計(jì)及碳交易和源-荷側(cè)資源的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

收稿日期：2022-08-01

通信作者：蘇 瑞（1997—），男，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電、綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等方面的研究。577456464@qq.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1156 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0547-09

摘 要：“雙碳”目標(biāo)下，綜合能源系統(tǒng)多種能源進(jìn)行融合，對(duì)推動(dòng)電力行業(yè)低碳化具有重要意義。為了進(jìn)一步提高IES的環(huán)保性，該文提出一種計(jì)及碳交易和源-荷側(cè)資源的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。首先，從源側(cè)引入光熱電站充當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組；其次，根據(jù)負(fù)荷側(cè)電能和熱能的傳輸性質(zhì)不同，分別采用價(jià)格型需求響應(yīng)和考慮供熱系統(tǒng)熱慣性和模糊性的熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型；然后，通過引入階梯式碳交易機(jī)制，構(gòu)建包含P2G裝置的碳排放成本模型；最后，以運(yùn)行成本、碳交易成本、棄風(fēng)棄光懲罰成本最小為目標(biāo)函數(shù)，建立綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型；通過設(shè)置4個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，綜合考慮CSP電站、綜合需求響應(yīng)和階梯式碳交易機(jī)制后能夠使系統(tǒng)外購(gòu)成本、碳排放量和棄風(fēng)棄光率分別減少25.65%、14.36%和21.54%，驗(yàn)證了所提模型的有效性。

關(guān)鍵詞：可再生能源；優(yōu)化調(diào)度；儲(chǔ)能；階梯式碳交易；綜合能源系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM715"""""""""""" """"""nbsp;"""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

“雙碳”目標(biāo)下，相比于部分發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)碳排放總量較大，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰到碳中和不僅時(shí)間緊、任務(wù)重，且面臨諸多挑戰(zhàn)［1］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）作為實(shí)現(xiàn)減排的重要途徑之一，根據(jù)不同能源的互補(bǔ)特性，通過不同形式的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備將其聯(lián)系起來(lái)，能有效提高各能源利用效率，充分利用能源之間的相互協(xié)調(diào)，降低能源利用對(duì)環(huán)境污染的影響［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)IES的優(yōu)化運(yùn)行做了大量研究。文獻(xiàn)［3］通過引入耦合設(shè)備電轉(zhuǎn)氣裝置（power to gas，P2G），促進(jìn)系統(tǒng)能源綜合利用效率；文獻(xiàn)［4］通過引入儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)熱電解耦，提高系統(tǒng)能源利用效率。但加入能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備僅僅局限于能源之間的單向傳遞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向利用。光熱（concentrating solar power，CSP）電站作為一種綠色可持續(xù)的發(fā)電技術(shù)，通過將電站儲(chǔ)能系統(tǒng)與其他能源設(shè)備相結(jié)合，不僅能實(shí)現(xiàn)電-熱能量之間雙向傳遞，且對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義［5］。文獻(xiàn)［6］建立考慮光熱轉(zhuǎn)換的含儲(chǔ)熱CSP電站與風(fēng)電系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)風(fēng)電消納能力與CSP電站的調(diào)度靈活性。文獻(xiàn)［7］利用光熱電站中蓄熱系統(tǒng)的可調(diào)度性和電加熱裝置的消納能力，建立光熱-風(fēng)電優(yōu)化模型，有效促進(jìn)了風(fēng)電消納。此外，許多學(xué)者在IES優(yōu)化中引入綜合需求響應(yīng)和碳交易機(jī)制方面做了研究，文獻(xiàn)［8］分析不同負(fù)荷的可調(diào)度價(jià)值，對(duì)電、熱負(fù)荷采用不同需求響應(yīng)模型，能有效改善負(fù)荷曲線，降低IES的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)［9］提出一種基于碳交易機(jī)制的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，分析表明碳交易機(jī)制能有效降低碳排放量和系統(tǒng)發(fā)電成本。文獻(xiàn)［10］將階梯式碳交易引入IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，和傳統(tǒng)碳交易模式相比，該機(jī)制通過設(shè)置階梯碳價(jià)，能更嚴(yán)格限制系統(tǒng)碳排放。

綜上，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化問題，不同學(xué)者使用了不同的研究方法，但僅從單方面或兩方面出發(fā)，并未同時(shí)考慮引入CSP電站、負(fù)荷需求響應(yīng)和階梯式碳交易機(jī)制后對(duì)IES碳排放的影響。本文在含P2G、燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine，GT）、電鍋爐（electric boiler，EB）等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，從源-荷兩側(cè)出發(fā)，源側(cè)引入CSP電站充當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)電-熱能量雙向轉(zhuǎn)換；負(fù)荷側(cè)引入綜合需求響應(yīng)，采用基于分時(shí)電價(jià)的電負(fù)荷需求響應(yīng)和考慮供熱系統(tǒng)熱慣性和熱舒適度的熱負(fù)荷需求響應(yīng)，對(duì)電熱負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化，減少高峰負(fù)荷，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)在IES中引入階梯式碳交易機(jī)制，最終建立計(jì)及碳交易和源-荷側(cè)資源的IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，通過多場(chǎng)景對(duì)比驗(yàn)證該模型的合理性和有效性。

1 計(jì)及源-荷側(cè)資源的綜合能源系統(tǒng)模型

本文在滿足用戶負(fù)荷需求的前提下，以低碳經(jīng)濟(jì)為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建包含CSP電站、多種能源轉(zhuǎn)換和負(fù)荷需求響應(yīng)的IES結(jié)構(gòu)，如圖1所示。IES輸入主要來(lái)自外部電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、風(fēng)力/光伏機(jī)組以及CSP電站；中間轉(zhuǎn)換設(shè)備包括GT、EB、P2G等；負(fù)荷端包括電、熱負(fù)荷，其中電負(fù)荷采用價(jià)格型需求響應(yīng)模型，將熱負(fù)荷作為柔性負(fù)荷參與到需求響應(yīng)中，IES內(nèi)部所產(chǎn)生的碳排放最終參與到碳交易市場(chǎng)進(jìn)行交易。

1.1 IES電源設(shè)備模型

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)電輸出功率主要與風(fēng)速有關(guān)，當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速或小于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)不工作［11-12］。數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

[Prv="""""""0， vlt;vci或vgt;vcoPrv-vcivr-vci， vci≤vlt;vr""""""Pr， vr≤v≤vco]"""""" （1）

式中：[Prv]——風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率；[v]——實(shí)際風(fēng)速；[vci]——切入風(fēng)速；[vco]——切出風(fēng)速；[Pr]——風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率；[vr]——額定風(fēng)速。

1.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率主要與太陽(yáng)輻照度、外部環(huán)境溫度和光伏組件轉(zhuǎn)換效率有關(guān)［13］。數(shù)學(xué)模型如式（2）所示：

[Ppv=fpvPPVIIs1+kTc-TSTC]""""" （2）

式中：[Ppv]——光伏發(fā)電設(shè)備的實(shí)際發(fā)電功率，kW；[fpv]——光伏功率輸出的能量轉(zhuǎn)換效率，通常取0.9；[PPV]——光伏發(fā)電設(shè)備的額定輸出功率，kW；[I]——實(shí)際太陽(yáng)輻照度，W/m2；[Is]——標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照度，W/m2；[k]——功率溫度系數(shù)，通常取[-0.0047 ℃]；[Tc]——實(shí)際光伏組件的溫度，℃；[TSTC]——標(biāo)準(zhǔn)條件下的光伏組件表面溫度，取25 ℃。

1.1.3 CSP電站

CSP電站利用直射太陽(yáng)光輻射方式產(chǎn)生熱量，其包含3部分：光場(chǎng)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)；CSP電站輸入功率可由光場(chǎng)通過直射太陽(yáng)光輻射方式轉(zhuǎn)化的熱功率表示［14］。光場(chǎng)收集的熱功率為：

[Egc（t）=ηg-rSgcDt]"""" （3）

式中：[ηg-r]——太陽(yáng)能鏡場(chǎng)的光-熱能量轉(zhuǎn)換效率；[Sgc]——太陽(yáng)能鏡場(chǎng)總面積，m2；[Dt]——[t]時(shí)刻太陽(yáng)光直射輻照度，W/m2。

[t]時(shí)段光場(chǎng)儲(chǔ)熱功率為：

[Egc（t）=PeCSP（t）ηr-d+ETESgc，t1-μcs+Eloss，t]""""" （4）

式中：[PeCSP（t）]——[t]時(shí)刻發(fā)電機(jī)的出力，kW；[ηr-d]——熱電轉(zhuǎn)化效率；[ETESgc，t]——[t]時(shí)刻TES由光場(chǎng)提供的儲(chǔ)熱功率，kW；[μcs]——熱量傳輸損耗程度；[Eloss，t]——[t]時(shí)刻CSP電站無(wú)法利用的熱功率，kW。

1.2 綜合需求響應(yīng)

根據(jù)用能性質(zhì)將電負(fù)荷分為剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷兩部分，柔性負(fù)荷采用價(jià)格型需求響應(yīng)模型。由于熱負(fù)荷在傳輸過程中具有延遲性，且用戶對(duì)溫度的舒適性具有一定的模糊度，將熱負(fù)荷考慮為一種柔性負(fù)荷參與到負(fù)荷需求響應(yīng)中。

1.2.1 價(jià)格型需求響應(yīng)模型

通過價(jià)格彈性系數(shù)[ε]來(lái)刻畫價(jià)格型需求響應(yīng)下的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷變化量［15］。

[εii=Δqe，iq0e，i/Δpe，ip0e，i]"""""" （5）

[εij=Δqe，iq0e，i/Δpe，jp0e，j]"""""" （6）

式中：[εii]——第[i]時(shí)段的自彈性系數(shù)；[Δqe，i]和[Δpe，i]——[i]時(shí)段需求響應(yīng)實(shí)施后的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷變化量和分時(shí)能源價(jià)格變化量；[q0e，i]和[p0e，i]——需求響應(yīng)實(shí)施前[i]時(shí)段的負(fù)荷量和能源價(jià)格；[εij]——時(shí)段[i]相對(duì)于時(shí)段[j]的互彈性系數(shù)。

繼而可延伸到[n]個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，多個(gè)時(shí)段用戶側(cè)對(duì)能源價(jià)格的響應(yīng)行為表達(dá)式如式（7）所示：

[Δq1q01Δq2q02…Δqn-1q0n-1Δqnq0nT=""""""""""" EΔp1p01Δp2p02…Δpn-1p0n-1Δpnp0nT]"""" （7）

式中：[E=ε11ε12…ε1nε21ε22…ε2n????εn1εn2…εnn]——價(jià)格彈性矩陣。

需求響應(yīng)后總的負(fù)荷量為：

[q1q2?qn=q01q02?q0n+q010…00q02…0???000…q0nε11ε12…ε1nε21ε22…ε2n????εn1εn2…εnnΔp1/p01Δp2/p02?Δpn/p0n]"""""" （8）

1.2.2 熱負(fù)荷需求響應(yīng)

1）供熱系統(tǒng)的熱慣性

與電力系統(tǒng)不同，熱量在傳遞過程中具有很大的熱慣性，使受熱物體與供熱源之間存在一定的延時(shí)。建立自回歸滑動(dòng)平均（auto-regressive and moving average，ARMA）時(shí)間序列模型［16］來(lái)描述供熱系統(tǒng)溫度變化：

[Th，t=j=1JαjTn，t-j+j=0JβjTg，t-j+j=0JγjTw，t-j]""""" （9）

[Tn，t=θ1Tn，t-1+φ1Tg，t-1+ω1Tw，t-1]"""""" （10）

式中：[Th，t]——[t]時(shí)刻回水溫度；[αj]、[βj]、[γj]、[θ1]、[φ1]和[ω1]——供熱系統(tǒng)熱慣性的物理參數(shù)；[Tn，t]——[t]時(shí)刻室內(nèi)溫度；[Tg，t]——[t]時(shí)刻供水溫度；[Tw，t]——[t]時(shí)刻室外溫度。

2）供熱系統(tǒng)的模糊性

供熱系統(tǒng)溫度在一定范圍內(nèi)變化，人體并不能明顯察覺到，因此在一定范圍內(nèi)調(diào)整溫度，并不影響舒適度。本文參考冷熱感覺預(yù)測(cè)平均投票值（predicted mean vote，PMV）指標(biāo)表征用戶對(duì)環(huán)境溫度的感覺［16-17］。

[λPMV=0.303e-0.036M+0.028M-W-3.05×""""""""""" 5.733-0.007（M-W）-pa-0.42（M-W-58.15）-""""""""""""""""""" 0.0173M5.867-pa-0.0014M（34-Ta）-"""""""""""""""""""""" 3.9×10-8fcl（tcl+273）4-（tr+273）4-fclhcltcl-Ta]

（11）

式中：M——新陳代謝率，W/m2；W——人體所作的機(jī)械功，W/m2；[pa]——人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，Pa；[Ta]——人體周圍空氣溫度，℃；[fcl]——人體覆蓋服裝面積與裸露面積之比；[tcl]——人體表面平均溫度，℃；[tr]——環(huán)境平均輻射溫度，℃；[hcl]——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

2 碳交易機(jī)制

碳交易是一種針對(duì)低碳排放目標(biāo)的碳配額交易機(jī)制，通過監(jiān)管部門對(duì)IES分配免費(fèi)的碳配額，IES可根據(jù)自身碳排放情況參與到碳市場(chǎng)交易，當(dāng)配額能夠滿足自身碳排放時(shí)，可選擇將多余碳排放量出售或保留，反之則需要從碳交易市場(chǎng)購(gòu)買額外的配額或者進(jìn)行減排，以避免高額經(jīng)濟(jì)懲罰［18］。碳交易主要分為碳初始配額、實(shí)際碳排放和碳交易模型3個(gè)部分。

2.1 碳排放配額模型

本文采用基準(zhǔn)線法確定無(wú)償碳排放配額，在IES中碳排放額主要包括從外部電網(wǎng)購(gòu)電和系統(tǒng)內(nèi)部的消耗天然氣兩部分［19］：

[Dc=De-"grid"+DGT]"""" （12）

[De-"grid"=δePe-"gridnbsp;（t）DGT=δhψehPeGT（t）+PhGT（t）]""""" （13）

式中：[Dc]——初始無(wú)償碳排放權(quán)配額；[De-"grid"]、[DGT]——外購(gòu)電網(wǎng)、GT機(jī)組的初始無(wú)償碳排放權(quán)配額；[δe]——單位發(fā)電量碳排放配額，t/MWh；[δh]——單位供熱量碳排放配額，t/GJ；[ψeh]——電熱功率折算系數(shù)，MJ/kWh。

2.2 實(shí)際碳排放模型

實(shí)際碳排放源中存在外購(gòu)電力和燃?xì)鈾C(jī)組兩個(gè)碳排放源，同時(shí)考慮P2G裝置運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部碳排放的影響，如式（14）、式（15）所示：

[Ec=Ee-"grid"+EGT-EP2G]"" （14）

[Ee-"grid"=?ePe-"grid"（t）EGT=?hψehPeGT（t）+PhGT（t）EP2G=?P2GPgP2G（t）]""""" （15）

式中：[Ec]、[Ee-"grid"]、[EGT]、[EP2G]——總的實(shí)際碳排放量、電網(wǎng)購(gòu)電、GT機(jī)組對(duì)應(yīng)的實(shí)際碳排放量以及P2G裝置對(duì)應(yīng)的實(shí)際碳吸收量；[?e]——單位發(fā)電量的實(shí)際碳排放量，取1.08 t/MWh［20］；[?h]——單位發(fā)熱量的實(shí)際碳排放量，取0.102 t/GJ；[?P2G]——產(chǎn)生單位CH4所吸收CO2的系數(shù)，其中[?P2G=α/LHHV，]其中，[α]為單位CH4（m3）需要的CO2量，取1.9647 kg/m3，[LHHV]為天然氣熱值，取39 MJ/m3。

2.3 碳交易模型

2.3.1 傳統(tǒng)碳交易模型

[FtCO2=CcEc-Dc] （16）

式中：[FtCO2]——碳交易成本；[Cc]——單位碳排放權(quán)交易價(jià)格。

2.3.2 階梯式碳交易模型

根據(jù)實(shí)際的碳排放量與初始碳配額量之間的差值，將IES中的碳交易量分成4個(gè)區(qū)間，當(dāng)實(shí)際碳排放量小于初始配額時(shí)，[FtCO2]為負(fù)，可通過碳交易市場(chǎng)出售額外的碳排放配額；反之[FtCO2]為正，當(dāng)差值越大，對(duì)應(yīng)區(qū)間的碳交易價(jià)格就越高［20-21］，如式（17）所示：

[FtCO2=CcEc-Dc， Dclt;Ec≤Dc+sCcs+Cc（1+β）Ec-Dc-s， Dc+slt;Ec≤Dc+2sCc（2+β）s+Cc（1+2β）Ec-Dc-2s， Dc+2slt;Ec≤Dc+3sCc（3+3β）s+Cc（1+3β）Ec-Dc-3s， Dc+3slt;Ec]"""""""""""""""" （17）

式中：[s]——碳區(qū)間長(zhǎng)度；[β]——懲罰系數(shù)。

3 綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提的IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型以經(jīng)濟(jì)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，包括外購(gòu)成本、棄風(fēng)/光懲罰成本和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)考慮對(duì)環(huán)境的影響，將碳交易成本作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)加入優(yōu)化目標(biāo)中，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

[minF=Cb+Co+Cre+CCO2]" （18）

式中：[F]——系統(tǒng)運(yùn)行的總成本；[Cb]——系統(tǒng)外購(gòu)電、氣成本；[Co]——設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本；[Cre]——棄用可再生能源懲罰成本；[CCO2]——碳排放懲罰成本。

3.1.1 外購(gòu)電、氣成本

包括外購(gòu)的天然氣費(fèi)用和系統(tǒng)從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電的費(fèi)用。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[Cb（t）=t=1Tλe-"grid""，tPe-"grid"，t+λg-"grid"，tQg-"grid"，t"]""""" （19）

[Qg-"grid"，t=t=1TPGT（t）ηGTLHHV]" （20）

式中：[T]——運(yùn)行周期；[λe-"grid"，t]——[t]時(shí)刻外購(gòu)電價(jià)；[Pe-"grid"，t]——系統(tǒng)[t]時(shí)刻外購(gòu)電量；[λg-"grid"，t]——[t]時(shí)刻單位天然氣價(jià)；[Qg-"grid"，t]——系統(tǒng)[t]時(shí)刻外購(gòu)天然氣量。

3.1.2 設(shè)備運(yùn)維成本

主要包括設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗和故障維修等費(fèi)用，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[Co=t=1Tk=18φkPk（t）]"""""" （21）

式中：[k]——風(fēng)力機(jī)、光伏、GT、P2G等；[φk]——設(shè)備[k]的運(yùn)維成本；[Pk（t）]——設(shè)備[k]在[t]時(shí)刻的輸出功率。

3.1.3 棄風(fēng)/光懲罰成本

[Cre=λreP*WT-PWT+P*PV-PPV]"""" （22）

式中：[λre]——棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)；[P*WT]、[P*PV]——IES預(yù)測(cè)風(fēng)電出力最大值和光伏出力最大值；[PWT]、[PPV]——IES實(shí)際消納的風(fēng)電功率和光伏功率。

3.1.4 CO2排放成本

具體計(jì)算見碳交易模型。

3.2 約束條件

3.2.1 系統(tǒng)功率平衡約束

1）電功率平衡約束

[Pe-"grid"（t）+PWT/PV（t）+PeGT（t）+PeCSP（t）+PEES-"dis"（t）=""""""""""""""""""""""" Pe-"load"（t）+PeP2G（t）+PeEB（t）+PEES-"char"（t）]" （23）

2）熱功率平衡約束

[PhGT（t）+PhEB（t）+PsTES（t）=Ph-load（t）+PTESs（t）]"" （24）

3）天然氣功率約束

[Pg-"grid"（t）+PgP2G（t）=PgGT（t）] （25）

3.2.2 CSP電站運(yùn)行約束

1）能量平衡約束

[ETESgc（t）1-μcs+PeCSP（t）ηr-d-EfdTES（t）≤Egc（t）PeCSP（t）ηr-d≥EfdTES（t）] （26）

式中：[EfdTES（t）]——[t]時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)組提供的熱功率。

2）儲(chǔ)熱系統(tǒng)約束

[EfdTES（t）+EsTES（t）=ETESgc（t）+ETESs（t）]"""" （27）

式中：[EsTES（t）]、[ETESs（t）]——[t]時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)向系統(tǒng)供熱功率、系統(tǒng)向儲(chǔ)熱系統(tǒng)的充熱功率。

其他不平等約束見式（34）。

3）發(fā)電機(jī)組約束

[Pe，minCSP（t）≤PeCSP（t）≤Pe，maxCSP（t）]"""""" （28）

式中：[Pe，maxCSP（t）]、[Pe，minCSP（t）]——發(fā)電機(jī)組輸出功率的上下限。

3.2.3 風(fēng)光出力約束

[Pmin"WT≤PWT（t）≤PmaxWTPmin"PV≤PPV（t）≤PmaxPV] （29）

式中：[Pmax"WTPmax"PV]、[PminWTPmin"PV]——風(fēng)/光出力的上下限。

3.2.4 外部網(wǎng)絡(luò)傳輸功率約束

[Pmin"e-grid≤Pe-grid（t）≤Pmaxe-gridPmin"g-grid≤Pg-grid（t）≤Pmaxg-grid]"""""" （30）

式中：[Pmax"e-grid]、[Pmin"e-grid]——系統(tǒng)向外部網(wǎng)絡(luò)購(gòu)電的上下限；[Pmax"g-grid]、[Pming-grid]——系統(tǒng)向外部網(wǎng)絡(luò)購(gòu)氣的上下限。

3.2.5 能源耦合單元功率約束

[Pmin"x≤Px（t）≤Pmaxx]"""" （31）

[-Rx，"down"Δt≤Px（t）-Px（t-1）≤Rx，upΔt"]"""""" （32）

式中：[Pmax"x]、[Pminx]——設(shè)備出力上下限；[Rx，"up"]、[Rx，down]——設(shè)備在[t]時(shí)段內(nèi)上下爬坡速率，其中[x]代表GT、P2G等設(shè)備。

3.2.6 儲(chǔ)能約束

為了減少儲(chǔ)能設(shè)備的損耗，延長(zhǎng)其使用壽命，需對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)會(huì)受到儲(chǔ)能容量以及充放功率上限進(jìn)行約束，具體數(shù)學(xué)模型為［22］：

[Ex（t）=（1-τ）Ex（t-1）+uηx-char（t）Px-char（t）-（1-u）Px-"dis"（t）ηx-""dis"（t）Δt]""""""""""""""" （33）

[Emin"xt≤Ex（t）≤Emax"xtEx，24=Ex，1Pmin"x-chart≤Px-char（t）≤Pmaxx-chartPmin"x-""dis"t≤Px-""dis"（t）≤Pmaxx-""dis"t]"""""" （34）

式中：[Emax"xt]、[Emin"xt]——儲(chǔ)能容量的上下限；[Ex，24、][Ex，1]——調(diào)度周期開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的儲(chǔ)能狀態(tài)；[Pmax"x-chart]、[Pmin"x-chart]——充電功率的上、下限值；[Pmaxx-""dis"t]、[Pminx-""dis"t]——放電功率的上、下限值；[x]——電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能設(shè)備。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

本文案例在文獻(xiàn)［23-24］基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以一天24 h為一個(gè)調(diào)度周期，對(duì)文中所提模型進(jìn)行算例仿真；電熱負(fù)荷和光場(chǎng)收集的熱功率預(yù)測(cè)值如圖2所示，IES內(nèi)各設(shè)備以及儲(chǔ)能運(yùn)行參數(shù)如表1、表2所示；分時(shí)電價(jià)中，低谷時(shí)段（23：00—24：00，00：00—07：00）價(jià)格為0.30元/kWh，平時(shí)段（07：00—10：00，16：00—22：00）為0.61元/kWh，高峰時(shí)段（10：00—15：00）為0.86元/kWh；實(shí)際碳排放模型參數(shù)參考文獻(xiàn)［18］；熱負(fù)荷需求響應(yīng)中PMV方程與供熱系統(tǒng)ARMA時(shí)間序列模型參數(shù)以及建筑物室外溫度參考文獻(xiàn)［16］。

本文采用考慮時(shí)序相關(guān)性的蒙特卡洛方法生成風(fēng)光出力場(chǎng)景，通過改進(jìn)的K-均值聚類算法［25］進(jìn)行場(chǎng)景縮減，最終得到風(fēng)電和光伏的10種典型出力場(chǎng)景，如圖3和圖4，其中算例部分僅取1種典型場(chǎng)景進(jìn)行分析。

本文的算例采用CPLEX求解器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4.2 算例結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提模型對(duì)降低系統(tǒng)碳排放和經(jīng)濟(jì)成本的有效性，本文設(shè)置以下4種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比：

場(chǎng)景1：基于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下，不考慮光熱電站，不考慮電熱負(fù)荷需求響應(yīng)；

場(chǎng)景2：基于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下，源側(cè)引入光熱電站供電供熱，負(fù)荷側(cè)不考慮電熱需求響應(yīng)；

場(chǎng)景3：基于傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下，源側(cè)引入光熱電站供電供熱，負(fù)荷側(cè)考慮電熱需求響應(yīng)；

場(chǎng)景4：基于階梯式碳交易機(jī)制下，源側(cè)引入光熱電站供電供熱，負(fù)荷側(cè)考慮電熱需求響應(yīng)。

4種場(chǎng)景優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

從表3可知，場(chǎng)景1中總成本和碳排放量最大，分別為5218.01元和5663.85 kg，由于場(chǎng)景1中僅考慮傳統(tǒng)碳交易機(jī)制，未考慮CSP電站和電熱需求響應(yīng)，為滿足電、熱負(fù)荷需求，系統(tǒng)從外部購(gòu)入大量電和氣，使系統(tǒng)總成本和碳排放量增大；場(chǎng)景2中，碳排放量比場(chǎng)景1減少9.46%，棄風(fēng)棄光率減少12.56%，總成本減少833.26元，即15.97%，說(shuō)明引入CSP電站后，使系統(tǒng)購(gòu)電成本和GT耗氣成本減少，降低了系統(tǒng)總成本，進(jìn)一步提高風(fēng)光消納水平，減少碳排放量；場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上加入電熱負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)，系統(tǒng)總成本、碳排放量和棄風(fēng)棄光率分別減少17.68%，2.45%和2.41%，說(shuō)明加入負(fù)荷需求響應(yīng)后能夠有效平滑負(fù)荷曲線，進(jìn)一步減少系統(tǒng)成本和碳排放量；場(chǎng)景4中引入階梯式碳交易機(jī)制，系統(tǒng)總成本、碳排放量和棄風(fēng)棄光率相比場(chǎng)景3分別減少16.32%、3.03%，6.57%，說(shuō)明相比于傳統(tǒng)的碳交易機(jī)制，階梯式碳交易機(jī)制對(duì)降低IES碳排放總量具體一定優(yōu)勢(shì)。通過場(chǎng)景1和場(chǎng)景4對(duì)比，證明本文所提出的從源-荷側(cè)分別引入光熱電站和負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)，同時(shí)引入階梯式碳交易機(jī)制，能夠有效減少系統(tǒng)總成本和碳排放量，提高風(fēng)光消納水平，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和低碳性具有顯著作用。

4.3 不同場(chǎng)景下的優(yōu)化結(jié)果分析

4.3.1 場(chǎng)景1與場(chǎng)景2優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

場(chǎng)景1和場(chǎng)景2下的電能優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，外購(gòu)電和GT作為系統(tǒng)基礎(chǔ)供電來(lái)源，由于棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)較高，風(fēng)力和光伏發(fā)電同樣作為主要供電來(lái)源之一，引入光熱電站充當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組后，外購(gòu)電力下降8.27%，主要集中在高電價(jià)時(shí)段（11：00—15：00），下降6.92%；GT出力減少11.52%，其中在10：00—15：00時(shí)段減少9.60%；同時(shí)為風(fēng)光出力提供了消納空間，使風(fēng)光發(fā)電出力增加12.56%。引入光熱電站后不僅減少了系統(tǒng)購(gòu)電購(gòu)氣成本，而且促進(jìn)了風(fēng)光出力消納，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

場(chǎng)景1和場(chǎng)景2下的熱能優(yōu)化結(jié)果，如圖6所示，系統(tǒng)主要由GT和EB供熱，引入CSP電站充當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組后，承擔(dān)了系統(tǒng)一部分熱負(fù)荷，使GT的熱出力下降11.56%，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的電熱耦合，使GT運(yùn)行更靈活，減少其電出力，為風(fēng)光消納提供空間。

4.3.2 場(chǎng)景3下的負(fù)荷曲線對(duì)比分析

如圖7所示，在考慮價(jià)格需求響應(yīng)后，用戶端根據(jù)各時(shí)段電價(jià)的差異，靈活調(diào)整能源使用時(shí)段，負(fù)荷曲線在一定程度上響應(yīng)了能源價(jià)格，在高峰時(shí)段（10：00—15：00），由于電價(jià)最高，用戶可將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至電價(jià)低谷時(shí)段（00：00—07：00），有明顯的“削峰填谷”；另外，在柔性熱負(fù)荷需求響應(yīng)后，室內(nèi)/外溫度在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，相對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷也發(fā)生了改變，最大熱負(fù)荷和最小熱負(fù)荷間的差值減小，熱負(fù)荷曲線變得較為平滑。

4.3.3 場(chǎng)景4下的優(yōu)化結(jié)果分析

電能優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，加入光熱電站、綜合需求響應(yīng)和階梯式碳交易機(jī)制后能購(gòu)滿足系統(tǒng)多種用電需求，在23：00—24：00和00：00—06：00時(shí)段，電價(jià)處于低谷期，系統(tǒng)通過大量購(gòu)電以滿足用電需求，購(gòu)電去向主要為電負(fù)荷、EB和P2G裝置，EB出力以滿足部分熱負(fù)荷的需求，P2G裝置消耗電能為系統(tǒng)提供天然氣。07：00—10：00時(shí)段，光伏和CSP電站開始供電，但提供的電量較少，仍需GT和外部電網(wǎng)供電；11：00—15：00時(shí)段，電負(fù)荷處于高峰時(shí)段，CSP電站和風(fēng)光出力較高，能夠滿足負(fù)荷要求，但由于此時(shí)電價(jià)最高，系統(tǒng)不需要通過外購(gòu)電來(lái)滿足其他用電設(shè)備，此時(shí)段EB和P2G裝置不出力。16：00—22：00時(shí)段，CSP電站和光伏發(fā)電逐漸減少，外購(gòu)電力有所增加。

熱能優(yōu)化結(jié)果如圖9所示，在23：00—24：00和01：00—06：00時(shí)段，熱負(fù)荷相對(duì)較高，但由于該時(shí)段系統(tǒng)風(fēng)電出力較多，且電價(jià)處于低谷，外購(gòu)電力較劃算，因此該時(shí)段EB出力達(dá)到最大值，多余的熱能被儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)存。在07：00—10：00時(shí)段，隨著電負(fù)荷需求和電價(jià)上升，電鍋爐出力下降，該時(shí)段GT向系統(tǒng)供熱較多，多余的熱能給CSP電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存。在11：00—16：00時(shí)段，外購(gòu)電價(jià)和光照強(qiáng)度處于高峰階段，EB不在工作，CSP電站開始向系統(tǒng)供熱，由于CSP電站中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量限制，部分熱負(fù)荷需要燃?xì)廨啓C(jī)出力。17：00—22：00時(shí)段，電價(jià)開始下降到平時(shí)段，光照強(qiáng)度減弱，光熱電站不再放熱，熱負(fù)荷主要通過GT和EB供熱。

5 結(jié) 論

在低碳發(fā)展的背景下，結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，本文綜合考慮引入光熱電站、需求響應(yīng)和階梯式碳交易機(jī)制，建立包含經(jīng)濟(jì)成本和碳交易成本的低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，最終結(jié)合相關(guān)算例進(jìn)行模型評(píng)估，得到以下主要結(jié)論：

1）在源側(cè)引入CSP電站充當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，不僅能夠在負(fù)荷高峰時(shí)期供電，且儲(chǔ)熱系統(tǒng)通過將電鍋爐利用低谷電價(jià)轉(zhuǎn)化的熱能儲(chǔ)存起來(lái)，承擔(dān)部分熱負(fù)荷，相比于未考慮CSP電站，使系統(tǒng)外購(gòu)成本和碳排放成本分別降低了8.48%和9.46%，同時(shí)為新能源消納提供了空間。

2）電負(fù)荷采用價(jià)格型需求響應(yīng)，同時(shí)考慮供熱系統(tǒng)的溫度模糊性和傳輸熱慣性，將熱負(fù)荷作為為柔性熱負(fù)荷參與到需求響應(yīng)中，均可明顯改善系統(tǒng)負(fù)荷曲線，減少系統(tǒng)購(gòu)電成本和碳排放量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

3）相較于傳統(tǒng)固定碳價(jià)的碳交易機(jī)制，階梯式碳交易機(jī)制通過加入懲罰系數(shù)，形成階梯式碳價(jià)，能夠進(jìn)一步限制系統(tǒng)的碳排放。

4）相比于分別引入光熱電站、需求響應(yīng)和碳交易機(jī)制對(duì)IES低碳經(jīng)濟(jì)的影響，本文通過綜合考慮以上3種模型，使系統(tǒng)外購(gòu)成本、碳排放量和棄風(fēng)棄光率分別減少25.65%、14.36%和21.54%，對(duì)實(shí)現(xiàn)IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有顯著作用。

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LOW CARBON ECONOMIC OPTIMIZATION OF INTEGRATED ENERGY SYSTEM CONSIDERING CARBON TRADING AND

SOURCE-LOAD SIDE RESOURCES

An Yuan，Su Rui，Zheng Shenyin，Yang Renzhi

（College of Electrical Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710054， China）

Abstract：Under the double carbon target， integrated energy system （IES） integrates multiple energy sources， which is of great significance to promote low-carbon power industry. In order to further improve the environmental protection of IES， this paper proposes a low-carbon economic optimal scheduling model of integrated energy system， which takes into account the carbon trading and the source load side resources. Firstly， a concentrating solar power （CSP） power station is introduced from the source side as a cogeneration unit. Secondly， according to the different transmission properties of electric energy and thermal energy on the load side， the price type demand response model and the heat load demand response model considering the thermal inertia and fuzziness of the heating system are adopted respectively. Then， by introducing the ladder carbon trading mechanism， the carbon emission cost model including P2G device is constructed. Finally， taking the minimum operating cost， carbon transaction cost and penalty cost of wind and light abandonment as the objective function， the IES low-carbon economic optimization model is established. By setting up four scenarios for simulation analysis， after comprehensive consideration of CSP power station， comprehensive demand response and stepped carbon trading mechanism， the system outsourcing cost， carbon emissions and wind and light abandonment rate can be reduced by 25.65%， 14.36% and 21.54% respectively， which verifies the effectiveness of the proposed model.

Keywords：renewable energy resources； optimal dispatch； energy storage； stepped carbon trading； integrated energy system