多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策方法研究框架與展望

崔勇,韓一春,鄭謙,國(guó)海,楊文杰,劉宗飛

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.安徽科技學(xué)院 管理學(xué)院,安徽 蚌埠 233030; 3.寧夏理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,寧夏 石嘴山 753000; 4.安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是力爭(zhēng)我國(guó)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效途徑[1]。能源行業(yè)在碳排放中所占比重較大,是電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[2]。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,具有不同發(fā)電特性的能源在電能生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)耦合作用越來(lái)越強(qiáng)[3]。如虛擬電廠(chǎng)[4]聚合分布式能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷等資源,為電網(wǎng)提供主動(dòng)管理服務(wù)并提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,但在虛擬電廠(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中,面臨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享和市場(chǎng)監(jiān)管等方面的問(wèn)題,限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用和效益發(fā)揮。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)[5]需要解決不同能源間的協(xié)調(diào)和優(yōu)化問(wèn)題,包括能源互補(bǔ)性的評(píng)估、能量流動(dòng)管理以及多能源間的協(xié)同控制等方面的挑戰(zhàn)。負(fù)荷聚合商[6]整合分散的需求響應(yīng)參與電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng),提高市場(chǎng)交易效率,但其在促進(jìn)不同能源協(xié)調(diào)合作方面受限。本文在多能互補(bǔ)運(yùn)營(yíng)模式[7-8]基礎(chǔ)上,提出由風(fēng)電、光伏、水電、火電構(gòu)成的多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式,通過(guò)多種異質(zhì)能源之間的信息對(duì)稱(chēng)與資源共享,更好地整合不同形式能源,提高能源生產(chǎn)與供應(yīng)效率,并且考慮聯(lián)盟內(nèi)各發(fā)電主體利益分配均衡性及合作運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性,建立合理的效益分配機(jī)制,提升各主體參與聯(lián)盟意愿。

為進(jìn)一步了解本文相關(guān)研究的國(guó)內(nèi)外前沿,利用Citespace軟件繪制多能聯(lián)盟相關(guān)關(guān)鍵詞共現(xiàn)及時(shí)間發(fā)展脈絡(luò)的知識(shí)圖譜,凝練其重點(diǎn)研究方向,分析多能聯(lián)盟領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及其存在的不足之處,并構(gòu)建由風(fēng)電廠(chǎng)、光伏電站、抽水蓄能電站、火電廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)電、光伏、水電、火電)組成的多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)研究框架。設(shè)計(jì)聯(lián)盟碳配額共享機(jī)制,降低火電碳排放,并以各發(fā)電主體利益為導(dǎo)向構(gòu)建多能聯(lián)盟電-碳-綠證協(xié)同優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模型,根據(jù)各主體對(duì)聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)收益的多重貢獻(xiàn)度,改進(jìn)shapley值法對(duì)聯(lián)盟綜合收益進(jìn)行再分配,提升各發(fā)電主體參與聯(lián)盟意愿。最后建立多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策體系,為制定新能源電力系統(tǒng)低碳運(yùn)營(yíng)方案提供決策依據(jù)。

1 基于知識(shí)圖譜的多能聯(lián)盟相關(guān)研究熱點(diǎn)分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

本文采用Citespace軟件進(jìn)行多能聯(lián)盟領(lǐng)域相關(guān)研究知識(shí)圖譜分析,數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)庫(kù)與中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的北大中文核心、CSSCI、CSCD、EI類(lèi)期刊,檢索方式是在WOS的主題詞檢索欄輸入TS="carbon trading" OR "low carbon" OR "carbon market"OR "carbon quota" AND TS="multi-energy complementary" OR "integrated energy" OR "generation alliance"OR "multi-energy alliance",同時(shí)設(shè)置CNKI的搜索篇關(guān)摘為T(mén)KA=碳交易+低碳+碳市場(chǎng)+碳配額 AND TKA=多能互補(bǔ)+綜合能源+發(fā)電聯(lián)盟+多能聯(lián)盟,精確檢索兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)在2010年1月至2023年5月發(fā)表的“研究論文”和“綜述論文”,通過(guò)手動(dòng)篩選去除無(wú)關(guān)文獻(xiàn),最終保留待分析的文獻(xiàn)數(shù)量分別為CNKI350篇和WOS500篇。

1.2 研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

基于Citespace軟件及知識(shí)圖譜方法[9]分析國(guó)際與國(guó)內(nèi)期刊相關(guān)研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的共同熱點(diǎn)關(guān)鍵詞包括碳中和(carbon neutrality)、碳交易(carbon trading)、多能互補(bǔ)(國(guó)際側(cè)重于研究integrated energy system)、合作博弈(cooperative game)等,且上述關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次相對(duì)較高,屬于核心關(guān)鍵詞。將熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行歸納總結(jié),可以凝練出三個(gè)重點(diǎn)研究方向:1)關(guān)于多類(lèi)能源聯(lián)合參與碳交易降低碳排放等方面的研究;2)多類(lèi)能源互補(bǔ)運(yùn)營(yíng)以降低成本或提升能源利用效率等方面的研究;3)多類(lèi)能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)收益分配機(jī)制等方面的研究。

1.2.1 多類(lèi)能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)碳交易機(jī)制

以多類(lèi)能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式參與碳市場(chǎng),根據(jù)碳交易中碳價(jià)的差異,可分為單一碳價(jià)交易、階梯式碳價(jià)交易和市場(chǎng)出清碳價(jià)交易3種。文獻(xiàn)[10-11]建立了含單一碳價(jià)格交易的多能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,探討碳交易機(jī)制對(duì)多能園區(qū)碳減排的引導(dǎo)作用。單一碳價(jià)交易的規(guī)則簡(jiǎn)單,適用于碳交易市場(chǎng)初期階段[12],但未能反映碳交易市場(chǎng)的實(shí)時(shí)供需關(guān)系。

階梯式碳交易機(jī)制根據(jù)碳交易量設(shè)定不同的交易價(jià)格區(qū)間,燃煤企業(yè)受高碳排放成本驅(qū)使主動(dòng)節(jié)能減排。文獻(xiàn)[13]研究階梯式碳交易機(jī)制對(duì)IES碳排放和運(yùn)營(yíng)收益的影響,與單一碳價(jià)交易機(jī)制相比,設(shè)置合理的階梯碳交易價(jià)格和碳排放權(quán)交易量可顯著降低碳排放量,提高IES運(yùn)營(yíng)收益。文獻(xiàn)[14]在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了獎(jiǎng)懲階梯式碳交易模型,對(duì)比研究碳交易統(tǒng)一碳價(jià),階梯碳價(jià)與獎(jiǎng)懲階梯碳價(jià)三種碳價(jià)機(jī)制對(duì)電力系統(tǒng)碳排放的影響。與單一碳價(jià)交易相比,階梯碳交易使高排放企業(yè)支付更高的成本,對(duì)其碳排放抑制能力更強(qiáng)[15]。

與單一碳價(jià)和階梯碳價(jià)交易機(jī)制相比,市場(chǎng)出清碳價(jià)交易機(jī)制更能體現(xiàn)碳交易供需關(guān)系,充分發(fā)揮市場(chǎng)資源配置作用[16]。但是,市場(chǎng)出清碳價(jià)交易過(guò)程復(fù)雜,且具有碳價(jià)大幅波動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn),需要建立健全的配套市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制[17]。上述文獻(xiàn)側(cè)重于研究碳交易機(jī)制對(duì)系統(tǒng)外部環(huán)境減排效果,但未考慮碳交易機(jī)制設(shè)計(jì)合理性與碳減排效果關(guān)聯(lián)性,且由于碳交易本質(zhì)上是增加傳統(tǒng)能源碳排放成本引導(dǎo)其減小出力,可能會(huì)影響聯(lián)盟整體經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.2 多類(lèi)能源互補(bǔ)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型能源的智能調(diào)度和協(xié)同管理,整合各類(lèi)能源優(yōu)勢(shì),降低能源系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本,并提升能源利用效率。多能互補(bǔ)系統(tǒng)主要有兩種模式:一是面向終端用戶(hù)電、熱、冷、氣等多種用能需求,互補(bǔ)利用傳統(tǒng)能源和新能源,優(yōu)化布局建設(shè)集成供能基礎(chǔ)設(shè)施,通過(guò)天然氣熱電冷三聯(lián)供或IES等方式,實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源梯級(jí)利用;文獻(xiàn)[18]提出日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)三個(gè)層次的IES優(yōu)化運(yùn)行策略,有效利用多種能源互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),促進(jìn)IES多時(shí)空尺度能源供需平衡。文獻(xiàn)[19]建立社區(qū)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化模型,分析用戶(hù)耗能特性和電熱多能需求響應(yīng),優(yōu)化其能源消費(fèi)行為,降低用戶(hù)用能成本并提高用電滿(mǎn)意度。二是利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、火電等大型綜合能源基地的資源組合優(yōu)勢(shì),推進(jìn)風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行。文獻(xiàn)[20]針對(duì)風(fēng)-光-熱-儲(chǔ)-氫多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),提出一種基于全年時(shí)序生產(chǎn)模擬的源端電/熱/氫儲(chǔ)能容量協(xié)調(diào)優(yōu)化配置方法,提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和利用率。文獻(xiàn)[21]提出基于燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)的風(fēng)光火儲(chǔ)多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度策略,拓寬多能互補(bǔ)的途徑,提高能源的綜合利用效率?，F(xiàn)有研究側(cè)重于利用多能源互補(bǔ)特性,降低其運(yùn)行成本或獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,但并未考慮各主體參與聯(lián)合運(yùn)營(yíng)意愿,在提升合作運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性方面存在進(jìn)一步研究空間。

1.2.3 多類(lèi)能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)收益分配機(jī)制

多能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式下,各主體均具有追求自身利益最大化的需求,聯(lián)盟參與電力市場(chǎng)或碳市場(chǎng)獲得收益,將該收益按貢獻(xiàn)分配給各能源主體,建立合理的利益分配機(jī)制是聯(lián)盟穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的核心[22]。目前多數(shù)研究基于合作博弈理論建立聯(lián)盟收益分配機(jī)制[23-24]。文獻(xiàn)[25]基于shapley值法,構(gòu)建了園區(qū)用戶(hù)、供氣系統(tǒng)、IES的合作博弈利益分配模型,以各主體對(duì)合作聯(lián)盟的貢獻(xiàn)進(jìn)行利益分配,最大限度發(fā)揮園區(qū)內(nèi)部各能源系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性。但常規(guī)shapley值法按統(tǒng)一權(quán)重的1/n分配給參與者,忽略了各主體收益分配需要考慮的其他因素貢獻(xiàn),影響其參與聯(lián)盟意愿。針對(duì)此問(wèn)題,文獻(xiàn)[26]提出一種基于能源消耗率改進(jìn)的shapley值利潤(rùn)分配機(jī)制,并應(yīng)用于多社區(qū)利潤(rùn)分配場(chǎng)景,有效地保證多社區(qū)穩(wěn)定合作。文獻(xiàn)[27]綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)水平,利潤(rùn)貢獻(xiàn)率,提出多因素改進(jìn)的shapley值法收益分配模型,有效提高虛擬電廠(chǎng)整體及其內(nèi)部成員參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)后的收益。上述文獻(xiàn)側(cè)重于考慮利潤(rùn)貢獻(xiàn)率等經(jīng)濟(jì)因素對(duì)shapley值法進(jìn)行改進(jìn),考慮環(huán)境因素的影響改進(jìn)收益分配機(jī)制的研究較少。

1.3 關(guān)鍵詞時(shí)間線(xiàn)分析

早在2011年之前,國(guó)際已開(kāi)始采用多類(lèi)能源聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式參與碳交易市場(chǎng),進(jìn)行系統(tǒng)低碳運(yùn)營(yíng)。相比之下,國(guó)內(nèi)碳市場(chǎng)起步較晚,在早期不同能源聯(lián)合運(yùn)營(yíng)研究中,主要以安全約束和經(jīng)濟(jì)成本作為主要考慮目標(biāo)[28-29],降低能源供給成本,提升能源整體利用效率,促進(jìn)不同能源之間的深度融合。在碳交易關(guān)鍵詞中,我國(guó)于2019年提出基于碳配額-綠證聯(lián)合交易的IES低碳運(yùn)營(yíng)策略[30-31],且碳捕集[32]及電轉(zhuǎn)氣[33]等技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步為電力系統(tǒng)低碳運(yùn)營(yíng)提供新的途徑。在合作博弈關(guān)鍵詞中:國(guó)內(nèi)側(cè)重于研究多能源合作運(yùn)營(yíng)后的收益分配或成本分?jǐn)倖?wèn)題[34-35],以提升各主體利益分配合理性;國(guó)際側(cè)重于電動(dòng)汽車(chē)[36]、儲(chǔ)能[37]等方面合作博弈研究。

在雙碳目標(biāo)下,國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)發(fā)展以能源轉(zhuǎn)型為主,但由于國(guó)內(nèi)能源需求量巨大,傳統(tǒng)能源在電力生產(chǎn)方面仍然占據(jù)主導(dǎo)地位,歐洲許多國(guó)家已實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型,如冰島已實(shí)現(xiàn)100%新能源供電。在電力系統(tǒng)低碳發(fā)展方面國(guó)內(nèi)外主要研究新能源開(kāi)發(fā)與利用,比如:1)通過(guò)高效的新能源發(fā)展規(guī)劃,提升新能源裝機(jī)容量,以滿(mǎn)足系統(tǒng)降碳和用能需求;2)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有新能源發(fā)電技術(shù)改進(jìn),結(jié)合信息技術(shù)和人工智能技術(shù),實(shí)時(shí)分析新能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)能源需求和供應(yīng)情況,提高新能源系統(tǒng)發(fā)電效率和可靠性;3)為解決新能源出力的不確定性和間歇性,以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性,積極開(kāi)展新能源、傳統(tǒng)能源及儲(chǔ)能的協(xié)同運(yùn)營(yíng)研究;4)研究新能源的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、跨境能源合作以及跨國(guó)電力交易,實(shí)現(xiàn)更大范圍的能源資源優(yōu)化配置。

1.4 多能聯(lián)盟領(lǐng)域待解決的關(guān)鍵問(wèn)題

通過(guò)對(duì)CNKI的350篇和WOS的500篇論文中相關(guān)研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞分析及時(shí)間發(fā)展脈絡(luò)分析,發(fā)現(xiàn)以多能源聯(lián)合運(yùn)營(yíng)模式參與市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)存在以下問(wèn)題:

1)不同發(fā)電特性能源的協(xié)同運(yùn)營(yíng)受到高度關(guān)注,但是考慮合作穩(wěn)定性參與市場(chǎng)交易的收益分配優(yōu)化決策方法研究不夠深入;尤其是基于外部市場(chǎng)交易競(jìng)爭(zhēng)的各主體組合動(dòng)態(tài)收益優(yōu)化平衡研究不足。

2)階梯式碳交易機(jī)制促進(jìn)系統(tǒng)減少碳排放等方面雖有研究,但是關(guān)于碳減排量、階梯碳價(jià)及階梯區(qū)間之間關(guān)聯(lián)性的機(jī)理研究不足,缺少對(duì)于碳交易機(jī)制實(shí)際運(yùn)作效果的理論驗(yàn)證。

3)不同發(fā)電主體利用其互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)聯(lián)合參與市場(chǎng)交易,提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與各主體收益等方面雖有研究;但對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部各主體收益分配均衡性,以及考慮不同主體參與聯(lián)合運(yùn)營(yíng)意愿方面研究不足。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出考慮碳配額共享的多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策方法,并設(shè)計(jì)總體研究框架,如圖1所示。

2 多能聯(lián)盟碳配額共享機(jī)制

2.1 多能聯(lián)盟研究假設(shè)

1)假設(shè)風(fēng)電、光伏、水電、火電四種能源為實(shí)現(xiàn)總體利益或個(gè)體利益提升有存在聯(lián)盟的可能性,不同主體之間合作,實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定需滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件:一是聯(lián)盟整體收益大于其每個(gè)成員單獨(dú)經(jīng)營(yíng)時(shí)的收益之和;二是主體在聯(lián)盟內(nèi)分配所得利益不低于獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。

2)假設(shè)聯(lián)盟內(nèi)各發(fā)電主體生產(chǎn)信息對(duì)稱(chēng),不同能源可以更好地預(yù)測(cè)和調(diào)整產(chǎn)能及需求,以確保聯(lián)盟內(nèi)部資源共享?；诼?lián)盟資源共享機(jī)制,假設(shè)多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)滿(mǎn)足相關(guān)物理約束,即系統(tǒng)運(yùn)行電壓、頻率等指標(biāo)均在正常范圍以?xún)?nèi)。

3)本文主要研究不同發(fā)電主體參與聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)組合優(yōu)化機(jī)制問(wèn)題,假設(shè)將各發(fā)電主體分別作為一個(gè)整體參與聯(lián)盟體運(yùn)營(yíng),暫不考慮同一發(fā)電主體內(nèi)發(fā)電機(jī)組或單元的發(fā)電效率等差異化。

4)假設(shè)發(fā)電側(cè)和需求側(cè)可以進(jìn)行電能自由交易,“風(fēng)、光、水、火”出力能夠滿(mǎn)足功率供需平衡,在負(fù)荷曲線(xiàn)24小時(shí)內(nèi),假設(shè)各發(fā)電主體不受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,能源政策外部環(huán)境影響;但一天24小時(shí)內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速天氣環(huán)境變化會(huì)影響風(fēng)電、光伏出力值。

2.2 聯(lián)盟內(nèi)碳配額共享機(jī)制

碳配額共享機(jī)制核心思路為設(shè)定減排目標(biāo)約束火電碳排放,并將減排目標(biāo)對(duì)應(yīng)的碳配額共享給多能聯(lián)盟,增加風(fēng)電、光伏出力并申請(qǐng)綠色證書(shū),獲取多重低碳收益。水電為風(fēng)電、光伏出力不確定性提供備用輔助服務(wù),且由于聯(lián)盟內(nèi)部資源共享,水電與新能源之間不涉及輔助服務(wù)方面的交易,但考慮到火電在聯(lián)盟參與市場(chǎng)交易中的主動(dòng)降碳貢獻(xiàn),以及水電提供輔助服務(wù)貢獻(xiàn),需對(duì)其進(jìn)行收益補(bǔ)償。該機(jī)制以利益引導(dǎo)多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng),具體實(shí)施步驟如下。

步驟一:多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式下碳排放主要來(lái)源于火電,采用基準(zhǔn)法對(duì)火電進(jìn)行碳配額,關(guān)系表達(dá)式為火電碳排放權(quán)配額與其出力成正比[38],如式(1)所示。

(1)

步驟二:根據(jù)火電往年碳排放數(shù)據(jù)以及碳達(dá)峰預(yù)測(cè)時(shí)間與峰值碳排放量[39],設(shè)定減排目標(biāo)CM,此時(shí)火電碳排放約束與聯(lián)盟參與碳市場(chǎng)交易約束分別如式(2)、式(3)所示。

CP≤CL-CM

(2)

CM≤CJ≤CL

(3)

式中CP為火電碳排放量;CJ為聯(lián)盟參與碳市場(chǎng)的碳交易量。根據(jù)式(2)并結(jié)合式(4)可折算火電最大出力值。

(4)

式中a、b、c為火電碳排放計(jì)算系數(shù)。

步驟三:火電碳配額共享量對(duì)應(yīng)發(fā)電權(quán)轉(zhuǎn)讓給風(fēng)電、光伏,提升新能源出力并申請(qǐng)綠色證書(shū)。

步驟四:多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)商參與電-碳-綠證市場(chǎng)交易,其中火電獲取碳交易收益,風(fēng)電、光伏獲得增發(fā)電量收益及綠證收益。

步驟五:考慮聯(lián)盟內(nèi)部各發(fā)電主體對(duì)聯(lián)盟綜合收益的不同貢獻(xiàn)度,對(duì)聯(lián)盟收益進(jìn)行重新分配,以提升各主體合作運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性。

3 多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)研究方案

3.1 多能聯(lián)盟電-碳-綠證協(xié)同優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模型

多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)籌火電最大發(fā)電量約束條件,結(jié)合電力交易中心給定的負(fù)荷曲線(xiàn),考慮火電參與碳市場(chǎng),以及風(fēng)電、光伏參與綠證市場(chǎng)出清計(jì)算,申報(bào)各主體出力計(jì)劃。多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式促使新能源電力、碳交易與綠證交易量協(xié)同增加,考慮碳配額共享的多能聯(lián)盟協(xié)同運(yùn)營(yíng)模式如圖2所示。

圖2 考慮碳配額共享的多能聯(lián)盟協(xié)同運(yùn)營(yíng)模式

聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)商以參與電-碳-綠證市場(chǎng)總收益最大為目標(biāo)運(yùn)營(yíng),如式(5)所示。

maxE=EC+EP+EG

(5)

式中E為多能聯(lián)盟總收益;EC為聯(lián)盟參與碳市場(chǎng)收益;EP為聯(lián)盟參與電力市場(chǎng)收益;EG為聯(lián)盟參與綠證市場(chǎng)收益。

1)參與碳市場(chǎng)收益。

多能聯(lián)盟中火電以階梯式碳交易機(jī)制參與碳市場(chǎng),主要包括交易配額量、階梯基準(zhǔn)碳價(jià)、階梯區(qū)間、階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率、碳交易收益五類(lèi)參數(shù),其本質(zhì)是交易價(jià)格按照一定區(qū)間長(zhǎng)度階梯遞加,火電碳交易收益也按照一定區(qū)間長(zhǎng)度階梯遞加,以激勵(lì)其主動(dòng)減排[40],該機(jī)制可通過(guò)式(6)進(jìn)行表示。

(6)

式中ρ為碳交易基準(zhǔn)價(jià)格;d為階梯區(qū)間長(zhǎng)度;δ為階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率,每上升一個(gè)階梯,碳交易價(jià)格增長(zhǎng)幅度為δρ。

以聯(lián)盟碳交易收益最大為目標(biāo),將式(6)多段函數(shù)表示為一個(gè)函數(shù),如式(7)所示。

(7)

式中l(wèi)表示為階梯個(gè)數(shù);ρ、d、CJ、δ分別表示階梯基準(zhǔn)碳價(jià),階梯區(qū)間、碳配額交易量與階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率;ρmax、ρmin分別為階梯基準(zhǔn)碳價(jià)上下限;δmax為階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率上限。

對(duì)于式(7)最大化問(wèn)題,擬采用KKT條件求解,引入拉格朗日乘子λ,將約束條件g(ρ,d,CJ,δ)納入目標(biāo)函數(shù)EC中,構(gòu)造拉格朗日函數(shù),如式(8)所示。

L(ρ,d,CJ,δ,λ)=EC-λ*g(ρ,d,CJ,δ)

(8)

求解式(7)的KKT條件如下:

a)穩(wěn)定性條件。

?L/?ρ=?L/?d=?L/?CJ=?L/?δ=0

(9)

b)原始可行性條件。

g(ρ,d,CJ,δ)≥0

(10)

c)對(duì)偶可行性條件。

λ≥0

(11)

d)互補(bǔ)松弛可行性條件。

λ*g(ρ,d,CJ,δ)=0

(12)

結(jié)合文獻(xiàn)[8]碳市場(chǎng)出清模型,聯(lián)立公式(6)～(12),可以求得聯(lián)盟與碳市場(chǎng)交易最大收益,以及對(duì)應(yīng)的階梯基準(zhǔn)碳價(jià)、階梯區(qū)間長(zhǎng)度、階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率與一天各時(shí)段的最優(yōu)碳配額交易量。

2)參與電力市場(chǎng)售電收益。

多能聯(lián)盟考慮火電碳約束式(2)～式(4),以新能源出力最大為目標(biāo),向電力市場(chǎng)申報(bào)出力計(jì)劃,電力現(xiàn)貨市場(chǎng)出清后,聯(lián)盟參與電力市場(chǎng)售電收益為。

(13)

式中λi為不同能源出力比例;ui為各主體對(duì)應(yīng)的上網(wǎng)電價(jià)。

3)參與綠證市場(chǎng)收益。

風(fēng)電、光伏主體每發(fā)1 MW·h電能,可申請(qǐng)一個(gè)綠色證書(shū),參與綠證市場(chǎng)交易。聯(lián)盟參與綠證市場(chǎng)收益為:

EG=αQ

(14)

式中α和Q分別為綠證市場(chǎng)的交易價(jià)格和多能聯(lián)盟交易綠證的數(shù)量。

3.2 考慮多因素的Shapley值法的收益分配模型

多能聯(lián)盟的綜合收益是由各個(gè)能源相互合作共同產(chǎn)生的,當(dāng)各主體核定自身收益偏離收益分配均衡值較多時(shí),則影響其參與聯(lián)盟意愿,降低聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性,因此需要對(duì)聯(lián)盟的綜合收益進(jìn)行合理分配,基于Shapley值法的聯(lián)盟收益分配模型如式(15)所示。

(15)

式中xi(0)為四種能源主體收益分配Shapley值;n是構(gòu)成聯(lián)盟的主體數(shù)量;|s|是聯(lián)盟子集s中的主體數(shù)量,|s|≤n;v(s)是子集s收益;v(si)為子集s去除主體i后對(duì)應(yīng)的收益。

不同發(fā)電主體對(duì)聯(lián)盟綜合收益貢獻(xiàn)各異,多能聯(lián)盟綜合收益既包括參與碳市場(chǎng)與綠證市場(chǎng)獲得的低碳收益,也包括風(fēng)電、光伏的增發(fā)電量收益,且風(fēng)電、光伏產(chǎn)生增發(fā)電量成本,水電產(chǎn)生提供備用輔助服務(wù)成本。本文擬將綠色環(huán)保貢獻(xiàn)度[41]、綜合收益貢獻(xiàn)度和成本貢獻(xiàn)度納入Shapley模型,引入改進(jìn)因子對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行再調(diào)整,提出基于多因素改進(jìn)Shapley值法的多能聯(lián)盟收益分配模型。

1)綠色環(huán)保貢獻(xiàn)度。

在多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,火電對(duì)環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在其參與碳市場(chǎng)交易增加的碳配額收益,風(fēng)電、光伏對(duì)環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在其通過(guò)提高消納量增加的綠證收益,定義綠色環(huán)保貢獻(xiàn)度為各主體綠色環(huán)保收益和聯(lián)盟總綠色環(huán)保收益的比值。

2)綜合收益貢獻(xiàn)度。

聯(lián)盟內(nèi)各能源在進(jìn)行收益分配時(shí),不但考慮Shapley值法中的邊際貢獻(xiàn),還應(yīng)考慮各主體對(duì)于整個(gè)聯(lián)盟的收益貢獻(xiàn),定義綜合收益貢獻(xiàn)度為各主體收益占聯(lián)盟總收益的比值。

3)成本貢獻(xiàn)度。

風(fēng)電、光伏增發(fā)電量成本和水電提供備用輔助服務(wù)成本屬于合作成本損失,降低其參與聯(lián)盟意愿,故將各主體成本貢獻(xiàn)度納入收益分配模型,定義成本貢獻(xiàn)度為各主體改變自身運(yùn)行狀態(tài)帶來(lái)的成本變動(dòng)與聯(lián)盟總成本變動(dòng)的比值。

基于多重因素改進(jìn)的Shapley收益分配表達(dá)式為:

(16)

3.3 多能聯(lián)盟互補(bǔ)能力分析

多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)時(shí),若各主體間的出力波動(dòng)方向相反,即能夠相互抵消,這表明各發(fā)電主體存在互補(bǔ)特性?；パa(bǔ)系數(shù)可用于衡量不同能源之間互補(bǔ)程度[42],它通?；诓煌茉闯隽?shù)據(jù)的相關(guān)性分析計(jì)算得出,如式(17)～式(19)所示。

(17)

(18)

(19)

4 多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策體系

選取合適的指標(biāo)是聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策的前提和基礎(chǔ),將可以反映聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)、低碳性、互補(bǔ)性的指標(biāo)作為產(chǎn)出,將影響聯(lián)盟產(chǎn)出的指標(biāo)作為投入,并采用灰色關(guān)聯(lián)分析法檢驗(yàn)投入-產(chǎn)出指標(biāo)之間的因果關(guān)聯(lián)關(guān)系,構(gòu)建基于投入-產(chǎn)出反饋的DEA三階段低碳運(yùn)營(yíng)決策體系,聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策流程如圖3所示。

圖3 多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策流程圖

4.1 多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策指標(biāo)選取

1)投入指標(biāo)選取。

a)階梯基準(zhǔn)碳價(jià)表示碳交易的基準(zhǔn)價(jià)格,階梯區(qū)間表示碳交易價(jià)格的范圍,階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率反映了碳交易價(jià)格的變化速度,將上述階梯碳交易機(jī)制中參數(shù)作為聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策投入指標(biāo),觀(guān)察聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)碳減排結(jié)果,可判斷階梯碳交易機(jī)制是否達(dá)到碳減排引導(dǎo)效果。

b)將各能源出力值作為聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策投入指標(biāo),觀(guān)察聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益,環(huán)境效益,能源互補(bǔ)系數(shù),可以評(píng)估聯(lián)盟內(nèi)不同形式能源優(yōu)化組合決策優(yōu)劣。

2)產(chǎn)出指標(biāo)選取。

a)將聯(lián)盟綜合收益作為低碳運(yùn)營(yíng)產(chǎn)出指標(biāo),可反映聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)整體經(jīng)濟(jì)效果。

b)多能互補(bǔ)系數(shù)表示不同能源之間的互補(bǔ)程度,將多能互補(bǔ)系數(shù)作為產(chǎn)出指標(biāo),可反映聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各能源之間的協(xié)同效應(yīng)和資源優(yōu)化利用程度。

c)碳減排量反映了多能聯(lián)盟減排效果,將碳減排量作為產(chǎn)出指標(biāo),可衡量聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)模式對(duì)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的支撐作用。

3)輸入對(duì)輸出指標(biāo)影響程度分析。

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[43],以階梯基準(zhǔn)碳價(jià)、階梯區(qū)間、階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率以及各能源出力值為特征序列(自變量),分別以聯(lián)盟綜合收益、多能互補(bǔ)系數(shù)、碳減排量為母序列(因變量),建模仿真,分析特征序列對(duì)母序列的影響關(guān)系,為多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策奠定基礎(chǔ)。

4.2 多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策方法

基于多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策指標(biāo),采用投入-產(chǎn)出反饋的三階段DEA模型進(jìn)行多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策,主要包括以下三個(gè)方面。

第一階段:多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率評(píng)估。DEA模型可根據(jù)多項(xiàng)投入指標(biāo)和多項(xiàng)產(chǎn)出指標(biāo),計(jì)算比較同類(lèi)決策單元之間的相對(duì)效率[44]。將階梯基準(zhǔn)碳價(jià)、階梯區(qū)間、階梯碳價(jià)增長(zhǎng)率、各機(jī)組出力作為DEA模型投入指標(biāo),以聯(lián)盟綜合收益、聯(lián)盟碳減排量、多能互相系數(shù)作為DEA模型產(chǎn)出指標(biāo),將中國(guó)某地典型負(fù)荷曲線(xiàn)每小時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行負(fù)荷作為DEA模型的決策單元,構(gòu)建DEA多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率評(píng)估模型,如式(20)所示。

(20)

式中k=1,2,…,24為決策單元;i=1,2,…,7為投入指標(biāo);r=1,2,3為產(chǎn)出指標(biāo);xik表示第k個(gè)決策單元第i個(gè)投入要素;yrk表示第k個(gè)決策單元第r個(gè)產(chǎn)出要素;θ為決策單元效率值;S-、S+為投入與產(chǎn)出指標(biāo)松弛變量;et為示非阿基米德無(wú)窮小量;λi表示為k個(gè)決策單元第i個(gè)投入指標(biāo)的權(quán)重。將投入和產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入DEA模型可運(yùn)算得出各決策單元效率值、投入松弛值S-以及產(chǎn)出松弛值S+,若投入產(chǎn)出松弛值均為0,說(shuō)明決策單元達(dá)到最優(yōu)效率;若任一松弛值大于0,說(shuō)明決策單元弱有效,但還存在一定的效率提升空間。

第二階段:消除外部天氣環(huán)境變量對(duì)聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率影響。根據(jù)研究假設(shè)式(4),多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率不僅受決策單元影響,光伏運(yùn)行狀態(tài)還受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素和系統(tǒng)投入隨機(jī)誤差影響,同樣風(fēng)電出力受風(fēng)速影響。在第一階段基礎(chǔ)上,以聯(lián)盟外部天氣環(huán)境因素、隨機(jī)誤差為自變量,投入指標(biāo)松弛值為因變量,構(gòu)建基于隨機(jī)前沿法的回歸方程(SFA)如式(21)所示。

sik=fi(zk;βp)+νik+uik

(21)

進(jìn)一步利用SFA回歸模型對(duì)決策單元的投入指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,將所有決策單元調(diào)整到相同的環(huán)境條件下評(píng)估聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率,如式(22)所示。

(22)

第三階段:基于DEA動(dòng)態(tài)循環(huán)反饋的多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策方法。對(duì)于聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)效率非DEA有效情況,可利用DEA第三階段投影值分析法確定投入要素冗余量,循環(huán)調(diào)整階梯式碳交易機(jī)制及各機(jī)組出力比例,直至聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率達(dá)到最優(yōu),分析聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)重點(diǎn)環(huán)節(jié),為調(diào)整碳交易機(jī)制及各機(jī)組出力,實(shí)現(xiàn)多能聯(lián)盟低碳高效運(yùn)營(yíng)決策奠定基礎(chǔ)。

5 綜合討論與研究展望

5.1 綜合討論

結(jié)合本文研究方案,綜合討論如下:

1)本文將各發(fā)電主體分別作為一個(gè)整體參與市場(chǎng)運(yùn)營(yíng),未考慮同一主體內(nèi)單個(gè)機(jī)組之間配合問(wèn)題,且不同機(jī)組間運(yùn)營(yíng)成本和效益存在差異性,將會(huì)對(duì)主體參與聯(lián)盟意愿產(chǎn)生一定影響。

2)本文基于聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)滿(mǎn)足相關(guān)物理約束的假設(shè)條件展開(kāi),系統(tǒng)物理約束條件對(duì)聯(lián)盟合作穩(wěn)定性的影響還需要進(jìn)一步研究。下一步構(gòu)建多能聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)雙層優(yōu)化模型,下層考慮各主體出力特征及參與市場(chǎng)交易能量約束條件,上層構(gòu)建多能聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)決策模型,通過(guò)聯(lián)盟雙層優(yōu)化調(diào)度,以實(shí)現(xiàn)能源的平衡和最優(yōu)化利用。

3)假設(shè)條件4未考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,能源政策外部環(huán)境變化對(duì)各發(fā)電主體出力的影響,還需建立聯(lián)盟外部多時(shí)間尺度能源環(huán)境變化預(yù)測(cè)模型,并結(jié)合聯(lián)盟內(nèi)部低碳運(yùn)營(yíng)模型,提升聯(lián)盟優(yōu)化能源調(diào)度和交易決策的精確性。

5.2 研究展望

1)探索未來(lái)大規(guī)模新能源跨區(qū)域消納對(duì)于不同區(qū)域電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型影響,系統(tǒng)研究不同區(qū)域間的低碳清潔能源優(yōu)化配置以及碳-綠證市場(chǎng)高效率運(yùn)營(yíng)將是重點(diǎn)研究方向。

2)進(jìn)一步考慮負(fù)荷削峰填谷效果,基于能源供需實(shí)時(shí)平衡的功率缺額模式,研究碳配額共享機(jī)制以及削峰填谷效果之間關(guān)系的相關(guān)變化規(guī)律,驗(yàn)證各主體對(duì)系統(tǒng)削峰填谷貢獻(xiàn),以及聯(lián)盟體運(yùn)營(yíng)模式對(duì)于新能源電力系統(tǒng)低碳運(yùn)營(yíng)的支撐作用。

3)目前碳配額核定多以中長(zhǎng)期時(shí)間尺度進(jìn)行,基于碳配額按日折算的假設(shè)條件下,碳交易可與短期電力市場(chǎng)交易協(xié)同進(jìn)行;此種運(yùn)行模式具有碳價(jià)頻繁大幅波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),無(wú)法更好地調(diào)度發(fā)電側(cè)資源。下一步將重點(diǎn)關(guān)注碳配額中長(zhǎng)期核定與電力市場(chǎng)短期交易相融合,以及建立短期碳排放權(quán)定價(jià)配套機(jī)制,以抑制碳價(jià)大幅波動(dòng),為聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)提供更為精確的調(diào)度方案和交易決策依據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了多能聯(lián)盟碳配額共享機(jī)制并構(gòu)建聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)決策方法,為新能源電力系統(tǒng)發(fā)展提供以下支撐:

1)碳配額共享機(jī)制約束火電碳排放,并提升多能聯(lián)盟新能源出力比例及碳配額、綠證交易量,為電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型提供理論方法。

2)考慮各主體對(duì)聯(lián)盟綜合收益多重貢獻(xiàn)因素,改進(jìn)基于shapley值的收益分配方法,提升各能源參與聯(lián)盟收益分配均衡性以及聯(lián)盟合作的穩(wěn)定性,并為能源優(yōu)化組合及其收益分配的定量市場(chǎng)決策提供參考依據(jù)。

3)建立基于三階段DEA的多能聯(lián)盟優(yōu)化低碳運(yùn)營(yíng)決策體系,通過(guò)聯(lián)盟低碳運(yùn)營(yíng)效率指標(biāo)變化規(guī)律,驗(yàn)證階梯式碳交易機(jī)制引導(dǎo)碳減排效果,并為階梯型碳交易機(jī)制改進(jìn)提供參考依據(jù),進(jìn)一步引導(dǎo)不同特性能源積極聯(lián)盟參與市場(chǎng),為電力系統(tǒng)低碳運(yùn)營(yíng)決策奠定理論基礎(chǔ)。