碳交易機(jī)制下計(jì)及冷熱電的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度

周斌, 周靜， 陳良亮

〔1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 211106；3.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司,江蘇 南京 211106〕

0 引 言

由于可再生能源出力的隨機(jī)性以及成本缺少一定的競爭力，虛擬電廠在運(yùn)營中存在棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象，造成可再生能源大量浪費(fèi)。為此，有一些研究采取相關(guān)措施提高風(fēng)光消納。文獻(xiàn)[1]通過建立棄風(fēng)棄光相關(guān)約束條件來促進(jìn)可再生能源的消納。文獻(xiàn)[2]基于碳交易建立電熱優(yōu)化調(diào)度模型，提高風(fēng)電消納率的同時(shí)減少碳排放量。文獻(xiàn)[3]建立電-熱-氣的低碳優(yōu)化調(diào)度模型，并研究碳交易價(jià)格和設(shè)備容量配置對調(diào)度的影響。文獻(xiàn)[4]考慮不同的碳交易價(jià)格對碳排放量及風(fēng)電消納的影響。綜上所述，考慮碳交易能夠降低碳排放量，在一定程度上提高可再生能源的消納，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。本文提出考慮冷熱電的虛擬電廠低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，模型考慮碳排放成本及運(yùn)行成本，進(jìn)而提高可再生能源的消納率，降低虛擬電廠碳排放量，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠收益最大化的目標(biāo)。

1 碳交易市場環(huán)境下虛擬電廠模型架構(gòu)

根據(jù)當(dāng)前我國虛擬電廠和碳交易市場發(fā)展現(xiàn)狀，本文所提出的虛擬電廠的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其中包含燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電、光伏、電鍋爐、吸收式制冷機(jī)以及多能負(fù)荷。

當(dāng)虛擬電廠的能源供應(yīng)難以滿足用戶需求時(shí)，虛擬電廠通過實(shí)時(shí)購買相關(guān)能源，滿足用戶需求。此時(shí)虛擬電廠作為一個(gè)獨(dú)立的整體，具有碳排放權(quán)且能參與碳排放權(quán)市場的交易[5]。

2 計(jì)及碳交易市場的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型

以碳交易成本的虛擬電廠收益最大為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足虛擬電廠內(nèi)各約束條件下，提高可再生能源的消納，減小碳排放量。

2.1 碳交易成本

碳交易機(jī)制通過碳交易市場來控制地區(qū)的碳排放量。首先，通過由政府對碳排放量進(jìn)行估量；其次，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對碳排放

圖1 虛擬電廠模型架構(gòu)

量進(jìn)行分配；最后，發(fā)電企業(yè)作為整體可以參與碳交易市場[6]。

本文采用基于發(fā)電量的免費(fèi)初始碳排放權(quán)分配方式，單位電量碳排放分配系數(shù)可由國家發(fā)改委發(fā)布的“區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子”確定。虛擬電廠所分配到的碳排放配額為[7]：

(1)

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力包括電出力和熱出力。在計(jì)算熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力時(shí)，將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力轉(zhuǎn)換成純凝工況下的電出力，計(jì)算公式為[8]：

PZ,i,t=PCHP,i,t+Cv,iHCHP,i,t

(2)

式中：PZ,i,t為t時(shí)段熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i在純凝工況下的出力；PCHP,i,t和HCHP,i,t分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i在t時(shí)段的電出力和熱出力；Cv,i為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為0.165。單位電量碳排放分配系數(shù)為0.792 t/(MW·h)。

虛擬電廠碳排放量主要來源于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)，其碳排放量為：

(3)

式中：Et為虛擬電廠碳排放量；λm為燃?xì)廨啓C(jī)m單位出力碳排放強(qiáng)度；PGAS為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)m發(fā)電功率；μn為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組n單位出力碳排放強(qiáng)度；PCHP為t時(shí)段熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組n在純凝工況下的電出力。

虛擬電廠在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的碳交易成本為：

I=PCO2(Et-Ct)

(4)

式中：I為虛擬電廠碳交易成本；PCO2為碳交易價(jià)格，元/t。

2.2 虛擬電廠運(yùn)行成本及收益

(1) 虛擬電廠運(yùn)行成本計(jì)算公式為：

F2=CCHP+CGAS+CW+CP

(5)

式中：F2為虛擬電廠的運(yùn)行成本；CCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行成本；CGAS為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行成本；CW為風(fēng)電機(jī)組維護(hù)成本；CP為光伏維護(hù)成本。其中：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：T為時(shí)間常數(shù)，表示一個(gè)調(diào)度周期，本文中為24 h；ci(i=0,1,…，5)為CHP機(jī)組能耗系數(shù)；PCHP,t為t時(shí)段CHP機(jī)組輸出電功率；HCHP,t為t時(shí)段CHP機(jī)組輸出熱功率;Cn為單位天然氣價(jià)格，取值2.63 元/m3；PMT,t為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)輸出電功率；ηMT為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；LHVH為單位天然氣燃燒熱值，取值9.91 kW·h/m3；k1為風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；k2為光伏運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；Pw,t、Pp,t分別為風(fēng)電、光伏機(jī)組的實(shí)際出力。

(2) 虛擬電廠總收入計(jì)算公式為：

F1=Rload+Rheat+Rcool

(10)

式中：F1為虛擬電廠總收入；Rload、Rheat、Rcool分別為虛擬電廠的售電收入、售熱收入及售冷收入。

綜上所述，計(jì)及碳交易和虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為：

maxF=F1-F2-I

(11)

式中：F為虛擬電廠的凈收益。

3 虛擬電廠運(yùn)行約束條件

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，計(jì)及碳交易的虛擬電廠運(yùn)行需要滿足各設(shè)備運(yùn)行約束，以及電平衡、熱平衡及冷平衡相關(guān)約束。

1) 電平衡約束

PCHP,t+PMT,t+Pw,t+Pp,t=PL+Peb

(12)

式中：Peb為電鍋爐設(shè)備的電負(fù)荷；PL為電負(fù)荷。

2) 熱平衡約束

HCHP,t+Heb,h=HL

(13)

式中：Heb,h為電鍋爐產(chǎn)生的熱功率；HL為熱負(fù)荷。

3) 冷平衡約束

QGAS,cool=QL,cool

(14)

式中：QGAS,cool為燃?xì)廨啓C(jī)通過吸收式制冷機(jī)產(chǎn)生的冷功率；QL,cool為冷負(fù)荷。

由于篇幅限制，對于CHP運(yùn)行約束、分布式能源出力約束已有較多文章研究，因此不在文中贅述。

4 算例分析

4.1 算例描述

針對冬季某工業(yè)園區(qū)，該虛擬電廠由594 MW熱電廠(包括2臺(tái)抽凝式CHP機(jī)組)、200 MW風(fēng)電場、80 MW光伏電站及80 MW燃?xì)廨啓C(jī)組成。碳交易價(jià)格為150 元/t。

電負(fù)荷分時(shí)電價(jià)如表1所示，優(yōu)化調(diào)度周期為24 h，單位調(diào)度時(shí)長為1 h。電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷及風(fēng)光預(yù)測曲線如圖2及圖3所示。

表1 不同時(shí)刻電能價(jià)格

圖2 電、熱、冷負(fù)荷曲線

圖3 風(fēng)光功率預(yù)測曲線

4.2 算例結(jié)果及分析

為驗(yàn)證碳交易對虛擬電廠冷熱電優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行收益的影響，設(shè)置兩種調(diào)度方式進(jìn)行對比分析。

方式一：未考慮碳交易成本參與虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方式。

方式二：考慮碳交易成本參與虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方式。

圖4為兩種方式碳交易成本參與虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度下各電力設(shè)備電出力情況。

從圖4可以看出，當(dāng)考慮碳交易成本時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需要考慮碳交易價(jià)格，使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行成本增加，進(jìn)而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力降低，此時(shí)電鍋爐出力增加，承擔(dān)部分熱負(fù)荷。

由于新能源在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生碳排放，在碳交易機(jī)制下新能源能夠在碳交易中獲得收益，其運(yùn)行成本間接性降低，此時(shí)虛擬電廠優(yōu)先安排新能源上網(wǎng)，提高新能源利用率，使虛擬電廠收益增加。圖5為兩種方式下風(fēng)電實(shí)際的出力情況，在未考慮碳交易成本參與虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度時(shí)，在01∶00—06∶00及22∶00 —

圖4 兩種方式下電力調(diào)度情況

圖5 兩種方式下風(fēng)電實(shí)際出力情況

24∶00時(shí)段，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱量較高，此時(shí)風(fēng)電上網(wǎng)電量較少，棄風(fēng)率相對較高。在考慮碳交易成本參與虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方式時(shí)，由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行需要考慮碳交易價(jià)格，其運(yùn)行成本相對增加，新能源上網(wǎng)電量增加，新能源消納率提高。

圖6為兩種方式下虛擬電廠不同時(shí)刻碳排放情況的對比曲線。從圖6可以看出，在虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)，方式一的碳排放量大于方式二，當(dāng)虛擬電廠考慮碳交易后，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱量及發(fā)電量減小，虛擬電廠在調(diào)度周期內(nèi)碳排放量減小。

圖6 兩種方式下碳排放量對比

兩種優(yōu)化調(diào)度方式結(jié)果對比分析如表2所示。

表2 優(yōu)化調(diào)度方式結(jié)果對比

綜上所述，本文所提出的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方式能夠提高虛擬電廠獲得的收益，不僅降低了虛擬電廠成本，還提高了新能源的消納率，減少了碳排放量，對推進(jìn)碳減排以及提高新能源消納率具有重要意義。

5 結(jié)束語

本文建立了計(jì)及碳交易的冷熱電虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型，以虛擬電廠收益最大為目標(biāo)，通過對算例分析對比，可以得出結(jié)論：當(dāng)考慮碳交易機(jī)制時(shí)，調(diào)度周期內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱出力和電出力明顯下降，增加新能源的實(shí)際上網(wǎng)電量，同時(shí)減小虛擬電廠的碳排放量。在調(diào)度周期內(nèi)，虛擬電廠收益增加了11.71萬元，風(fēng)光消納率提高35.04%，碳排放量減小1 252.326 t，風(fēng)光消納率大幅提升，碳減排效果明顯。