考慮碳交易的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究

梁作放，潘 華，何 輝，尹茗曉

（1.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012；2.上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

近年來，化石能源日益匱乏，霧霾等環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)峻，促進(jìn)了風(fēng)、光等可再生能源的迅速發(fā)展，新一輪能源革命悄然興起。如何推動新一輪能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、建立安全清潔高效可持續(xù)的能源系統(tǒng)亟待研究［1-4］。以電-氣-熱等多種能源組合而成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（Regional Integrated Energy System，RIES），能夠?qū)崿F(xiàn)多能源的相互轉(zhuǎn)化與耦合互補(bǔ)，充分消納可再生能源，提高能源利用效率，對構(gòu)建清潔低碳高效的能源系統(tǒng)具有重要意義［5-7］。

文獻(xiàn)［5］建立了以電為核心的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，并采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，得到了具有經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的調(diào)度方案。文獻(xiàn)［8］以成本及污染氣體量最小為目標(biāo)，并考慮新能源與負(fù)荷不確定性帶來的影響，采用NSGA-Ⅱ算法對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的配電、配氣系統(tǒng)及能量中心進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)［9］構(gòu)建了以電力與天然氣系統(tǒng)為主的、包含風(fēng)電等可再生能源的綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型，并采用二階錐規(guī)劃與點(diǎn)估計(jì)法進(jìn)行求解，在實(shí)際算例中的應(yīng)用證明了算法與模型的正確性和有效性。文獻(xiàn)［10］在滿足客戶多種能源需求的基礎(chǔ)上，建立了以能源采購成本最小為目標(biāo)建立了優(yōu)化模型，并采用程序驗(yàn)證了模型的正確性。文獻(xiàn)［11］基于機(jī)會約束規(guī)劃，建立了以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的區(qū)域綜合能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，為平衡在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性提供了參考。文獻(xiàn)［12］提出了一種微型熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，通過遺傳算法進(jìn)行求解分析，結(jié)果表明熱電聯(lián)產(chǎn)效益大于單獨(dú)發(fā)電或單獨(dú)供熱效益。文獻(xiàn)［13］在滿足系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與用戶體感舒適雙重要求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并采用LINGO 求解。為了有效減少碳排放量，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的能源系統(tǒng)，有必要將碳排放引入到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中。文獻(xiàn)［14］在電-氣互聯(lián)的能源系統(tǒng)中引入了碳交易機(jī)制，將燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量與碳排放額表示為與其有功功率成一定比例的量，對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的碳交易具有一定的指導(dǎo)意義，但所構(gòu)建的模型中僅包含天然氣、燃?xì)廨啓C(jī)與火電機(jī)組等，調(diào)度模型較為簡單。文獻(xiàn)［15］構(gòu)建了以能源中心為基礎(chǔ)含電力網(wǎng)絡(luò)、熱力網(wǎng)絡(luò)及天然氣網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并考慮了碳排放成本，但是未計(jì)及風(fēng)電等可再生能源。國內(nèi)外研究人員在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度上取得了一定的成績，構(gòu)建了多種模型，并嘗試采用多種方法進(jìn)行求解，也有學(xué)者在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中考慮碳交易機(jī)制，但尚不完善，仍需進(jìn)行相關(guān)研究。

以系統(tǒng)總成本最低為目標(biāo)函數(shù)，在考慮碳交易的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了含光伏、風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲能設(shè)備、配電網(wǎng)等聯(lián)合供電、供熱／冷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并將光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測的誤差表示成均值為0 的正態(tài)分布，采用布谷鳥搜索算法對4 種情況進(jìn)行求解分析。

1 建立區(qū)域綜合能源運(yùn)行成本

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體，集電力、供熱（冷）及天然氣等多個系統(tǒng)為一體，其通過能源之間的耦合互補(bǔ)、階梯利用以及先進(jìn)的信息技術(shù)等，對多種能源進(jìn)行統(tǒng)一管理、輸送與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，能夠?qū)崿F(xiàn)不同能源之間的轉(zhuǎn)換，提高能源利用效率，促進(jìn)可再生能源消納，優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)［16-18］。構(gòu)建的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包含微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備及余熱回收系統(tǒng)等部分，并通過管道、變壓器、輸電線等與天然氣管網(wǎng)、配電網(wǎng)相連，如圖1 所示。其中區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的余熱回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煙氣等余熱的有效回收，能夠?qū)崿F(xiàn)資源再利用，降低能耗，節(jié)約能源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益［19］。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本及其排煙所產(chǎn)生的余熱與有功出力之間的關(guān)系，可以分別近似為一次函數(shù)、二次函數(shù)［20-21］：

1.3 吸收式制冷機(jī)

夏季時，采用吸收式制冷機(jī)供應(yīng)冷負(fù)荷，其能量來源假設(shè)僅為微型燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱，因此只計(jì)其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為

式中：λx為吸收式制冷機(jī)輸入單位功率的運(yùn)維花費(fèi)；為t 時段輸入吸收式制冷機(jī)中煙氣余熱的功率。

式中：μx為吸收式制冷機(jī)的制冷能效比。

1.4 光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測誤差成本

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測做了一定的研究，目前一些文獻(xiàn)通常將光伏、風(fēng)電及負(fù)荷的預(yù)測誤差e1、e2、e3表示為服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為σ 的正態(tài)分布［22-24］。光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)差分別為［25-27］：

則光伏、風(fēng)電及負(fù)荷在t 時段的預(yù)測誤差成本分別為：

1.5 碳交易模型

碳交易即為將碳排放量當(dāng)作商品在市場上進(jìn)行交易的行為。政府為了控制碳排放總量，向各排放含碳?xì)怏w的單位分配排放額度，如果單位的碳排放量低于排放額度，則可將剩余額度進(jìn)行出售；反之，當(dāng)排放量大于排放額度時，需向其他單位進(jìn)行購買排放額度，否則不予排放。

僅考慮微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時產(chǎn)生的碳排放，忽略天然氣、儲能設(shè)備、光伏電池板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中的碳排放。微型燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量與其有功出力存在函數(shù)關(guān)系［28-29］，為

式中：δ 為微型燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放強(qiáng)度。

發(fā)電機(jī)的碳排放額度與其有功出力成一定的比例，為

式中：η 為發(fā)電機(jī)單位功率的碳排放。

碳交易成本（收益）為

式中：λg為碳交易價(jià)格；當(dāng)為正數(shù)時，表示該發(fā)電機(jī)需要購買額度，會增加發(fā)電成本；當(dāng)為負(fù)數(shù)時，則增加收益，降低發(fā)電成本。

1.6 儲能設(shè)備

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的儲能裝置不僅用來處理光伏、風(fēng)電等出力的不確定性，還可以利用峰谷電價(jià)增加系統(tǒng)收益。儲能設(shè)備的充放電成本為

式中：λs為儲能設(shè)備的成本系數(shù)為儲能設(shè)備的充放電功率。

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型及求解

2.1 目標(biāo)函數(shù)

RIES 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)是在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小，為

式中：T 為調(diào)度周期。

2.2 約束條件

本文中的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的交換功率遠(yuǎn)小于配電網(wǎng)容量，且認(rèn)為二者之間的線路能夠輸送該功率，因此不考慮配電網(wǎng)與系統(tǒng)交換功率約束。

2.2.1 供用電平衡

RIES 系統(tǒng)從配電網(wǎng)購入（出售）的電能、系統(tǒng)各單元產(chǎn)生的電能與系統(tǒng)內(nèi)用電功率保持平衡，為

2.2.2 供熱約束

系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與所需的熱負(fù)荷應(yīng)保持平衡，為

2.2.3 供冷約束

系統(tǒng)內(nèi)的制冷量與冷負(fù)荷應(yīng)保持平衡，為

2.2.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)出力約束

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時要保持在一定區(qū)間范圍內(nèi)，或者不進(jìn)行發(fā)電，為

2.2.5 儲能設(shè)備約束

在RIES 系統(tǒng)中加入儲能設(shè)備有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。儲能設(shè)備剩余電量計(jì)算公式為

式中：St為儲能設(shè)備t 時段的電量；St-1為儲能設(shè)備t-1 時段的電量；ηc、ηd分別為電池的充、放電效率；為t-1 時段儲能設(shè)備與外部交換的功率。

儲能設(shè)備過度充、放電對其使用有一定影響，因此儲能設(shè)備的剩余電量需要維持在一定區(qū)間內(nèi)。儲能設(shè)備剩余電量的約束條件為

式中：Smax、Smin分別為儲能電池電量的上下限。

為保障儲能電池的使用壽命，儲能電池的充放電功率需要保持在一定的范圍內(nèi)。儲能電池的充放電功率約束為

2.3 布谷鳥搜索算法

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題是一種高維、非線性且多約束的優(yōu)化問題。布谷鳥搜索算法（Cuckoo Search，CS）簡單靈活，具有良好的全局收斂性，全局搜索能力強(qiáng)，設(shè)置參數(shù)較少，通用性好，魯棒性較強(qiáng)，不需要為特殊問題重新匹配參數(shù)，求解效果較好，目前已在求解電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題中得到了一定的應(yīng)用［30-31］，比較適合本文所建立的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，因此選擇布谷鳥搜索算法進(jìn)行。布谷鳥搜索算法主要是通過模擬布谷鳥借巢產(chǎn)卵的生殖行為，并結(jié)合鳥類的萊維飛行來求解最優(yōu)化問題，該算法模擬3 個理想條件：

1）對單目標(biāo)最優(yōu)化問題，每只布谷鳥每次只產(chǎn)一枚卵，并隨機(jī)放置在其他鳥巢中；

2）最好的鳥巢將保留到下一代；

3）可以放置鳥蛋的鳥巢數(shù)量n 是固定不變的，巢主鳥發(fā)現(xiàn)布谷鳥蛋的概率是pa，且pa∈［0，1）。如果巢主鳥發(fā)現(xiàn)該枚卵，其會選擇將該卵丟棄或拋棄整個鳥窩，在另一位置重新建立鳥巢，而布谷鳥則會重新鳥巢下蛋。

CS 算法流程如圖2 所示。

圖2 布谷鳥搜索算法流程

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

本文所采用的設(shè)備為：額定功率為60 kW、200 kW 的微型燃?xì)廨啓C(jī)各1 臺；額定功率為100 kW的風(fēng)電機(jī)組1 臺；額定功率為100 kW 的光伏機(jī)組1 組。各設(shè)備具體參數(shù)及微型燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量計(jì)算系數(shù)［20，28，32-34］如表1—表3 所示。單位功率 碳排放份額取0.798 kg／kWh。碳交易價(jià)格取0.268 元／kg。當(dāng)電網(wǎng)向區(qū)域綜合能源系統(tǒng)送電時采用分時電價(jià)，如圖3 所示。RIES 系統(tǒng)向配電網(wǎng)售電的電價(jià)為0.498 3 元／kWh。

表1 微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組及光伏機(jī)組設(shè)備參數(shù)

表2 微型燃?xì)廨啓C(jī)余熱函數(shù)與碳排放的參數(shù)

表4 儲能電站參數(shù)信息

圖3 分時電價(jià)

采用“以熱定電”模式運(yùn)行區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，且設(shè)置兩種情形分別進(jìn)行求解分析：情形Ⅰ為冬季，區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷由余熱回收系統(tǒng)供應(yīng)，光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測功率如圖4 所示；情形Ⅱ?yàn)橄募荆瑓^(qū)域內(nèi)的冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)供應(yīng)，光伏、風(fēng)電及負(fù)荷預(yù)測功率如圖5 所示。

3.2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

采用布谷鳥搜索算法對模型進(jìn)行求解，算法中的鳥窩個數(shù)取n=25，而布谷鳥蛋被發(fā)現(xiàn)概率取pa=0.25。調(diào)度周期開始時，儲能電池剩余電量取其下限。冬季供熱時，微型燃?xì)廨啓C(jī)及電網(wǎng)出力如圖6 所示，儲能電池出力及剩余電量如圖7 所示。

圖4 情形Ⅰ光伏、風(fēng)電出力預(yù)測及熱電負(fù)荷預(yù)測

圖5 情形Ⅱ光伏、風(fēng)電出力預(yù)測及冷電負(fù)荷

圖6 冬季微型燃?xì)廨啓C(jī)與電網(wǎng)出力

圖7 供熱時儲能設(shè)備出力及剩余電量

夏季供冷時，微型燃?xì)廨啓C(jī)及電網(wǎng)出力如圖8所示，儲能電池及剩余電量如圖9 所示。

圖8 冬季微型燃?xì)廨啓C(jī)與電網(wǎng)出力

圖9 供冷時儲能設(shè)備出力及剩余電量

當(dāng)不包含儲能設(shè)備時，冬季與夏季微型燃?xì)廨啓C(jī)及電網(wǎng)出力如圖10—圖11 所示。

圖10 冬季微型燃?xì)廨啓C(jī)與電網(wǎng)出力（不包含儲能）

圖11 夏季微型燃?xì)廨啓C(jī)與電網(wǎng)出力（不包含儲能）

由圖6、圖8、圖10 與圖11 可知，微型燃?xì)廨啓C(jī)的出力波動相對較小，調(diào)節(jié)峰谷差的能力有限。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，在微型燃?xì)廨啓C(jī)及儲能設(shè)備出力大于系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷需求時，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)則將剩余有功功率向電網(wǎng)輸送；當(dāng)其出力小于系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷需求時，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送電能；且可再生能源有功出力由于自然環(huán)境等因素容易發(fā)生波動，此時一般以電網(wǎng)出力進(jìn)行調(diào)節(jié)為主，因此電網(wǎng)出力波動較大。儲能裝置除應(yīng)對可再生能源波動性，還會根據(jù)調(diào)度周期內(nèi)的不同電價(jià)進(jìn)行充放電，以保證系統(tǒng)收益更大。

在文中約束條件等模型不變的情況下，去除目標(biāo)函數(shù)中的碳交易成本，以系統(tǒng)其他成本最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。兩種情形下的調(diào)度結(jié)果如表5所示。

表5 運(yùn)行結(jié)果對比

由表5 可知，將碳交易成本包含在目標(biāo)函數(shù)與否對碳排放有著較大的影響，目標(biāo)函數(shù)中包含碳交易成本時，系統(tǒng)的碳排放量較低。因此所建模型能夠在降低碳排放量的同時，還能滿足區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求。

4 結(jié)語

以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，電能平衡、熱／冷能平衡及微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行條件等為約束，構(gòu)建了考慮碳交易的區(qū)域綜合能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并采用布谷鳥搜索算法進(jìn)行求解。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，所建模型在降低碳排放量同時，仍能滿足區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求。