階梯式碳交易機(jī)制下計(jì)及電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)需求響應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行

袁坤龍 張少康 常 冉 陳艷波

階梯式碳交易機(jī)制下計(jì)及電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)需求響應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行

袁坤龍1張少康2常 冉2陳艷波1

（1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 2. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司西峽縣供電公司，河南 西峽 474500）

隨著能源耦合的發(fā)展及我國(guó)碳市場(chǎng)的不斷完善，傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)已經(jīng)不能滿足雙碳背景下多能耦合綜合能源系統(tǒng)（IES）的發(fā)展現(xiàn)狀。為了更深入地挖掘需求側(cè)響應(yīng)在節(jié)能減排中的作用，本文提出一種階梯式碳交易機(jī)制下計(jì)及電-氣-熱IES需求響應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行模型。首先將負(fù)荷分為價(jià)格類和替代類，分別建立價(jià)格替代和熱能替代需求響應(yīng)模型；其次考慮IES參與碳交易市場(chǎng)，結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP）和燃?xì)忮仩t（GB）的實(shí)際碳排放量，引入階梯式碳交易機(jī)制引導(dǎo)IES控制碳排放；最后以購(gòu)能成本、階梯式碳交易成本與運(yùn)維成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立電-氣-熱IES優(yōu)化運(yùn)行模型，并通過四種場(chǎng)景對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷占比及階梯式碳交易基價(jià)和區(qū)間長(zhǎng)度的分析發(fā)現(xiàn)，合理地分配價(jià)格型、替代型負(fù)荷占比，以及碳交易基價(jià)和區(qū)間長(zhǎng)度，有利于提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

需求響應(yīng)；階梯式碳交易機(jī)制；綜合能源系統(tǒng)（IES）

0 引言

2020年，我國(guó)明確提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。考慮到電力行業(yè)的能源消耗和碳排放量占比巨大，發(fā)展低碳電力成為加速實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要推動(dòng)力量[1-3]。

“雙碳”背景下，能源體系轉(zhuǎn)型刻不容緩。文獻(xiàn)[4-5]分析了碳捕集電廠（carbon capture power plant, CCPP）技術(shù)在綠色能源轉(zhuǎn)型中的重要地位，碳捕集技術(shù)對(duì)當(dāng)前低碳電力的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。文獻(xiàn)[6]通過碳捕集技術(shù)收集CO2并作為電轉(zhuǎn)氣（power to gas, P2G）的原料，實(shí)現(xiàn)了碳捕集與P2G設(shè)備之間的循環(huán)利用，這一創(chuàng)新措施有助于促進(jìn)碳減排并推動(dòng)可持續(xù)能源發(fā)展。文獻(xiàn)[7]提出一種新型碳循環(huán)系統(tǒng)，通過超臨界狀態(tài)下的CO2循環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了CO2的循環(huán)再利用，并提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[8]提出一種日前-實(shí)時(shí)雙階段協(xié)調(diào)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了最佳的能源調(diào)度和碳減排效果，進(jìn)而滿足經(jīng)濟(jì)性和低碳性的要求。

通過多種能源耦合互補(bǔ)，結(jié)合負(fù)荷協(xié)調(diào)運(yùn)行，可以提升風(fēng)電消納能力。在電源側(cè)協(xié)調(diào)燃?xì)忮仩t（gas boiler, GB）和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（combined heat and power, CHP）可以提升風(fēng)電、光伏并網(wǎng)空間。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)分析了P2G技術(shù)、協(xié)同優(yōu)化模型等，指出P2G可將可再生能源高效轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)，從而節(jié)約了儲(chǔ)能成本。文獻(xiàn)[10-11]提出在系統(tǒng)中引入P2G可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光伏的過度消納。文獻(xiàn)[12]考慮到氣網(wǎng)，分析利用P2G技術(shù)可以產(chǎn)生天然氣并通過氣網(wǎng)市場(chǎng)獲益。但是，目前針對(duì)P2G的能源耦合特性及對(duì)需求響應(yīng)（demand response, DR）的研究較少。文獻(xiàn)[13]提出一種考慮多種DR類型的消納模型。文獻(xiàn)[14]考慮DR模型在解決棄風(fēng)方面的效益。上述文獻(xiàn)對(duì)能源耦合替代與用戶滿意度的研究較少，而能源形式轉(zhuǎn)換替代對(duì)用戶的實(shí)際影響較小。

目前，一些研究開始關(guān)注綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system, IES）的低碳運(yùn)行。文獻(xiàn)[15]提出一個(gè)綜合考慮CO2排放成本和經(jīng)濟(jì)成本的重復(fù)博弈模型，用于微電網(wǎng)與配電網(wǎng)研究，將等效碳排放系數(shù)納入經(jīng)濟(jì)成本分析中；這一研究方法有助于更全面地評(píng)估綜合能源系統(tǒng)的低碳運(yùn)行情況，同時(shí)平衡了經(jīng)濟(jì)性與減碳性的關(guān)系。文獻(xiàn)[16]提出考慮碳交易成本的IES模型，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和減碳性目標(biāo)。此外，文獻(xiàn)[17]為了限制碳排放提出階梯式碳交易機(jī)制，通過設(shè)定不同的碳排放階梯對(duì)碳排放量進(jìn)行約束，激勵(lì)企業(yè)采取更多的減排措施，以滿足不同階梯所設(shè)定的碳排放要求。文獻(xiàn)[18]在IES模型中引入碳交易成本，建立了一種獎(jiǎng)懲階梯式碳交易模型。文獻(xiàn)[19]將階梯式碳交易機(jī)制與常規(guī)碳交易機(jī)制對(duì)比，證明了前者應(yīng)用于IES更加合理。階梯式碳交易機(jī)制在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下具有更好的減碳效果和經(jīng)濟(jì)性，上述研究為IES的優(yōu)化調(diào)度和碳排放控制提供了重要的參考和指導(dǎo)。綜合考慮碳交易成本和階梯式碳交易機(jī)制有利于提升經(jīng)濟(jì)性和減少碳排放，從而推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和低碳轉(zhuǎn)型。

本文以上述研究為基礎(chǔ)，考慮階梯式碳交易機(jī)制、需求響應(yīng)、碳捕集電廠、P2G兩階段運(yùn)行策略，構(gòu)建以購(gòu)能成本、階梯式碳交易機(jī)制成本、運(yùn)維成本之和最小的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。由于模型中含有二次項(xiàng)，通過將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性模型，并借助Matlab中的求解器Gurobi進(jìn)行求解，對(duì)4種場(chǎng)景分析比較，以證明本文所提策略可兼顧經(jīng)濟(jì)性和減碳性。

1 考慮DR的IES模型

1.1 電-氣-熱系統(tǒng)

IES通過消納風(fēng)電、光伏，加上各個(gè)機(jī)組、儲(chǔ)能（energy storage, ES）、儲(chǔ)熱（heat storage, HS）設(shè)備之間的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)能源的可靠、高效、持續(xù)利用。

本文構(gòu)建如圖1所示的電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)，其中，電負(fù)荷除了由上級(jí)電網(wǎng)供電，還可由風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)電設(shè)備供電。碳捕集機(jī)組通過燃燒煤炭來給電負(fù)荷供電，同時(shí)將捕集到的CO2作為電轉(zhuǎn)氣的原料，利用棄風(fēng)、棄光合成甲烷，甲烷作為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和燃?xì)忮仩t的原料給熱負(fù)荷供熱。另外，在電負(fù)荷和熱負(fù)荷側(cè)還配備了儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱裝置。該系統(tǒng)采用DR控制策略，通過對(duì)可削減、可轉(zhuǎn)移及可替代負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的負(fù)荷曲線。優(yōu)化后的負(fù)荷可以平抑波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電熱互耦，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖1 電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 DR模型

DR分為價(jià)格型和替代型，用戶通過對(duì)電價(jià)波動(dòng)或激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng)，能夠在滿足自身需求的前提下，通過合理分配能源消耗的時(shí)間和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)能源資源的最優(yōu)利用。

1）價(jià)格型需求響應(yīng)

電價(jià)可以影響負(fù)荷對(duì)用電量的需求，因此可以根據(jù)電價(jià)將負(fù)荷分類為可削減負(fù)荷（curtailable load, CL）和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷（shiftable load, SL）。

（1）CL模型

CL是指用戶根據(jù)前后時(shí)段的電價(jià)變化來決定是否減少自身負(fù)荷的行為。通過對(duì)電價(jià)的觀察和比較，用戶可靈活地調(diào)整其能源消耗，以響應(yīng)電價(jià)變動(dòng)并減少電力需求。

（2）SL模型

SL是指用戶基于需求對(duì)電價(jià)做出響應(yīng)，并調(diào)整工作時(shí)間以適應(yīng)負(fù)荷需求的靈活性。

2）替代型需求響應(yīng)

可替代負(fù)荷（replaceable load, RL）指可以通過電能和熱能替代的負(fù)荷。例如，對(duì)于某些可由熱能或電能直接供應(yīng)的負(fù)荷，在低電價(jià)時(shí)消耗電能、在高電價(jià)時(shí)消耗熱能，可達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。RL模型為

最大可替代負(fù)荷量的范圍為

優(yōu)化后的電負(fù)荷為

優(yōu)化后的熱負(fù)荷為

2 機(jī)組模型與階梯式碳交易機(jī)制

2.1 碳捕集電廠模型

傳統(tǒng)火電廠加設(shè)碳捕集裝置后形成碳捕集電廠，機(jī)組輸出功率一部分供應(yīng)負(fù)荷，另一部分用于滿足碳捕集設(shè)備的能耗需求。因此，CCPP的功率關(guān)系可表示為

2.2 P2G系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

P2G技術(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵過程。首先水通過電解槽（electrolyzer, EL）轉(zhuǎn)化為氫氣，這個(gè)過程被稱為電解；其次，經(jīng)過甲烷反應(yīng)器（methane reactor, MR）的作用，氫氣會(huì)被轉(zhuǎn)化為天然氣，這一過程被稱為甲烷化反應(yīng)。通過以上兩個(gè)關(guān)鍵過程，可以實(shí)現(xiàn)從電能到氫能，再到天然氣的轉(zhuǎn)換。電解制氫過程中，氫氣產(chǎn)量與P2G運(yùn)行功率滿足

在氫氣甲烷化過程中各物質(zhì)的關(guān)系為

2.3 CHP和GB數(shù)學(xué)模型

2.4 ES和HS模型

2.5 階梯式碳交易機(jī)制模型

1）碳排放權(quán)配額模型

IES碳排放來自上級(jí)購(gòu)電、GB、CHP、CCPP。本文采用無償配額制度，即碳排放源無需支付額外的碳排放配額費(fèi)用。

2）實(shí)際碳排放模型

MR反應(yīng)過程消耗CO2，因此碳排放實(shí)際模型為

3）階梯式碳排放交易模型

碳交易市場(chǎng)中碳排放權(quán)交易額為

階梯式碳排放機(jī)制施行不同區(qū)間采用不同的配額，配額大小受電價(jià)影響，這樣可以刺激用戶減少碳排放。

階梯式碳交易成本為

3 階梯式碳交易機(jī)制下計(jì)及電-氣-熱IES需求響應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，目標(biāo)函數(shù)為

1）購(gòu)能成本

系統(tǒng)具備與上級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行電量交易的能力，在供需不平衡的情況下實(shí)現(xiàn)電量平衡。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量無法滿足需求時(shí)，系統(tǒng)從上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)買所需電量以滿足需求。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電過剩時(shí)，將多余電能出售給電網(wǎng)。另外，通過氣網(wǎng)及P2G設(shè)備實(shí)現(xiàn)CHP和GB的正常運(yùn)行。因此，購(gòu)能成本為

3.2 約束條件

1）功率平衡約束

電-氣-熱IES模型需要滿足電功率、熱功率、天然氣平衡約束，分別為

2）機(jī)組上下限約束

3）機(jī)組爬坡約束

4）電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能約束

5）碳捕集電廠碳約束

3.3 模型線性化處理

為了簡(jiǎn)化碳捕集機(jī)組的煤耗成本二次函數(shù)，進(jìn)行線性化處理。將煤耗函數(shù)進(jìn)行分段線性逼近，得到一個(gè)線性化模型。線性化處理后的模型為

4 算例分析

系統(tǒng)求解流程如圖2所示。為了驗(yàn)證模型的正確性，設(shè)定以下參數(shù)：風(fēng)電、光伏、電、熱負(fù)荷功率預(yù)測(cè)曲線如圖3所示，初始電價(jià)與分時(shí)電價(jià)如圖4所示，一個(gè)運(yùn)行周期為24h，單位運(yùn)行時(shí)間為1h，天然氣價(jià)格取2.55元/m3，燃煤機(jī)碳排放權(quán)配額系數(shù)取0.798kg/(kW?h)，燃?xì)鈾C(jī)組碳排放權(quán)配額系數(shù)取0.385kg/(kW?h)。

4.1 場(chǎng)景分析

為了驗(yàn)證模型的合理性，對(duì)比分析以下4種場(chǎng)景，各場(chǎng)景成本見表1。

場(chǎng)景1：僅考慮階梯式碳交易機(jī)制。

場(chǎng)景2：階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)。

場(chǎng)景3：僅考慮需求響應(yīng)。

場(chǎng)景4：不考慮階梯式碳交易機(jī)制和需求響應(yīng)。

圖2 求解流程

圖3 風(fēng)電、光伏、電、熱負(fù)荷功率預(yù)測(cè)曲線

圖4 初始電價(jià)與分時(shí)電價(jià)

由表1可知，通過比較場(chǎng)景4和場(chǎng)景1的階梯式碳交易成本發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景1的階梯式碳交易成本比場(chǎng)景4減少了25.55%，這主要是因?yàn)橄噍^于場(chǎng)景4，場(chǎng)景1考慮了階梯式碳交易機(jī)制，系統(tǒng)有初始碳排放配額，可抵消一部分碳成本，表明階梯式碳交易機(jī)制在減少碳交易成本方面發(fā)揮了積極作用。與場(chǎng)景4相比，場(chǎng)景3的購(gòu)能成本減少了11.42%，這是因?yàn)榭紤]DR后高電價(jià)時(shí)段電負(fù)荷減少，低電價(jià)時(shí)段電負(fù)荷增加，電負(fù)荷曲線更加平緩，這樣用戶可以利用較為經(jīng)濟(jì)的購(gòu)能方式來滿足需求，從而降低了購(gòu)能成本，表明需求響應(yīng)的引入在優(yōu)化系統(tǒng)能源消耗方面起到了積極作用，使系統(tǒng)能夠更加高效地運(yùn)行。相較于場(chǎng)景4，場(chǎng)景2的總運(yùn)行成本較低、購(gòu)能成本較低、階梯式碳交易成本較低，這是因?yàn)閳?chǎng)景2不僅平滑了負(fù)荷曲線，實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)電能和熱能的相互替代，同時(shí)抵消了一部分碳成本，說明階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)，在推動(dòng)節(jié)能減排方面發(fā)揮了積極作用。

表1 各場(chǎng)景成本 單位: 元

場(chǎng)景2優(yōu)化前后的電負(fù)荷、熱負(fù)荷曲線分別如圖5、圖6所示。CL策略在高電價(jià)時(shí)段削減了部分電負(fù)荷；SL策略將高電價(jià)時(shí)段的電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段；RL策略在高、低電價(jià)之間實(shí)現(xiàn)了電能、熱能的相互轉(zhuǎn)換。各策略相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷曲線的削峰填谷。

圖5 場(chǎng)景2優(yōu)化前后的電負(fù)荷曲線

場(chǎng)景2各設(shè)備電出力、熱出力分別如圖7、圖8所示，0～8h屬于電價(jià)低谷時(shí)段，系統(tǒng)依靠風(fēng)電和碳捕集電廠發(fā)電滿足碳捕集機(jī)組、P2G設(shè)備和電負(fù)荷的需求，以維持該時(shí)段的電功率平衡，熱負(fù)荷由CHP、GB和HS供熱，實(shí)現(xiàn)熱平衡。由于風(fēng)電運(yùn)維成本較小，該時(shí)段內(nèi)利用風(fēng)電有利于降低運(yùn)行成本，當(dāng)風(fēng)電出力無法滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷需求且電價(jià)較低時(shí)，可從上級(jí)購(gòu)電并需要碳捕集機(jī)組發(fā)電，以滿足負(fù)荷需求；由于CHP供熱存在熱電解耦問題且GB的供熱效率高于CHP，因此優(yōu)先選擇GB供熱。11～15h電價(jià)較高且光伏出力較大，因此減少了碳捕集機(jī)組和CHP的產(chǎn)電。本系統(tǒng)P2G所消耗的CO2均來源于碳捕集電廠所捕獲的CO2，且用于供熱所消耗的CH4均由P2G設(shè)備產(chǎn)生，所以P2G設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)較多。

圖6 場(chǎng)景2優(yōu)化前后的熱負(fù)荷曲線

圖7 場(chǎng)景2各設(shè)備電出力

4.2 不同階梯式碳交易機(jī)制參數(shù)下的效益分析

目前，大多研究關(guān)注碳交易基價(jià)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)區(qū)間長(zhǎng)度的關(guān)注相對(duì)較少，因此本節(jié)重點(diǎn)討論這兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)碳排放量和總運(yùn)行成本的影響。碳交易基價(jià)與區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)IES的影響如圖9所示。

由于碳交易基價(jià)會(huì)影響碳排放權(quán)重，所以隨著碳交易基價(jià)的增加，系統(tǒng)的總成本隨之增加。區(qū)間長(zhǎng)度的增加減少了在高梯度價(jià)位所需購(gòu)買的碳排放配額數(shù)量，因此減少了碳交易成本，并進(jìn)一步降低了總成本。因此，合理調(diào)整碳交易基價(jià)和區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)于提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

圖8 場(chǎng)景2各設(shè)備熱出力

圖9 碳交易基價(jià)與區(qū)間長(zhǎng)度對(duì)IES的影響

4.3 價(jià)格型、替代型負(fù)荷占比對(duì)系統(tǒng)成本的影響

價(jià)格型、替代型負(fù)荷占比與系統(tǒng)總成本之間的關(guān)系如圖10所示。首先，保持替代型負(fù)荷不變，令價(jià)格型負(fù)荷占比從10%到40%變化，探究其對(duì)系統(tǒng)總成本的影響。其次，保持價(jià)格型負(fù)荷不變，令替代型負(fù)荷占比從10%逐漸增加到70%，研究替代型負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)成本的影響。通過分析不同的價(jià)格型負(fù)荷占比和替代型負(fù)荷占比對(duì)系統(tǒng)成本的影響程度，可為優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行提供依據(jù)。

圖10 價(jià)格型、替代型負(fù)荷占比與系統(tǒng)總成本之間的關(guān)系

由圖10可知，當(dāng)保持替代型負(fù)荷占比不變，價(jià)格型負(fù)荷占比從10%增加到40%時(shí)，系統(tǒng)總運(yùn)行成本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這意味著總成本與價(jià)格型需求響應(yīng)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)保持價(jià)格型負(fù)荷占比不變時(shí)，隨著替代型負(fù)荷占比從10%增加到70%，系統(tǒng)總運(yùn)行成本增加。因此，通過合理調(diào)整價(jià)格型和替代型負(fù)荷的占比，可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效益。

5 結(jié)論

本文建立了階梯式碳交易機(jī)制下計(jì)及電-氣-熱IES需求響應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行模型，兼顧階梯式碳交易機(jī)制和需求響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了積極影響。對(duì)比4種場(chǎng)景下的總運(yùn)行成本、階梯式碳交易機(jī)制成本、購(gòu)能成本和運(yùn)維成本，并研究碳交易基價(jià)、區(qū)間長(zhǎng)度及CL、SL、RL占比對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，得出以下結(jié)論：

1）階梯式碳交易機(jī)制下需求響應(yīng)不僅將部分電負(fù)荷從高電價(jià)時(shí)段轉(zhuǎn)移到低電價(jià)時(shí)段并削減了部分負(fù)荷，還實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)電能和熱能的相互替代，使系統(tǒng)能在經(jīng)濟(jì)性和低碳性之間取得良好平衡。

2）考慮階梯式碳交易機(jī)制系統(tǒng)擁有初始碳排放配額，不僅能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且可以更好地引導(dǎo)碳減排。

3）協(xié)調(diào)價(jià)格型和替代型負(fù)荷占比，以及碳排放量區(qū)間長(zhǎng)度，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

[1] 韓麗, 王沖, 于曉嬌, 等. 考慮風(fēng)電爬坡靈活調(diào)節(jié)的碳捕集電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J/OL]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào): 1-11[2023-09-18]. https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000- 6753.tces.230188.

[2] 于仲安, 馬靜瑤. 含風(fēng)電耦合制氫的主從博弈多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(7): 1-10.

[3] 高統(tǒng)彤, 邵振國(guó), 陳飛雄. 計(jì)及多能流不確定性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(3): 1-10.

[4] 崔楊, 谷春池, 付小標(biāo), 等. 考慮廣義電熱需求響應(yīng)的含碳捕集電廠綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2022, 42(23): 8431-8446.

[5] 程耀華, 杜爾順, 田旭, 等. 電力系統(tǒng)中的碳捕集電廠: 研究綜述及發(fā)展新動(dòng)向[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng), 2020, 3(4): 339-350.

[6] 陳芳, 王澤, 尉鵬程. 碳交易背景下含P2G-碳捕集的綜合能源系統(tǒng)機(jī)會(huì)模糊優(yōu)化調(diào)度方法研究[J]. 電氣應(yīng)用, 2023, 42(10): 62-69.

[7] 周任軍, 鄧子昂, 徐健, 等. 碳捕集燃?xì)鉄犭姍C(jī)組碳循環(huán)及其虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行[J]. 中國(guó)電力, 2020, 53(9): 166-171.

[8] 周任軍, 孫洪, 唐夏菲, 等. 雙碳量約束下風(fēng)電-碳捕集虛擬電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(6): 1675-1683.

[9] 邵渝鈞. 考慮P2G的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[D]. 包頭: 內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2023.

[10] 孟明, 馬思源, 趙慧婷, 等. 含光熱電站和CCS-P2G耦合的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化運(yùn)行策略[J/OL]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版): 1-10[2023-11-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1212.TM.20231016.1007.002.html.

[11] 楊海濤, 江晶晶, 趙敏, 等. 基于模型預(yù)測(cè)控制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(4): 7-13.

[12] 衛(wèi)志農(nóng), 張思德, 孫國(guó)強(qiáng), 等. 計(jì)及電轉(zhuǎn)氣的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)削峰填谷研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(16): 4601-4609.

[13] 楊冬鋒, 徐揚(yáng), 姜超. 考慮多類型需求響應(yīng)的電-熱聯(lián)合系統(tǒng)多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2021, 42(10): 282-289.

[14] 王穎杰, 詹紅霞, 楊孝華, 等. 考慮綜合需求響應(yīng)的電熱系統(tǒng)調(diào)度[J]. 電力工程技術(shù), 2021, 40(1): 17-24.

[15] 李鵬, 王子軒, 侯磊, 等. 基于重復(fù)博弈的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2019, 43(14): 81-89.

[16] 瞿凱平, 黃琳妮, 余濤, 等. 碳交易機(jī)制下多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的分散調(diào)度[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(3): 697-707.

[17] 王利猛, 劉雪夢(mèng), 李揚(yáng), 等. 階梯式碳交易機(jī)制下考慮需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度[J/OL]. 電力建設(shè): 1-14[2023-11-20].http://kns.cnki.net/kcms/ detail/11.2583.TM.20231031.1522.010.html.

[18] 張曉輝, 劉小琰, 鐘嘉慶. 考慮獎(jiǎng)懲階梯型碳交易和電-熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(19): 6132-6141.

[19] 崔楊, 曾鵬, 仲悟之, 等. 考慮階梯式碳交易的電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2021, 41(3): 10-17.

Optimal operation of demand response of electricity-gas-heat integrated energy system under the stepped carbon trading mechanism

YUAN Kunlong1ZHANG Shaokang2CHANG Ran2CHEN Yanbo1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206;2. Xixia County Power Supply Company of State Grid He’nan Electric Power Company, Xixia, He’nan 474500)

With the development of energy coupling and the continuous improvement of China’s carbon market, the traditional electric power demand response can no longer meet the development status quo of the multi-energy coupled integrated energy system (IES) in the context of carbon peaking and catbon neutrality goals. In order to dig deeper into the role of demand response in energy saving and emission reduction, this paper proposes an electricity-gas-heat IES model under the stepped carbon trading mechanism that includes demand response. Firstly, the loads are classified into price and substitution categories, and the price substitution and heat substitution demand response models are established respectively. Secondly, considering the participation of IES in the carbon trading market, combined with the actual carbon emissions of combined heat and power (CHP) units and gas boilers (GB), the stepped carbon trading mechanism is introduced to guide the IES to control the carbon emissions. Lastly, taking the minimization of the sum of the cost of purchasing energy, the cost of stepped carbon trading, and the cost of operation and maintenance as the objective function, the electricity-gas-heat IES model is established. Finally, an electricity-gas-heat IES optimization model is established with the objective of minimizing the sum of the energy purchase cost and the operation and maintenance cost, and the established model is verified by four scenarios. Through the analysis of demand response load share and stepped carbon trading base price and interval length, it is found that the reasonable allocation of price-based and alternative load share, as well as carbon trading base price and interval length is conducive to improving the economy of system operation.

demand response; stepped carbon trading mechanism; integrated energy system (IES)

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司西峽縣供電公司項(xiàng)目“分布式光伏規(guī)模化開發(fā)背景下配電臺(tái)區(qū)優(yōu)質(zhì)供用電技術(shù)”（SGHANYXXYWJS2310144）

2023-09-01

2023-10-26

袁坤龍（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)規(guī)劃、配電網(wǎng)優(yōu)化。