考慮碳交易和綠證交易的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略

鄧淑斌, 李嶸, 梁志飛, 凡鵬飛, 賈旭東, 李梓仟

(1.廣州電力交易中心有限責(zé)任公司,廣州市510663;2. 電力規(guī)劃總院有限公司,北京市100120)

0 引 言

為助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰,碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo),我國正建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。同時(shí),為了促進(jìn)新能源消納和降低碳排放,我國正逐步實(shí)施綠色證書交易機(jī)制和碳排放交易機(jī)制,通過市場機(jī)制手段調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和約束碳排放,進(jìn)一步推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展[1]。

隨著分布式能源的快速發(fā)展以及近年來我國以天然氣為核心能源的綜合能源社區(qū)的大力建設(shè),目前配網(wǎng)側(cè)同樣面臨著新能源消納和降低碳排放的雙重壓力[2-3]。因此,如何實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并促進(jìn)分布式新能源的消納是配電網(wǎng)運(yùn)行面對(duì)的重要挑戰(zhàn)之一。

由于碳排放交易機(jī)制將碳排放權(quán)視為商品進(jìn)行交易,通過市場手段實(shí)現(xiàn)對(duì)碳排放量的有效控制,因此通過引入碳交易可實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在配網(wǎng)側(cè),目前研究大多關(guān)注綜合能源微網(wǎng)或虛擬電廠的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行或規(guī)劃問題。如文獻(xiàn)[4]提出了一種考慮需求響應(yīng)和碳交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型,仿真結(jié)果表明通過制定合理的碳交易價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]考慮碳交易機(jī)制建立了考慮購能成本、碳排放成本和棄風(fēng)成本的電氫綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]提出了考慮碳交易成本的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)分布式調(diào)度方法,實(shí)現(xiàn)了不完全信息下綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[7]則考慮碳交易影響,提出了電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃運(yùn)行方法,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的低碳規(guī)劃運(yùn)行。文獻(xiàn)[8]以包含電動(dòng)汽車、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)光分布式電源組成的虛擬電廠為研究對(duì)象,建立考慮碳交易的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[9]引入碳交易機(jī)制提出了虛擬電廠競標(biāo)策略,實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文獻(xiàn)[10]提出了考慮碳交易機(jī)制的含風(fēng)電電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法,文獻(xiàn)[11]則提出一種考慮風(fēng)險(xiǎn)和碳交易機(jī)制的微電網(wǎng)分布魯棒優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[12]實(shí)現(xiàn)了低碳工藝與流程控制的鋼鐵工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)低碳運(yùn)行。而文獻(xiàn)[13] 提出了基于碳交易機(jī)制和需求響應(yīng)的配電網(wǎng)重構(gòu)方法,文獻(xiàn)[14]提出了計(jì)及碳排放成本的輸電網(wǎng)與風(fēng)電分布魯棒協(xié)同擴(kuò)展規(guī)劃方法,文獻(xiàn)[15]則提出了低碳背景下基于自適應(yīng)魯棒優(yōu)化的含源配電系統(tǒng)規(guī)劃方法。

隨著大量分布式能源并網(wǎng),新能源的消納也是配網(wǎng)側(cè)急需解決的問題之一。配額制和綠證交易機(jī)制,通過規(guī)定新能源消納比例,明確消納責(zé)任,倒逼發(fā)電商或電力用戶出售或消納綠色電力,可有效緩解新能源補(bǔ)貼資金壓力,促進(jìn)新能源可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[16]同時(shí)考慮碳交易和綠證交易提出了虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行策略,實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠的低碳運(yùn)行,并促進(jìn)了新能源消納。文獻(xiàn)[17]考慮碳交易-綠證成本,以及柔性負(fù)荷調(diào)度成本,提出一種“源-荷”互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)資源與多種柔性負(fù)荷資源的優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[18]提出一種融合綠證-碳排放等價(jià)交互機(jī)制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法,提高了系統(tǒng)綠電占比和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[19]以綠證為基礎(chǔ),考慮碳排放權(quán)的交易和需求側(cè)響應(yīng),建立了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型,促進(jìn)了風(fēng)電的消納,并降低了碳排放量。文獻(xiàn)[20]則考慮綠證交易和等待補(bǔ)貼,提出一種綠證定價(jià)動(dòng)態(tài)模型,實(shí)現(xiàn)了新能源發(fā)電企業(yè)的綠證報(bào)價(jià)策略優(yōu)化,提高了其市場價(jià)格優(yōu)勢。文獻(xiàn)[21]考慮碳交易和綠證交易制度,提出一種電力批發(fā)市場能源優(yōu)化模型,降低了碳排放,并優(yōu)化了碳配額和綠證比例。文獻(xiàn)[22]提出一種綠證和碳聯(lián)合交易模型,通過全局優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了綠證和碳排放權(quán)資源的優(yōu)化配置,促進(jìn)了新能源發(fā)電消納,降低了化石燃料機(jī)組的碳排放量。文獻(xiàn)[23]討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在綠電追溯、綠證交易、碳交易、綠證與碳資產(chǎn)聯(lián)合市場4個(gè)方向的適用性,并分析了目前我國分布式綠色能源碳交易機(jī)制及碳數(shù)據(jù)管理所面臨的一些挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[24]則介紹了世界主要碳市場的建設(shè)歷程和發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)討論了主要國家的碳市場機(jī)制,并分析了中國碳市場發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),給出了中國碳市場未來的發(fā)展建議。文獻(xiàn)[25]提出了基于區(qū)塊鏈的綠證交易撮合及流通模型。文獻(xiàn)[26]對(duì)基于賣方靈活合同的綠電與綠證中長期聯(lián)合交易機(jī)制及其均衡進(jìn)行了深入分析。文獻(xiàn)[27]提出了發(fā)電聯(lián)盟參與電-碳-綠證市場的協(xié)同優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[28]提出了計(jì)及綠證-碳交易與氫能的綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法。

綜上所述,通過考慮碳交易和綠證交易可有效降低碳排放和促進(jìn)新能源消納,然而目前的相關(guān)研究多以綜合能源微網(wǎng)和虛擬電廠為研究對(duì)象,忽略了配電網(wǎng)層面的碳交易和綠證交易機(jī)制的實(shí)施以及系統(tǒng)運(yùn)行問題。而配電網(wǎng)作為分布式能源消納的重要載體,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和新能源的高比例消納對(duì)于促進(jìn)分布式能源發(fā)展和降低碳排放具有重要意義。

基于以上討論分析,本文同時(shí)將碳交易和綠證交易機(jī)制引入到配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行當(dāng)中,以配電網(wǎng)綜合運(yùn)行成本為目標(biāo),考慮配電網(wǎng)潮流約束,分布式能源運(yùn)行約束等,建立了配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行模型;通過改進(jìn)的IEEE 15節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例對(duì)所提配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型進(jìn)行驗(yàn)證,并針對(duì)碳交易和綠證交易機(jī)制對(duì)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的影響進(jìn)行討論分析,以期為滿足配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的發(fā)展需求提供方法參考。

1 碳交易和綠證交易機(jī)制

1.1 碳交易機(jī)制

目前我國主要采用基準(zhǔn)線法免費(fèi)給企業(yè)碳排放源分配碳排放配額。當(dāng)企業(yè)碳排放總量大于其碳排放配額總量時(shí),需要從碳交易市場購買不足的碳排放量,并付出額外的成本;當(dāng)企業(yè)碳排放總量小于其碳排放配額總量時(shí),可在碳交易市場中出售剩余的碳排放量,并獲得相應(yīng)的收益。碳交易成本可表示為[6]:

Cct=Pc(Ece-Ecq)

(1)

式中:Cct為碳交易成本;Pc為碳交易價(jià)格,Ece為實(shí)際碳排放總量;Ecq為碳配額總量。

1)碳配額總量Ecq。

(2)

(3)

燃?xì)忮仩t為用戶供熱,其碳排放配額可認(rèn)為與其供熱量成正比,可表示為:

(4)

2)實(shí)際碳排放總量Ece。

系統(tǒng)實(shí)際碳排放總量為燃機(jī)輪機(jī)和燃?xì)忮仩t實(shí)際碳排放總量之和,表示為:

(5)

(6)

1.2 綠證交易機(jī)制

目前我國主要采用基于配額制的綠證交易機(jī)制,通過規(guī)定新能源電力在負(fù)荷中的比例明確各發(fā)電企業(yè)或用戶的新能源消納責(zé)任,以促進(jìn)新能源消納。當(dāng)綠證交易參與主體獲得的綠證數(shù)量多于其配額數(shù)量時(shí),可以出售多余的綠證以獲得收益;反之,需要購買缺少的綠證以滿足考核要求。本文配電網(wǎng)綠證交易成本Cgc可表示為[18]:

Cgc=Pgc(Ggc,o-Ggc,q)

(7)

式中:Ggc,o為配電網(wǎng)獲得的綠證數(shù)量,本;Ggc,q表示綠證配額數(shù)量,本;Pgc為綠證交易價(jià)格,元/本。

(8)

(9)

由以上碳交易和綠證交易模型可知,配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行決策中,通過優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t出力直接影響系統(tǒng)的碳排放量和配額;同時(shí)通過優(yōu)化新能源消納量直接影響綠證獲得數(shù)量,進(jìn)而優(yōu)化碳交易成本和綠證交易成本。從碳交易和綠證交易機(jī)制模型來看,前者主要調(diào)控傳統(tǒng)碳排放機(jī)組的出力,后者主要調(diào)控新能源機(jī)組的消納,二者模型之間并未有顯性的耦合關(guān)系。碳交易和綠證交易的耦合機(jī)理和協(xié)調(diào)作用機(jī)制本質(zhì)上是多種市場機(jī)制的均衡問題,也是研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和亟需解決的重要科學(xué)問題。本文暫不考慮該問題,重點(diǎn)探討配電網(wǎng)參與碳交易和綠證交易場景下的低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行問題。

2 考慮碳交易和綠證交易的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型

配電網(wǎng)以最小化綜合運(yùn)行成本為目標(biāo)優(yōu)化其運(yùn)行策略,目標(biāo)函數(shù)為:

(10)

式中:Cbuy為配電網(wǎng)從上級(jí)電網(wǎng)購電的成本;Cgas為天然氣成本;Cge為從新能源購電的成本;Cct為碳交易成本;Cgc為綠證交易成本;最后一項(xiàng)為網(wǎng)損成本,λloss為網(wǎng)損成本系數(shù),取0.5元/kWh。

(11)

(12)

(13)

燃?xì)廨啓C(jī)和新能源發(fā)電(風(fēng)電光伏)均并網(wǎng)運(yùn)行,同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐協(xié)調(diào)運(yùn)行,共同為當(dāng)?shù)毓?燃?xì)廨啓C(jī)需滿足約束[30]:

(14)

燃?xì)忮仩t需滿足下面運(yùn)行約束[30]:

(15)

熱負(fù)荷需求節(jié)點(diǎn)需滿足熱功率平衡約束:

(16)

新能源上網(wǎng)功率不超過其最大預(yù)測輸出功率:

(17)

輻射狀配電網(wǎng)的二階錐形式的潮流約束可表示為[31]:

(18)

3 算例分析

3.1 算例配置

如圖1所示,以改進(jìn)的IEEE 15節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例,對(duì)所提考慮碳交易和綠證交易配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方法進(jìn)行驗(yàn)證。分布式新能源電站通過節(jié)點(diǎn)3、5、6并網(wǎng)運(yùn)行,其中節(jié)點(diǎn)3、6為風(fēng)電,節(jié)點(diǎn)5為光伏。風(fēng)電和光伏的預(yù)測功率見圖2。燃?xì)廨啓C(jī)通過節(jié)點(diǎn)4、10、12并網(wǎng)運(yùn)行,節(jié)點(diǎn)4、10、12有熱負(fù)荷需求,由圖3給出,通過燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐來滿足其熱需求。配電網(wǎng)根節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值取為1.0 pu,其他節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值波動(dòng)范圍取0.9～1.1 pu;各節(jié)點(diǎn)有功功率設(shè)置為原系統(tǒng)數(shù)據(jù)的10倍,一天各時(shí)刻的波動(dòng)規(guī)律見圖4。碳交易價(jià)格為80元/t,綠證交易價(jià)格為100元/本,新能源上網(wǎng)電價(jià)為0.38元/kWh,新能源配額比例取0.3。燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐的容量及運(yùn)行參數(shù)見表1。算例考慮4種場景,如表2所示,其中“√”和“×”分別表示考慮和不考慮該要素,場景1為參考場景,不考慮碳交易和綠證交易機(jī)制;場景2僅考慮碳交易機(jī)制;場景3僅考慮綠證交易機(jī)制;場景4同時(shí)考慮碳交易和綠證交易機(jī)制。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐參數(shù)Table 1 The parameters for gas turbines and boilers

表2 場景劃分Table 2 The case settings

圖1 改進(jìn)的IEEE 15節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)Fig.1 The improved IEEE 15 node distribution network

圖2 新能源預(yù)測功率Fig.2 The predicted output power of new energies

圖3 熱負(fù)荷需求Fig.3 The heating demands

圖4 電負(fù)荷變化曲線Fig.4 The change curve of power load

3.2 不同場景仿真結(jié)果對(duì)比分析

表3給出了系統(tǒng)碳排放和綠電比例仿真結(jié)果,對(duì)比仿真結(jié)果可以看出,相比場景1,場景2、場景3和場景4的碳排放量分別下降了28.57%,24.11%和29.72%,說明碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制均有顯著的碳減排作用,同時(shí)考慮碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制的碳減排效果最明顯。與場景1相比,場景2、場景3和場景4的綠電占比均有顯著的提高,說明碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制均可以促進(jìn)新能源的消納。比較場景2和場景3可以看出,碳交易機(jī)制的減排作用大于綠證交易機(jī)制,而綠證交易機(jī)制在促進(jìn)新能源消納方面的作用要優(yōu)于碳排放交易機(jī)制。

表3 碳排放和綠電比例結(jié)果Table 3 The results of carbon emission and the ratio of green power

表4給出了系統(tǒng)運(yùn)行成本,從表4可以看出,相比場景1,場景2、場景3和場景4系統(tǒng)的碳交易成本或綠證交易成本均為負(fù)值,表明系統(tǒng)通過參與碳交易和綠證交易獲得了較為客觀的收益,由表3中新能源的占比可知由于系統(tǒng)消納了較多的新能源,使得系統(tǒng)實(shí)際碳排放量小于碳配額,且獲得的綠證數(shù)量大于綠證配額,因此通過碳交易和綠證交易獲得了收益,降低了系統(tǒng)總運(yùn)行成本,有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。場景4說明同時(shí)考慮碳交易機(jī)制和綠證交易,不僅可以實(shí)現(xiàn)較好的減排和促進(jìn)新能源消納效果,同時(shí)可以有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

表4 運(yùn)行成本結(jié)果Table 4 The results of operation cost

表5給出了新能源消納情況,從表5可以看出,場景1有較大的棄風(fēng)棄光率,約為40.29%,場景2考慮了碳交易機(jī)制后,為降低碳排放,系統(tǒng)大幅提高了新能源的消納,棄風(fēng)棄光率下降為14.83%;說明碳交易機(jī)制的實(shí)施可有效促進(jìn)新能源消納,而場景3和場景4的新能源被完全消納,可見綠證交易機(jī)制在促進(jìn)新能源消納方面具有明顯的效果和優(yōu)勢。

表5 新能源消納結(jié)果Table 5 The results of consumption of new energies

因此,通過上述討論可知,在配網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中,分別僅參與碳排放權(quán)交易或綠證交易,均可有效降低碳排放和提高綠電占比,并取得較為明顯的運(yùn)行效益;而同時(shí)參與碳排放權(quán)和綠證交易,在碳減排、綠電占比和運(yùn)行收益方面的作用最為明顯,效果最好。配網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中,可根據(jù)當(dāng)?shù)靥际袌龊途G證市場的具體建設(shè)情況,并結(jié)合運(yùn)行目標(biāo)需求選擇參與交易的市場類型。

圖5給出了場景4考慮碳交易和綠證交易機(jī)制下配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果,可以看出系統(tǒng)的電負(fù)荷主要通過消納新能源來滿足,不足的部分通過從上級(jí)電網(wǎng)購電以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電來提供,通過優(yōu)化供電策略保證了系統(tǒng)的電功率供需平衡,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖5 系統(tǒng)電功率平衡優(yōu)化結(jié)果Fig.5 The optimal operation results of power balance

3.3 碳交易價(jià)格和綠證價(jià)格靈敏度分析

為進(jìn)一步分析碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)碳排放量的影響,在僅考慮碳排放交易機(jī)制的場景2的基礎(chǔ)上,改變碳交易價(jià)格,得到了圖6所示不同碳交易價(jià)格時(shí)系統(tǒng)的碳排放量。可以發(fā)現(xiàn),隨著碳交易價(jià)格的升高,系統(tǒng)的碳排放量逐漸降低。在碳交易價(jià)格遞增的初始階段碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)碳排放量的影響較大,當(dāng)碳交易價(jià)格增大到一定程度,碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)碳排放量的影響變小。這是因?yàn)殡S著碳交易價(jià)格的升高,為降低運(yùn)行成本,系統(tǒng)通過優(yōu)化運(yùn)行策略降低碳排放量,通過碳交易獲得收益,從而降低運(yùn)行成本。碳交易價(jià)格升高到一定程度后,受新能源容量限制等,碳減排效果逐漸降低。

圖6 不同碳交易價(jià)格下系統(tǒng)碳排放量Fig.6 The carbon emission at different carbon trading prices

為進(jìn)一步分析綠證交易價(jià)格對(duì)新能源消納情況的影響,在僅考慮綠證交易機(jī)制的場景3的基礎(chǔ)上,改變綠證交易價(jià)格,得到了圖7所示不同綠證交易價(jià)格時(shí)系統(tǒng)的綠電的占比和棄風(fēng)棄光率結(jié)果?？梢钥闯?隨著綠證價(jià)格的升高,綠電占比逐步升高,棄風(fēng)棄光率逐步降低,直到新能源被完全消納,綠電占比達(dá)到最大,棄風(fēng)棄光率變?yōu)??？梢娋G證交易機(jī)制可顯著促進(jìn)新能源消納,通過設(shè)定合理的綠證交易價(jià)格可實(shí)現(xiàn)新能源的完全消納。

圖7 不同綠證交易價(jià)格下系統(tǒng)綠電占比Fig.7 The green power ration at different green certificate prices

4 結(jié) 論

針對(duì)配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及新能源高比例消納問題,本文提出了考慮碳交易和綠證交易機(jī)制的配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型,仿真結(jié)果表明:

1)碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制均有顯著的碳減排作用,碳交易機(jī)制的減排作用大于綠證交易機(jī)制,而同時(shí)考慮碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制的碳減排效果最明顯。

2)碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制均可以促進(jìn)新能源的消納,而綠證交易機(jī)制在促進(jìn)新能源消納方面的效果優(yōu)于碳排放交易機(jī)制。

3)所提優(yōu)化運(yùn)行方法可以優(yōu)化供電策略,保證系統(tǒng)的電功率供需平衡,實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4)隨著碳交易價(jià)格的升高,系統(tǒng)的碳排放量逐漸降低;而隨著綠證價(jià)格的升高,綠電占比逐步升高,棄風(fēng)棄光率逐步降低,直到新能源被完全消納,綠電占比達(dá)到最大,棄風(fēng)棄光率變?yōu)榱恪?/p>

碳交易和綠證交易機(jī)制在降低碳排放和促進(jìn)新能源消納方面具有顯著的效果,然而兩種機(jī)制的耦合機(jī)理和相互作用機(jī)制復(fù)雜,如何協(xié)調(diào)二者機(jī)制的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的研究內(nèi)容。