考慮源荷碳勢耦合的電力系統(tǒng)雙層低碳經(jīng)濟調(diào)度

張翰林,汪睿哲,劉友波,袁川,向月,劉俊勇

(1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都市 610065;2.浙江大學(xué)先進(jìn)電氣國際研究中心,浙江省海寧市 314400;3.國網(wǎng)四川省電力公司,成都市 610041)

0 引 言

當(dāng)今世界因碳排放造成的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。電力工業(yè)作為主要的碳排放路徑,目前已占中國能源活動碳排放的40%左右[1-3],電力工業(yè)減碳問題迫在眉睫。我國于2020年提出了“雙碳”目標(biāo),目標(biāo)于2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實現(xiàn)碳中和。在“雙碳”的背景下,電網(wǎng)體系面臨著前所未有的巨大考驗。

近年來對電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度的相關(guān)研究大多從源側(cè)碳排放交易市場、荷側(cè)需求響應(yīng)手段開展。針對碳排放交易市場方面,引入發(fā)電商碳排放權(quán)交易機制可以促進(jìn)發(fā)電商主動優(yōu)化機組結(jié)構(gòu),從而降低發(fā)電碳排。文獻(xiàn)[4]在含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中引入碳排放權(quán)交易機制,構(gòu)建了考慮低碳效益與經(jīng)濟效益的系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)的調(diào)度模型。同樣,碳排放權(quán)的價格變化同樣會影響機組調(diào)度結(jié)果,在一定范圍內(nèi),碳交易單價越高,高碳機組的出力越小,從而降低電力系統(tǒng)的總碳排量[5-11],文獻(xiàn)[12]研究了碳捕集電廠分流式與儲液式2種方式相結(jié)合的綜合靈活運行方式,并將其加入到碳交易成本模型之中,通過碳捕集設(shè)備進(jìn)一步提高機組限碳效率。上述文獻(xiàn)均采用固定碳交易價格來計算碳市場成本,無法在“雙碳”目標(biāo)下對于系統(tǒng)全局碳排有更好的抑制作用。文獻(xiàn)[13-14]將階梯式碳交易機制引入綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型中,將機組碳排放量分成多個區(qū)間,并對每個區(qū)間相應(yīng)制定不同的碳交易價格使得高碳排放機組的碳交易成本更高,從而使得低碳調(diào)度模型對系統(tǒng)碳排的抑制能力更強。此外,針對荷側(cè)需求響應(yīng)手段,文獻(xiàn)[15-22]結(jié)合分時電價引導(dǎo)調(diào)整用電側(cè)負(fù)荷主動響應(yīng),可實現(xiàn)負(fù)荷側(cè)“削峰填谷”,促進(jìn)風(fēng)電消納,降低總體碳排;同時,需求側(cè)包含可調(diào)度多類型負(fù)荷的協(xié)調(diào)優(yōu)化,文獻(xiàn)[23]研究了柔性負(fù)荷概念對于電網(wǎng)調(diào)度的影響,文獻(xiàn)[24-27]考慮將可中斷負(fù)荷加入需求響應(yīng)模型中,進(jìn)一步提升了需求側(cè)資源的多樣性,充分實現(xiàn)荷側(cè)多類型資源高效利用,以此達(dá)到系統(tǒng)運行成本和碳排放量之間雙向平衡的目標(biāo)。

對于電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量的計算方法目前主流還是根據(jù)能源消耗量進(jìn)行統(tǒng)計,無法體現(xiàn)電網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)”特征。同時兼顧電力系統(tǒng)運行及網(wǎng)絡(luò)特性的碳排放流理論提出有效地將碳排以“碳流”的形式在電網(wǎng)中的分布清晰展現(xiàn)[28-30],理論中提出的碳勢指標(biāo)等價于節(jié)點消費單位電量所造成的等效碳排放責(zé)任量,可以用于衡量在該節(jié)點消費電力所產(chǎn)生的碳排放量。借由節(jié)點碳勢指標(biāo),文獻(xiàn)[31]構(gòu)建了一種考慮碳流追蹤和碳排放程度評級的雙層電力消費綠色責(zé)任證書分配模型計算各用戶分區(qū)的最優(yōu)碳排限額,在提高系統(tǒng)能源利用率及節(jié)能減排方面取得了一定成果。文獻(xiàn)[32]借由節(jié)點碳勢指標(biāo)建立了雙層低碳調(diào)度模型,通過分時電價和節(jié)點碳勢引導(dǎo)柔性負(fù)荷進(jìn)行需求響應(yīng),實現(xiàn)電-碳市場的有效耦合,對于電力系統(tǒng)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

綜上所述,上述文獻(xiàn)考慮了碳排放交易市場,荷側(cè)需求響應(yīng)手段對電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度的影響,但目前相關(guān)研究集中于源側(cè)角度實施低碳策略,荷側(cè)降碳手段單一且源荷兩側(cè)低碳手段缺乏有效互動。鮮有通過碳排放流理論對全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)碳排放進(jìn)行實時感知,并利用節(jié)點碳勢指標(biāo)對源荷雙側(cè)進(jìn)行低碳耦合,引導(dǎo)多類型負(fù)荷需求響應(yīng)。在“雙碳“目標(biāo)的背景下,研究碳排放流特性并有效耦合源荷側(cè)多種低碳手段,從而提高系統(tǒng)低碳經(jīng)濟效益,成為現(xiàn)階段亟需攻堅克難的一項課題。

鑒于此,本文在基于節(jié)點碳勢引導(dǎo)多類型負(fù)荷需求響應(yīng)的荷側(cè)減碳手段上,同時利用節(jié)點碳勢選擇對源側(cè)高碳機組加入碳捕集設(shè)備,并對源荷側(cè)進(jìn)行碳排放責(zé)任歸算、制定區(qū)別負(fù)荷類型的碳排約束,將節(jié)點碳勢作為工具耦合源荷側(cè)低碳手段。通過加入碳捕集、多類型需求響應(yīng)、源荷碳排約束更加針對性地實行源荷側(cè)聯(lián)動節(jié)能減排的措施,構(gòu)建考慮源荷碳勢耦合的電力系統(tǒng)雙層低碳經(jīng)濟調(diào)度模型,實現(xiàn)源荷側(cè)多重低碳手段聯(lián)動,實現(xiàn)多類型負(fù)荷針對性低碳經(jīng)濟細(xì)化,促進(jìn)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展,為早日實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供理論支撐。

1 基于碳排放流理論的指標(biāo)

1.1 碳排放流定義及計算方法

電網(wǎng)碳排由于電力資源的消納特點,往往具有“異地碳排”的特征,即負(fù)荷用電本身不產(chǎn)生碳排,而電能生產(chǎn)往往伴隨采用煤炭等不可再生能源發(fā)電所產(chǎn)生二氧化碳排放。因此,為了對負(fù)荷側(cè)碳排進(jìn)行更加準(zhǔn)確的追蹤,需要引入電力系統(tǒng)碳排放流理論實現(xiàn)對于從發(fā)電側(cè)到負(fù)荷側(cè)的碳排放分量追蹤,以達(dá)到碳排溯源的效果,如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)碳排放流和潮流示意圖Fig.1 Schematic diagram of power system carbon emission flow and power flow

1)碳流率。

碳流率(carbon emission flow rate, CEFR)意義是在單位時間內(nèi)通過節(jié)點或支路的能量流所對應(yīng)的碳排放量,用R來表示,單位為t/h。

(1)

式中:C為碳排放量;t為時間。

2)碳流密度。

碳流密度(carbon intensity, CI)表示電力系統(tǒng)中

單位電量對應(yīng)的碳排放量,碳流密度同時包括了發(fā)電機碳排放強度、支路碳流密度2個概念[33],單位均為t/(MW·h)。

其中,發(fā)電機碳排放強度定義為發(fā)電機組產(chǎn)生的實時發(fā)電碳排放強度,根據(jù)機組發(fā)電特性得出,用QG表示。

支路碳流密度指電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)支路傳輸單位電量所造成的的碳排放值,即為支路碳流率與該支路流過的有功潮流的比值,用ρ來表示。

(2)

式中:P為流過支路的有功潮流。

3)節(jié)點碳勢。

節(jié)點碳勢(nodal carbon intensity, NCI)[24]定義為流入節(jié)點的支路碳流之和與流過該節(jié)點的功率之比,表示為節(jié)點消費單位電能所產(chǎn)生的等效于發(fā)電側(cè)的碳排放量,數(shù)值上等于所有流入該節(jié)點的支路碳流密度關(guān)于其有功潮流的加權(quán)平均,單位為t/(MW·h)。在表達(dá)上用e表示,節(jié)點i的碳勢ei可表示為:

(3)

式中:Pi為注入節(jié)點i的功率;ρi為注入節(jié)點i的支路碳流密度;PGi為節(jié)點i發(fā)電機的輸出功率;eGi為節(jié)點i發(fā)電機的碳勢;I為與此節(jié)點相連的注入功率的支路數(shù)量。

得到節(jié)點碳勢后就可以計算負(fù)荷節(jié)點i碳排放責(zé)任分?jǐn)偭?

(4)

式中:Ei為節(jié)點i的碳排放責(zé)任分?jǐn)偭俊?/p>

通過碳排放流理論,可以根據(jù)電力潮流、發(fā)電側(cè)出力、機組碳排放強度等基礎(chǔ)指標(biāo)計算系統(tǒng)各節(jié)點的碳排放流分布情況,包括各節(jié)點的碳勢以及支路碳流密度等,基于碳勢指標(biāo)計算各節(jié)點的碳排分?jǐn)偭?有效地將碳排放責(zé)任從發(fā)電側(cè)轉(zhuǎn)移分?jǐn)偟接脩魝?cè),從而有針對性地對高碳勢節(jié)點區(qū)域?qū)嵤┑吞继幚泶胧?/p>

1.2 碳捕集設(shè)備相關(guān)影響

1)碳捕集運行原理及出力特性。

碳捕集的運行過程可簡化為吸收、再生、壓縮3個部分。碳捕集設(shè)備的能耗主要包括固定能耗與運行能耗,所以出力和能耗特性可表示為:

(5)

2)基于碳勢指標(biāo)的針對性降碳措施。

對于加入碳捕集機組選擇需要計算碳排放流理論中的節(jié)點碳勢指標(biāo)。假設(shè)電力系統(tǒng)具有N個節(jié)點,設(shè)第i個節(jié)點的碳勢為ei,則節(jié)點碳勢向量INod可表示為:

(6)

節(jié)點碳勢向量的計算式為:

(7)

式中:PNod為節(jié)點有功通量矩陣;PB為支路潮流分布矩陣;PG,in為機組注入分布矩陣;QG為發(fā)電機組碳排強度矩陣。

借由碳排放流理論計算電力系統(tǒng)各節(jié)點碳勢指標(biāo);隨后在高節(jié)點碳勢區(qū)域的燃煤發(fā)電機組節(jié)點設(shè)置碳捕集設(shè)備,從而降低全局碳勢,降低系統(tǒng)碳排。

2 碳市場交易模型

碳交易市場機制是目前主流的提高電網(wǎng)低碳經(jīng)濟效益的市場機制,通過對制定的碳排放權(quán)進(jìn)行交易來從源側(cè)限制系統(tǒng)碳排放量。

2.1 碳交易配額

本文發(fā)電側(cè)機組碳排放量采用排放限額與發(fā)電量成正比的固定碳排因子來進(jìn)行計算,發(fā)電機組的碳排放量可表示為:

E(i,t)=QGPGi,t

(8)

式中:E(i,t)為第i臺發(fā)電機組在第t時段內(nèi)的碳排放總量;PGi,t為發(fā)電機組在t時段的有功出力。

其中,經(jīng)碳捕集改造后的火電機組碳排放量為:

E′(i,t)=E(i,t)-Eb,t

(9)

式中:E′(i,t)為經(jīng)碳捕集改造后的火電機組在t時段的凈碳排放量;Eb,t為碳捕集設(shè)備捕獲的碳排放量。對于不同發(fā)電機組,其配額與其輸出功率以及配額系數(shù)有關(guān):

Ec=ηhPGi,t

(10)

式中:Ec為給定的機組碳配額;ηh為碳排放配額系數(shù)。

2.2 階梯式碳交易市場模型

(11)

式中:ρ2為碳交易價格的初始值;p為碳交易模型中機組碳排放的區(qū)間長度,考慮本文提出系統(tǒng)實際機組出力情況,區(qū)間長度取值為25 t;γ為碳交易價格的增長幅度,本文取10%;

相比于固定碳價的傳統(tǒng)碳交易模式,階梯式碳交易模型由于存在碳價分段點,使得在同等系統(tǒng)收益下相較于傳統(tǒng)碳交易模型,階梯式碳交易模型對發(fā)電機組碳排量的抑制能力更強,有利于系統(tǒng)全局碳排的有效控制。

3 考慮源-荷碳勢耦合的雙層調(diào)度模型

在階梯碳交易市場模型的基礎(chǔ)上,對日前調(diào)度階段進(jìn)行雙層建模,對于上層低碳經(jīng)濟調(diào)度模型而言,調(diào)度的各機組出力結(jié)果可通過碳排放流方法轉(zhuǎn)化成各節(jié)點碳勢指標(biāo),利用碳勢計算負(fù)荷側(cè)節(jié)點的碳排放責(zé)任量,將傳統(tǒng)的源側(cè)碳排放量有效地分?jǐn)偟礁髫?fù)荷節(jié)點,通過多類型的負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷分布,將響應(yīng)后的負(fù)荷量重新代入上層調(diào)度模型并通過碳勢指標(biāo)進(jìn)行源荷雙側(cè)的碳排約束,獲得系統(tǒng)的最優(yōu)日前調(diào)度決策。

通過碳勢將電-碳市場責(zé)任分?jǐn)倷C制、上層調(diào)度模型與下層需求響應(yīng)模型有效耦合起來,構(gòu)建一個能滿足多類型負(fù)荷低碳需求的調(diào)度模型,從而實現(xiàn)系統(tǒng)針對性降碳的效果。

考慮到風(fēng)電場站發(fā)電功率波動性大的特點,本文基于某地區(qū)實際風(fēng)速數(shù)據(jù)和歷史風(fēng)速預(yù)測數(shù)據(jù),利用數(shù)值天氣預(yù)報(numerical weather prediction,NWP)方法對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測,NWP方法基礎(chǔ)定義及計算方法和公式推導(dǎo)部分詳見文獻(xiàn)[34]。

3.1 多類型負(fù)荷需求響模型

由于工業(yè)負(fù)荷與居民負(fù)荷用戶可以在整體不影響生產(chǎn)計劃和生活需求的前提下在一定時間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷達(dá)到整體調(diào)度時段負(fù)荷削峰填谷的目的,本文上述兩類負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)的實施通過負(fù)荷側(cè)碳價為價格信號,基于分段碳價的制定實現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移,實施后,工業(yè)、居民負(fù)荷用戶每個時段的負(fù)荷可表示為:

Ptri,t=Pexp,t+Pdr,t

(12)

式中:Ptri,t為t時段響應(yīng)后的節(jié)點負(fù)荷值;Pexp,t為t時段響應(yīng)前的節(jié)點負(fù)荷值;Pdr,t為t時段負(fù)荷的響應(yīng)值。

稻苞蟲又叫卷葉蟲，常常幾年發(fā)生一次，導(dǎo)致水稻大幅度減產(chǎn)。成蟲為赤褐色的蝴蝶，幼蟲危害水稻，稻葉被害后，殘缺斷落，嚴(yán)重時僅留葉脈，稻叢象刷鍋帚一樣。特別是水稻孕穗期被害后，幼蟲吐絲把稻葉綴合在一起，形成稻穗卷曲，無法出穗，影響產(chǎn)量。

上述2種類型負(fù)荷在進(jìn)行需求響應(yīng)時應(yīng)滿足以下2個約束條件:1)用戶在一個完整調(diào)度周期內(nèi)用電總量保持不變;2)用戶在每個調(diào)度時段的轉(zhuǎn)移負(fù)荷量不能超過可允許的最大范圍值?？紤]到本文實際情況,需求響應(yīng)量變化范圍為該時段預(yù)測負(fù)荷的[-12.5%,+7.5%]。需求響應(yīng)模型約束可以表示為:

(13)

-0.125Pexp,t≤Pdr,t≤0.075Pexp,t

(14)

對于工業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷類型,進(jìn)行碳價需求響應(yīng)后的碳排放量可表示為:

(15)

對于商業(yè)負(fù)荷諸如大型商場、學(xué)校、醫(yī)院場所,由于自身行業(yè)限制,本文將其歸類于剛性負(fù)荷,轉(zhuǎn)移負(fù)荷能力差,很難利用分時碳價進(jìn)行負(fù)荷的轉(zhuǎn)移,在實際運行中可通過向該類負(fù)荷用戶發(fā)布負(fù)荷削減指令使該用戶根據(jù)自身情況進(jìn)行響應(yīng)削減一部分負(fù)荷并獲得響應(yīng)補償,負(fù)荷削減模型可表示為:

Pcut,t≤Pcut,t,max

(16)

t∈Tcut

(17)

Pcut,t,max≤0.1Pexp,i,t

(18)

式中:Pcut,t為t時段商業(yè)負(fù)荷削減量;Pcut,t,max為t時段可削減量最大值;Tcut為可削減時段集合,對于可削減時段,設(shè)置t時段中可削減量最大值不超過該時段負(fù)荷Pexp,i,t的10%。

對于商業(yè)負(fù)荷類型,進(jìn)行響應(yīng)時段負(fù)荷削減后的碳排放量可表示為:

(19)

3.2 上層低碳經(jīng)濟機組調(diào)度模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

傳統(tǒng)機組調(diào)度模型主要考慮系統(tǒng)成本最低,將碳交易市場以及碳捕集系統(tǒng)加入模型后,模型還需考慮碳捕集運行成本與碳交易成本。同時為了提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力,本文同時在系統(tǒng)成本中加入棄風(fēng)懲罰成本,故上層調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)可表示為:

min(CZ+CH+CK+CW+Cq+F1)

(20)

式中:CZ為碳捕集運行成本;CH為火電機組發(fā)電成本;CK為火電機組的啟停機成本;CW為風(fēng)電機組的發(fā)電成本;Cq為系統(tǒng)棄風(fēng)懲罰成本;F1為碳交易成本。

(21)

3.2.2 約束條件

1)在直流潮流計算中,線路潮流流量的基本形式為:

Pij=(θi-θj)/bij

(22)

式中:Pij為線路i-j上的潮流量;θi、θj分別為節(jié)點i與節(jié)點j的電壓相角;bij為線路導(dǎo)納。故本文中模型直流潮流約束可表示為:

(23)

2)發(fā)電機出力上下限約束。

(24)

3)火電機組爬坡約束。

(25)

4)系統(tǒng)的正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束。

(26)

5)源荷平衡等式約束。

(27)

6)碳捕集約束。

考慮系統(tǒng)中加入碳捕集設(shè)備的高碳燃煤機組,其機組的碳捕集約束為:

(28)

7)火電機組啟停機約束。

(29)

8)源-荷碳勢約束。

為了使源荷雙側(cè)減少對高碳排放強度機組的依賴,利用碳勢控制的方法,在低碳經(jīng)濟調(diào)度模型中加入源-荷雙側(cè)計及多類型負(fù)荷的碳排約束,從而實現(xiàn)對于源-荷雙側(cè)碳排放量的限制。不同節(jié)點的負(fù)荷類型占比存在差異,不同負(fù)荷類型的碳排限制程度也不同:

0

(30)

(31)

關(guān)于負(fù)荷側(cè)碳排約束上限的制定,具體方案為:利用碳排放流理論計算在傳統(tǒng)最優(yōu)潮流下各節(jié)點分?jǐn)偟奶寂欧帕繑?shù)值Emax,在此基礎(chǔ)上,對于不同分區(qū)的節(jié)點負(fù)荷分別設(shè)置碳排上限:

EIP,max=Emax(1-RIP)

(32)

ECP,max=Emax(1-RCP)

(33)

ERP,max=Emax(1-RRP)

(34)

式中:RIP、RCP、RRP分別為工業(yè)、商業(yè)、居民負(fù)荷的碳排下降比例,以百分比來表示。國務(wù)院頒布的《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》文件中指出,到2025年前,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放同比下降18%,每年單位電量產(chǎn)生的碳排需要降低3.6%,基于文獻(xiàn)[35]中的方法,考慮公平及效率原則以及可持續(xù)性原則最終得到RIP=4.9%、RCP=3.7%、RRP=1.4%。

利用式(30)、(31),可以使碳流在系統(tǒng)中合理分布,避免出現(xiàn)某一負(fù)荷分類具有高碳流密度的情況,有效控制了源荷雙側(cè)的碳排量。

3.3 下層多類型需求響應(yīng)模型

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文經(jīng)上層模型得到發(fā)電機組在碳交易市場下的啟停計劃與機組出力,并將數(shù)據(jù)送到下層模型;通過碳排放流方法計算出當(dāng)前發(fā)電計劃中各節(jié)點的碳勢及碳排量,在下層中,以負(fù)荷側(cè)碳價為價格信號考慮多負(fù)荷類型進(jìn)行需求響應(yīng),將響應(yīng)后的節(jié)點負(fù)荷量代入上層調(diào)度模型,重復(fù)上述步驟直到系統(tǒng)用戶碳責(zé)任分?jǐn)偭坎辉僮兓癁橹?。下層需求響?yīng)低碳調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為用戶碳排放責(zé)任成本與多類型需求響應(yīng)成本之和最小,目標(biāo)函數(shù)可表示為:

min{Cdr+Ccut+Clp}

(35)

式中:Cdr為工業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點碳價需求響應(yīng)成本;Ccut為商業(yè)負(fù)荷節(jié)點削減負(fù)荷補償費用;Clp為碳排放責(zé)任成本。

(36)

式中:G為負(fù)荷節(jié)點數(shù)量;GIP、GCP、GRP分別為工業(yè)、商業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點數(shù)量;cdr為工業(yè)和居民負(fù)荷需求響應(yīng)單位負(fù)荷量成本價格;ccut為商業(yè)居民負(fù)荷削減單位負(fù)荷量補償成本;σt為t時段負(fù)荷側(cè)的碳交易價格。

3.3.2 約束條件

下層模型的約束條件包括商業(yè)負(fù)荷可削減負(fù)荷量和工業(yè)、居民負(fù)荷響應(yīng)時移負(fù)荷量的規(guī)定時間與容量上下限,具體約束式為式(13)、(14),式(16)—(18)。

3.4 雙層模型求解流程

本文所構(gòu)建的雙層電力系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度模型的求解流程如圖2所示,求解步驟為:

1)首先輸入機組節(jié)點參數(shù)、負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、碳交易分段價格等算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù);

2)求解上層低碳經(jīng)濟機組調(diào)度模型,得到機組調(diào)度周期內(nèi)出力以及各線路傳輸?shù)挠泄β蕯?shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳至下層需求響應(yīng)模型,利用碳排放流方法計算出各節(jié)點碳勢以及負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量;

3)根據(jù)制定的負(fù)荷側(cè)分時碳價以及上層調(diào)度結(jié)果得到的各節(jié)點碳排放責(zé)任量,求解負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任成本;

4)進(jìn)入下層需求響應(yīng)低碳調(diào)度模型,求解優(yōu)化后的負(fù)荷量;

5)將優(yōu)化后的負(fù)荷量重新代入上層模型中重新進(jìn)行日前調(diào)度,重復(fù)上述過程直至2次流程之間負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任量之差小于臨界值ε=0.02 MW時,輸出最優(yōu)調(diào)度方案。

4 算例分析

本節(jié)以改進(jìn)后的IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行算例分析,利用CPLEX求解器對雙層調(diào)度模型進(jìn)行求解。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工商業(yè)、居民負(fù)荷節(jié)點分布如圖3所示,具體負(fù)荷分類節(jié)點的負(fù)荷量按照國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分配。分別在節(jié)點2、13處引入燃?xì)饣痣姍C組,節(jié)點8引入風(fēng)電機組,風(fēng)電場的相關(guān)風(fēng)速參數(shù)參考文獻(xiàn)[36]。為驗證本文所提模型的合理性,負(fù)荷取時間步長為1 h。結(jié)合1天24 h的動態(tài)優(yōu)化結(jié)果對本文提出的雙層調(diào)度模型進(jìn)行研究。節(jié)點負(fù)荷分布見表1。

表1 系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點具體分布Table 1 Specific distribution of system load nodes

圖3 改進(jìn)的IEEE 30系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of the improved IEEE 30 partition system

4.1 風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)[21]方法對1 000組風(fēng)電預(yù)測場景按照置信度區(qū)間進(jìn)行削減,不同置信度水平下多場景風(fēng)電預(yù)測情況如圖4所示。由圖4可知,隨著可信度增加,削減后剩下的風(fēng)電場景個數(shù)減少,當(dāng)置信度取0.90、0.95、0.99時,分別得到削減后的9組、3組、1組風(fēng)電場景。

圖4 不同置信度下風(fēng)電功率預(yù)測情況Fig.4 Prediction of wind power with diffierent confidence levels

當(dāng)置信度取0.99時,得到唯一可信度最高的風(fēng)電場景,因此將該場景作為典型風(fēng)電場景。負(fù)荷量及置信度0.99的風(fēng)電日前預(yù)測出力詳見附錄圖A1。

4.2 調(diào)度結(jié)果分析

為驗證本文所提低碳經(jīng)濟調(diào)度策略能夠有效降低全局碳排、提高風(fēng)電消納水平以及降低系統(tǒng)綜合成本,本文首先在基于碳勢指標(biāo)選取碳勢較高的G1、G3設(shè)置碳捕集的前提下,設(shè)置3個不同場景來驗證模型的有效性?；痣姍C組參數(shù)見附錄表B1。

場景A：本文提出的考慮源荷兩側(cè)碳勢耦合的電力系統(tǒng)雙層低碳經(jīng)濟調(diào)度;

場景B：未考慮多類型需求響應(yīng)模型的電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度;

場景C：未考慮源荷碳排約束的雙層低碳經(jīng)濟調(diào)度。

通過經(jīng)濟運行成本與碳排放量2個維度對上述場景進(jìn)行對比,系統(tǒng)具體調(diào)度結(jié)果及各場景風(fēng)電消納率如表2及圖5、6所示。

表2 各場景調(diào)度結(jié)果Table 2 Scheduling results of different scenarios

圖5 不同場景下機組出力及棄風(fēng)功率對比Fig.5 Comparison of unit output and abandoned wind power under different scenarios

從圖5各場景調(diào)度結(jié)果對比可以看出,在調(diào)度時段中,各場景碳排放量的差異主要集中在兩方面:1)清潔能源風(fēng)電消納水平?jīng)Q定了被替代的火電機組出力大小,風(fēng)電消納率越高,火電出力越少,碳排量越少;2)高碳火電機組出力越少,碳排量越少。

1)有無多類型需求響應(yīng)對調(diào)度結(jié)果影響分析。

本文提出的第二階段需求響應(yīng)低碳模型基于負(fù)荷側(cè)分時碳價制定負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偟奶寂欧懦杀疽约肮I(yè)、居民可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和商業(yè)可削減負(fù)荷,考慮到如何讓用戶側(cè)更積極地參與低碳市場,本文將負(fù)荷側(cè)碳價按照一天時段分成峰平谷3個時段,每個時段類型對應(yīng)時段以及負(fù)荷側(cè)碳排放價格、可削減商業(yè)負(fù)荷補償價格及可調(diào)度時段見附錄表B2—B4。

通過對表2中場景A、B調(diào)度結(jié)果的比較看出,在均考慮碳交易市場的情況下,場景A考慮多類型需求響應(yīng)模型后,系統(tǒng)運行成本為297.84萬元,減少7.38%,調(diào)度周期內(nèi)碳交易成本下降10.1%,碳排放量約減少831.8 t,同時通過圖6中不同場景下風(fēng)電消納率的對比可以看出,多類型需求響應(yīng)提高了碳交易機制對于系統(tǒng)的低碳激勵作用,分時負(fù)荷側(cè)碳價信號引導(dǎo)用戶自覺進(jìn)行低碳用電行為,從而降低了棄風(fēng)量、系統(tǒng)碳排以及系統(tǒng)運行成本,說明本文提出的多類型需求響應(yīng)模型可以提高電網(wǎng)在碳交易機制下的低碳經(jīng)濟效益。

圖6 不同場景下風(fēng)電消納率對比Fig.6 Comparison of wind power consumption rates under different scenarios

考慮需求響應(yīng)前后系統(tǒng)負(fù)荷變化曲線對比如圖7所示。由圖7可知,電力負(fù)荷在午高峰、晚高峰2個時段削減了部分商業(yè)負(fù)荷,同時以負(fù)荷側(cè)碳排放價格為價格信號的需求響應(yīng)模型將部分峰時負(fù)荷量轉(zhuǎn)移到低谷,達(dá)到負(fù)荷側(cè)“削峰填谷”的作用。未加入需求響應(yīng)的調(diào)度結(jié)果顯示在11:00—20:00負(fù)荷高峰時段,碳捕集機組、燃?xì)鈾C組與風(fēng)電機組凈出力已達(dá)到上限,高成本高碳排的燃煤火電機組迫不得已出力補足負(fù)荷缺口,造成系統(tǒng)發(fā)電成本與碳排量上升。經(jīng)過需求響應(yīng)之后,高峰缺口的部分負(fù)荷通過轉(zhuǎn)移和削減2種手段集中到05:00—10:00以及20:00—23:00谷時時段,此時段處于分時碳價的谷平時碳價,負(fù)荷由低成本低碳排的碳捕集機組和燃?xì)鈾C組以及無碳排風(fēng)電機組出力供給,達(dá)到了同時減排以及降低運行成本的作用。

圖7 需求響應(yīng)前后負(fù)荷對比Fig.7 Load comparison before and after demand response

2)有無源荷碳排約束對于調(diào)度結(jié)果的影響。

考慮源荷碳排約束前后各分區(qū)碳排量、總碳排量以及系統(tǒng)風(fēng)電消納率對比如表3所示。

表3 不同場景下各分區(qū)碳排量對比Table 3 Comparison of carbon emissions by partition under different scenarios

從表3可以看出,相較于場景C,場景A在考慮源荷碳排約束后新能源機組得到充分利用;系統(tǒng)風(fēng)電消納率提高了2.38%,碳排量下降了242.9 t,達(dá)到9.57%。同時通過分區(qū)負(fù)荷針對性的碳排約束,使得在3種類型區(qū)域中工業(yè)地區(qū)的碳排量得到了最大的限制,達(dá)到13.36%,符合“雙碳”目標(biāo)下工商業(yè)區(qū)限碳的優(yōu)先級要求[8]。

圖8和表4進(jìn)一步對比了系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點在引入源荷碳排約束后的碳勢分布情況。在負(fù)荷高峰時段,2種場景下的碳勢均有一定程度的提升,但引入源荷碳排約束的場景A全局碳勢相比場景C下降了5.5%,尤其是碳勢較高的工業(yè)地區(qū)節(jié)點,碳勢下降程度更大,達(dá)到8.32%。場景C的節(jié)點碳勢最高可達(dá)0.98 t/(MW·h),調(diào)度場景A下的節(jié)點碳勢高峰明顯較低,說明本文所提出的碳排約束有利于削減市場碳高峰,實現(xiàn)電力市場低碳態(tài)勢均衡及效益優(yōu)化。

表4 不同場景下系統(tǒng)碳勢對比Table 4 Comparison of system carbon potential under different scenarios t/(MW·h)

4.3 敏感度分析

影響系統(tǒng)碳排變化以及系統(tǒng)總運行成本的因素主要包括碳交易單價的變化及模型源荷碳排約束量等。在場景A模型的基礎(chǔ)上,分析包括碳交易單價以及源荷碳排約束量的變化對系統(tǒng)運行成本和碳排放量的影響,如圖9所示。

圖9 碳交易價格對系統(tǒng)成本及碳排的影響Fig.9 Impact of carbon trading price on system cost and carbon emission

由圖9可以看出,碳交易價格增加幅度在30%以內(nèi)時,碳排放量大幅減少,最多達(dá)到298.4 t,而總發(fā)電成本有微弱的上升趨勢,這是因為電網(wǎng)從碳交易中獲取的收益不足以彌補在調(diào)度低碳機組而造成的發(fā)電成本增加。而當(dāng)碳交易價格增加40%以上時,碳排放量變化不明顯,機組減碳效用降低,機組的碳交易收益減少從而使總成本迅速增加,可知該碳交易價格下的調(diào)度模型已不具備經(jīng)濟性與低碳性的優(yōu)勢,因此通過碳價的敏感度分析可對比制定合適的碳交易單價,同時兼顧系統(tǒng)的低碳性與經(jīng)濟性。

分析碳排約束量對系統(tǒng)碳排的影響,圖10展示了碳排約束量改變后系統(tǒng)總碳排趨勢以及碳排中各分區(qū)負(fù)荷碳排具體構(gòu)成。由圖10可知,隨著碳排約束量上升,系統(tǒng)總碳排會逐漸降低,當(dāng)碳排約束量增加30%時,碳排放降低了475.9 t,并且工業(yè)碳排量所占比例也會隨之下降,從63%降低到了55%。目前電力來源火電比例較高,但在“雙碳”目標(biāo)下,未來隨著新能源大量并網(wǎng),源荷碳排約束量也會隨之增加,這會對促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)整體低碳轉(zhuǎn)型起到重要作用。

圖10 碳排約束對系統(tǒng)碳排的影響Fig.10 Impact of carbon emission constraints on systemic carbon emissions

4.4 碳捕集設(shè)備設(shè)置及分析

為了分析碳捕集設(shè)備加入調(diào)度模型在減碳方面的有效性,本文利用碳勢分析方法來分析設(shè)置碳捕集前后系統(tǒng)全局的碳勢變化情況。進(jìn)行碳捕集低碳處理前后各節(jié)點碳勢如圖11所示。

圖11 進(jìn)行碳捕集低碳處理前后各節(jié)點碳勢Fig.11 Carbon potential at each node before and after the low carbon treatment with carbon capture

1)未設(shè)碳捕集電廠的系統(tǒng)節(jié)點碳勢計算。

針對3臺碳排放強度較高的燃煤火電機組,計算未進(jìn)行碳捕集低碳處理時3臺燃煤機組的碳排放強度為:

QG=[0.980 0.872 0.909]T

(37)

通過碳排放流得到的系統(tǒng)各節(jié)點碳勢如圖11(a)所示,處于節(jié)點1與節(jié)點11的燃煤機組G1、G3相比于機組G2碳勢較高。

2)設(shè)置碳捕集電廠系統(tǒng)節(jié)點碳勢計算。

相比于未加入碳捕集設(shè)備的機組,2臺高碳燃煤機組G1、G3的碳排放強度均有不同程度的降低,此時3臺燃煤機組的碳排放強度為:

Q′G=[0.680 0.941 0.713]T

(38)

重新計算碳捕集設(shè)備后系統(tǒng)各節(jié)點碳勢如圖11(b)所示。由圖11可知,碳捕集加入前后兩機組節(jié)點及相鄰節(jié)點的碳勢均有明顯降低,由于碳捕集的加入需要系統(tǒng)額外供能,因此未加入碳捕集G2的機組及附近節(jié)點碳勢有些許上升。全系統(tǒng)節(jié)點的碳勢在加入碳捕集后總體呈下降趨勢,體現(xiàn)了本文模型在加入碳捕集系統(tǒng)后影響全局碳排態(tài)勢上的有效性。

為了進(jìn)一步驗證利用碳勢定位高碳機組,設(shè)置碳捕集在低碳上的作用,本文分析在選擇不同機組進(jìn)行碳捕集的情況下系統(tǒng)碳排的差異,具體選擇場景如下:

場景1：利用碳勢指標(biāo)選取節(jié)點碳勢最高的G1、G3機組進(jìn)行碳捕集改造;

場景2：選取G2、G3機組進(jìn)行碳捕集改造;

場景3：選取G1、G2機組進(jìn)行碳捕集改造;

場景4：無碳捕集改造。

為了分析以上4種場景在減碳方面的效用,本文首先展示不同碳捕集配置方案前后的調(diào)度情況,結(jié)果如圖12所示。

圖12 各場景碳排量及運行成本Fig.12 Carbon emissions and operating costs by scenario

由圖12可知,相比于無碳捕集設(shè)備加入的場景4,設(shè)置碳捕集的場景1—3均在減碳方面有不同程度的效果,且在其他條件完全相同的情況下,場景1—3對應(yīng)的系統(tǒng)運行成本也有所降低,這說明碳捕集電廠在階梯碳交易市場機制下,可以有效地降低系統(tǒng)的碳交易成本,從而降低總運行成本。

分析對比設(shè)置了碳捕集的3個場景,在運行成本相差不大的前提下,場景1的碳排放量相較于場景2、3分別降低了99.3、117.4 t,這是由于場景1在最高節(jié)點碳勢的機組設(shè)置碳捕集設(shè)備最大化了碳捕集的捕集能力,促使發(fā)電機組的碳捕集運行在較大捕集水平上,捕集盡可能多的CO2,提高了系統(tǒng)整體減碳能力。說明本文提出的基于碳排放流的碳捕集低碳策略在低碳經(jīng)濟上的有效性。

為了分析碳捕集加入前后對于負(fù)荷側(cè)影響效果,本文計算了4個場景下負(fù)荷側(cè)碳排責(zé)任成本,結(jié)果如表5所示。由表5可知,在加入了碳捕集的前3個場景中,碳排放責(zé)任成本均大幅降低,降低最多的是場景1,碳排放責(zé)任成本降低了3.66萬元,這是因為碳捕集使系統(tǒng)中最高碳機組的碳排放強度降低,從而使系統(tǒng)全局碳勢下降,負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偟奶寂咆?zé)任量下降,有效降低了全局碳排放成本,通過碳排放流理論使得源側(cè)的傳統(tǒng)碳捕集減碳手段更加有效地優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)碳排量以及經(jīng)濟效益。

表5 不同場景下的碳排放責(zé)任成本Table 5 Cost of carbon responsibility under different scenarios

5 結(jié) 論

本文提出了一種考慮碳捕集電廠和多類型需求響應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的計及源荷碳勢耦合的低碳經(jīng)濟調(diào)度方法,在源荷兩端碳排放不超過約束限額的情況下,充分利用源荷雙側(cè)可調(diào)節(jié)資源以提高系統(tǒng)低碳經(jīng)濟效益以及風(fēng)電利用率,經(jīng)過改進(jìn)后的IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)算例測試,可以得到以下結(jié)論:

1)所提考慮源荷碳勢耦合的電力系統(tǒng)兩階段優(yōu)化調(diào)度模型能夠綜合考慮系統(tǒng)運行成本與碳排放,與不考慮源荷碳排約束以及需求響應(yīng)的模型相比,系統(tǒng)運行成本分別減少7.38%、11.30%,調(diào)度周期內(nèi)碳排放量約減少831.8、242.9 t,具有良好的低碳效益。

2)建立的基于碳排放流理論、考慮源荷雙側(cè)碳排約束的低碳經(jīng)濟調(diào)度具有現(xiàn)實的減排價值,考慮不同負(fù)荷類型進(jìn)行針對性需求響應(yīng),使得在3種類型區(qū)域中工業(yè)地區(qū)的碳排量得到了最大的限制,系統(tǒng)全局碳勢相比普通場景下降了5.5%,能夠滿足多類型用戶的減碳需求,在保證碳排放量不超過區(qū)域限制的情況下,兼顧了“雙碳”目標(biāo)下低碳性與經(jīng)濟性的雙重要求,同時對碳市場的分類負(fù)荷低碳措施研究提供了一些新的方向。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,本研究后續(xù)擬在原有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮擴展至綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型,滿足更加多元化的低碳需求。