。

2 碳交易成本計(jì)算

碳交易是由政府通過對(duì)能耗企業(yè)的控制排放而實(shí)現(xiàn)碳排放量控制的市場(chǎng)交易機(jī)制。以此促進(jìn)各能源企業(yè)進(jìn)行技術(shù)革新，加強(qiáng)節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)國(guó)家“碳減排”、“碳中和”目標(biāo)的達(dá)成［12］。

本文中IES的碳排放配額包括外購電力、CCHP機(jī)組和微型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組直接或間接消費(fèi)而產(chǎn)生的CO2，可表示為

式中:E0為系統(tǒng)的碳排放權(quán)配額；Ee,buy、Ecchp、Emt分別為外購電力、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)組的碳排放權(quán)配額；χe、χg分別為燃煤機(jī)組單位電力消耗、燃天然氣機(jī)組單位天然氣消耗的碳排放權(quán)配額；Pe,buy,t為t時(shí)段上級(jí)購電量；Pcchp,e,t、Pcchp,h,t、Pcchp,c,t和Pmt,e,t、Pmt,h,t分別為t時(shí)段CCHP和微型燃?xì)廨啓C(jī)組輸出的電熱冷功率；T為調(diào)度周期。

系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量表示為

式中:Eco2為IES的實(shí)際碳排放量；Ee,buy為外購電能的實(shí)際碳排放量；Ee,IES為系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行時(shí)總的碳排放量；Eccs為碳捕集設(shè)備捕獲的的CO2量；a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為燃煤機(jī)組和耗天然氣型供能設(shè)備的碳排放計(jì)算系數(shù)。

因此，碳交易成本可表示為

式中：Cco2為碳交易成本；ε為碳交易成本系數(shù)。

3 電氫碳協(xié)同系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

基于圖1電氫碳協(xié)同運(yùn)行系統(tǒng)架構(gòu)，綜合考慮在碳交易機(jī)制下多種能源轉(zhuǎn)換裝置從而建立電-氫-碳綜合能源系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度架構(gòu)。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的目標(biāo)是滿足IES內(nèi)各負(fù)荷用能需求的基礎(chǔ)上系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本最小，目標(biāo)函數(shù)如下

式中:Cm為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本；Ceg為能源外購成本；Cdg,cut為棄風(fēng)棄光成本；Cp2g為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的售氫收益。

（1）設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本

式中：awt、apv、acchp、ap1、ap2、ahs、amt、aec、accs、ahfc分 別為風(fēng)電、光電、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電解槽、甲烷反應(yīng)器、儲(chǔ)氫罐、微型燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)、碳捕集和燃料電池的單 位 維 護(hù) 成本；Pwt,t、Ppv,t、Pcchp,e,t、Pcchp,h,t、Pcchp,c,t、Pp2g1,t、Pp2g2,t、Phs,cha,t、Phs,dis,t、Pmt,t、Pmth,t、Pecc,t、Pccs,t、Phfc,e,t、Phfc,h,t分別為t時(shí)段風(fēng)電、光電、CCHP機(jī)組、電解槽、甲烷反應(yīng)器、儲(chǔ)氫罐、微型燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)、碳捕集和燃料電池的輸出功率。

（2）能源外購成本

式中：be和bg分別為上級(jí)電網(wǎng)單位電價(jià)和天然氣網(wǎng)氣源的單位價(jià)格；Pe,buy,t和Pg,buy,t分別為t時(shí)段從上級(jí)主網(wǎng)購買的電量與天然氣量。

（3）棄風(fēng)棄光的成本

式中：cwc和cpc分別為風(fēng)力和光伏發(fā)電棄風(fēng)棄光成本系數(shù)；Pwc,t和Ppc,t分別為t時(shí)段棄風(fēng)棄光功率。

（4）售氫收益

式中：dH2為市場(chǎng)上氫氣價(jià)格；VH2為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的氫氣產(chǎn)生量。

3.2 約束條件

約束條件主要包括：能量供需平衡約束和設(shè)備約束，其中設(shè)備約束條件在第1節(jié)已論述。

（1）電力平衡約束

式中：Ppl,t為t時(shí)段的電力負(fù)荷需求。

（2）熱功率平衡約束

式中：Phl,t為t時(shí)段的熱負(fù)荷需求。

（3）冷功率平衡約束

式中：Pcl,t為t時(shí)段的冷負(fù)荷需求。

（4）燃?xì)夤β势胶饧s束

式中：Pgl,t為t時(shí)段的氣負(fù)荷需求。

（5）氫功率平衡約束

（6）購電購氣限制約束

式中：Pg,min和Pg,max分別為購氣功率的最小和最大限值；Pe,min和Pe,max分別為購電功率的最小和最大限值。

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

采用圖1所示系統(tǒng)，算例中設(shè)置電網(wǎng)與大電網(wǎng)單向相連，系統(tǒng)無法向大電網(wǎng)倒送電能，氣網(wǎng)與外網(wǎng)雙向相連，同時(shí)系統(tǒng)中熱網(wǎng)和冷網(wǎng)與外界沒有交互。由此，以一天24 h為一個(gè)調(diào)度周期，單位調(diào)度時(shí)段為1 h。設(shè)置IES系統(tǒng)包括60 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，40 MW的光伏發(fā)電機(jī)組，25 MW的CCHP機(jī)組、35 MW的微型燃?xì)廨啓C(jī)、35 MW的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、15 MW的燃料的電池、35 MW儲(chǔ)氫系統(tǒng)、15 MW電制冷機(jī)以及10 MW碳捕集設(shè)備。典型日內(nèi)風(fēng)光出力預(yù)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)光出力預(yù)測(cè)Fig.3 Forecasting of wind and photovoltaic output

碳交易的成本根據(jù)上海環(huán)境能源交易所的數(shù)據(jù)約取60元/t，同時(shí)外購電價(jià)取0.54元/kWh，天然氣價(jià)格取3.5元/Nm3。IES內(nèi)部典型日的電、熱、冷、氣負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線分別如圖4所示。

圖4 負(fù)荷需求預(yù)測(cè)Fig.4 Load demand forecasting

4.2 不同調(diào)度模式分析

為了分析比較所提出的碳交易機(jī)制下的優(yōu)化調(diào)度策略的有效性和經(jīng)濟(jì)性，本文設(shè)置了3種調(diào)度模式。

模式1：常規(guī)模式，傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)；

模式2：電氫模式，在模式1的基礎(chǔ)上，引入電轉(zhuǎn)氣技術(shù)和氫燃料電池，實(shí)現(xiàn)氫能與電能雙向耦合；

模式3：電氫碳模式，在模式2的基礎(chǔ)上，綜合考慮碳捕集設(shè)備碳收益和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的氫收益，實(shí)現(xiàn)電氫碳協(xié)同。

3種模式的調(diào)度結(jié)果及外購能源情況分別如表1所示。從消納特性分析，常規(guī)模式的風(fēng)光利用率為75.97%，圖5為常規(guī)模式的棄風(fēng)棄光情況，在0：00—4：00，8：00—16：00和22：00—24：00時(shí)段，風(fēng)光資源豐富，常規(guī)模式下系統(tǒng)供大于求，可再生能源出力富余，無法被IES完全消納；在電氫和電氫碳模式下，由于增加了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，將富余的風(fēng)電和光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換為氫能或者天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)，在用電高峰期和可再生能源出力不足的情況下進(jìn)行發(fā)電或轉(zhuǎn)化為其他形式的能量供負(fù)荷使用，使得風(fēng)能和光伏的利率有了極大的提升，風(fēng)光出力可被完全消納，提高能源利用效率。

表1 3種模式調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results of three models

圖5 常規(guī)模式中棄風(fēng)棄光情況Fig.5 Wind and photovoltaic abandonment in conventional mode

從環(huán)境角度分析，本文中的IES碳排放源包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、CCHP機(jī)組以及外購電力。常規(guī)模式主要依賴微型燃?xì)廨啓C(jī)和CCHP機(jī)組實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，因此碳排放量較高，為2.169 t。電氫模式由于加裝了電轉(zhuǎn)氣等用電設(shè)備，導(dǎo)致其外購電力增加了30.93 MW。但是考慮電轉(zhuǎn)氣兩階段運(yùn)行，在第一階段產(chǎn)生清潔氫，可用于氫燃料電池發(fā)電以及供熱，從而降低了CCHP機(jī)組和微型燃?xì)廨啓C(jī)的供能出力。總體來看，電氫模式的CO2的排放量相比于常規(guī)模式降低18.14%。在電氫碳模式中一方面由于加裝了碳捕集設(shè)備，可以捕獲能源轉(zhuǎn)換和利用的過程中產(chǎn)生的CO2；另一方面考慮電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的氫收益，提高氫燃料電池的出力，從而使得外購電力相對(duì)電氫模式減少了10.24 MW，碳排放量降低了22.66%，具有明顯的環(huán)境效益，促進(jìn)了碳減排戰(zhàn)略的發(fā)展。

從經(jīng)濟(jì)角度分析，相對(duì)于常規(guī)模式，電氫模式由于加裝了電轉(zhuǎn)氣、儲(chǔ)氫罐和燃料電池設(shè)備，雖然增加了設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，但促進(jìn)了可再生能源消納，減少了棄風(fēng)棄光成本；同時(shí)通過出售氫氣的方式增加了系統(tǒng)的收益以及由于碳排放的減少，降低了碳成本，從而使得運(yùn)行成本降低了109.65萬元。在電氫碳模式中，碳捕集設(shè)備通過回收系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2供給電轉(zhuǎn)氣的第二階段使用，減少外購CO2的成本，減少了P2G購買碳額度的成本和CCHP機(jī)組的碳排放，雙重作用下進(jìn)一步降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。可以預(yù)見，隨著碳交易權(quán)市場(chǎng)的不斷發(fā)展和完善，電氫碳模式由于碳排放量的降低所帶來經(jīng)濟(jì)效益講進(jìn)一步增加。圖6為電氫碳模式的調(diào)度結(jié)果。

圖6 電氫碳模式調(diào)度結(jié)果Fig.6 Scheduling results of electricity-hydrogencarbon model

由圖6(a)可知，風(fēng)光機(jī)組發(fā)電供給用戶電負(fù)荷和其他能量轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可以完全消納風(fēng)光發(fā)電；在5：00—7：00和17：00—21：00時(shí)段，風(fēng)光機(jī)組發(fā)電功率無法滿足IES系統(tǒng)負(fù)荷需求，需向上級(jí)電網(wǎng)購買電量。由圖6(b)可知，由微型燃?xì)廨啓C(jī)、CCHP機(jī)組和燃料電池能夠滿足熱負(fù)荷能量需求。由圖6(c)可知，電制冷和溴化鋰制冷機(jī)滿足冷負(fù)荷需求。由圖6(d)可知，由于電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的成本限制，在氣功率平衡約束中，主要由外購天然氣保持供需平衡。由圖6(e)可知，從氫平衡角度看，電解槽第一階段所產(chǎn)生的氫氣，大部分儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫罐中，該部分氫氣可用于加氫站供氫燃料電池汽車使用，通過出售氫氣來獲取收益，另一部分用于系統(tǒng)內(nèi)氫燃料電池發(fā)電和供熱。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于碳捕集設(shè)備和電-氫-氣轉(zhuǎn)換的電氫碳協(xié)同運(yùn)行的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式，考慮在碳交易背景下，構(gòu)建以運(yùn)行維護(hù)成本、購能成本、環(huán)境成本和售氫售氣收益之和最優(yōu)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，并通過算例驗(yàn)證所提最優(yōu)模型的有效性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）通過充分利用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的兩階段運(yùn)行以及氫燃料電池的有效調(diào)度，實(shí)現(xiàn)不同用電時(shí)期氫電優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增加系統(tǒng)的調(diào)峰能力，促進(jìn)可再生能源的消納；

（2）碳捕集設(shè)備捕獲的CO2可以通過電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進(jìn)行有效利用，從而減少了系統(tǒng)的CO2排放，并提升了環(huán)境效益；

（3）所提出的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型可以通過向園區(qū)售氫獲得收益，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。D