綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度研究

張銘鷹,趙 毅,張?zhí)泶T,劉人碩,陸銘陽

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

全社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大量排放CO2為環(huán)境帶來壓力,溫室氣體的大量排放進(jìn)一步導(dǎo)致全球氣候變暖[1]。因此,實(shí)現(xiàn)低碳電力將有望加速實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。

目前,有關(guān)建設(shè)綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面[2-3],忽略了IES減排的重要性。因此,文獻(xiàn)[4-5]探討了碳交易市場(chǎng)和碳排放計(jì)算模型,引入了一種綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。同時(shí),文獻(xiàn)[6]提出了一種獎(jiǎng)懲階梯式碳交易機(jī)制,以進(jìn)一步強(qiáng)化減排措施。

促進(jìn)清潔能源消納是節(jié)能減排的重要途徑,然而風(fēng)電的反調(diào)峰特性導(dǎo)致棄風(fēng)問題尤為突出[7]。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),一些研究者提出了一項(xiàng)解決方案,即采用電轉(zhuǎn)氣(power-to-gas,P2G)技術(shù),將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣,從而極大地提高了風(fēng)能利用效率。在文獻(xiàn)[8]中,構(gòu)建了一個(gè)包含P2G技術(shù)的IES,該系統(tǒng)同時(shí)考慮了多種能源,并結(jié)合納什策略進(jìn)行博弈分析。

含熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power,CHP)的優(yōu)化運(yùn)行也取得了一定成果[9-10]。一些研究已經(jīng)使用CHP系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)特性來建立模型。然而,這些模型通常默認(rèn)CHP系統(tǒng)的熱電比固定,這可能導(dǎo)致其產(chǎn)生的電力與系統(tǒng)需求不完全匹配。為了解決這個(gè)問題,在文獻(xiàn)[11]中,研究者考慮了可調(diào)節(jié)的CHP系統(tǒng)熱電比特性,以增強(qiáng)CHP的能源供給效能,并對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。

該研究構(gòu)建在原研究基礎(chǔ)上,全面考慮了階梯式碳交易機(jī)制、P2G兩階段運(yùn)行過程及CHP和氫燃料電池(hydrogen fuel cell,HFC)等具備可調(diào)節(jié)熱電比的運(yùn)行策略對(duì)IES優(yōu)化調(diào)度所產(chǎn)生的影響。

1 含階梯式碳交易機(jī)制與電制氫及供需靈

活雙響應(yīng)的IES運(yùn)行框架

集合多種能源形式的IES,協(xié)調(diào)運(yùn)作以適應(yīng)多元化的能源需求,在實(shí)現(xiàn)靈活性的同時(shí),該系統(tǒng)還引入了先進(jìn)的碳交易市場(chǎng)機(jī)制。另外,該系統(tǒng)對(duì)電解槽的兩階段運(yùn)行過程進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化,同時(shí),考慮到CHP設(shè)備的熱電比可調(diào)特性能夠更好地平衡和優(yōu)化能源供應(yīng)。具體框架如圖1所示。

圖1 IES框架

圖1是包含5個(gè)核心組件的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度框架。上級(jí)能源供給單元充當(dāng)能量源的角色,為整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)提供可再生清潔能源。電解槽(electrolyzer,EL)將電能轉(zhuǎn)化成氫能,氫能通過甲烷反應(yīng)器(methane reactor,MR)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為天然氣,也可直接通過氫燃料電池HFC轉(zhuǎn)化為電能和熱能,減少能源梯級(jí)消耗,提高能源利用率;燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB)通過燃燒天然氣提供熱能。

1.1 階梯式碳交易機(jī)制模型

為進(jìn)一步促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展,國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)為每個(gè)IES碳排放源設(shè)置了免費(fèi)碳排放配額。如果IES實(shí)際碳排放量低于分配碳排放配額,那么可將多余碳排放額度向碳市場(chǎng)出售,以獲取經(jīng)濟(jì)利益。如果IES實(shí)際碳排放量超過配額,則需要在碳市場(chǎng)上購(gòu)買超出部分,否則將面臨額外經(jīng)濟(jì)成本。

1.1.1 碳排放權(quán)配額模型

當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要采用無償分配方式進(jìn)行碳配額。在IES中,主要碳排放源包括上級(jí)購(gòu)電、GB和CHP。本文認(rèn)為上級(jí)購(gòu)電全部來源于煤電機(jī)組,碳排放權(quán)配額模型如下。

(1)

式中:EIES、Ee,buy、ECHP、EGB分別為IES、上級(jí)電網(wǎng)、CHP、GB的碳排放權(quán)配額;μe、μg分別為燃煤機(jī)組單位電力消耗、燃?xì)鈾C(jī)組單位天然氣消耗的碳排放權(quán)配額;Pe,buy(t)為t時(shí)段上級(jí)購(gòu)電量;PCHP,e(t)、PCHP,h(t)分別為t時(shí)段CHP輸出電能和熱能;PGB,h(t)為t時(shí)段GB輸出熱能;T為調(diào)度周期。

1.1.2 實(shí)際碳排放模型

CO2在MR氫轉(zhuǎn)天然氣過程中被吸收了一部分,因此實(shí)際碳排放模型如下。

(2)

式中:EIES,r、Ee,buy,r分別為IES和上級(jí)購(gòu)電的實(shí)際碳排放量;Etotal,r為CHP、GB、MR總的實(shí)際碳排放量;EMR,r為MR實(shí)際吸收的CO2量;Ptotal(t)為t時(shí)段CHP、GB、MR的等效輸出功率;a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為燃煤機(jī)組和耗天然氣型供能設(shè)備的碳排放計(jì)算參數(shù);?為MR設(shè)備氫能轉(zhuǎn)天然氣過程中吸收CO2的參數(shù);PMR,g(t)為t時(shí)段MR輸出的天然氣功率。

1.1.3 階梯式碳排放交易模型

根據(jù)IES碳排放權(quán)配額和實(shí)際碳排放量,可計(jì)算出實(shí)際碳交易市場(chǎng)的碳排放權(quán)交易額。

EIES,a=EIES,r-EIES

(3)

式中:EIES,a為IES碳排放權(quán)交易額。

和傳統(tǒng)碳交易定價(jià)機(jī)制有很大不同,將排放部分分成多個(gè)區(qū)間段是階梯式碳交易機(jī)制的特征,碳排放量越多的區(qū)間,相應(yīng)碳排放權(quán)交易定價(jià)越高,系統(tǒng)對(duì)應(yīng)碳交易成本越大。階梯式碳交易成本如下。

(4)

式中:FC為階梯碳交易成本;λ為碳交易基價(jià);l為碳排放量區(qū)間長(zhǎng)度;χ為價(jià)格增長(zhǎng)率。

1.2 P2G兩階段運(yùn)行過程

氫能作為一種清潔能源,具有巨大應(yīng)用潛力,如在氫能源汽車和氫燃料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用。P2G兩階段運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2 P2G兩階段運(yùn)行過程

首先通過EL將電能轉(zhuǎn)化為氫能,將氫能的一部分和CO2輸入到MR中從而生成天然氣,供應(yīng)給氣負(fù)荷、GB、CHP,此階段為傳統(tǒng)P2G過程,其中一部分氫能輸入到HFC轉(zhuǎn)化為熱能和電能,另一部分氫能被儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐中。與直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能和熱能相比,將氫能轉(zhuǎn)化為天然氣需要經(jīng)過燃燒過程,因此會(huì)產(chǎn)生梯級(jí)損耗。相比之下,氫能具有更高能效,不會(huì)產(chǎn)生CO2。

a.EL設(shè)備

(5)

b.MR設(shè)備

(6)

c.HFC設(shè)備

將HFC熱、電能量轉(zhuǎn)化效率之和視為固定常數(shù),且熱電比可調(diào),可構(gòu)建HFC模型[12]:

(7)

1.3 供需靈活雙響應(yīng)模型

a.供應(yīng)側(cè)需求響應(yīng)模型

CHP通過天然氣發(fā)電并利用余熱滿足熱需求。由于CHP熱電比可調(diào)整,根據(jù)實(shí)時(shí)需求調(diào)整熱能、電能輸出可以提高運(yùn)行效率。工作模型為

(8)

b.需求側(cè)需求響應(yīng)

供暖需求:在寒冷季節(jié),用戶可使用壁掛爐等設(shè)備,或選擇電暖氣和電空調(diào)等設(shè)備來滿足相同供暖需求。

生活熱水需求:用戶可選用IES,也可采用電熱水器或燃?xì)鉄崴魈峁┑臒峁β蕘砑訜崴?/p>

炊事需求:在烹飪食物時(shí),用戶可使用電磁爐或燃?xì)庠畹仍O(shè)備來儲(chǔ)備所需的熱能。

2 考慮階梯式碳交易機(jī)制與電制氫IES優(yōu)化

運(yùn)行模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

(9)

a.系統(tǒng)內(nèi)部元件運(yùn)行成本

(10)

b.購(gòu)能成本

(11)

式中:Pg,buy(t)為t時(shí)段購(gòu)氣量;αt、βt分別為t時(shí)段電價(jià)、氣價(jià)。

c.棄風(fēng)成本

(12)

式中:δDG為單位棄風(fēng)懲罰成本;PDG,cut(t)為t時(shí)段棄風(fēng)功率。

2.2 約束條件

a.風(fēng)電出力約束

(13)

b.GB運(yùn)行約束

(14)

c.儲(chǔ)能運(yùn)行約束

本文認(rèn)為電、熱、氣等儲(chǔ)能設(shè)備模型具有相似性,因此統(tǒng)一對(duì)電、熱、氣等儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行建模。

(15)

d.電功率平衡約束

由于風(fēng)電波動(dòng)性和不確定性,為減輕主電網(wǎng)壓力,本文僅考慮IES向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)買電量情況。

(16)

e.熱功率平衡約束

(17)

f.天然氣平衡約束

本文只考慮IES向上級(jí)氣網(wǎng)購(gòu)買天然氣。

(18)

g.氫平衡約束

(19)

3 算例分析

3.1 情景對(duì)比

情景1:在階梯式碳交易市場(chǎng)的情景下,優(yōu)化目標(biāo)是降低購(gòu)能成本和棄風(fēng)成本,碳排放成本不予考慮。

情景2:在傳統(tǒng)碳交易市場(chǎng)環(huán)境中,主要優(yōu)化目標(biāo)是綜合考慮降低碳排放成本、購(gòu)能成本及棄風(fēng)成本。

情景3:在階梯式碳交易市場(chǎng)環(huán)境下,優(yōu)化目標(biāo)同樣考慮了碳排放成本、購(gòu)能成本及棄風(fēng)成本。

情景4:在IES中并未引入電、氣耦合設(shè)備。

情景5:在IES中引入了傳統(tǒng)P2G設(shè)備。

情景6:將P2G設(shè)備替換為EL、MR及HFC組合的兩階段運(yùn)行設(shè)備。

情景7:將CHP和HFC熱電比設(shè)定為固定值。

情景8:將CHP和HFC熱電比設(shè)定為可調(diào)。

3.2 考慮階梯式碳交易機(jī)制效益分析

為了驗(yàn)證階梯式碳交易機(jī)制有效性,設(shè)置了情景1、2、3,調(diào)度結(jié)果見表1。由表1可知,當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)中考慮碳成本時(shí),碳排放量明顯低于未考慮碳成本的情景。

表1 考慮階梯式碳交易機(jī)制前后效益對(duì)比

在3種運(yùn)行情景中,情景1旨在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)。由于大量天然氣燃燒導(dǎo)致碳排放超出了分配配額,從而造成總成本最高。

情景2考慮了碳交易成本,相對(duì)于情景1,情景2減少了天然氣購(gòu)買量,增加了電力購(gòu)買量,總成本最低。

情景3考慮了階梯式碳交易機(jī)制,其中碳排放權(quán)購(gòu)買價(jià)格呈階梯狀上升,進(jìn)一步限制了系統(tǒng)碳排放量,證明了在階梯式碳交易機(jī)制下,系統(tǒng)能夠在減少排放同時(shí)保持相對(duì)較低運(yùn)行成本。

3.3 細(xì)化P2G兩階段過程效益分析

為了對(duì)比EL、MR、HFC組合的兩階段運(yùn)行過程調(diào)度與原P2G調(diào)度在成本和碳排放方面優(yōu)勢(shì),設(shè)置了3種情景進(jìn)行對(duì)比。由表2可知,情景6總成本最低,減排效果顯著。

表2 細(xì)化P2G兩階段運(yùn)行前后效益對(duì)比

通過將1天等分為24個(gè)時(shí)段,可以觀察到不同運(yùn)行情景下棄風(fēng)情況。圖3為3種運(yùn)行情景下,夜間棄風(fēng)現(xiàn)象最為嚴(yán)重時(shí)段。

圖3 各情景棄風(fēng)情況

在情景6中,IES充分利用富裕風(fēng)力發(fā)電,將其輸入EL設(shè)備進(jìn)行氫氣制備,從而避免了風(fēng)力發(fā)電棄風(fēng)問題。

3.4 可調(diào)熱電比機(jī)制效果分析

通過對(duì)比情景7和情景8,發(fā)現(xiàn)二者在熱電比調(diào)整上差異顯著。由表3可知,情景8在減少碳排放的同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本。

表3 不同熱電比機(jī)制效益

以CHP為例,可以對(duì)各時(shí)段熱電比進(jìn)行分析,從而更加直觀地了解不同情景之間的差異和特點(diǎn)。

由圖4可知,在夜間時(shí)段,熱負(fù)荷需求量處于高峰期,由于GB發(fā)熱效率高,因此大部分熱負(fù)荷由GB進(jìn)行提供,GB處于滿發(fā)狀態(tài),不足部分則需要由CHP進(jìn)行供應(yīng)。

圖4 CHP各時(shí)段熱電比

4 結(jié)論

a.加入階梯式碳交易市場(chǎng),此方法比以往的碳交易機(jī)制能更好地約束碳排放。

b.通過將P2G替換為EL、MR、HFC組合設(shè)備方式,可以改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電消納方式,降低碳排放水平,提高能量利用率,從而減少能量損失。

c.本文將CHP和HFC熱電比可調(diào)特性納入考慮范圍,根據(jù)不同時(shí)間段,可以適時(shí)調(diào)整設(shè)備輸出水平,從而降低運(yùn)行成本。