计及阶梯式碳交易机制的海岛综合能源优化调度_黄冬梅.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.35 No.4Apr.2023计及阶梯式碳交易机制的海岛综合能源优化调度黄冬梅1，吴涵文1，孙锦中1，胡安铎1，孙园2（1.上海电力大学电子与信息工程学院，上海 200090；2.上海电力大学数理学院，上海 200090）摘要：针对以柴油发电为主的传统海岛供电模式，存在污染环境、成本高且不易运输等问题，提出一种含碳交易机制的海岛综合能源优化运行策略。在以净收益最大为目标的同时，考虑阶梯式碳交易机制、新能源消纳、系统运行约束，构建了一种含阶梯式碳交易的光热储能配合风电制氢的日前综合能源优化调度模型。最后，通过cplex 求解模型并对各类优化调度方案进行对比。结果表明，本文所提方案能有效提高系统收益及新能源消纳率，具有有效性和经济性。关键词：优化调度；阶梯式碳交易机制；新能源消纳；光热电站；电解制氢中图分类号：TM37文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）04-0093-07DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001090Optimal Scheduling of Comprehensive Energy in Island Considering Step-by-step CarbonTrading MechanismHUANG Dongmei1，WU Hanwen1，SUN Jinzhong1，HU Anduo1，SUN Yuan2（1.College of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China；2.College of Mathematics and Physics，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China）Abstract:In view of the problems in the traditional island power supply mode based on diesel power generation such asenvironmental pollution，high cost and difficulty in transportation，a comprehensive energy optimization operation strategy for island with carbon trading mechanism is proposed.A day-ahead comprehensive energy optimal scheduling modelfor wind power hydrogen production coordinated with a concentrating solar power station and energy storage is constructed，which takes into account the step-by-step carbon trading mechanism，new energy consumption and system operation constraints while maximizing the net revenue.Finally，this model is solved by cplex and further compared with various optimal scheduling schemes.Results show that the proposed scheme can effectively improve the system revenue andthe new energy consumption rate，indicating that it is both effective and economical.Keywords:optimal scheduling；step-by-step carbon trading mechanism；new energy consumption；concentrating solarpower（CSP）station；hydrogen production by electrolysis近年来，根据国家战略中提出2030年实现碳达峰和2060年实现碳中和的目标，加快能源结构的转型，大力发展清洁新能源已成为当务之急1。而海岛等风力资源丰富的区域，由于日负荷量较少且传统采用离网形式发电，能源以柴油等传统能源为主，因此充分利用风能、光能等清洁能源，对于实现碳达峰和碳中和具有重大意义。目前，海岛微网的能源优化调度已成为当前研究的热点问题。文献2概述了自主控制的微电网拓扑结构的研究现状，提出了一种该类孤岛直流微电网的全天候能量管理方法，实现了电-氢混合储能微电网的控制与运行。文献3针对孤岛微网运行期间可能存在发电量不满足负荷需求的实际情况，提出了一种基于需求侧响应和储能电量预估的微网运行调度策略，对可平移、中断负荷进行平移优化、适时逐级投切，达到保证了重要负荷可持续供电。文献4针对海岛基础设施落后无法及时供能的问题，提出了一种新型多能互补模型的微网优化方法，并采用粒子群算法求解模型。文献5则将电转氢作为灵活性资源参与独立微网优化配置，以微网的年投资成本最小和微网静态灵活性水平最高为优化目标优化容量配置。而文献6基于光热收稿日期：2022-07-11；修回日期：2022-08-23网络出版时间：2022-09-06 13：45：27基金项目：上海市科委地方院校能力建设项目（20020500700）黄冬梅等：计及阶梯式碳交易机制的海岛综合能源优化调度电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报94第 4 期电站运行机理，建立含大规模风电及光热电站的电力系统优化调度模型，综合考虑备用能力、系统稳定性及经济性，确定日前最优调度策略。在引入碳交易市场到综合能源系统运行的方面，文献7提出了一种考虑碳交易机制的光热电站与风电系统低碳经济调度策略，保证了系统在低碳环保的前提下兼顾风电消纳与经济运行。文献8则进一步引入阶梯式碳交易机制，细化电转气两阶段运行过程，提出一种含可调热电比、氢燃料电池的低碳综合能源系统运行策略。文献9结合碳排放权交易CET（carbon emission trading）和绿色证书交易 GCT（green certificate trading）机制，提出了一种含碳-绿色证书联合交易机制的综合能源系统IES（integrated energy system）优化运行模型。而在国外研究中，文献10也针对传统电池储能系统运行成本高、容量低等问题，介绍了一种基于电、氢、热能转换和存储的混合储能模型，提出了一种微电网自主运行策略。文献11考虑了在不确定性的情况下实现分布式能源的协调运行，通过引入虚拟电厂以最大化所有参与者的净利润，建立了一个满足热力和电力负荷的虚拟电厂随机调度问题模型。文献12-13则是讨论了商用虚拟发电厂在英国和瑞士的案例，表明同独立运行可再生能源发电厂相比，虚拟发电厂的利润更多，并且，虚拟发电厂可以通过向电力系统提供功率平衡服务来提高灵活性，来平抑新能源系统供需关系的波动。综上所述，由于传统能源供电系统和抽水蓄能系统的建设极易受海岛的地理区域限制，不能充分发挥海岛新能源资源丰富的优势，并且上述研究中对于海岛综合能源系统考虑较少，未将海岛纳入全国碳交易市场中，考虑不够全面。因此，本文提出了一种基于光热储能和风电制氢的含有阶梯式碳交易机制的综合能源利用系统，建立了一个计及阶梯式碳交易的海岛综合能源优化调度模型，以日前用户负荷和海岛新能源预测出力为基础数据进行优化求解。仿真结果表明，考虑了阶梯式碳交易机制的海盗综合能源利用系统的系统总收益更高，且能在部分新能源出力极度不足的极端天气情况下，保证海岛区域供电，验证了所提模型的有效性及经济性。1海岛综合能源系统运行机制海岛综合能源利用系统的主要装置有光热电站CSP（concentrating solar power）、风电场和电解制氢装置EHU（electrolytic hydrogen unit），并且采用了阶梯式碳交易机制和上级购电机制。在本系统中，作为海岛供电系统的主要来源的风电和光热，由于风力发电高峰通常在早晚而光热发电高峰通常在中午，两者在发电时间上具有互补性。并且，为了避免弃风弃光的浪费新能源的现象，通过将富余的风能、光能分别转换为氢气、热能储存，并加以再利用，提高了新能源的消纳率。1.1碳交易机制碳交易机制是 京都议定书 提出的限制碳排放的市场化减排机制，是提高系统经济性与低碳性的有效举措之一14，目前国内多地正在试行碳交易市场。国内监管部门将对IES发放无偿碳排放配额，然后根据实际产生的碳排放总量，对多余的碳排放权配额部分进行售卖，对不足的部分进行购买。1.1.1碳排放权配额由于目前国内主要采用的配额方法为无偿配额，且认定上级购电不需要碳配额，因此，海岛综合能源系统的碳排放权配额为|EIES=Ehot+Ewind+EH2Ehot=et=1TPhot(t)Ewind=et=1TPwind(t)EH2=et=1TPH2(t)（1）式中：EIES、Ehot、Ewind和EH2分别为海岛综合能源系统的碳排放权配额、光热发电、风力发电及电解制氢装置的碳排放权配额，单位为kg；e为单位电功率的碳排放权配额；Phot(t)、Pwind(t)、PH2(t)分别为t时刻的光热电站发电功率、风力直接发电功率和电解制氢装置的耗电功率；T为调度周期。图 1含阶梯式碳交易的海岛综合能源系统模型Fig.1Model of island IES with step-by-step carbontrading海岛负荷海岛负荷光热电站光热发电电网上级购电碳排放权碳交易市场售氢市场碳排放权售氢风电制氢风场电解制氢装置风力发电黄冬梅等：计及阶梯式碳交易机制的海岛综合能源优化调度95第 35 卷1.1.2碳排放量在碳排放模型中，可以通过 IPCC国家温室气体清单指南 获得能源的平均低位发热量、二氧化碳排放因子等数据，最后可以化简碳排放模型为Eco2=iEiFi（2）式中：Eco2为IES实际碳排放总量，单位为kg；Ei和Fi分别为i类传统能源的消耗量与其碳排放系数。而在本文中，式（2）中的Ei和Fi特为火电的消耗量与火电的碳排放系数1.246 kg/（kWh）。因此，IES的参与碳排放权交易的碳排放量Ep为Ep=EIES-Eco2（3）1.1.3阶梯式碳交易模型与普通的碳交易机制不同，阶梯式碳交易机制划分了多个交易区间，随着需要购买或者售卖的碳排放权的增加，交易区间的碳交易价格也将随之变高。因此，阶梯式碳交易模型为Itr=|Ep,EpLL+(1+)(Ep-L),LEp2LL(2+)+(1+2)(Ep-2L),2LEp3LL(3+3)+(1+3)(Ep-3L),Ep3L（4）式中：Itr为阶梯式碳交易的净收益；为碳交易基础价格；为价格增长幅度；L为阶梯式碳交易的阶梯区间长度。1.2光热电站光热电站主要由光场、储热和发电3个部分组成15，通过光场将光能转换为热能，一部分直接通过热/电转换发电，另一部分储存在储热装置中，在需要时释放发电，光热电站热电联产流程图如图2所示。在光热电站中，首先，光场的集热装置将太阳能转化为热能。Psolar=solarSD（5）式中：Psolar为光场的集热装置热功率；S为光场的面积；solar为光热转换效率；D为热辐射指数。然后，一部分热能通过传热流体传递到发电部分，产生蒸汽推动汽轮机组发电，同时，也将剩下的部分热能储存至储热系统，等待再发电，以此平抑海岛太阳能