不同階梯式碳交易機(jī)制的含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

王方琪, 李健強(qiáng), 宋祎波, 湯 波, 魏 強(qiáng), 尹子航

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司景寧縣供電公司, 浙江 麗水 323000;3.國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司, 上海 200072; 4.國家能源集團(tuán)物資有限公司山東分公司, 山東 濟(jì)南 250014; 5.University of Tasmania, Hobart 7001)

在全球環(huán)境問題日益凸顯的背景下,節(jié)能減排成為世界各國共識,我國提出“30·60”的“雙碳”發(fā)展目標(biāo)[1]。在“雙碳”目標(biāo)下,能源行業(yè)正逐步向清潔低碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。含電制氫綜合能源系統(tǒng)是將冷、熱、電、氣等子系統(tǒng)組合起來的系統(tǒng)[2-4]。世界范圍內(nèi)具有代表性的綜合能源項目之一是德國的E-Energy項目。該項目選定了6個城市進(jìn)行試點,側(cè)重于能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成,通過實時的數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)能量的梯級利用,提高了能源利用率。如何建設(shè)含電制氫綜合能源系統(tǒng),是助力我國實現(xiàn)“30·60”的雙碳目標(biāo)的有效途徑。其中低碳設(shè)備的合理配置可以在保證經(jīng)濟(jì)性的同時降低碳排放量。

目前已有學(xué)者針對含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種考慮風(fēng)光利用率和含氫能流的多能流綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法,對比分析了含氫能流和含蓄電池的綜合能源系統(tǒng)的新能源消納能力及經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果表明含氫能流綜合能源系統(tǒng)性能更好。文獻(xiàn)[6]提出了考慮儲氫物理特性和氫能多模式利用的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中長期優(yōu)化運(yùn)行方法,通過仿真結(jié)果表明采用氫能多模式利用可有效應(yīng)對季節(jié)性供需不平衡問題,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和新能源的消納水平。文獻(xiàn)[7]提出一種考慮電熱柔性負(fù)荷及氫能精細(xì)化建模的含氫綜合能源低碳運(yùn)行方法,具體研究了氫能利用各環(huán)節(jié)所涉及能源設(shè)備的能源特性,進(jìn)行氫能利用精細(xì)化建模,仿真結(jié)果表明精細(xì)化建模比線性化建模具有更好的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。上述研究中將氫能流引入綜合能源系統(tǒng),有效實現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

碳交易機(jī)制是減少碳排放量并兼顧經(jīng)濟(jì)性的有效手段。政府下發(fā)給企業(yè)一定的免費碳配額,當(dāng)企業(yè)的碳排放超標(biāo)時,需要去市場上購買碳配額。目前上海已經(jīng)開始試行碳交易市場。上海市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布了《上海市2021年碳排放配額分配方案》,對所有納入碳交易配額管理的單位發(fā)放碳排放配額。碳交易機(jī)制已經(jīng)逐步成為引導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)降低碳排放的重要手段之一[8-10]。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于階梯式碳交易的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃方法,研究了階梯式碳交易的區(qū)間長度對碳排放量的影響。文獻(xiàn)[12]考慮了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和光伏設(shè)備的全壽命周期碳排放,提出了一種計及綜合能源系統(tǒng)全壽命周期碳排放和碳交易機(jī)制的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和光伏容量聯(lián)合配置方法。

在上述研究的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了一種新的碳交易機(jī)制,將碳超額率引入階梯式碳交易模型,構(gòu)建了計及碳超額率的階梯式碳交易模型。首先,構(gòu)造以年運(yùn)行成本最小和碳排放量最低為目標(biāo)函數(shù)的含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型;然后,分別對碳超額量和碳超額率兩種階梯式碳交易機(jī)制下的含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案進(jìn)行對比研究;最后,通過不同情景下的案例對比驗證計及碳交易率的階梯式碳交易機(jī)制模型的優(yōu)越性。

1 含電制氫綜合能源系統(tǒng)模型

含電制氫綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部有許多靈活性的設(shè)備,通過調(diào)整設(shè)備的出力,可以達(dá)到低碳運(yùn)行的目的。

含電制氫綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由電力子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、燃?xì)庾酉到y(tǒng)組成。其中電力子系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、光伏系統(tǒng)、電鍋爐、電制冷機(jī)組成;氫氣子系統(tǒng)主要由電制氫裝置、儲氫罐及燃料電池組成;燃?xì)庾酉到y(tǒng)主要由微燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、溴化鋰制冷機(jī)、儲熱罐組成。

圖1 含電制氫綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 階梯式碳交易機(jī)制

2.1 碳排放配額

在碳交易機(jī)制下,政府分配的碳排放額與實際碳排放量存在差異,碳排放量是一種可以進(jìn)行自由交易的商品,而在電力行業(yè),目前我國主要采用無償?shù)姆绞竭M(jìn)行初始碳排放額的分配。本文采用的行業(yè)基準(zhǔn)線法來確認(rèn)系統(tǒng)的碳排放配額。碳排放源有外購電、微燃機(jī)以及燃?xì)忮仩t,其碳排放配額和實際碳排放量公式分別為

Etotal=EEN+EMT+EGB

(1)

(2)

(3)

(4)

Etotal,a=EEN,a+EMT,a+EGB,a

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Etotal、EEN、EMT、EGB——綜合能源系統(tǒng)、外購電、微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t的碳排放配額量;

ηe——供能設(shè)備單位電功率的碳排放權(quán)配額,取0.728 t/MWh;

T——規(guī)劃總時間數(shù),取8 760 h;

λ——外購電中的煤發(fā)電所占的比例,取0.8;

PEN,t——t時段外購電量;

ηh——供能設(shè)備單位熱功率的碳排放權(quán)配額,取0.102 t/GJ;

ηe,h——電、熱功率折算參數(shù),取6 MJ/kWh;

PMT,t——t時段微燃機(jī)輸出的電功率;

HMT,t、HGB,t——t時段微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t的輸出熱功率;

Etotal,a、EEN,a、EMT,a、EGB,a——綜合能源系統(tǒng)、外購電、微燃機(jī)、燃?xì)忮仩t的實際碳排放量;

ηe,a——供能設(shè)備單位電功率的實際碳排放系數(shù),取1.08 t/MWh;

ηh,a——供能設(shè)備單位熱功率的實際碳排放系數(shù),取0.065 t/GJ。

2.2 階梯式碳交易模型

階梯式碳交易以一定量的碳排放量為區(qū)間長度,劃分多個交易區(qū)間,隨著超額碳排放量的增加,交易區(qū)間的碳交易價格也會隨之升高。階梯式碳交易成本計算模型如下

(9)

式中:CCO2——階梯式碳交易成本;cCO2——碳交易單價;l——碳排放區(qū)間長度;α——價格增長的幅度。

階梯式碳交易模型的碳交易單價f(Etotal,a-Etotal)和碳超額量(Etotal,a-Etotal)關(guān)系如圖2所示。

圖2 碳交易價格和碳超額量關(guān)系

當(dāng)有多個不同規(guī)模的含電制氫綜合能源系統(tǒng)使用同一個階梯式碳交易機(jī)制時,如何確定碳交易區(qū)間長度就成為了問題。如果按照碳排放規(guī)模最大的綜合能源系統(tǒng)去確認(rèn)碳交易區(qū)間長度,那確認(rèn)后的碳交易區(qū)間長度對較小規(guī)模的綜合能源系統(tǒng)來說會太長。碳交易區(qū)間長度過長時,階梯式碳交易機(jī)制對碳排放的約束力大幅度下降。

2.3 計及碳超額率的階梯式碳交易模型

階梯式碳交易模型的碳排放區(qū)間長度是按照超出碳排放配額的碳排放量來劃分的。這樣就無法清晰看出實際碳排放量超過碳配額的程度,以及適用范圍較窄。為了使得階梯式碳交易模型更合理,本文提出了一種碳排放程度衡量指標(biāo),將實際碳排放量與碳排放配額的比例命名為碳超額率,結(jié)合碳交易理論構(gòu)建計及碳超額率的階梯式碳交易模型。

計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制按照碳超額率劃分為若干個區(qū)間,各區(qū)間對應(yīng)不同的碳交易價格。基于該碳交易機(jī)制,當(dāng)碳超額率大于1時,綜合能源系統(tǒng)需要支付費用購買碳排放權(quán),碳超額率的值越大,對應(yīng)區(qū)間的碳排放權(quán)購買單價越高。

碳超額率ξ公式如下:

(10)

階梯式碳交易成本計算模型如下:

(11)

式中:CCO2,d——計及碳超額率的階梯式碳交易成本。

計及碳超額率的階梯式碳交易模型的碳交易單價f(ξ)和碳超額率ξ關(guān)系如圖3所示。

圖3 碳交易價格和碳超額率關(guān)系

3 含電制氫綜合能源系統(tǒng)低碳規(guī)劃模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以含電制氫綜合能源系統(tǒng)為研究對象,構(gòu)造以系統(tǒng)投資運(yùn)行成本最小為內(nèi)層模型、碳排放量最低為外層模型的目標(biāo)函數(shù)。具體描述如下:

式中:Ctotal、Cinv、Cop、CEN、Cfuel——年費用、設(shè)備等年值投資費用、運(yùn)行維護(hù)費用、購電費用、購氣費用;

N——設(shè)備種類;

ci——第i類設(shè)備的單位容量初始投資成本;

ωi——各類設(shè)備的配置容量;

r0——貼現(xiàn)率,取6.7%;

Yi——第i類設(shè)備的全壽命周期;

cop,i——第i類設(shè)備的單位功率維護(hù)成本;

Pi,t——第i類設(shè)備在t時刻的出力;

Δt——功率維持不變時的時間變化量;

eEN,t——t時刻大電網(wǎng)的購電價格;

PEN,t——外購電在t時刻的出力;

GGB,t、GMT,t——t時段燃?xì)忮仩t、微燃機(jī)的燃?xì)庀牧?

Cgas——天然氣價格。

3.2 約束條件

3.2.1 容量約束條件

容量約束條件主要考慮保證系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的最低容量以及設(shè)備的占地面積。

ωi,min≤ωi≤ωi,maxi∈I

(17)

式中:ωi,min——為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的最低容量約束;

ωi,max——考慮占地面積的最大容量約束;

I——設(shè)備集,包括WT、PV、EB、EC、HS、MT、GB、LBR、P2H、HT、FC。

3.2.2 功率平衡約束

為了保證綜合能源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,系統(tǒng)必須滿足電、熱、氣供需平衡,即滿足以下功率平衡方程。

式中:PWT,t、PPV,t、PFC,t——t時刻風(fēng)機(jī)、光伏系統(tǒng)、燃料電池輸出的電功率;

PLoad,t、HLoad,t、CLoad,t、GLoad,t——t時刻電、熱、冷、氫負(fù)荷;

PEB,t、PEC,t、PP2H,t——t時刻電鍋爐、電制冷機(jī)、電制氫裝置輸入的電功率;

HFC,t、HEB,t——t時刻燃料電池、電制熱輸出的熱功率;

HLBR,t——t時刻溴化鋰制冷機(jī)輸入的熱功率;

CLBR,t、CEC,t——t時刻溴化鋰制冷機(jī)、電制冷機(jī)輸出的冷功率;

GP2H,t——t時刻電制氫裝置產(chǎn)生的氫氣;

GFC,t——t時刻電制氫裝置消耗的氫氣。

3.2.3 設(shè)備出力約束

除了滿足上述列出的功率平衡等式約束外,系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的電、熱和氣出力也需滿足其正常工作范圍的上下限要求。

式中:Pm,t,min、Pm,t,max、Pm,t——任意m類電設(shè)備在t時刻正常運(yùn)行時的最小、最大和實際發(fā)電功率;

Hn,t,min、Hn,t,max、Hn,t——任意n類熱設(shè)備在t時刻正常運(yùn)行時的最小、最大和實際發(fā)熱功率;

Cr,t,min、Cr,t,max、Cr,t——任意r類冷設(shè)備在t時刻正常運(yùn)行時的最小、最大和實際供冷功率;

Gs,t,min、Gs,t,max、Gs,t——電制氫設(shè)備在t時刻生產(chǎn)氫氣的最小、最大和實際電功率。

3.2.4 儲能設(shè)備約束

儲能裝置包括儲氫罐、熱儲能裝置,應(yīng)同時滿足儲能額定容量與交換功率約束。這里以儲氫罐為例。

(26)

4 案例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)與情景設(shè)置

為驗證本文所提系統(tǒng)的合理性,以某地區(qū)的實際算例為例,進(jìn)行仿真規(guī)劃。該實際算例包括工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、生活區(qū)3個園區(qū)。將原有的階梯式碳交易模型和計及碳超額率的階梯式碳交易模型分別設(shè)為模型1和模型2。模型1和模型2碳交易的基礎(chǔ)價格、價格增長率均為200元/t,0.25。模型1碳交易區(qū)間長度為165 t,模型2碳交易區(qū)間長度為0.07。算例仿真在CPU為AMD Ryzen 5 5600H with Radeon Graphics的電腦上展開,通過MATLAB R2017b軟件編程實現(xiàn)。

針對本文構(gòu)建的基于計及碳超額率的階梯式碳交易的含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型,均采用冷熱電聯(lián)供方式+電氫儲能系統(tǒng),分以下6種情景討論:情景1,工業(yè)區(qū),模型1;情景2,工業(yè)區(qū),模型2;情景3,商業(yè)區(qū),模型1;情景4,商業(yè)區(qū),模型2;情景5,生活區(qū),模型1;情景6,生活區(qū),模型2。

4.2 優(yōu)化配置結(jié)果分析

4.2.1 設(shè)備容量優(yōu)化結(jié)果分析

不同情景下功能設(shè)備優(yōu)化配置結(jié)果如表1所示。

表1 不同情景下功能設(shè)備優(yōu)化配置結(jié)果 單位:kW

由表1可知,相較于采用階梯式碳交易模型1的情景1、3、5,采用階梯式碳交易模型2的情景2、4、6的電鍋爐、電制冷機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的總配置容量相對較低,其余風(fēng)機(jī)、光伏系統(tǒng)、微燃機(jī)等設(shè)備的總配置容量相對較高。

4.2.2 不同階梯式碳交易對規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性影響分析

不同情景下經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表2所示。

表2 不同情景下經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 單位:萬元

由表2可知:對比情景1和情景2,由于情景2中計及碳超額率的階梯式碳交易促進(jìn)風(fēng)機(jī)和微燃機(jī)的容量上升,因此情景2的投資和運(yùn)維成本有所上升分別為1167.49萬元和70.65萬元,但購電成本和購氣成本以及碳交易成本均有所下降,分別為76.39萬元、121.58萬元及2.87萬元,其中碳交易成本相當(dāng)于降低了1%;對比情景3和情景4,由于情景4中計及碳超額率的階梯式碳交易促進(jìn)光伏系統(tǒng)的容量和微燃機(jī)的容量上升,因此情景4的投資成本有所上升為726.73萬元,但購電成本和碳交易成本有所降低,分別為69.62萬元和2.08萬元,其中碳交易成本相當(dāng)于降低了60%;對比情景5和情景6,由于情景6中計及碳超額率的階梯式碳交易光伏系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的容量有所上升,情景6的投資成本和運(yùn)維成本有所上升分別為487.07萬元和15.99萬元,但購電成本、購氣成本及碳交易成本有所降低,分別為16.38萬元、31.19萬元與0.66萬元,其中碳交易成本下降了82%。綜上所述,計及碳超額率的階梯式碳交易在促進(jìn)新能源和微燃機(jī)的裝機(jī)容量上有更好的效果,增加的清潔能源滿足了部分負(fù)荷需求,導(dǎo)致綜合能源系統(tǒng)向電網(wǎng)購買的電量也有所下降。對于規(guī)模越小的綜合能源系統(tǒng)來說,其碳交易金額下降的比例越大。對小規(guī)模的綜合能源系統(tǒng)的減排有較好的激勵作用。

4.2.3 不同階梯式碳交易對規(guī)劃方案的碳排放量影響分析

不同情景下碳排放指標(biāo)如表3所示。

表3 不同情景下碳排放指標(biāo)

由表3可知:情景2的碳排放量相較于情景1降低了336.88 t,即降低了13.3%,碳超額率的變化并不是很大,還是在同一個碳排放區(qū)間長度內(nèi);情景4的碳排放量相較于情景3降低了247.96 t,即降低了13.45%;情景6的碳排放量相較于情景5降低了459.13 t,即降低了48.8%。

可見使用計及碳超額率的階梯式碳交易模型能增加綜合能源系統(tǒng)的減排能力,并且綜合能源系統(tǒng)的規(guī)模越小,增加的減排能力越強(qiáng)。采用計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制使得3個園區(qū)的碳排放量總共降低1 043.97 t,即降低了19.6%。

4.3 碳交易機(jī)制參數(shù)的影響

4.3.1 碳交易基礎(chǔ)價格的影響

圖4展示了隨著碳交易基礎(chǔ)價格的變化,情景2的碳交易成本和碳排放量的變化趨勢。

圖4 碳交易成本和碳排放量隨碳基礎(chǔ)價格的變化趨勢

由圖4可知:情景2的碳排放量隨著碳基礎(chǔ)價格的上升而減少;同時,隨著碳基礎(chǔ)價格的上升,情景2的碳交易成本皆呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖5展示了情景2下,購電成本、購氣成本隨碳基礎(chǔ)價格的變化趨勢。

圖5 購能成本隨碳基礎(chǔ)價格的變化趨勢

由圖5可知,隨著碳基礎(chǔ)價格的升高,情景2的購電成本下降,購氣成本上升。這是因為當(dāng)碳基礎(chǔ)價格升高時,系統(tǒng)為了限制碳排放,減少了對單位碳排放量相對較高的煤電的購買量,增加對單位碳排量相對較低的天然氣的購買量,以提高微燃機(jī)和燃料電池的出力,彌補(bǔ)減少的購電量。

綜合上述分析可知,含電制氫的綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行對碳基礎(chǔ)價格的變動比較敏感,整體呈現(xiàn)出隨著碳交易價格的升高,碳排放量下降、碳交易成本先升高后降低、能效增大的趨勢。

4.3.2 價格增長率的影響

情景2下,當(dāng)碳超額率大于碳配額區(qū)間時價格增長率才能發(fā)揮作用。以200元作為基價,碳排放總成本和碳排放量隨價格增長率的變化趨勢如圖6所示。

圖6 碳排放總成本和碳排放量隨價格增長率的變化趨勢

由圖6可知:當(dāng)價格增長率在[0,0.25)時,隨價格增長率的增加,超過碳配額區(qū)間后的碳交易價格增加,為降低碳排放成本,提高系統(tǒng)中低碳設(shè)備的出力,進(jìn)而減少碳排放量;當(dāng)價格增長率達(dá)到0.25后,設(shè)備的優(yōu)化遇到瓶頸,碳排放量不再發(fā)生變化,但僅通過改變價格增長率,無法達(dá)到減排效果最大化,因為碳超額率小于區(qū)間長度時,價格增長率不再起作用,總成本不再增加,所以還需要碳基礎(chǔ)價格的配合。

4.3.3 碳交易區(qū)間參數(shù)的影響

在計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制中,由于碳超額率的最大值為1.48,所以區(qū)間長度和區(qū)間數(shù)目可以一一對應(yīng)。情景2下,不同碳交易區(qū)間數(shù)目的碳排放總成本和碳排放量的變化趨勢如圖7所示。

由圖8可知:當(dāng)碳交易區(qū)間數(shù)目在[0,7)時,隨著碳交易區(qū)間數(shù)目的增加,碳排放量急劇下降;當(dāng)區(qū)間數(shù)目增加到7時,碳排放總成本和碳排放量出現(xiàn)較明顯的拐點,即改變區(qū)間長度對計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制的影響開始減弱,但此時計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制也能有較好的碳約束能力。

5 結(jié) 語

本文建立了計及碳超額率的階梯式碳交易的含電制氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型,以電、氫、冷、熱4種能量平衡和元器件工作特性為約束,采用非支配性算法和商用求解器結(jié)合的混合智能算法進(jìn)行求解,得到系統(tǒng)各設(shè)備的最優(yōu)容量配置。計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制,對碳排放量的控制更嚴(yán)格,使系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃更偏向低碳設(shè)備;系統(tǒng)的碳排放指標(biāo)對計及碳超額率的階梯式交易機(jī)制的參數(shù),即碳基礎(chǔ)價格、價格增長率、碳交易區(qū)間長度的變化較敏感。后續(xù)工作可進(jìn)一步圍繞計及碳超額率的階梯式碳交易機(jī)制在多園區(qū)綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃中的應(yīng)用。