綜合能源系統低碳經濟優化調度研究

張銘鷹,趙 毅,張添碩,劉人碩,陸銘陽

(沈陽工程學院電力學院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

全社會經濟發展大量排放CO2為環境帶來壓力,溫室氣體的大量排放進一步導致全球氣候變暖[1]。因此,實現低碳電力將有望加速實現碳減排目標。

目前,有關建設綜合能源系統(integrated energy system,IES)的研究主要集中在經濟運行方面[2-3],忽略了IES減排的重要性。因此,文獻[4-5]探討了碳交易市場和碳排放計算模型,引入了一種綜合能源系統優化調度模型。同時,文獻[6]提出了一種獎懲階梯式碳交易機制,以進一步強化減排措施。

促進清潔能源消納是節能減排的重要途徑,然而風電的反調峰特性導致棄風問題尤為突出[7]。為了應對這一挑戰,一些研究者提出了一項解決方案,即采用電轉氣(power-to-gas,P2G)技術,將多余的電能轉化為天然氣,從而極大地提高了風能利用效率。在文獻[8]中,構建了一個包含P2G技術的IES,該系統同時考慮了多種能源,并結合納什策略進行博弈分析。

含熱電聯產(combined heat and power,CHP)的優化運行也取得了一定成果[9-10]。一些研究已經使用CHP系統的熱電聯產特性來建立模型。然而,這些模型通常默認CHP系統的熱電比固定,這可能導致其產生的電力與系統需求不完全匹配。為了解決這個問題,在文獻[11]中,研究者考慮了可調節的CHP系統熱電比特性,以增強CHP的能源供給效能,并對系統經濟運行進行了優化。

該研究構建在原研究基礎上,全面考慮了階梯式碳交易機制、P2G兩階段運行過程及CHP和氫燃料電池(hydrogen fuel cell,HFC)等具備可調節熱電比的運行策略對IES優化調度所產生的影響。

1 含階梯式碳交易機制與電制氫及供需靈

活雙響應的IES運行框架

集合多種能源形式的IES,協調運作以適應多元化的能源需求,在實現靈活性的同時,該系統還引入了先進的碳交易市場機制。另外,該系統對電解槽的兩階段運行過程進行細致優化,同時,考慮到CHP設備的熱電比可調特性能夠更好地平衡和優化能源供應。具體框架如圖1所示。

圖1 IES框架

圖1是包含5個核心組件的IES低碳經濟調度框架。上級能源供給單元充當能量源的角色,為整個系統持續提供可再生清潔能源。電解槽(electrolyzer,EL)將電能轉化成氫能,氫能通過甲烷反應器(methane reactor,MR)進一步轉化為天然氣,也可直接通過氫燃料電池HFC轉化為電能和熱能,減少能源梯級消耗,提高能源利用率;燃氣鍋爐(gas boiler,GB)通過燃燒天然氣提供熱能。

1.1 階梯式碳交易機制模型

為進一步促進低碳經濟發展,國家監管機構為每個IES碳排放源設置了免費碳排放配額。如果IES實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出售,以獲取經濟利益。如果IES實際碳排放量超過配額,則需要在碳市場上購買超出部分,否則將面臨額外經濟成本。

1.1.1 碳排放權配額模型

當前國內主要采用無償分配方式進行碳配額。在IES中,主要碳排放源包括上級購電、GB和CHP。本文認為上級購電全部來源于煤電機組,碳排放權配額模型如下。

(1)

式中:EIES、Ee,buy、ECHP、EGB分別為IES、上級電網、CHP、GB的碳排放權配額;μe、μg分別為燃煤機組單位電力消耗、燃氣機組單位天然氣消耗的碳排放權配額;Pe,buy(t)為t時段上級購電量;PCHP,e(t)、PCHP,h(t)分別為t時段CHP輸出電能和熱能;PGB,h(t)為t時段GB輸出熱能;T為調度周期。

1.1.2 實際碳排放模型

CO2在MR氫轉天然氣過程中被吸收了一部分,因此實際碳排放模型如下。

(2)

式中:EIES,r、Ee,buy,r分別為IES和上級購電的實際碳排放量;Etotal,r為CHP、GB、MR總的實際碳排放量;EMR,r為MR實際吸收的CO2量;Ptotal(t)為t時段CHP、GB、MR的等效輸出功率;a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為燃煤機組和耗天然氣型供能設備的碳排放計算參數;?為MR設備氫能轉天然氣過程中吸收CO2的參數;PMR,g(t)為t時段MR輸出的天然氣功率。

1.1.3 階梯式碳排放交易模型

根據IES碳排放權配額和實際碳排放量,可計算出實際碳交易市場的碳排放權交易額。

EIES,a=EIES,r-EIES

(3)

式中:EIES,a為IES碳排放權交易額。

和傳統碳交易定價機制有很大不同,將排放部分分成多個區間段是階梯式碳交易機制的特征,碳排放量越多的區間,相應碳排放權交易定價越高,系統對應碳交易成本越大。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;l為碳排放量區間長度;χ為價格增長率。

1.2 P2G兩階段運行過程

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

圖2 P2G兩階段運行過程

首先通過EL將電能轉化為氫能,將氫能的一部分和CO2輸入到MR中從而生成天然氣,供應給氣負荷、GB、CHP,此階段為傳統P2G過程,其中一部分氫能輸入到HFC轉化為熱能和電能,另一部分氫能被儲存在儲氫罐中。與直接將氫能轉化為電能和熱能相比,將氫能轉化為天然氣需要經過燃燒過程,因此會產生梯級損耗。相比之下,氫能具有更高能效,不會產生CO2。

a.EL設備

(5)

b.MR設備

(6)

c.HFC設備

將HFC熱、電能量轉化效率之和視為固定常數,且熱電比可調,可構建HFC模型[12]:

(7)

1.3 供需靈活雙響應模型

a.供應側需求響應模型

CHP通過天然氣發電并利用余熱滿足熱需求。由于CHP熱電比可調整,根據實時需求調整熱能、電能輸出可以提高運行效率。工作模型為

(8)

b.需求側需求響應

供暖需求:在寒冷季節,用戶可使用壁掛爐等設備,或選擇電暖氣和電空調等設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氣熱水器提供的熱功率來加熱水。

炊事需求:在烹飪食物時,用戶可使用電磁爐或燃氣灶等設備來儲備所需的熱能。

2 考慮階梯式碳交易機制與電制氫IES優化

運行模型

2.1 目標函數

(9)

a.系統內部元件運行成本

(10)

b.購能成本

(11)

式中:Pg,buy(t)為t時段購氣量;αt、βt分別為t時段電價、氣價。

c.棄風成本

(12)

式中:δDG為單位棄風懲罰成本;PDG,cut(t)為t時段棄風功率。

2.2 約束條件

a.風電出力約束

(13)

b.GB運行約束

(14)

c.儲能運行約束

本文認為電、熱、氣等儲能設備模型具有相似性,因此統一對電、熱、氣等儲能設備進行建模。

(15)

d.電功率平衡約束

由于風電波動性和不確定性,為減輕主電網壓力,本文僅考慮IES向上級電網購買電量情況。

(16)

e.熱功率平衡約束

(17)

f.天然氣平衡約束

本文只考慮IES向上級氣網購買天然氣。

(18)

g.氫平衡約束

(19)

3 算例分析

3.1 情景對比

情景1:在階梯式碳交易市場的情景下,優化目標是降低購能成本和棄風成本,碳排放成本不予考慮。

情景2:在傳統碳交易市場環境中,主要優化目標是綜合考慮降低碳排放成本、購能成本及棄風成本。

情景3:在階梯式碳交易市場環境下,優化目標同樣考慮了碳排放成本、購能成本及棄風成本。

情景4:在IES中并未引入電、氣耦合設備。

情景5:在IES中引入了傳統P2G設備。

情景6:將P2G設備替換為EL、MR及HFC組合的兩階段運行設備。

情景7:將CHP和HFC熱電比設定為固定值。

情景8:將CHP和HFC熱電比設定為可調。

3.2 考慮階梯式碳交易機制效益分析

為了驗證階梯式碳交易機制有效性,設置了情景1、2、3,調度結果見表1。由表1可知,當優化目標中考慮碳成本時,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制前后效益對比

在3種運行情景中,情景1旨在實現傳統經濟運行優化目標。由于大量天然氣燃燒導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,相對于情景1,情景2減少了天然氣購買量,增加了電力購買量,總成本最低。

情景3考慮了階梯式碳交易機制,其中碳排放權購買價格呈階梯狀上升,進一步限制了系統碳排放量,證明了在階梯式碳交易機制下,系統能夠在減少排放同時保持相對較低運行成本。

3.3 細化P2G兩階段過程效益分析

為了對比EL、MR、HFC組合的兩階段運行過程調度與原P2G調度在成本和碳排放方面優勢,設置了3種情景進行對比。由表2可知,情景6總成本最低,減排效果顯著。

表2 細化P2G兩階段運行前后效益對比

通過將1天等分為24個時段,可以觀察到不同運行情景下棄風情況。圖3為3種運行情景下,夜間棄風現象最為嚴重時段。

圖3 各情景棄風情況

在情景6中,IES充分利用富裕風力發電,將其輸入EL設備進行氫氣制備,從而避免了風力發電棄風問題。

3.4 可調熱電比機制效果分析

通過對比情景7和情景8,發現二者在熱電比調整上差異顯著。由表3可知,情景8在減少碳排放的同時降低了整個系統運行成本。

表3 不同熱電比機制效益

以CHP為例,可以對各時段熱電比進行分析,從而更加直觀地了解不同情景之間的差異和特點。

由圖4可知,在夜間時段,熱負荷需求量處于高峰期,由于GB發熱效率高,因此大部分熱負荷由GB進行提供,GB處于滿發狀態,不足部分則需要由CHP進行供應。

圖4 CHP各時段熱電比

4 結論

a.加入階梯式碳交易市場,此方法比以往的碳交易機制能更好地約束碳排放。

b.通過將P2G替換為EL、MR、HFC組合設備方式,可以改進風力發電消納方式,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熱電比可調特性納入考慮范圍,根據不同時間段,可以適時調整設備輸出水平,從而降低運行成本。