考慮火電機組參與綠證購買交易的含氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟低碳調(diào)度策略

張 虹，孟慶堯，王明晨，李佳旺，張玉海

考慮火電機組參與綠證購買交易的含氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟低碳調(diào)度策略

張 虹1，孟慶堯1，王明晨2，李佳旺3，張玉海4

(1.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(東北電力大學)，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000；4.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132012)

在“雙碳”背景下，為提升能源消納率、處理綜合能源系統(tǒng)低碳供能問題，提出一種考慮火電機組參與綠證購買交易的含氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟低碳調(diào)度策略。首先，針對光熱電站和電制氫系統(tǒng)存在的耦合關(guān)系對綜合能源系統(tǒng)進行建模。其次，建立以火電機組為綠證購買者的綠證交易模型。在碳交易的依托下，火電機組購買的綠證可以轉(zhuǎn)化成部分碳配額。同時針對綠證交易價格，提出考慮綠證供需關(guān)系的綠證交易價格定價機制，基于價格的變化調(diào)整綠證購買量。最后，構(gòu)建以含氫綜合能源系統(tǒng)總運行成本最小為目標的調(diào)度模型。仿真分析表明，所提調(diào)度策略可以提升綠證購買需求和可再生能源消納率，實現(xiàn)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行的目標。

電制氫；綜合能源系統(tǒng)；綠證交易；火電機組；綠證購買需求；可再生能源消納

0 引言

在“碳達峰、碳中和”的目標背景下，我國開始積極推進能源變革轉(zhuǎn)型，減少一次能源使用量、充分利用可再生能源是此次變革轉(zhuǎn)型的重點[1]。構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源的互補和融合[2]，有效提升能源的利用效率，受到此次變革轉(zhuǎn)型的關(guān)注。因此，如何完善綜合能源系統(tǒng)運行架構(gòu)和運行方式成為現(xiàn)在亟待解決的課題。

光熱發(fā)電[3]和電制氫[4]作為兩種新興技術(shù)近年來受到相關(guān)學者的廣泛關(guān)注。文獻[5]為解決西北地區(qū)棄電問題，將光熱電站和風電場聯(lián)合并網(wǎng)，并利用電加熱裝置將富集的風電轉(zhuǎn)化成熱能儲存在光熱電站儲熱系統(tǒng)中，實現(xiàn)了可再生能源大規(guī)模消納。文獻[6]用電解槽、甲烷反應(yīng)器和燃料電池來替換電轉(zhuǎn)氣裝置，考慮了電制氫多方面的效益，限制了系統(tǒng)的碳排放。然而，上述研究未在系統(tǒng)中同時考慮光熱發(fā)電和電制氫技術(shù)，未能充分利用可再生能源。為此，文獻[7]構(gòu)建了一種含光熱電站和電制氫的綜合能源系統(tǒng)低碳調(diào)度模型，有效緩解了系統(tǒng)內(nèi)多能供應(yīng)和碳減排問題。文獻[8]提出了一種考慮光熱電站和電制氫聯(lián)合運行的海島微網(wǎng)調(diào)度策略，保證了系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行。上述文獻雖在系統(tǒng)構(gòu)造時考慮了光熱電站和電制氫系統(tǒng)，但未能實現(xiàn)二者的耦合，也沒有將電制氫中燃料電池產(chǎn)生的熱量通過光熱電站儲熱環(huán)節(jié)重新利用以此來提升能源利用率。

碳減排機制[9-10]是實現(xiàn)我國雙碳目標的重要手段，相關(guān)學者對此機制的各種運行方式展開研究。文獻[11]將跨鏈交易技術(shù)和綠證交易機制相結(jié)合，創(chuàng)建含綠證跨鏈交易的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，在促進能源消納的同時，提升了交易的透明度。文獻[12]構(gòu)建一種新型市場交易機制，將雙邊儲備和綠證交易相結(jié)合，使得可再生能源機組和發(fā)電商均受益。上述文獻對綠證交易機制進行了研究，對綠證交易價格而言，均采用由政府定價的固定價格來模擬交易過程，尚未考慮將綠證交易市場化，利用綠證供需關(guān)系對其進行定價。文獻[13]基于博弈理論，構(gòu)建運營商和用戶的低碳調(diào)度模型，并考慮了需求響應(yīng)和獎懲型碳交易對系統(tǒng)的影響。文獻[14]考慮了碳交易機制對電力系統(tǒng)運行的影響，有效緩解了棄風問題，減少了系統(tǒng)的碳排放。文獻[11-14]未將綠證交易成本和碳交易成本同時納入系統(tǒng)優(yōu)化目標函數(shù)之中，未能充分發(fā)揮系統(tǒng)低碳運行能力。為此，文獻[15-16]提出了含碳交易和綠證交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型，促進系統(tǒng)進一步低碳化運行。但上述文獻中的綠證交易均選擇售電企業(yè)為綠證購買者，并未選擇火電機組。而在碳交易的依托下，以火電機組為綠證購買者可以將購買的綠證轉(zhuǎn)化成碳配額，此綠證交易模式可以提升綠證購買需求，促進可再生能源進一步消納，更加契合我國低碳發(fā)展趨勢，有助實現(xiàn)雙碳目標。

綜上所述，本文綜合考慮光熱電站與電制氫的耦合特性，以及以火電機組為綠證購買者的綠證交易對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響，構(gòu)建了以各設(shè)備運行成本、碳交易成本和綠證交易成本最小為目標的優(yōu)化調(diào)度模型，通過仿真驗證了所提模型的有效性。

1 含氫綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 含氫綜合能源系統(tǒng)運行架構(gòu)

圖1 含氫綜合能源系統(tǒng)運行架構(gòu)

1.2 綜合能源系統(tǒng)中主要設(shè)備的模型

含氫綜合能源系統(tǒng)中的火電機組和風電場的數(shù)學模型參照文獻[17]，此處不再說明。

1.2.1電制氫系統(tǒng)

1) 電解槽數(shù)學模型

電解槽裝置利用水電解可將電能轉(zhuǎn)化成氫能，其數(shù)學模型為

2) 燃料電池數(shù)學模型

燃料電池可將儲存的氫能轉(zhuǎn)化成電能和熱能，其數(shù)學模型為

3) 儲氫罐數(shù)學模型

儲氫罐利用其儲能特性為燃料電池提供持續(xù)且可時移的氫能，其數(shù)學模型為

1.2.2光熱電站

光熱電站由集熱環(huán)節(jié)、發(fā)電環(huán)節(jié)以及儲熱環(huán)節(jié)構(gòu)成[18]。首先，光熱電站利用集熱環(huán)節(jié)將太陽能聚集起來并轉(zhuǎn)化成熱能，完成光-熱的轉(zhuǎn)換，光熱電站得到的熱功率為

然后，光熱電站產(chǎn)生的熱能輸送至導(dǎo)熱工質(zhì)，導(dǎo)熱工質(zhì)可以與儲熱環(huán)節(jié)進行熱量的雙向流動。當光熱電站儲熱環(huán)節(jié)回收利用燃料電池產(chǎn)生的熱量時，儲熱環(huán)節(jié)的儲熱量為

最后，光熱電站利用發(fā)電環(huán)節(jié)將傳輸?shù)臒崮苻D(zhuǎn)化成電能，完成熱-電的轉(zhuǎn)換。光熱電站發(fā)電功率為

2 綠證交易機制

2.1 綠證交易價格

由于綠證交易市場具有寡頭競爭特性[19]，作為綠證供給方的風電場和光熱電站不存在價格競爭，二者通過策略性行為共同操控綠證市場，以使自身綠證收益最大。因此，本節(jié)需從可再生能源機組綠證收益這一起點出發(fā)來求取綠證交易價格。

可再生能源機組的綠證收益由其綠證收入和綠證成本決定。

令

由式(14)可知，當綠證邊際收入等于綠證邊際成本時，可再生能源機組綠證收益最大。根據(jù)寡頭市場的特點，綠證邊際成本表達式與綠證供給曲線表達式一致：

綠證邊際收入表達式可通過綠證收入表達式獲得：

(19)

式中：

2.2 綠證交易模型

在本文綠證交易機制下，火電機組作為綠證購買者需向可再生能源機組購買相應(yīng)數(shù)量的綠證來減少碳排放，可再生能源機組則通過綠證交易獲得額外收益，作為其為環(huán)保所做貢獻的獎勵。

火電機組購買綠證所需成本為

可再生能源機組所獲綠證收益為

3 含氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟低碳調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

所提調(diào)度模型目標使含氫綜合能源系統(tǒng)總運行成本最小。系統(tǒng)總運行成本包括火電機組運行成本、光熱電站運行成本、電制氫系統(tǒng)運行成本、風電場運行成本、綠證交易成本和碳交易成本。

1) 火電機組運行成本

火電機組運行成本包含火電機組燃煤成本和啟停成本。

2) 光熱電站運行成本

光熱電站的運行成本包含光熱電站的發(fā)電成本和啟停成本。

3) 電制氫系統(tǒng)運行成本

電制氫系統(tǒng)運行成本包括電解槽裝置的運維成本、燃料電池裝置的運維成本和儲氫罐的運維成本。

4) 風電場運行成本

5) 綠證交易成本

6) 碳交易成本

作為火電機組輸出的清潔能源，購買的綠證在減少系統(tǒng)碳排量的同時，又增加了火電機組的碳配額，即火電機組可將購買的綠證轉(zhuǎn)換成碳配額。在此條件下，碳交易成本[20]為

3.2 約束條件

1) 功率平衡約束

2) 火電機組運行約束

在單位調(diào)度時間內(nèi)，火電機組的出力、爬坡能力及運行和停止時間應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)。

3) 光熱電站運行約束

光熱電站出力、爬坡和其儲熱環(huán)節(jié)存在一定的約束。

4) 風電場運行約束

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)概述

本文采用優(yōu)化軟件Yalmip中的Gurobi求解器對系統(tǒng)進行優(yōu)化求解，計算環(huán)境為Intel Core i5-7500 CPU，內(nèi)存為12 GB。

4.2 仿真結(jié)果及分析

4.2.1光熱電站和電制氫耦合分析

為了驗證本文提出的光熱電站和電制氫耦合的有效性，設(shè)置以下3種場景進行對比分析。場景1：

僅考慮電制氫參與系統(tǒng)運行；場景2：考慮光熱電站和電制氫參與系統(tǒng)運行，但二者未實現(xiàn)耦合；場景3：考慮光熱電站和電制氫參與系統(tǒng)運行，二者實現(xiàn)耦合。

1) 算例調(diào)度結(jié)果分析

圖2為場景3下的各設(shè)備電功率優(yōu)化結(jié)果圖。由圖可知，在02：00—05：00和23：00—24：00時段內(nèi)，風電資源豐富，風電場作為主要能源供給設(shè)備為綜合能源系統(tǒng)提供電能，雖然此時段光照強度較低，但是光熱電站基于儲熱環(huán)節(jié)的儲能特性也會釋放部分電能，以此降低火電機組的出力。由于此時段負荷用電需求較低，風電出現(xiàn)富集現(xiàn)象，為提升系統(tǒng)再生能源消納率并保證系統(tǒng)低碳運行，電制氫系統(tǒng)中的電解槽將富集的風電轉(zhuǎn)換成氫能，并儲存在儲氫罐中，待負荷高峰時再加以利用，實現(xiàn)了能量時移。在11：00—15：00時段內(nèi)，風電資源相對匱乏，系統(tǒng)負荷用電需求較高，電制氫中的燃料電池將從風電大發(fā)時段獲得的氫能轉(zhuǎn)化成電能供給負荷利用，考慮到電制氫系統(tǒng)各裝置的運行成本，其出力占比并不是太高。于此同時，為提升能源利用率，燃料電池產(chǎn)生的熱能將被光熱電站儲熱環(huán)節(jié)回收利用，光熱電站通過釋放儲熱環(huán)節(jié)的熱量增加了自身機組出力以此彌補風電出力缺額。

圖2 電功率優(yōu)化結(jié)果

圖3為場景3下系統(tǒng)的氫能運行結(jié)果示意圖。從圖中可以看出，在01：00—08：00和22：00—24：00時段內(nèi)，電制氫系統(tǒng)中儲氫罐的儲氫量一直呈上升趨勢，這是因為此時段內(nèi)風電可再生能源豐富，電解槽獲氫量持續(xù)大于燃料電池放氫量。而在09：00—21：00時段內(nèi)，儲氫罐的儲氫量一直呈下降趨勢，這是由于此時段風電出力較低，風電幾乎不會出現(xiàn)棄電現(xiàn)象，基于電解槽電解獲氫量極低，并且此時系統(tǒng)負荷用電需求高，燃料電池則需釋放氫能以增加自身出力供給負荷利用。

圖3 氫能運行結(jié)果

2) 不同場景對比

不同場景下的系統(tǒng)運行結(jié)果如表1所示，場景2相較于場景1考慮了光熱電站對系統(tǒng)經(jīng)濟低碳運行的影響，光熱電站利用其儲熱環(huán)節(jié)的能量時移特性能夠提升可再生能源消納率。與場景1相比，其棄電量、碳排量和運行成本分別減少了13.39 kW、681.49 kg、273.93元，同比分別下降了16.96%、7.10%、4.24%，驗證了光熱電站在經(jīng)濟低碳調(diào)度方面的優(yōu)勢。場景3在場景2的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了光熱電站和電制氫的耦合，電制氫中燃料電池產(chǎn)生的熱能可以通過光熱電站儲熱環(huán)節(jié)得到利用，增加了能源的利用率，提高了光熱電站的發(fā)電量，與場景2相比，其棄電量、碳排量和運行成本分別降低了11.26%、5.33%、3.50%，可見光熱電站和電制氫耦合能夠保證系統(tǒng)經(jīng)濟運行，限制系統(tǒng)碳排放量，達到碳減排的目標。

表1 不同場景下的運行結(jié)果

4.2.2綠證交易模式分析

1) 以火電機組為綠證購買者的綠證交易分析

為了體現(xiàn)出本文所提綠證交易模式的優(yōu)勢，設(shè)立兩種運行場景進行驗證。場景4：以售電企業(yè)為綠證購買者的綠證交易模式；場景5：以火電機組為綠證購買者的綠證交易模式。

圖4為兩種購買形式下的綠證交易模式對比分析示意圖。

圖4 綠證交易模式對比結(jié)果

由圖4 (a)可以看出，在01：00—06：00和20：00—24：00時段內(nèi)，風電處于大發(fā)時期，在綠證交易的調(diào)度模式下，系統(tǒng)會增加風電出力，但考慮到火電機組和光熱電站啟停情況對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響，風電不會全部被消納，系統(tǒng)會棄掉一部分風電。由圖4(b)可以看出，由于考慮了以火電機組為綠證購買者的綠證交易模式，在碳交易的依托下，火電機組購買的綠證可以轉(zhuǎn)化成碳配額，降低了碳交易成本，提升了綠證購買需求，與場景4相比，其綠證購買量提升了1026.65 kW，棄電量降低了190.17 kW，風電消納率提升了2.09%。由此可見，以火電機組為綠證購買者的綠證交易模式能夠提高可再生能源消納率，實現(xiàn)系統(tǒng)低碳運行。

不同綠證交易模式下的成本對比結(jié)果如表2所示，相較于場景4，場景5的可再生能源機組所獲綠證收益增加了153.32元，場景5雖然增加了購買綠證成本，但是購買的綠證可以降低火電機組出力和火電機組帶來的碳交易成本，綜合以上分析，火電機組的總成本下降了1.51%?？梢姡曰痣姍C組為綠證購買者的綠證交易能夠讓可再生能源機組和火電機組均受益，驗證了此交易模式的可行性。

表2 不同綠證交易模式下成本對比

2) 綠證交易價格定價機制分析

為了驗證本文所提綠證交易價格定價機制的正確性，設(shè)立兩種運行場景進行驗證。場景6：固定綠證價格；場景7：基于綠證供需關(guān)系定價。取5天為一個調(diào)度周期對系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度。5天的風電出力、光照強度和負荷需求預(yù)測值如附錄A圖A3所示，固定綠證價格取0.115元/kW，基于綠證供需關(guān)系的5天綠證交易價格如附錄A圖A4所示。從附錄A圖A4可以看出，根據(jù)綠證供需關(guān)系對其價格定價之后，綠證交易價格發(fā)生了變化。在第1天和第4天，由于系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力低，使得綠證供給量也相應(yīng)降低，可再生能源出力低的同時會使得火電機組出力提升，從而火電機組對綠證的需求量增多，在此綠證供需關(guān)系下，綠證交易價格升高。而在第2、第3和第5天，系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力較高，同理上述分析，其綠證供給量增加，綠證需求量降低，最終使得綠證交易價格降低。

圖5為綠證交易價格定價模式對比圖。從圖中可以看出，在引入綠證交易價格定價機制后，火電機組開始調(diào)整自身購買行為，在第1天和第4天，綠證供給量較少，同時綠證交易價格較高，為保證系統(tǒng)整體運行經(jīng)濟性，火電機組減少此時段的綠證購買量。在第2、第3和第5天，綠證供給量較多，綠證交易價格較低，火電機組會相應(yīng)提高綠證購買量，有效緩解了綠證供給量低谷時的供給壓力。由表3可知，相較于場景6，場景7的綠證購買量增加了651.52 kW，棄電量降低了126.75 kW，系統(tǒng)總運行成本降低了3.34%。由此可見，基于綠證供需關(guān)系的綠證交易價格能夠提升綠證購買量，保證系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行。

圖5 綠證交易價格定價模式對比

表3 綠證交易價格定價模式下的運行結(jié)果對比

5 結(jié)論

為了保證“雙碳”目標下能源的低碳高效利用，本文創(chuàng)建了考慮火電機組參與綠證購買交易的含氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟低碳調(diào)度模型，并通過仿真分析得到以下結(jié)論：

1) 構(gòu)建了一種考慮光熱電站和電制氫耦合的綜合能源系統(tǒng)模型，光熱電站的儲熱環(huán)節(jié)回收利用電制氫中燃料電池產(chǎn)生的熱量，提高了能源的利用率；

2) 所提出的以火電機組為綠證購買者的綠證交易模型，通過綠證供需關(guān)系對綠證交易價格進行定價，火電機組基于價格信號調(diào)整綠證購買量，在碳交易的依托下，購買的綠證可以轉(zhuǎn)換成部分碳配額，使得綠證購買量增加；

3) 所提優(yōu)化調(diào)度策略提升了可再生能源消納率，推動了系統(tǒng)低碳供能，實現(xiàn)系統(tǒng)運行低碳性和經(jīng)濟性的目標。

本文所提模型可以實現(xiàn)能源低碳高效利用，有一定的拓展價值，可以為新型綜合能源系統(tǒng)構(gòu)造提供一些思路。下一步的研究將考慮用戶側(cè)與發(fā)電側(cè)的協(xié)同作用，以促進可再生能源進一步消納。

附錄A

圖A1 風電、光照強度和負荷預(yù)測值

Fig. A1 Predicted values of wind power, light intensity and load

圖A2 綠證供需關(guān)系及交易價格

Fig. A2 Green certificate's relationship of supply and demand and its trading price

圖A3 5天初始數(shù)據(jù)預(yù)測

Fig. A3 Five-day initial data forecasting

圖A4 5天的綠證交易價格

Fig. A4 Five-day green certificate trading prices

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Economic and low-carbon dispatch strategy of a hydrogen-containing integrated energy system considering thermal power units participating in green certificate purchase trading

ZHANG Hong1, MENG Qingyao1, WANG Mingchen2, LI Jiawang3, ZHANG Yuhai4

(1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology (Northeast Electric Power University), Ministry of Education, Jilin 132012, China; 2. Zhangjiakou Power Supply Company, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Zhangjiakou 075000, China; 3. Chengde Power Supply Company, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Chengde 067000, China; 4. State Grid Jilin Power Supply Company, Jilin 132012, China)

Given the background of "double carbon", and to promote the renewable energy consumption rate and settle the problem of low-carbon energy supply in the integrated energy system, an economical and low-carbon dispatch strategy for a hydrogen-containing integrated energy system for thermal power units to participate in the purchasing trade for a green certificate is proposed. First, the integrated energy system is modeled according to the coupling relationship between the CSP station and the electric hydrogen production system.Then, a green certificate trading model with thermal power units as its purchasers is established. With the support of carbon trading, the green certificates purchased by thermal power units can be converted into carbon quotas.Then, from the green certificate trading price, a pricing mechanism is proposed considering the green certificate’s relationship of supply and demand, and its purchasing volume is adjusted based on the price changing.Finally, an optimal dispatch model aiming at minimizing the total operating cost of the hydrogen-containing integrated energy system is established.Simulation analysis shows the dispatching strategy proposed in this paper can increase the green certificate purchasing demand and renewable energy consumption rate, and achieve the goal of low-carbon economic operation of the system.

electric hydrogen production;integrated energy system; green certificate trading; thermal power units; green certificatepurchasing demand; renewable energy consumption

10.19783/j.cnki.pspc.220873

國家自然科學基金項目資助(51777027)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51777027).

2022-03-31；

2022-08-25

張 虹(1973—)，女，通信作者，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；E-mail: jdlzh2000@126.com

孟慶堯(1996—)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)、分布式發(fā)電系統(tǒng)運行優(yōu)化調(diào)度。E-mail: 1587230435@qq.com

(編輯 姜新麗)