階梯式碳交易機制下考慮需求響應的綜合能源系統低碳優化調度

王利猛,劉雪夢,李揚,常鐸,任星

(1.電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學), 吉林省吉林市 132012;2.東北電力大學計算機學院,吉林省吉林市 132012)

0 引 言

進入21世紀以來,以數字化、網絡化、智能化、綠色化為核心特征的新一輪工業變革,正在突破資源和環境的瓶頸,極大地提高了可持續發展能力,對能源系統提出了更高的要求。與此同時,在能源互聯網建設和全球環境保護的大趨勢下,我國提出了建立碳交易市場等政策機制,中國的能源革命加速了實現全球碳中和的承諾[1]。然而,傳統的能源系統是獨立規劃和運行的,無法發揮各種能源的優勢互補作用,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(integrated energy system,IES)將信息系統與物理系統融合、多能聯供和多種熱、電、氣儲能技術相結合,實現了多能轉換、儲存和消納[4-6],因此在當前數字化和能源革命的背景下,IES已成為必然選擇,是實現節能降碳的有效路徑。

綜合能源系統在增加清潔能源份額和減少二氧化碳排放方面發揮著重要作用[7-8]。文獻[9-10]闡釋了碳交易機制,并將其與IES相結合,進而分析了碳交易成本在系統運行方面的重要作用;文獻[11]根據核電廠、火電廠和風電場的實際無償碳排放權初始配額,并以火電廠的實際碳排放量為基礎計算碳交易成本,實現了經濟效益與低碳排放之間的有效平衡;文獻[12]推薦了一種基于基準方法的虛擬發電廠碳交易機制,該機制根據可再生能源單位發電量分配碳源。在文獻[13]中,構建了一個以最小碳排放為目標的多目標模型。雖然這些方法在減少碳排放方面有一定的效果,但不能同時促使系統成本下降。為此,需要引入更加合理完善的碳交易機制。

與此同時,為提高用戶對可再生能源的使用,提高系統的經濟效益,應對需求側加以考慮。通過碳排放權交易、需求側管理等機制對能源行業節能減排進行管理,被視為促進可持續發展的重要舉措。文獻[14]為提高能源利用率,基于熱負荷的模糊性和滯后性,建立了基于價格彈性矩陣的電、氣、熱負荷需求響應(demand response,DR)模型;文獻[15]將電力負荷分為可減少、可重新分配和可替換三種類型,并根據響應量統一計劃平衡成本,并采用飽和和分散指標來衡量用戶滿意度。文獻[16]通過擴展傳統的電力時移DR,提出了考慮電、氣、熱三種時移需求響應形式的綜合能量概率優化調度模型。文獻[17-18]從環境經濟調度和能量轉移角度,在多能源系統的最優運行下,考慮了基于價格的綜合需求響應(integrated demand response,IDR),文獻[19]進一步將電、氣、熱負荷的時移DR和可中斷DR結合起來,并對IDR方法在能量管理中的作用進行了擴展和分析,但在研究中未提及用戶側多種能量需求的靈活轉換和交互響應。

以上分析表明,大多數優化配置研究只考慮碳排放權交易或需求側管理,在同時考慮碳排放權交易和需求側管理方面相對薄弱。然而在電網優化調度時,同時考慮排放權交易和需求側管理,可以在低碳排放和經濟效益之間進行最佳權衡。隨著碳排放權交易的引入,傳統的以經濟效益為基礎的規劃模型正在向充分考慮低碳足跡的系統轉變。引入以碳排放權交易為基礎的需求側管理,既能提高用戶對可再生能源的利用,又能降低儲能容量,提高系統的經濟效益。

針對目前的形勢和挑戰,本文將進行如下研究。首先闡述碳排放權初始配額模型,并對其加以修正,然后引入階梯式碳交易機制,限制IES的碳排放;其次從需求響應角度出發,引入電-氣-熱的橫向互補替代與縱向時移策略;最后構建以IES運行總成本最小化為目標,考慮安全約束的低碳優化調度模型;最后通過5種不同情景分析驗證模型的正確性和有效性。

1 構建含電-氣-熱需求響應的IES

IES是一種復雜的結構體系,內含多種能源形式。IES可以利用電、熱、氣之間的互補協同效應,提高能源效率,滿足客戶對不同類型能源的交錯需求,同時確保持續可靠的能源供應[20-21]。本文在階梯式碳交易機制下,構建了含有電、氣、熱需求響應的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的能源供應側包含上級電網、上級氣網和風電設備;能源轉換設備包含電轉氣(power to gas,P2G)、燃氣鍋爐(gas boilers,GB)、燃氣輪機(gas turbine,GT)、余熱鍋爐(waste heat boiler,WHB)。熱電聯產機組由燃氣輪機和余熱鍋爐組成,采用熱電聯產耦合模式運行,可適應不同的系統條件;能源存儲由電儲能、氣儲能和熱儲能構成;電負荷、氣負荷以及熱負荷三部分共同構成系統的能源需求側響應資源。需求響應的引入可以平滑負荷曲線的波動,實現功率和熱量的交叉耦合,減少峰谷差,降低運營成本。

2 基于橫向時移與縱向互補替代策略的需求響應模型

在能源互聯網快速發展的背景下,電、氣、熱等多種能源之間的協同互補與靈活轉換,可以為需求方參與系統優化提供更多機會。本文從需求響應角度出發,引入電-氣-熱的橫向時移與縱向互補替代策略,即運營商可以根據能源價格的變化制定不同的調度計劃,進一步滿足多樣化能源需求,以確保IES的經濟、靈活和高效運作。參照傳統電力需求分類,根據交互響應特性,將IES中的需求響應負荷(電、氣、熱)擴展為三種負荷類型,即固定型負荷、可轉移型負荷和可代替型負荷。

(1)

2.1 固定型負荷

固定型負荷是指在正常運行中需要完全滿足的負荷,如照明、官方負荷和大多數商業負荷。固定負荷基本不參與需求響應,但在發生事故或突發事件時也可以部分切斷,以確保系統的安全。當發生這種情況時,運營商需要向用戶提供補償。

2.2 可轉移型負荷

可轉移型負荷是指在能源總需求大致不變的情況下,根據能源價格的變化,能夠及時進行橫向移位和調整,實現負荷調峰的負荷。可轉移型負荷主要由居民用戶和部分工業用戶組成,涉及洗衣機、熱水器等設備和部分工業設備。

2.3 可替代型負荷

可替代型負荷是指可以用其他能源形式替代以滿足能源需求的負荷,主要影響的是一些住宅和商業用戶,涉及空調、爐灶和供暖設備等。由于更換DR是用戶自愿按照能源價格實現的,因此不會對用戶日常生活的舒適度產生明顯影響[22]。

可轉移型負荷與可替代型負荷模型如下所示:

(2)

2.4 需求響應模型

綜上所述,DR模型可以通過多種需求響應方式來改變能源需求,具體如下:

(3)

3 基于全生命周期評估的階梯型碳交易機制

綜合能源系統可以提高能源效率,在IES中合理配置低碳設備可以有效減少碳排放,實現碳達峰和碳中和。碳排放主要來自能源開采、能源運輸和使用等各個階段,然而現有的綜合能源系統碳排放研究大多集中在運行階段或其中的單個模塊上,缺乏對綜合能源系統所有階段碳排放的分析和預測。因此本文從全生命周期評估的角度出發,所考慮的能源包括煤電、風電機組、天然氣。將能源和儲能設備在生產、運輸、運行和廢棄的全生命周期碳排放轉化為碳排放成本納入優化目標中,分析考慮全生命周期碳排放成本后對系統優化結果的影響[23]。各個環節具體計量過程可參考文獻[24]。

在國家的大力推進下,碳交易機制正逐步實施與推進,碳交易市場的發展與完善可以在很大程度上促進全國各地低碳減排的進程。政府或相關機構會為IES的每個碳排放源發放無償的碳排放權配額。如果生產廠商的實際CO2排放量小于政府分配的配額,可以出售多余的碳排放權配額來產生收入;反則,生產廠商必須購買碳排放權配額來抵消多余的CO2排放。碳交易機制模型主要由3個部分組成:碳排放權初始配額模型、實際碳排放模型以及階式型碳交易成本計算模型。

3.1 碳排放權初始配額模型

IES中的碳排放主要來源于上級購電、GT、GB和需求側氣負荷。碳排放權初始配額模型如下:

(4)

式中:EIES、Ee,buy、EGT、EGB、Eg,load分別為綜合能源系統、系統向上級購電、燃氣輪機、燃氣鍋爐、需求側氣負荷的無償碳排放權配額;σe、σh分別為產生單位電量、單位熱量所獲得的無償碳排放權配額;σg,load為消耗單位氣負荷的無償碳排放權配額;σe,h為燃氣輪機發電量對發熱量的折算參數;Pe,buy(t)表示在t時段下系統向上級購電的功率;PGT,e(t)、PGT,h(t)分別表示在t時段下燃氣輪機電功率、熱功率的供給量;PGB,h(t)表示在t時段下燃氣鍋爐熱功率的供給量;Pg,load(t)表示在t時段下氣負荷的消耗量;T為系統調度周期。

3.2 實際碳排放模型

系統在電轉氣的過程中會消耗部分CO2,同時需求側的氣負荷在運行時也會有大量CO2產生,如若將其考慮進來,本文則需對原有模型進行修正。由此得出實際碳排放模型如下:

(5)

式中:EIES,a為綜合能源系統的實際碳排放量;Ee,buy,a為系統向上級購電的實際碳排放量;EGTGB,a為燃氣輪機與燃氣鍋爐兩部分的實際碳排放量;PGTGB(t)表示燃氣輪機與燃氣鍋爐在t時段下的等效輸出功率;Eg,load,a為需求側氣負荷的實際碳排量;δ為單位氣負荷的等效碳排放參數,具體值可參考文獻[25];EP2G,a為P2G設備在電轉氣的過程中吸收的CO2量;PP2G,g(t)表示P2G設備在t時段下輸出的天然氣功率;θ為此過程中吸收CO2的參數;a、b、c為煤電機組的碳排放參數;d、e、f為消耗天然氣的機組碳排放參數。

3.3 階梯式碳交易成本計算模型

由IES總碳排量以及無償碳排放權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為系統參與到碳交易市場的碳排放交易份額;EIES為系統獲得的無償碳排放權配額。

階梯式碳交易成本計算模型在分層排放權交易下,將CO2排放量劃分為不同范圍。CO2排放量越高,交易價格越高,交易成本也就越高[26-27]。構建階梯式碳交易成本分段線性計算模型,指定若干排放區間。當EIES,c為負時,意味著系統排放的碳量低于標準量,則可以在相應的交易中心以規定的價格出售剩余份額以獲得一定的補貼,反之亦然。求解時,碳交易成本可表示為如下的分段函數:

(7)

式中:CCO2表示階梯式碳交易成本;λ表示碳交易的基準價格;d表示碳排放量區間長度;α表示價格增長幅度。

4 綜合能源系統低碳優化調度模型

4.1 目標函數

本文以IES的運行總成本C為目標函數,包括能源購買成本Cbuy、碳交易成本CCO2、需求響應補償成本Cdr、設備維護成本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時段下的購氣量;αt、βt分別表示在t時段下的電價以及氣價。

2)階梯式碳交易成本CCO2見式(7)。

3)需求響應補償成本Cdr。

(10)

式中:μp、μc分別表示可轉移型負荷、可替代型負荷參與需求響應的單位補償系數。

4)設備維護成本Cem。

(11)

4.2 約束條件

4.2.1 風電機組出力約束

(12)

4.2.2 儲能運行約束

采用儲能系統的通用模型對電、熱兩類儲能設備進行建模,此類儲能模型已有大量文獻研究,本文在此不再贅述,具體模型見文獻[25]。

4.2.3 用戶滿意度約束

考慮用戶滿意度約束,以避免對用戶的工作和生活造成影響。

Imin≤I≤1

(13)

(14)

4.2.4 CHP運行約束

(15)

4.2.5 GB運行約束

(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輔助技術，因為宮腔鏡具有放大和直視功能，能仔細、直觀地觀察病灶，在診斷剖宮產后瘢痕妊娠時具有非常重要的作用。宮腔鏡手術結合了宮腔鏡放大、直視的優點，能對患者的病灶情況和宮腔內環境進行準確了解，對妊娠組織、殘留絨毛組織等進行充分清除，不會盲目破壞子宮內膜，有效保護患者的生育能力。宮腔鏡手術能對出血點進行準確發現，同時進行電凝止血，能讓手術安全性顯著提高，讓手術風險和術中出血量降低，減輕手術對患者機體的損傷和擾亂，患者術后恢復時間短，依從性比較理想。

5 算例分析

為了進行案例研究,本文選取了中國東北地區的一個綜合性工業園區作為分析對象,因其對電、氣、熱負荷的需求是多樣化的。本文系統以24 h為一個調度周期進行仿真。IES中的設備參數與儲能參數詳見附錄A表A1、A2;IES內部風電出力與電、氣、熱負荷預測值詳見附錄A圖A1;分時電價、分時氣價詳見文獻[28];實際碳排放模型參數參考文獻[29];產生單位電量的碳排放權配額σe=0.798 kg/(kW·h)、產生單位熱量的碳排放權配額σh=0.385 kg/(kW·h);消耗單位氣負荷的碳排放權配額σg,load=0.180 kg/(kW·h);碳排放量區間長度d=2 000 kg,價格增長幅度α=0.25,碳交易基價λ=0.251元/kg[30];需求側的可轉移型負荷占總負荷的10%,且可替代型負荷占總負荷的5%。將前文所提及的低碳優化調度模型分段線性化成為線性模型,然后使用Matlab軟件的CPLEX求解器對模型進行優化求解。

5.1 階梯式碳交易機制下考慮需求響應的效益分析

為了驗證在階梯式碳交易機制下考慮需求響應效果,設計了以下5種情景進行比較和分析。

情景1：在階梯式碳交易機制下,不考慮需求響應,不考慮碳交易成本。

情景2：在傳統碳交易機制下,不考慮需求響應,考慮碳交易成本。

情景3：在階梯碳交易機制下,不考慮需求響應,考慮碳交易成本。

情景4：在階梯碳交易機制下,考慮碳交易成本和需求側負荷的橫向時移。

情景5：在階梯碳交易機制下,考慮碳排放成本和需求側負荷的橫向時移與縱向互補替代。

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

表1 各情景優化調度結果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在優化調度時未考慮系統的碳交易成本,轉而以能源購買成本最低為其優化調度目標,這就使得系統更傾向于購買價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顯著增加碳排放量,只能購買碳排放權配額來抵消多余的CO2排放。因此情景1不僅碳排放量高,系統的運行總成本也遠高于其他情景。

正因為情景2相較于情景1而言考慮了系統的碳交易成本,所以才在此情景下對碳排放量有所制約。盡管天然氣的購買價格較為便宜,并且低于電力的購買價格,但使用天然氣會造成較高的CO2排放,使系統在碳交易市場上額外購買碳排放權配額所花費的成本高于系統所節省的能源購買成本。因此情景2的碳排放量比情景1低1 243.76 kg,系統的運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對比結果分析。

情景3相較于情景2而言改用階梯式碳交易機制來計算系統的碳交易成本,而摒棄了傳統的碳交易機制。碳交易成本是系統運行總成本的重要組成部分,又由于購買碳排放權配額的價格是階梯式遞增的,所以當碳交易成本的權重增加時,激勵了系統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制來計算系統的碳交易成本,使得情景3較于情景2的碳交易成本增加了129.88元,進而導致系統的運行總成本增加。

3)情景3與情景5對比結果分析。

情景5在情景3的基礎上考慮了用戶側的需求響應,從DR角度出發引入了電-氣-熱橫向時移與縱向互補替代策略,使得用戶可以根據能源價格的不同而改變能源使用策略。例如將白天部分的負荷需求轉移到夜間或其余能源價格較低的時間段,也可以在同一時間且滿足自身需求的前提下,自由選擇設備以達到節能的效果。因此與情景3相比,情景5不但碳排放量減少了1 066.47 kg,系統的運行總成本也減少了1 154.57元,在低碳性與經濟性兩方面發揮了顯著效果。

5.2 碳交易基價與區間長度影響分析

在一個考慮碳交易的系統中,因碳交易成本為目標函數的重要組成部分,所以其變化會對該系統運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λ、區間長度d與該系統的實際碳排放量及碳交易成本之間的關系曲線。

圖4 碳交易基價對IES的影響Fig.4 The impact of carbon trading base prices on integrated energy systems

當λ上升時,碳交易成本比重隨之逐漸增大,此時該系統及時地對碳價作出反應,為降低自身運行成本,系統中的實際碳排放量將顯著減少,但因價格的上升幅度超過實際碳排放量下降幅度,碳交易成本會逐漸增加,此時碳交易成本的增加歸咎于λ的增加;當λ≥0.35元/kg時,系統各部分設備的運行會保持一個平穩的狀態,碳排放量達到其谷值且基本穩定,即使λ不斷上漲,但仍無法改變系統行為,因此碳交易成本隨著λ的上升而增加,進而導致系統的運行總成本增加。

當2 000 kg≤d<4 000 kg時,因d的跨度空間很小,所以根據IES的實際碳排放量,系統需額外購買較多的碳排放權配額,但其價格處在階梯碳價較高的區間,從而導致碳交易成本驟增,此時該系統及時地作出反應,為降低自身運行成本系統只能保持較低的碳排放量;當4 000 kg≤d<8 000 kg時,因d的跨度空間很大,此時根據系統的實際碳排放量,其形成了在階梯碳價較低的區間額外購買碳排放權配額的行為,使得系統的碳交易成本顯著降低,但系統的實際碳排放量顯著增加;當8 000 kg≤d<10 000 kg時,因d的跨度空間過大,系統需要在碳交易市場上額外購買碳排放權配額全部處于階梯碳價較低的區間,因為價格上升空間很小,無法改變系統自身行為,所以此時系統的實際碳排放量趨于平穩。

以上分析表明,適當的碳交易基準定價和區間長度的合理設置可以促進系統經濟與低碳排放之間的協同效應。

5.3 基于橫向時移與縱向互補替代的需求響應策略分析

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;就系統的運行總成本而言,情景4、情景5下的系統運行總成本較情景3分別減少603.23元、1 237.21元。這兩種情景的需求響應結果如圖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下需求響應結果Fig.6 Demand response for scenario 4

圖7 情景5下需求響應結果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對比結果分析。

由于夜間風電的逆峰調節特性,為減少棄風現象的發生,夜間可使用電負荷取代部分氣、熱負荷;與此同時,受時間不同電價不同的影響作用,IES會將白天部分的電力負荷需求向夜間轉移以提升能源利用率,進而減少系統運行總成本。

如圖2熱負荷DR所示,相較于白天而言用戶側對熱負荷的需求量大都在夜間時段。系統中耗天然氣型設備會保持著高碳排放狀態以滿足此時熱負荷的需求,但由于此時系統對碳交易成本有所制約,因此將部分熱負荷從夜間時移到白天以減少碳排放量,進而降低碳交易成本。由于考慮了需求側負荷的橫向時移,使得CHP出力有所減小,為更好滿足用戶側對于熱負荷的需求,采用GB進行熱功率輸出,此舉措可在一定程度上節省系統的運行總成本。

由于氣負荷采用橫向時移策略并不會影響總體碳排量,同時采用此策略時無法避免DR補償反而增加成本,所以氣負荷并未使用橫向時移策略。

2)情景4與情景5對比結果分析。

在情景5下需求側采取了橫向時移與縱向互補替代策略。為進一步減少棄風現象的發生,夜間可使用電負荷取代部分氣、熱負荷;在白天購電價格要高于購氣價格,因此可使用氣負荷取代部分電、熱負荷。可見,DR策略的實施能夠在一定程度上改變負荷曲線,緩解能源供應壓力,從而發揮出需求側在IES運行中的優化潛力,這主要源于兩個方面:橫向時移DR是將峰值時段的部分負荷功率移至負荷較低時段,實現負荷曲線的“削峰填谷”;通過縱向互補替代DR,可以提供靈活多樣的能源使用選擇,實現不同能源負荷的互補替代。

6 結 論

本文引入階梯式碳交易機制和橫向時移與縱向互補替代策略并構建了IES低碳優化調度模型,將5種典型情景下IES的碳排放量與系統運行總成本進行比較,并對階梯式碳交易機制、碳交易基價λ與區間長度d、需求側橫向時移與縱向互補替代策略對系統運行經濟性和低碳性的影響進行分析,得出如下結論。

1)本文考慮傳統碳交易機制的不足,改用階梯式碳交易機制,其碳價的階梯遞增可以激勵系統更加注重減少自身的碳排放量。合理設置碳交易基價與區間長度可以促進系統經濟與低碳排放之間的協同效應。

2)本文提出的DR方法可以有效實現電-氣-熱負荷的橫向時移與縱向互補替代,在一定程度上緩解能源供應壓力,有效地協調系統運行的經濟性和低碳性。

3)在階梯式碳交易機制下考慮需求響應可以優化綜合能源系統,使其達到節能減排的效果,使得系統運行更加低碳且節約成本,在此策略下IES的運行總成本下降了5.69%,碳排放量降低了17.06%。

后續將對風電出力不確定性開展深入研究,此外也會對IES在多時間尺度[31]下逐步優化,使其低碳、經濟地穩步發展。

附錄A

表A1 設備參數Table A1 Device parameters

圖A1 IES 內部風電出力與電、氣、熱負荷預測值Fig.A1 Integrated energy system internal wind power output and electricity, gas and heat load forecasts