考慮雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制的源網(wǎng)荷分布協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

劉睿捷，包哲靜，林振智

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市 310027）

0 引言

面對全球日益嚴(yán)重的氣候變化問題，中國提出“雙碳”戰(zhàn)略，在2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。能源行業(yè)是“雙碳”戰(zhàn)略中不可或缺的一環(huán)，如何實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)轉(zhuǎn)型以減少碳排放是一個(gè)重要課題。

碳排放會(huì)造成環(huán)境污染等問題，導(dǎo)致額外的社會(huì)治理成本。碳排放在源、網(wǎng)、荷等多個(gè)環(huán)節(jié)均會(huì)產(chǎn)生，責(zé)任難以追溯。因此，碳排放造成的社會(huì)成本一般由政府等社會(huì)機(jī)構(gòu)承擔(dān)。自《京都議定書》簽訂以來，許多國家和地區(qū)都建立了碳排放交易市場，如中國、美國、歐盟等［1-2］，開始由碳排放企業(yè)承擔(dān)部分減碳責(zé)任。目前，主要通過碳配額約束［3］、碳排放與經(jīng)濟(jì)性的多目標(biāo)優(yōu)化［4］、考慮碳交易市場［5-8］等方法降低碳排放。文獻(xiàn)［3］提出了日碳排放約束下的碳捕集電廠調(diào)度策略，但硬性的碳排放約束與目前的碳市場機(jī)制不符；文獻(xiàn)［4］建立了考慮運(yùn)行費(fèi)用、碳排放與能源消耗的電氫綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，但忽視了碳配額交易對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響；文獻(xiàn)［5］提出了碳交易與綠證交易相結(jié)合的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［6］考慮了計(jì)及國家核證資源減碳量的碳-電耦合市場競價(jià)的雙層模型；文獻(xiàn)［7］提出了基于碳交易的電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)［8］提出了基于最優(yōu)出力區(qū)間與碳交易的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。然而，上述文獻(xiàn)均僅從源側(cè)考慮，由于發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)分屬不同主體，僅能約束發(fā)電側(cè)降低碳排放，無法使源荷協(xié)同減排。

根據(jù)《碳排放權(quán)交易管理辦法（試行）》，參與碳市場的主體一般為火電、鋼鐵等重點(diǎn)排放單位［9］，而碳排放本質(zhì)上源于消費(fèi)者的能源需求。因此，消費(fèi)者也應(yīng)承擔(dān)碳減排的責(zé)任。文獻(xiàn)［10-12］提出了碳排放流（carbon emission flow，CEF）理論，實(shí)現(xiàn)了終端用戶碳排放的計(jì)量?；谠摾碚?，文獻(xiàn)［13］計(jì)算了負(fù)荷側(cè)的碳排放量，再利用Shapley 值確定負(fù)荷的階梯碳價(jià)參數(shù)，但僅考慮了負(fù)荷端參與碳市場。文獻(xiàn)［14-15］將CEF 引入固定碳稅模式下的碳排放成本分?jǐn)傊?，但考慮到目前的碳交易市場通常是無償分配、有償拍賣制度，尤其在目前使用較多的獎(jiǎng)懲型 階 梯 碳 價(jià) 機(jī) 制（ladder-type carbon price mechanism with reward and punishment，LCPMRP）下，如何合理分配負(fù)荷側(cè)的碳責(zé)任仍是一個(gè)問題。

除利用市場機(jī)制激勵(lì)各主體減碳外，促進(jìn)多能耦合或多主體合作互補(bǔ)能夠提高能源利用效率，從而降低碳排放量。單一能源的利用效率較低，而綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）可以通過能源梯級利用，有效提高能源利用效率與可再生能源消納率。因此，綜合能源供應(yīng)商與綜合能源用戶應(yīng)運(yùn)而生。綜合能源供應(yīng)商集成調(diào)度區(qū)域內(nèi)的熱、電等能源系統(tǒng)，為終端用戶提供綜合能源服務(wù)［16］；綜合能源用戶一般具有能量轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)能、就地可再生能源以及雙向通信智能管控設(shè)備等［17］，通過多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)降低對傳統(tǒng)能源的依賴，從而降低用能成本［18］。此外，由于多主體之間的供能設(shè)備、用能曲線均不一致，虛擬電廠（virtual power plant，VPP）通過調(diào)配可以實(shí)現(xiàn)多主體的互聯(lián)互通，有效提高整體能源利用效率，降低碳排放［19-20］。

針對碳排放責(zé)任難以分?jǐn)?、各主體參與減排意愿不強(qiáng)等問題，本文建立了考慮雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制的源網(wǎng)荷協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。其中，綜合能源供應(yīng)商直接參與外部碳交易市場，園區(qū)則通過向綜合能源供應(yīng)商支付碳成本或獲取碳收益的方式間接參與外部碳市場。針對負(fù)荷側(cè)碳責(zé)任分?jǐn)倖栴}，本文提出了LCPMRP 下基于CEF 的碳成本分?jǐn)偡椒?，?shí)現(xiàn)了碳成本分?jǐn)偟挠行耘c可加性。此外，本文還通過多能互補(bǔ)、園區(qū)間能源互濟(jì)等多種途徑進(jìn)一步降低碳排放。為保護(hù)各主體隱私，本文采用雙層分布式架構(gòu)，并利用可變懲罰因子的交替方向 乘 子 法（alternating direction method of multipliers，ADMM）［21-22］求解，提高了計(jì)算效率。

1 雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制下源網(wǎng)荷協(xié)同低碳調(diào)度框架

本文提出的雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制下源網(wǎng)荷協(xié)同低碳調(diào)度框架如圖1 所示。圖中:紅色和藍(lán)色線路分別代表熱能和電能的流動(dòng)路徑。

圖1 所提機(jī)制下源網(wǎng)荷協(xié)同低碳調(diào)度框架Fig.1 Collaborative low-carbon dispatching framework of source, grid and load with proposed mechanism

綜合能源供應(yīng)商從輸電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)購買電力與天然氣，并充分利用自有機(jī)組（如風(fēng)電、火電、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）機(jī)組），通過配電網(wǎng)/熱網(wǎng)為各園區(qū)供電/熱。園區(qū)具有不同類型，均具有電、熱多能負(fù)荷，但設(shè)備容量與負(fù)荷曲線具有差異。各園區(qū)主要通過向綜合能源供應(yīng)商購能以滿足能源需求，少部分通過園區(qū)間能源互濟(jì)與園區(qū)自有設(shè)備自給。

在雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制下，綜合能源供應(yīng)商直接參與碳市場，通過向外部碳交易中心出售或購買碳配額獲得碳收益或支付碳成本；然后，考慮LCPMRP，利用基于CEF 的碳成本分?jǐn)偡椒▽⑻汲杀?收益公平地分?jǐn)傊粮鲌@區(qū)，各園區(qū)通過向供應(yīng)商支付碳費(fèi)用/獲得碳收益的方式間接參與碳市場。在該過程中，源網(wǎng)荷均直接或間接參與了碳市場，各主體節(jié)能減排的積極性被充分調(diào)動(dòng)，最終通過能量互濟(jì)、多能互補(bǔ)等多種措施降低碳排放。

2 雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制

2.1 碳交易中心-綜合能源供應(yīng)商間的碳交易機(jī)制

綜合能源供應(yīng)商參與外部碳交易市場的LCPMRP，碳交易一般采用配額無償發(fā)放制度，企業(yè)實(shí)際產(chǎn)生的碳排放與碳配額的差額可以在碳交易市場中交易，不足部分需要購買，超出部分可以售賣，且購買的碳配額越多，相應(yīng)區(qū)間的售價(jià)越高［23-25］。LCPMRP 模型如下:

綜合能源供應(yīng)商的碳排放Esystem的表達(dá)式為:

式中:cg、cb、cCHP分別為火電機(jī)組、大電網(wǎng)、CHP 機(jī)組的 碳 排 放 系 數(shù)；Pg，t和Pb，t分 別 為t時(shí) 刻 火 電 機(jī) 組 出力與大電網(wǎng)購電功率；GCHP，t為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的天然氣進(jìn)氣功率；Δt為時(shí)間間隔；T為調(diào)度時(shí)間集合。

2.2 綜合能源供應(yīng)商-園區(qū)間的碳交易機(jī)制

綜合能源供應(yīng)商為園區(qū)提供電/熱綜合能源，園區(qū)需要向綜合能源供應(yīng)商支付能源費(fèi)用與碳排放費(fèi)用。本文對綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)間的能-碳價(jià)格采用小時(shí)級精度，與電力系統(tǒng)調(diào)度的時(shí)間間隔一致，有助于降低系統(tǒng)整體的成本與碳排放。此外，本文提出方法的計(jì)算時(shí)間加通信延時(shí)可以保持在1 h 內(nèi)，能夠滿足小時(shí)級能-碳價(jià)格計(jì)算與日內(nèi)調(diào)度的需求。

能源價(jià)格采用目前常用的邊際價(jià)格機(jī)制進(jìn)行定價(jià)［14］。相比于相對固定的零售電價(jià)，節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)可以更準(zhǔn)確地反映用戶的用能成本，從而更精細(xì)化地指導(dǎo)園區(qū)調(diào)整購能方案。目前，基于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)的定價(jià)機(jī)制已經(jīng)較為成熟［14，26-30］。本節(jié)主要介紹綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)的碳交易定價(jià)方式。

與能源定價(jià)不同，碳交易市場為懲罰型機(jī)制。綜合能源供應(yīng)商作為園區(qū)與外部碳市場的橋梁，不應(yīng)征收額外費(fèi)用，向園區(qū)征收的碳價(jià)格須合理反映園區(qū)需求導(dǎo)致的碳成本，即需要滿足有效性與合理性［31］:有效性指所有園區(qū)的碳成本之和等于供應(yīng)商向碳市場支付的碳成本；合理性指各園區(qū)的碳成本應(yīng)如實(shí)反映各園區(qū)購能導(dǎo)致的碳排放。因此，需要先計(jì)算LCPMRP 下綜合能源供應(yīng)商單位碳排放對應(yīng)的碳成本，再基于CEF［11］計(jì)算各園區(qū)的碳勢，得到園區(qū)的碳價(jià)格，如下所示:

式 中:p和p分 別 為 園 區(qū)n在t時(shí) 刻 單 位 購 電和購熱的碳價(jià)格；pcarbon為單位碳排放的碳成本；ch，n，t和ce，n，t分 別 為t時(shí) 刻 園 區(qū)n的 熱、電 負(fù) 荷 碳 勢。

當(dāng)計(jì)算單位碳排放對應(yīng)的碳成本時(shí)，需要考慮LCPMRP 與傳統(tǒng)碳稅模式的差異，即LCPMRP 可能存在收益，若采用傳統(tǒng)碳稅的計(jì)算方式［14-15］，則會(huì)在碳價(jià)格為非負(fù)時(shí)，錯(cuò)誤地鼓勵(lì)下層園區(qū)多排碳。因此，本文以綜合能源供應(yīng)商零碳排收益作為基準(zhǔn)，計(jì)算綜合能源供應(yīng)商碳成本（收益）與基準(zhǔn)的差值，得到碳單價(jià)；再將零碳排的收益依據(jù)各園區(qū)負(fù)荷比例進(jìn)行分?jǐn)?，以保證碳價(jià)機(jī)制的有效性。

各園區(qū)依照各自的負(fù)荷比例分?jǐn)偩C合能源供應(yīng)商的零碳排收益，如下所示:

式 中:C為 園 區(qū)n的 碳 排 放 初始 收 益；Pn，t和Hn，t分別為園區(qū)n在t時(shí)刻的電、熱負(fù)荷；N為園區(qū)集合。

碳單價(jià)pcarbon計(jì)算公式為:

則園 區(qū)n的碳 成本Cbon，n表示為:

式 中:P和H分 別 為t時(shí) 刻 園 區(qū)n向 綜 合 能 源供應(yīng)商購電、購熱的功率。

式（5）—至式（7）保證了碳價(jià)機(jī)制的有效性，且使得pcarbon始終為正。此外，還需要計(jì)算園區(qū)的碳勢以保證碳價(jià)機(jī)制的合理性。

CHP 機(jī)組是單輸入-多輸出能量耦合設(shè)備，滿足如下碳排放守恒原則:

式 中:cHP和cHP分 別 為CHP 機(jī) 組 輸 出 端 口 的 電、熱 碳 排 放 強(qiáng) 度；PCHP，t為CHP 機(jī) 組t時(shí) 刻 的 電 功 率；HCHP，τ為CHP 機(jī) 組τ時(shí) 刻 的 熱 功 率；Δτ為 熱 力 系 統(tǒng)的調(diào)度間隔。

根據(jù)效率原則，假定CHP 機(jī)組輸出端口的電、熱碳排放強(qiáng)度與其效率ηCHP，e、ηCHP，h成反比［32］，即

結(jié)合式（9）和式（10），CHP 機(jī)組輸出的電、熱碳排放強(qiáng)度分別為:

電網(wǎng)的CEF 公式為:

式 中:ce，i，t為t時(shí) 刻 節(jié) 點(diǎn)i的 碳 勢；ce，PGi，t為 機(jī) 組i在t時(shí)刻的碳勢；PPG，i，t為機(jī)組i在t時(shí)刻的有功出力；Pji，t為t時(shí)刻由節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i的有功功率；Oi為接入節(jié)點(diǎn)i的機(jī)組集合；(j，i)∈I表示由節(jié)點(diǎn)j流向節(jié)點(diǎn)i的線路集合。

園 區(qū)n的 電 負(fù) 荷 碳 勢ce，n，t即 為 接 入 節(jié) 點(diǎn)i的碳勢:

本文基于文獻(xiàn)［11］提出了基于微元法的熱管網(wǎng)CEF 模型。熱管網(wǎng)換熱站出口處的碳勢等于CHP機(jī)組的碳勢，表示如下:

式 中:ch，l1，1，τ為τ時(shí) 刻 流 入 管 線l1首 段 微 元 的 碳 勢；Op，pipe-表示接入換熱站p出口處管線l1的集合。

熱管網(wǎng)同一管線不同微元處的碳強(qiáng)度迭代公式為:

式中:ch，l，k，τ為τ時(shí)刻 管 線l第k段的微元 碳 勢；ρr為熱水 密 度；Tr，l，k，τ為τ時(shí) 刻 管 線l第k段 的 熱 水 層 溫 度；Ml為 管 線l的 流 量。

在管線交接處，流出管線l2的節(jié)點(diǎn)碳勢等于流入管線節(jié)點(diǎn)碳勢的加權(quán)平均，表示如下:

式中:Oa，pipe+和Oa，pipe-分別為流入、流出節(jié)點(diǎn)a的線路集合；kend表示微元的末段。

園 區(qū)n的 熱 負(fù) 荷 碳 勢ch，n，τ為 入 水 口 處 的 碳 勢:

式中:On，pipe+為園區(qū)n入水口處的管線集合。

由于熱管暫態(tài)仿真的時(shí)間尺度小于電網(wǎng)調(diào)度時(shí)間［33］，需要計(jì)算Δt內(nèi)的平均熱負(fù)荷碳勢，作為碳交易時(shí)的熱負(fù)荷碳勢ch，n，t:

將能源價(jià)格與碳價(jià)格相加，即可得到園區(qū)向綜合能源供應(yīng)商購能需要支付的能-碳價(jià)格:

式 中:pe，n，t和ph，n，t分 別 為 園 區(qū)n的 電、熱 碳 價(jià) 格；p和p分別為園區(qū)n的電價(jià)格、熱價(jià)格。

3 考慮雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制的綜合能源供應(yīng)商-多園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 綜合能源供應(yīng)商低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

綜合能源供應(yīng)商具有火電、風(fēng)機(jī)、CHP 等機(jī)組，并向外部電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)購能，通過電/熱網(wǎng)絡(luò)輸送給綜合能源用戶。其低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)為向外部電網(wǎng)、氣網(wǎng)的購能成本與向外部碳交易市場支付的碳成本最低:

式中:CI和nergy分別為綜合能源供應(yīng)商的總成本和能源成本；pb，t、pCHP、pg，t分別為電網(wǎng)購電價(jià)格、CHP機(jī)組出力價(jià)格、火電機(jī)組出力價(jià)格。

本文采用Distflow 模型描述輻射狀配電網(wǎng)的交流潮流，并采用二階錐松弛無損轉(zhuǎn)化為凸問題［34］。電網(wǎng)建模與機(jī)組約束見附錄A 式（A1）—式（A10）。熱網(wǎng)建?？紤]單管直埋式熱管網(wǎng)的微元暫態(tài)模型［33，35］，具體約束見式（A11）—式（A21）。

3.2 園區(qū)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

園區(qū)為綜合能源用戶，配有小型分布式風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能與電鍋爐等設(shè)備，還可以通過聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)園區(qū)間的能源傳輸。其優(yōu)化目標(biāo)為運(yùn)行成本最低，即向綜合能源供應(yīng)商支付的能-碳費(fèi)用以及與其他園區(qū)的交互成本最低:

式中:C為園區(qū)n的運(yùn)行成本；，ex為園區(qū)n參與園區(qū)間能源交易的成本；，utility為園區(qū)n向供應(yīng)商的購 能 成 本；pe，mn，t和ph，mn，t分 別 為 園 區(qū)m與 園 區(qū)n交 互功率的電價(jià)格和熱價(jià)格；Pm→n，t和Hm→n，t分別為園區(qū)m供給園區(qū)n的電功率和熱功率。園區(qū)的設(shè)備與功率交互約束見附錄A 式（A26）—式（A34）。

3.3 多園區(qū)合作博弈協(xié)同調(diào)度模型

多園區(qū)系統(tǒng)中，各園區(qū)屬于獨(dú)立且理性的個(gè)體，園區(qū)間功率交互時(shí)存在復(fù)雜的博弈關(guān)系，即多園區(qū)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，在內(nèi)部實(shí)施功率互濟(jì)以降低成本、實(shí)現(xiàn)共贏。同時(shí)，功率交互存在利益再分配問題，賣方希望能源售價(jià)盡量高，而買方則相反，不合理的利益分配可能會(huì)導(dǎo)致談判破裂。因此，需要制定合理的交易機(jī)制，在擴(kuò)大多園區(qū)整體收益的同時(shí)，公平分配利益。納什協(xié)商理論可以刻畫多主體的合作博弈，使得每個(gè)主體的選擇為響應(yīng)其他主體策略的最佳結(jié)果，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表示如下［36］:

式中:C為各園區(qū)不參與功率交互的成本。

模型式（22）中包含大量能源交易價(jià)格與功率乘積的非線性項(xiàng)，難以直接求解。參考文獻(xiàn)［37］，納什協(xié)商問題可以利用均值不等式等價(jià)為社會(huì)成本最小化與支付效益最大化子問題，證明過程見附錄B。

子問題1:社會(huì)成本最小化子問題，即

求解子問題1 時(shí)，目標(biāo)中的園區(qū)交互成本相互抵消，模型轉(zhuǎn)化為線性優(yōu)化問題。求解后可得到機(jī)組出力、園區(qū)間交互功率、園區(qū)向供應(yīng)商購能功率。

子問題2:支付效益最大化子問題，即

式中:C，utility，0為在子問題1 中求解得到的園區(qū)向供應(yīng)商的購能成本，在子問題2 求解時(shí)視為常數(shù)。求解時(shí)，機(jī)組出力、交互功率等采用子問題1 的求解結(jié)果，求解后可以得到園區(qū)間功率交互價(jià)格。

為保證園區(qū)間交易的公平性，園區(qū)間的信息交互通過VPP 傳遞，即園區(qū)將各自期望的能源交互量與價(jià)格傳遞給VPP，VPP 再傳遞給對應(yīng)的園區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)多園區(qū)間的交互。

4 綜合能源供應(yīng)商-多園區(qū)協(xié)同調(diào)度雙層分布式求解方法

ADMM 多用于求解多主體分布式交互問題，且可以充分保證各主體隱私。與常用于處理雙層主問題-子問題形式的Benders、列和約束算法相比，ADMM 的靈活性更高，且具有更加完整的分布式架構(gòu)［38］。因此，本文采用改進(jìn)的自適應(yīng)步長ADMM求解綜合能源供應(yīng)商-多園區(qū)協(xié)調(diào)調(diào)度問題。

綜合能源供應(yīng)商-多園區(qū)協(xié)同調(diào)度模型的求解分為2 個(gè)階段:階段1 求解園區(qū)向綜合能源供應(yīng)商的購能功率、園區(qū)間的交互功率；階段2 求解各園區(qū)間交互功率的價(jià)格。具體求解流程見附錄C。

傳統(tǒng)ADMM 中，懲罰因子ρ保持不變。ρ的取值具有初值敏感性:過小則更新速度慢，過大則可能導(dǎo)致振蕩。因此，引入自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，在迭代過程中對ρ進(jìn)行修正:

式中:R為原始?xì)埐?；S為對偶?xì)埐睿籨為迭代次數(shù)；μ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取10。當(dāng)R較大，即上下層交互量差異較大時(shí)，增大ρ使λ增加，從而增加交互變量的權(quán)重，加速R收斂；當(dāng)S較大，即振蕩較大時(shí)，減小ρ來阻止λ增加，進(jìn)而抑制系統(tǒng)振蕩，提高收斂效率。

5 算例分析

為驗(yàn)證所提算法的有效性，建立了一個(gè)由供應(yīng)商和3 個(gè)園區(qū)（生活園區(qū)、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)）組成的綜合能源系統(tǒng)，仿真中涉及的參數(shù)與拓?fù)湟姼戒汥［11，39］。調(diào)度時(shí)間窗為1～24 h。設(shè)置階梯電價(jià)，其中，1～5 h、22～24 h 為谷段；6～7 h、11～15 h、21 h為平段；8～10 h、16～20 h 為峰段。計(jì)算機(jī)搭載Intel Core i7 9700 CPU 和32 GB RAM，使 用MATLAB 中Gurobi 求解器求解。綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束對調(diào)度結(jié)果影響分析見附錄E。

5.1 分布式優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

供應(yīng)商與各園區(qū)在迭代過程中的運(yùn)行成本如圖2 所示。在初始時(shí)刻，各主體獨(dú)立調(diào)度，前10 次迭代中各主體迅速交互信息，并在25 次迭代后達(dá)到穩(wěn)定，成本不再變化。

圖2 迭代過程中各主體運(yùn)行成本變化Fig.2 Operation cost change of each objective during iteration process

綜合能源供應(yīng)商的機(jī)組出力如圖3 所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的完全消納。由于大電網(wǎng)峰谷電價(jià)的影響，峰段向大電網(wǎng)購電功率較低，火電機(jī)組出力較高；由于熱網(wǎng)的儲(chǔ)熱效應(yīng)，CHP 機(jī)組的熱能不需要實(shí)時(shí)平衡，為降低系統(tǒng)總成本，CHP 機(jī)組在峰段出力較大，谷段幾乎不出力。

圖3 綜合能源供應(yīng)商的最優(yōu)調(diào)度Fig.3 Optimal dispatching of integrated energy supplier

綜合能源供應(yīng)商各園區(qū)的能-碳價(jià)格如圖4 所示。3 個(gè)園區(qū)的電價(jià)格均體現(xiàn)了較為明顯的峰谷差異。生活園區(qū)由于更加靠近碳排放較大的火電機(jī)組，在火電出力較高的峰段內(nèi)碳排放明顯增加。而靠近風(fēng)機(jī)的工業(yè)園區(qū)碳價(jià)格較低，尤其是在風(fēng)機(jī)出力較大的23～24 h、1～8 h 時(shí)段，碳排放價(jià)格為0。觀察園區(qū)的熱價(jià)格可以看出，3 個(gè)園區(qū)的熱價(jià)格趨勢基本一致，其變化曲線較為平滑，這是因?yàn)闊峋W(wǎng)具有儲(chǔ)熱效應(yīng)。此外，可以觀察到熱價(jià)格在22～24 h、1～8 h 時(shí)段較高，白天較低。這是因?yàn)镃HP 機(jī)組具有以熱定電的特性，夜間購電價(jià)格較低且熱需求較大。為了減少總成本，熱價(jià)格較高可以抑制熱需求，從而減少CHP 機(jī)組出力；白天熱價(jià)格較低以激勵(lì)熱需求，從而增加CHP 機(jī)組出力。CHP 機(jī)組的調(diào)度在一定程度上起到了削峰填谷的作用。

圖4 各園區(qū)能-碳價(jià)格Fig.4 Energy-carbon prices of various parks

各園區(qū)的調(diào)度結(jié)果如圖5 所示。生活園區(qū)的自有光伏較多且無風(fēng)機(jī)，8～17 h 時(shí)段內(nèi)自有可再生能源出力較大，而電需求則集中在17～21 h，供需存在一定的錯(cuò)位。因此，當(dāng)電需求較大時(shí)向工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)購電。工業(yè)園區(qū)在11～18 h 時(shí)段內(nèi)電負(fù)荷較大，且購電價(jià)格較低。因此，工業(yè)園區(qū)從供應(yīng)商購入大量電能，再出售給生活與商業(yè)園區(qū)。由于工業(yè)園區(qū)配有大量自有風(fēng)機(jī)，在19～24 h、1～7 h 時(shí)段內(nèi)向其他園區(qū)的售電量較白天更大。3 個(gè)園區(qū)的蓄電池均在電-碳價(jià)格較低的時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)電，在價(jià)格較高的時(shí)段內(nèi)放電；儲(chǔ)熱罐則在熱價(jià)格較低的時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)熱，在熱負(fù)荷較大的時(shí)段內(nèi)放熱，從而滿足夜間熱需求。電鍋爐在夜間利用價(jià)格更低的谷電與風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能供熱，降低園區(qū)總成本。在大多數(shù)時(shí)段，生活園區(qū)向其他2 個(gè)園區(qū)出售熱能，這是因?yàn)樯顖@區(qū)離換熱站更近，而熱價(jià)格最低、最遠(yuǎn)的商業(yè)園區(qū)則購入熱能。但由于熱網(wǎng)傳輸具有時(shí)延性，20～21 h 時(shí)段內(nèi)的熱-碳價(jià)格由低轉(zhuǎn)高，距離換熱站最近的生活園區(qū)熱-碳價(jià)格升高最快，熱價(jià)格高于工業(yè)園區(qū)和商業(yè)園區(qū)，故此時(shí)生活園區(qū)向其他園區(qū)購買熱能。各園區(qū)間的交易價(jià)格見附錄D 圖D3。

圖5 各園區(qū)調(diào)度結(jié)果Fig.5 Dispatching results of various parks

5.2 不同碳交易機(jī)制下的成本與碳排放分析

為了驗(yàn)證不同碳交易機(jī)制對系統(tǒng)碳排放的影響，令本文方案為方案1，另設(shè)綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)均不參與碳市場為方案2，僅綜合能源供應(yīng)商參與碳市場為方案3，對比結(jié)果如表1 所示。對比方案1 與方案2，在綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)均參與碳市場后，碳排放降低了46.6%；對比方案1 與方案3 可以看出，園區(qū)參與碳交易市場后，碳排放進(jìn)一步降低了13%，表明通過碳價(jià)格手段激勵(lì)園區(qū)間接參與碳市場是有效的，通過碳價(jià)格的傳遞可以充分調(diào)動(dòng)園區(qū)減碳的積極性，實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)。

表1 不同碳交易機(jī)制下系統(tǒng)成本與碳排放對比Table 1 Comparison of system cost and carbon emission under different carbon trading schemes

5.3 不同合作運(yùn)行模式下的系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果分析

為驗(yàn)證不同合作模式對系統(tǒng)調(diào)度的影響，令各園區(qū)間不合作為方案4，文獻(xiàn)［40］中的傳統(tǒng)方案為方案5，各方案成本與碳排放量對比如表2 所示。對比方案4，方案1 與方案5 的總成本均降低了2.9%，其中，園區(qū)總成本降低了5.2%，碳排放降低了56.30%。這說明促進(jìn)園區(qū)間合作可以提高能源利用率，降低碳排放，增加社會(huì)效益。對比方案1 與方案5，方案5 中合作后的工業(yè)園區(qū)成本上升了86.6%，可能會(huì)導(dǎo)致合作破裂，說明方案5 無法實(shí)現(xiàn)合作效益在園區(qū)間的公平分配。而方案1 中各園區(qū)合作后的成本均降低了0.94 萬元，實(shí)現(xiàn)了合作效益的公平分配，體現(xiàn)了納什協(xié)商的優(yōu)越性。

表2 不同合作方式下的系統(tǒng)成本對比Table 2 Comparison of system cost in different cooperation modes

5.4 不同求解方式下的收斂速度分析

為了驗(yàn)證所提分布式算法的有效性，將集中調(diào)度模式定義為方案6，以綜合能源供應(yīng)商與各園區(qū)的成本和作為集中式調(diào)度的目標(biāo)。成本對比如表3所示。

表3 集中與分布式求解方式下系統(tǒng)成本對比Table 3 Comparison of system cost in centralized and distributed solution modes

集中調(diào)度模式下，各主體可以得到其余主體的詳盡信息，而分布式模式下僅交互必要信息。與集中式調(diào)度相比，分布式調(diào)度的偏差為0.06%，說明分布式協(xié)調(diào)運(yùn)行算法可以在保護(hù)主體隱私的前提下滿足總體的運(yùn)行成本最低，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

為驗(yàn)證本文采用的基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的ADMM 的有效性，選取相同參數(shù)下的傳統(tǒng)ADMM進(jìn)行對比。其中，具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的ADMM 求解時(shí)間為418.8 s，而傳統(tǒng)ADMM 求解時(shí)間為546.2 s。本文所用算法的收斂時(shí)間縮短了23.3%，提高了計(jì)算效率。

6 結(jié)語

在“雙碳”目標(biāo)下，針對源網(wǎng)荷碳排放責(zé)任難以分?jǐn)?、?jié)能減排意愿低等問題，本文提出了雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制下的源網(wǎng)荷協(xié)同低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，得出如下結(jié)論:

1）提出的雙層獎(jiǎng)懲型碳交易機(jī)制有助于源網(wǎng)荷共同參與碳市場，激勵(lì)各主體協(xié)同減碳，大幅降低綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)的碳排放。

2）提出的綜合能源供應(yīng)商-園區(qū)碳成本分?jǐn)倷C(jī)制具有合理性與有效性，可以保證園區(qū)的碳成本/收益之和與綜合能源供應(yīng)商向外部碳交易市場支付的碳成本/收益相等，且計(jì)算出的碳價(jià)格可以充分反映峰谷電價(jià)、系統(tǒng)拓?fù)洳町悓?dǎo)致的碳排放差異。

3）通過多能互補(bǔ)、多主體合作、儲(chǔ)能等手段，實(shí)現(xiàn)綜合能源供應(yīng)商與園區(qū)運(yùn)行成本與碳排放的降低；采用的納什協(xié)商模型刻畫了各園區(qū)的合作博弈，實(shí)現(xiàn)園區(qū)總體的收益最大化，并保證利益的公平分配。

4）基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的ADMM 在充分保護(hù)各主體隱私的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化結(jié)果與集中式優(yōu)化結(jié)果相近，相比于傳統(tǒng)ADMM 具有更好的收斂性與速度。

后續(xù)工作將以本文提出的模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步考慮綜合負(fù)荷響應(yīng)、源荷不確定性等問題。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。