階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度

王利猛,劉雪夢,李揚(yáng),常鐸,任星

(1.電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)), 吉林省吉林市 132012;2.東北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林省吉林市 132012)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來,以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化為核心特征的新一輪工業(yè)變革,正在突破資源和環(huán)境的瓶頸,極大地提高了可持續(xù)發(fā)展能力,對(duì)能源系統(tǒng)提出了更高的要求。與此同時(shí),在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和全球環(huán)境保護(hù)的大趨勢下,我國提出了建立碳交易市場等政策機(jī)制,中國的能源革命加速了實(shí)現(xiàn)全球碳中和的承諾[1]。然而,傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)是獨(dú)立規(guī)劃和運(yùn)行的,無法發(fā)揮各種能源的優(yōu)勢互補(bǔ)作用,這極大地限制了能源的綜合利用效率[2-3]。近年來興起的綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合、多能聯(lián)供和多種熱、電、氣儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了多能轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和消納[4-6],因此在當(dāng)前數(shù)字化和能源革命的背景下,IES已成為必然選擇,是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳的有效路徑。

綜合能源系統(tǒng)在增加清潔能源份額和減少二氧化碳排放方面發(fā)揮著重要作用[7-8]。文獻(xiàn)[9-10]闡釋了碳交易機(jī)制,并將其與IES相結(jié)合,進(jìn)而分析了碳交易成本在系統(tǒng)運(yùn)行方面的重要作用;文獻(xiàn)[11]根據(jù)核電廠、火電廠和風(fēng)電場的實(shí)際無償碳排放權(quán)初始配額,并以火電廠的實(shí)際碳排放量為基礎(chǔ)計(jì)算碳交易成本,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與低碳排放之間的有效平衡;文獻(xiàn)[12]推薦了一種基于基準(zhǔn)方法的虛擬發(fā)電廠碳交易機(jī)制,該機(jī)制根據(jù)可再生能源單位發(fā)電量分配碳源。在文獻(xiàn)[13]中,構(gòu)建了一個(gè)以最小碳排放為目標(biāo)的多目標(biāo)模型。雖然這些方法在減少碳排放方面有一定的效果,但不能同時(shí)促使系統(tǒng)成本下降。為此,需要引入更加合理完善的碳交易機(jī)制。

與此同時(shí),為提高用戶對(duì)可再生能源的使用,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)對(duì)需求側(cè)加以考慮。通過碳排放權(quán)交易、需求側(cè)管理等機(jī)制對(duì)能源行業(yè)節(jié)能減排進(jìn)行管理,被視為促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。文獻(xiàn)[14]為提高能源利用率,基于熱負(fù)荷的模糊性和滯后性,建立了基于價(jià)格彈性矩陣的電、氣、熱負(fù)荷需求響應(yīng)(demand response,DR)模型;文獻(xiàn)[15]將電力負(fù)荷分為可減少、可重新分配和可替換三種類型,并根據(jù)響應(yīng)量統(tǒng)一計(jì)劃平衡成本,并采用飽和和分散指標(biāo)來衡量用戶滿意度。文獻(xiàn)[16]通過擴(kuò)展傳統(tǒng)的電力時(shí)移DR,提出了考慮電、氣、熱三種時(shí)移需求響應(yīng)形式的綜合能量概率優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[17-18]從環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度和能量轉(zhuǎn)移角度,在多能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行下,考慮了基于價(jià)格的綜合需求響應(yīng)(integrated demand response,IDR),文獻(xiàn)[19]進(jìn)一步將電、氣、熱負(fù)荷的時(shí)移DR和可中斷DR結(jié)合起來,并對(duì)IDR方法在能量管理中的作用進(jìn)行了擴(kuò)展和分析,但在研究中未提及用戶側(cè)多種能量需求的靈活轉(zhuǎn)換和交互響應(yīng)。

以上分析表明,大多數(shù)優(yōu)化配置研究只考慮碳排放權(quán)交易或需求側(cè)管理,在同時(shí)考慮碳排放權(quán)交易和需求側(cè)管理方面相對(duì)薄弱。然而在電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度時(shí),同時(shí)考慮排放權(quán)交易和需求側(cè)管理,可以在低碳排放和經(jīng)濟(jì)效益之間進(jìn)行最佳權(quán)衡。隨著碳排放權(quán)交易的引入,傳統(tǒng)的以經(jīng)濟(jì)效益為基礎(chǔ)的規(guī)劃模型正在向充分考慮低碳足跡的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。引入以碳排放權(quán)交易為基礎(chǔ)的需求側(cè)管理,既能提高用戶對(duì)可再生能源的利用,又能降低儲(chǔ)能容量,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)目前的形勢和挑戰(zhàn),本文將進(jìn)行如下研究。首先闡述碳排放權(quán)初始配額模型,并對(duì)其加以修正,然后引入階梯式碳交易機(jī)制,限制IES的碳排放;其次從需求響應(yīng)角度出發(fā),引入電-氣-熱的橫向互補(bǔ)替代與縱向時(shí)移策略;最后構(gòu)建以IES運(yùn)行總成本最小化為目標(biāo),考慮安全約束的低碳優(yōu)化調(diào)度模型;最后通過5種不同情景分析驗(yàn)證模型的正確性和有效性。

1 構(gòu)建含電-氣-熱需求響應(yīng)的IES

IES是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,內(nèi)含多種能源形式。IES可以利用電、熱、氣之間的互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng),提高能源效率,滿足客戶對(duì)不同類型能源的交錯(cuò)需求,同時(shí)確保持續(xù)可靠的能源供應(yīng)[20-21]。本文在階梯式碳交易機(jī)制下,構(gòu)建了含有電、氣、熱需求響應(yīng)的IES的框架體系,如圖1所示。

圖1 IES的框架體系Fig.1 Integrated energy system framework system

IES的能源供應(yīng)側(cè)包含上級(jí)電網(wǎng)、上級(jí)氣網(wǎng)和風(fēng)電設(shè)備;能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包含電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)、燃?xì)忮仩t(gas boilers,GB)、燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine,GT)、余熱鍋爐(waste heat boiler,WHB)。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐組成,采用熱電聯(lián)產(chǎn)耦合模式運(yùn)行,可適應(yīng)不同的系統(tǒng)條件;能源存儲(chǔ)由電儲(chǔ)能、氣儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能構(gòu)成;電負(fù)荷、氣負(fù)荷以及熱負(fù)荷三部分共同構(gòu)成系統(tǒng)的能源需求側(cè)響應(yīng)資源。需求響應(yīng)的引入可以平滑負(fù)荷曲線的波動(dòng),實(shí)現(xiàn)功率和熱量的交叉耦合,減少峰谷差,降低運(yùn)營成本。

2 基于橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略的需求響應(yīng)模型

在能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下,電、氣、熱等多種能源之間的協(xié)同互補(bǔ)與靈活轉(zhuǎn)換,可以為需求方參與系統(tǒng)優(yōu)化提供更多機(jī)會(huì)。本文從需求響應(yīng)角度出發(fā),引入電-氣-熱的橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略,即運(yùn)營商可以根據(jù)能源價(jià)格的變化制定不同的調(diào)度計(jì)劃,進(jìn)一步滿足多樣化能源需求,以確保IES的經(jīng)濟(jì)、靈活和高效運(yùn)作。參照傳統(tǒng)電力需求分類,根據(jù)交互響應(yīng)特性,將IES中的需求響應(yīng)負(fù)荷(電、氣、熱)擴(kuò)展為三種負(fù)荷類型,即固定型負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷和可代替型負(fù)荷。

(1)

2.1 固定型負(fù)荷

固定型負(fù)荷是指在正常運(yùn)行中需要完全滿足的負(fù)荷,如照明、官方負(fù)荷和大多數(shù)商業(yè)負(fù)荷。固定負(fù)荷基本不參與需求響應(yīng),但在發(fā)生事故或突發(fā)事件時(shí)也可以部分切斷,以確保系統(tǒng)的安全。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí),運(yùn)營商需要向用戶提供補(bǔ)償。

2.2 可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷

可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷是指在能源總需求大致不變的情況下,根據(jù)能源價(jià)格的變化,能夠及時(shí)進(jìn)行橫向移位和調(diào)整,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)峰的負(fù)荷。可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷主要由居民用戶和部分工業(yè)用戶組成,涉及洗衣機(jī)、熱水器等設(shè)備和部分工業(yè)設(shè)備。

2.3 可替代型負(fù)荷

可替代型負(fù)荷是指可以用其他能源形式替代以滿足能源需求的負(fù)荷,主要影響的是一些住宅和商業(yè)用戶,涉及空調(diào)、爐灶和供暖設(shè)備等。由于更換DR是用戶自愿按照能源價(jià)格實(shí)現(xiàn)的,因此不會(huì)對(duì)用戶日常生活的舒適度產(chǎn)生明顯影響[22]。

可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷與可替代型負(fù)荷模型如下所示:

(2)

2.4 需求響應(yīng)模型

綜上所述,DR模型可以通過多種需求響應(yīng)方式來改變能源需求,具體如下:

(3)

3 基于全生命周期評(píng)估的階梯型碳交易機(jī)制

綜合能源系統(tǒng)可以提高能源效率,在IES中合理配置低碳設(shè)備可以有效減少碳排放,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。碳排放主要來自能源開采、能源運(yùn)輸和使用等各個(gè)階段,然而現(xiàn)有的綜合能源系統(tǒng)碳排放研究大多集中在運(yùn)行階段或其中的單個(gè)模塊上,缺乏對(duì)綜合能源系統(tǒng)所有階段碳排放的分析和預(yù)測。因此本文從全生命周期評(píng)估的角度出發(fā),所考慮的能源包括煤電、風(fēng)電機(jī)組、天然氣。將能源和儲(chǔ)能設(shè)備在生產(chǎn)、運(yùn)輸、運(yùn)行和廢棄的全生命周期碳排放轉(zhuǎn)化為碳排放成本納入優(yōu)化目標(biāo)中,分析考慮全生命周期碳排放成本后對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的影響[23]。各個(gè)環(huán)節(jié)具體計(jì)量過程可參考文獻(xiàn)[24]。

在國家的大力推進(jìn)下,碳交易機(jī)制正逐步實(shí)施與推進(jìn),碳交易市場的發(fā)展與完善可以在很大程度上促進(jìn)全國各地低碳減排的進(jìn)程。政府或相關(guān)機(jī)構(gòu)會(huì)為IES的每個(gè)碳排放源發(fā)放無償?shù)奶寂欧艡?quán)配額。如果生產(chǎn)廠商的實(shí)際CO2排放量小于政府分配的配額,可以出售多余的碳排放權(quán)配額來產(chǎn)生收入;反則,生產(chǎn)廠商必須購買碳排放權(quán)配額來抵消多余的CO2排放。碳交易機(jī)制模型主要由3個(gè)部分組成:碳排放權(quán)初始配額模型、實(shí)際碳排放模型以及階式型碳交易成本計(jì)算模型。

3.1 碳排放權(quán)初始配額模型

IES中的碳排放主要來源于上級(jí)購電、GT、GB和需求側(cè)氣負(fù)荷。碳排放權(quán)初始配額模型如下:

(4)

式中:EIES、Ee,buy、EGT、EGB、Eg,load分別為綜合能源系統(tǒng)、系統(tǒng)向上級(jí)購電、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、需求側(cè)氣負(fù)荷的無償碳排放權(quán)配額;σe、σh分別為產(chǎn)生單位電量、單位熱量所獲得的無償碳排放權(quán)配額;σg,load為消耗單位氣負(fù)荷的無償碳排放權(quán)配額;σe,h為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量對(duì)發(fā)熱量的折算參數(shù);Pe,buy(t)表示在t時(shí)段下系統(tǒng)向上級(jí)購電的功率;PGT,e(t)、PGT,h(t)分別表示在t時(shí)段下燃?xì)廨啓C(jī)電功率、熱功率的供給量;PGB,h(t)表示在t時(shí)段下燃?xì)忮仩t熱功率的供給量;Pg,load(t)表示在t時(shí)段下氣負(fù)荷的消耗量;T為系統(tǒng)調(diào)度周期。

3.2 實(shí)際碳排放模型

系統(tǒng)在電轉(zhuǎn)氣的過程中會(huì)消耗部分CO2,同時(shí)需求側(cè)的氣負(fù)荷在運(yùn)行時(shí)也會(huì)有大量CO2產(chǎn)生,如若將其考慮進(jìn)來,本文則需對(duì)原有模型進(jìn)行修正。由此得出實(shí)際碳排放模型如下:

(5)

式中:EIES,a為綜合能源系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量;Ee,buy,a為系統(tǒng)向上級(jí)購電的實(shí)際碳排放量;EGTGB,a為燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)忮仩t兩部分的實(shí)際碳排放量;PGTGB(t)表示燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)忮仩t在t時(shí)段下的等效輸出功率;Eg,load,a為需求側(cè)氣負(fù)荷的實(shí)際碳排量;δ為單位氣負(fù)荷的等效碳排放參數(shù),具體值可參考文獻(xiàn)[25];EP2G,a為P2G設(shè)備在電轉(zhuǎn)氣的過程中吸收的CO2量;PP2G,g(t)表示P2G設(shè)備在t時(shí)段下輸出的天然氣功率;θ為此過程中吸收CO2的參數(shù);a、b、c為煤電機(jī)組的碳排放參數(shù);d、e、f為消耗天然氣的機(jī)組碳排放參數(shù)。

3.3 階梯式碳交易成本計(jì)算模型

由IES總碳排量以及無償碳排放權(quán)配額即可算出參與到碳交易市場的碳排放交易份額:

EIES,c=EIES,a-EIES

(6)

式中:EIES,c為系統(tǒng)參與到碳交易市場的碳排放交易份額;EIES為系統(tǒng)獲得的無償碳排放權(quán)配額。

階梯式碳交易成本計(jì)算模型在分層排放權(quán)交易下,將CO2排放量劃分為不同范圍。CO2排放量越高,交易價(jià)格越高,交易成本也就越高[26-27]。構(gòu)建階梯式碳交易成本分段線性計(jì)算模型,指定若干排放區(qū)間。當(dāng)EIES,c為負(fù)時(shí),意味著系統(tǒng)排放的碳量低于標(biāo)準(zhǔn)量,則可以在相應(yīng)的交易中心以規(guī)定的價(jià)格出售剩余份額以獲得一定的補(bǔ)貼,反之亦然。求解時(shí),碳交易成本可表示為如下的分段函數(shù):

(7)

式中:CCO2表示階梯式碳交易成本;λ表示碳交易的基準(zhǔn)價(jià)格;d表示碳排放量區(qū)間長度;α表示價(jià)格增長幅度。

4 綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以IES的運(yùn)行總成本C為目標(biāo)函數(shù),包括能源購買成本Cbuy、碳交易成本CCO2、需求響應(yīng)補(bǔ)償成本Cdr、設(shè)備維護(hù)成本Cem,具體表示如下:

Cmin=Cbuy+CCO2+Cem+Cdr

(8)

1)能源購買成本Cbuy。

(9)

式中:Pg,buy(t)表示在t時(shí)段下的購氣量;αt、βt分別表示在t時(shí)段下的電價(jià)以及氣價(jià)。

2)階梯式碳交易成本CCO2見式(7)。

3)需求響應(yīng)補(bǔ)償成本Cdr。

(10)

式中:μp、μc分別表示可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷、可替代型負(fù)荷參與需求響應(yīng)的單位補(bǔ)償系數(shù)。

4)設(shè)備維護(hù)成本Cem。

(11)

4.2 約束條件

4.2.1 風(fēng)電機(jī)組出力約束

(12)

4.2.2 儲(chǔ)能運(yùn)行約束

采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的通用模型對(duì)電、熱兩類儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行建模,此類儲(chǔ)能模型已有大量文獻(xiàn)研究,本文在此不再贅述,具體模型見文獻(xiàn)[25]。

4.2.3 用戶滿意度約束

考慮用戶滿意度約束,以避免對(duì)用戶的工作和生活造成影響。

Imin≤I≤1

(13)

(14)

4.2.4 CHP運(yùn)行約束

(15)

4.2.5 GB運(yùn)行約束

(16)

4.2.6 功率平衡約束

1)電功率平衡約束:

(17)

2)氣功率平衡約束:

(18)

3)熱功率平衡約束:

(19)

宮腔鏡是臨床中常用的一種微創(chuàng)輔助技術(shù)，因?yàn)閷m腔鏡具有放大和直視功能，能仔細(xì)、直觀地觀察病灶，在診斷剖宮產(chǎn)后瘢痕妊娠時(shí)具有非常重要的作用。宮腔鏡手術(shù)結(jié)合了宮腔鏡放大、直視的優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)患者的病灶情況和宮腔內(nèi)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確了解，對(duì)妊娠組織、殘留絨毛組織等進(jìn)行充分清除，不會(huì)盲目破壞子宮內(nèi)膜，有效保護(hù)患者的生育能力。宮腔鏡手術(shù)能對(duì)出血點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行電凝止血，能讓手術(shù)安全性顯著提高，讓手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)中出血量降低，減輕手術(shù)對(duì)患者機(jī)體的損傷和擾亂，患者術(shù)后恢復(fù)時(shí)間短，依從性比較理想。

5 算例分析

為了進(jìn)行案例研究,本文選取了中國東北地區(qū)的一個(gè)綜合性工業(yè)園區(qū)作為分析對(duì)象,因其對(duì)電、氣、熱負(fù)荷的需求是多樣化的。本文系統(tǒng)以24 h為一個(gè)調(diào)度周期進(jìn)行仿真。IES中的設(shè)備參數(shù)與儲(chǔ)能參數(shù)詳見附錄A表A1、A2;IES內(nèi)部風(fēng)電出力與電、氣、熱負(fù)荷預(yù)測值詳見附錄A圖A1;分時(shí)電價(jià)、分時(shí)氣價(jià)詳見文獻(xiàn)[28];實(shí)際碳排放模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[29];產(chǎn)生單位電量的碳排放權(quán)配額σe=0.798 kg/(kW·h)、產(chǎn)生單位熱量的碳排放權(quán)配額σh=0.385 kg/(kW·h);消耗單位氣負(fù)荷的碳排放權(quán)配額σg,load=0.180 kg/(kW·h);碳排放量區(qū)間長度d=2 000 kg,價(jià)格增長幅度α=0.25,碳交易基價(jià)λ=0.251元/kg[30];需求側(cè)的可轉(zhuǎn)移型負(fù)荷占總負(fù)荷的10%,且可替代型負(fù)荷占總負(fù)荷的5%。將前文所提及的低碳優(yōu)化調(diào)度模型分段線性化成為線性模型,然后使用Matlab軟件的CPLEX求解器對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

5.1 階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)的效益分析

為了驗(yàn)證在階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)效果,設(shè)計(jì)了以下5種情景進(jìn)行比較和分析。

情景1：在階梯式碳交易機(jī)制下,不考慮需求響應(yīng),不考慮碳交易成本。

情景2：在傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下,不考慮需求響應(yīng),考慮碳交易成本。

情景3：在階梯碳交易機(jī)制下,不考慮需求響應(yīng),考慮碳交易成本。

情景4：在階梯碳交易機(jī)制下,考慮碳交易成本和需求側(cè)負(fù)荷的橫向時(shí)移。

情景5：在階梯碳交易機(jī)制下,考慮碳排放成本和需求側(cè)負(fù)荷的橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代。

每種情景系統(tǒng)的運(yùn)行總成本和實(shí)際碳排放量見表1。情景1、情景2的電、熱、氣功率平衡情況見圖2、3。

表1 各情景優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 1 Optimized scheduling results for each scenario

圖3 情景2電、氣、熱功率平衡圖Fig.3 Electrical, gas, and thermal power balance diagram for scenario 2

情景1在優(yōu)化調(diào)度時(shí)未考慮系統(tǒng)的碳交易成本,轉(zhuǎn)而以能源購買成本最低為其優(yōu)化調(diào)度目標(biāo),這就使得系統(tǒng)更傾向于購買價(jià)格較低的天然氣來供能以減少其自身的能源購買成本,而大量燃燒天然氣會(huì)顯著增加碳排放量,只能購買碳排放權(quán)配額來抵消多余的CO2排放。因此情景1不僅碳排放量高,系統(tǒng)的運(yùn)行總成本也遠(yuǎn)高于其他情景。

正因?yàn)榍榫?相較于情景1而言考慮了系統(tǒng)的碳交易成本,所以才在此情景下對(duì)碳排放量有所制約。盡管天然氣的購買價(jià)格較為便宜,并且低于電力的購買價(jià)格,但使用天然氣會(huì)造成較高的CO2排放,使系統(tǒng)在碳交易市場上額外購買碳排放權(quán)配額所花費(fèi)的成本高于系統(tǒng)所節(jié)省的能源購買成本。因此情景2的碳排放量比情景1低1 243.76 kg,系統(tǒng)的運(yùn)行總成本相較于情景1也減少了2 132.66元。

2)情景2與情景3對(duì)比結(jié)果分析。

情景3相較于情景2而言改用階梯式碳交易機(jī)制來計(jì)算系統(tǒng)的碳交易成本,而摒棄了傳統(tǒng)的碳交易機(jī)制。碳交易成本是系統(tǒng)運(yùn)行總成本的重要組成部分,又由于購買碳排放權(quán)配額的價(jià)格是階梯式遞增的,所以當(dāng)碳交易成本的權(quán)重增加時(shí),激勵(lì)了系統(tǒng)更加注重減少自身的碳排放量,所以情景3比情景2的碳排放量減少了1 734.78 kg。但由于改用階梯式碳交易機(jī)制來計(jì)算系統(tǒng)的碳交易成本,使得情景3較于情景2的碳交易成本增加了129.88元,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行總成本增加。

3)情景3與情景5對(duì)比結(jié)果分析。

情景5在情景3的基礎(chǔ)上考慮了用戶側(cè)的需求響應(yīng),從DR角度出發(fā)引入了電-氣-熱橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略,使得用戶可以根據(jù)能源價(jià)格的不同而改變能源使用策略。例如將白天部分的負(fù)荷需求轉(zhuǎn)移到夜間或其余能源價(jià)格較低的時(shí)間段,也可以在同一時(shí)間且滿足自身需求的前提下,自由選擇設(shè)備以達(dá)到節(jié)能的效果。因此與情景3相比,情景5不但碳排放量減少了1 066.47 kg,系統(tǒng)的運(yùn)行總成本也減少了1 154.57元,在低碳性與經(jīng)濟(jì)性兩方面發(fā)揮了顯著效果。

5.2 碳交易基價(jià)與區(qū)間長度影響分析

在一個(gè)考慮碳交易的系統(tǒng)中,因碳交易成本為目標(biāo)函數(shù)的重要組成部分,所以其變化會(huì)對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行總成本有著一定程度的影響。圖4、5分別給出了碳交易基價(jià)λ、區(qū)間長度d與該系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量及碳交易成本之間的關(guān)系曲線。

圖4 碳交易基價(jià)對(duì)IES的影響Fig.4 The impact of carbon trading base prices on integrated energy systems

當(dāng)λ上升時(shí),碳交易成本比重隨之逐漸增大,此時(shí)該系統(tǒng)及時(shí)地對(duì)碳價(jià)作出反應(yīng),為降低自身運(yùn)行成本,系統(tǒng)中的實(shí)際碳排放量將顯著減少,但因價(jià)格的上升幅度超過實(shí)際碳排放量下降幅度,碳交易成本會(huì)逐漸增加,此時(shí)碳交易成本的增加歸咎于λ的增加;當(dāng)λ≥0.35元/kg時(shí),系統(tǒng)各部分設(shè)備的運(yùn)行會(huì)保持一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài),碳排放量達(dá)到其谷值且基本穩(wěn)定,即使λ不斷上漲,但仍無法改變系統(tǒng)行為,因此碳交易成本隨著λ的上升而增加,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行總成本增加。

當(dāng)2 000 kg≤d<4 000 kg時(shí),因d的跨度空間很小,所以根據(jù)IES的實(shí)際碳排放量,系統(tǒng)需額外購買較多的碳排放權(quán)配額,但其價(jià)格處在階梯碳價(jià)較高的區(qū)間,從而導(dǎo)致碳交易成本驟增,此時(shí)該系統(tǒng)及時(shí)地作出反應(yīng),為降低自身運(yùn)行成本系統(tǒng)只能保持較低的碳排放量;當(dāng)4 000 kg≤d<8 000 kg時(shí),因d的跨度空間很大,此時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量,其形成了在階梯碳價(jià)較低的區(qū)間額外購買碳排放權(quán)配額的行為,使得系統(tǒng)的碳交易成本顯著降低,但系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量顯著增加;當(dāng)8 000 kg≤d<10 000 kg時(shí),因d的跨度空間過大,系統(tǒng)需要在碳交易市場上額外購買碳排放權(quán)配額全部處于階梯碳價(jià)較低的區(qū)間,因?yàn)閮r(jià)格上升空間很小,無法改變系統(tǒng)自身行為,所以此時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際碳排放量趨于平穩(wěn)。

以上分析表明,適當(dāng)?shù)奶冀灰谆鶞?zhǔn)定價(jià)和區(qū)間長度的合理設(shè)置可以促進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與低碳排放之間的協(xié)同效應(yīng)。

5.3 基于橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代的需求響應(yīng)策略分析

從表1可以看出,與情景3相比,情景4、情景5的碳排放量分別減少了186.35 kg、1 066.47 kg;就系統(tǒng)的運(yùn)行總成本而言,情景4、情景5下的系統(tǒng)運(yùn)行總成本較情景3分別減少603.23元、1 237.21元。這兩種情景的需求響應(yīng)結(jié)果如圖6、7所示。三種情景的電、熱功率平衡圖如圖8-10所示。

圖6 情景4下需求響應(yīng)結(jié)果Fig.6 Demand response for scenario 4

圖7 情景5下需求響應(yīng)結(jié)果Fig.7 Demand response for scenario 5

圖8 情景3電、氣、熱功率平衡圖Fig.8 Electrical, gas, and thermal power balance diagram for scenario 3

圖9 情景4電、氣、熱功率平衡圖Fig.9 Electrical, gas, and thermal power balance diagram for scenario 4

圖10 情景5電、氣、熱功率平衡圖Fig.10 Electrical, gas, and thermal power balance diagram for scenario 5

1)情景3與情景4對(duì)比結(jié)果分析。

由于夜間風(fēng)電的逆峰調(diào)節(jié)特性,為減少棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生,夜間可使用電負(fù)荷取代部分氣、熱負(fù)荷;與此同時(shí),受時(shí)間不同電價(jià)不同的影響作用,IES會(huì)將白天部分的電力負(fù)荷需求向夜間轉(zhuǎn)移以提升能源利用率,進(jìn)而減少系統(tǒng)運(yùn)行總成本。

如圖2熱負(fù)荷DR所示,相較于白天而言用戶側(cè)對(duì)熱負(fù)荷的需求量大都在夜間時(shí)段。系統(tǒng)中耗天然氣型設(shè)備會(huì)保持著高碳排放狀態(tài)以滿足此時(shí)熱負(fù)荷的需求,但由于此時(shí)系統(tǒng)對(duì)碳交易成本有所制約,因此將部分熱負(fù)荷從夜間時(shí)移到白天以減少碳排放量,進(jìn)而降低碳交易成本。由于考慮了需求側(cè)負(fù)荷的橫向時(shí)移,使得CHP出力有所減小,為更好滿足用戶側(cè)對(duì)于熱負(fù)荷的需求,采用GB進(jìn)行熱功率輸出,此舉措可在一定程度上節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)行總成本。

由于氣負(fù)荷采用橫向時(shí)移策略并不會(huì)影響總體碳排量,同時(shí)采用此策略時(shí)無法避免DR補(bǔ)償反而增加成本,所以氣負(fù)荷并未使用橫向時(shí)移策略。

2)情景4與情景5對(duì)比結(jié)果分析。

在情景5下需求側(cè)采取了橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略。為進(jìn)一步減少棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生,夜間可使用電負(fù)荷取代部分氣、熱負(fù)荷;在白天購電價(jià)格要高于購氣價(jià)格,因此可使用氣負(fù)荷取代部分電、熱負(fù)荷?？梢?DR策略的實(shí)施能夠在一定程度上改變負(fù)荷曲線,緩解能源供應(yīng)壓力,從而發(fā)揮出需求側(cè)在IES運(yùn)行中的優(yōu)化潛力,這主要源于兩個(gè)方面:橫向時(shí)移DR是將峰值時(shí)段的部分負(fù)荷功率移至負(fù)荷較低時(shí)段,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線的“削峰填谷”;通過縱向互補(bǔ)替代DR,可以提供靈活多樣的能源使用選擇,實(shí)現(xiàn)不同能源負(fù)荷的互補(bǔ)替代。

6 結(jié) 論

本文引入階梯式碳交易機(jī)制和橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略并構(gòu)建了IES低碳優(yōu)化調(diào)度模型,將5種典型情景下IES的碳排放量與系統(tǒng)運(yùn)行總成本進(jìn)行比較,并對(duì)階梯式碳交易機(jī)制、碳交易基價(jià)λ與區(qū)間長度d、需求側(cè)橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代策略對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和低碳性的影響進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論。

1)本文考慮傳統(tǒng)碳交易機(jī)制的不足,改用階梯式碳交易機(jī)制,其碳價(jià)的階梯遞增可以激勵(lì)系統(tǒng)更加注重減少自身的碳排放量。合理設(shè)置碳交易基價(jià)與區(qū)間長度可以促進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與低碳排放之間的協(xié)同效應(yīng)。

2)本文提出的DR方法可以有效實(shí)現(xiàn)電-氣-熱負(fù)荷的橫向時(shí)移與縱向互補(bǔ)替代,在一定程度上緩解能源供應(yīng)壓力,有效地協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

3)在階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)可以優(yōu)化綜合能源系統(tǒng),使其達(dá)到節(jié)能減排的效果,使得系統(tǒng)運(yùn)行更加低碳且節(jié)約成本,在此策略下IES的運(yùn)行總成本下降了5.69%,碳排放量降低了17.06%。

后續(xù)將對(duì)風(fēng)電出力不確定性開展深入研究,此外也會(huì)對(duì)IES在多時(shí)間尺度[31]下逐步優(yōu)化,使其低碳、經(jīng)濟(jì)地穩(wěn)步發(fā)展。

附錄A

表A1 設(shè)備參數(shù)Table A1 Device parameters

圖A1 IES 內(nèi)部風(fēng)電出力與電、氣、熱負(fù)荷預(yù)測值Fig.A1 Integrated energy system internal wind power output and electricity, gas and heat load forecasts