考虑改进阶梯式碳交易机制与...响应的综合能源系统优化调度_葛磊蛟.pdf

第 45 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.45 No.7Jul.2023考虑改进阶梯式碳交易机制与需求响应的综合能源系统优化调度Integrated energy system optimization scheduling considering improved stepped carbon trading mechanism and demand responses葛磊蛟1，于惟坤2，朱若源2*，王关涛2，白星振2GE Leijiao1，YU Weikun2，ZHU Ruoyuan2*，WANG Guantao2，BAI Xingzhen2（1.天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2.山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）（1.School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Electrical and Automation Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）摘 要：综合能源系统是推动我国“双碳”目标实施，实现国家能源低碳转型的重要手段之一。为有效提升IES碳减排能力和经济效益水平，提出一种考虑改进阶梯式碳交易机制与需求响应的IES优化调度模型。首先，在能量中心框架下引入碳流模型，促进反应系统中二氧化碳的流动，并改进阶梯式碳交易机制，从而有力推动系统碳减排；其次，引入用户侧的多能需求响应，以价格激励推进用户用能方式转变，促进可再生能源消纳；最后，考虑决策者偏好，以改进碳交易机制为连接点，建立IES低碳经济优化调度模型，以碳排放指标和用户舒适度引导运行调度，并利用CPLEX求解器对IES模型进行求解。进一步，通过5种场景对所提模型和方法进行仿真验证，结果证明了改进碳交易机制、需求响应机制与优化调度模型的配合可有效提高IES的低碳性和经济性。关键词：综合能源系统；“双碳”目标；改进阶梯式碳交易机制；碳流模型；需求响应；优化调度中图分类号：TK 01+9：F 7 文献标志码：A 文章编号：2097-0706（2023）07-0097-10Abstract：The integrated energy system（IES）is an important approach to pursue the dual carbon target and achieve low-carbon energy transformation of China.In order to facilitate the carbon emission reduction of the IES and improve its economic benefits，an IES optimization scheduling model considering improved stepped carbon trading mechanism and demand response mechanism is proposed.Firstly，a carbon flow model is introduced in the energy hub framework to reflect the flow of carbon dioxide in the system，and an improved stepped carbon trading mechanism is proposed to facilitate carbon reduction of the system.Then，the multi-energy demand response mechanism on user side is introduced to drive the transformation of energy usage pattern motivated by pricing mechanism，so as to promote the consumption of renewable energy.Considering decision maker preference，with the improved stepped carbon trading mechanism as the connection point，a low-carbon IES economic optimization scheduling model is established.The optimization scheduling is guided by the carbon emission index and user comfort，and CPLEX solver is used to solve the scheduling model.The proposed model and mechanisms are verified under five scenarios，whose results prove that the cooperation of the improved carbon trading mechanism，demand response mechanism and optimization scheduling model can effectively lower the carbon emissions and improve the economy of IESs.Keywords：integrated energy system；dual carbon target；improved stepped carbon trading mechanism；carbon flow model；demand response；optimization scheduling0 引言 随着化石能源危机和环境污染的日益突出，全球气候变暖和能源短缺等现象已成为日渐紧迫、亟待解决的问题1。面对生态形势和绿色能源需求的DOI：10.3969/j.issn.2097-0706.2023.07.011基金项目：国家自然科学基金项目（52277118）；天津市自然科学基金重点项目（22JCZDJC00660）National Natural Science Foundation of China（52277118）；Natural Science Foundation of Tianjin（22JCZDJC00660）第 45 卷 困境，我国制定了战略目标，在2030年前实现碳排放达峰和碳排放强度下降60%65%。寻求一种更低碳、更可持续的生活模式，建立一个更清洁的新能源供应体系，实现低碳和清洁能源结构的转型已成 为 一 种 趋 势2-4。综 合 能 源 系 统（Integrated Energy System，IES）是一种多能源系统形态，充分利用源-网-荷-储各环节能量资源的灵活性，以提高可再生能源比例为目标，主动或被动地降低碳排放量5-7。利用电、热、气等多种能源类型的互补特性，基于能量梯级利用原则对多能系统进行统一规划和协调优化运行，以有效提高能源利用率8-10。为了应对能源和环境的双重压力，将碳交易机制引入能源行业，特别是电力行业，可以有效减少二氧化碳排放，促进能源的可持续发展，对保护生态环境和推进经济发展具有重要的意义。文献11 将碳交易机制引入含风电的系统调度模型，全面考虑了电力系统的经济效益与环境效益。文献12-13 将碳交易机制应用于电力系统电源规划模型，缓解了低碳能源发电经济性与低碳性之间的矛盾。文献 14 提出了系统碳减排目标的概念并构建了阶梯形碳排放权价格，进一步限制了电力系统的碳排放。文献 15 提出了一种以碳排放强度和区域碳排放量为指标的碳排放权分配方案，实现了碳资源的优化配置。上述文献将碳交易机制引入IES，但并未考虑阶梯式碳交易成本为分段函数、交易周期固定、结算成本偏高的缺点，并且鲜有研究关注对碳交易成本的处理。IES中含有多种灵活负荷资源，需求响应通过能源价格调整与激励补偿等手段，引导用户主动改变用能行为，实现能源供应方与需求方之间的匹配优化，从而协助 IES 进行可再生能源消纳和碳减排，同时提升系统运行的经济性16-18。文献 19 将电价型需求响应引入IES优化调度，综合了系统经济性与低碳性。文献 20 提出了一种供需灵活双响应机制，进一步优化了系统运行。文献 21 根据2种不同时间尺度，提出了一种考虑负荷侧需求响应和含电制热设备用户群的IES氢储能双层优化配置模型，降低了购能成本，提高了用电灵活性。文献22 将一种多能、多型需求响应用于孤立IES模型，用于孤立IES内资源的联动开发。以上文献对多元柔性需求响应负荷的潜力进行了挖掘，提升了系统运行的灵活性，但鲜有关注需求响应负荷在时间和空间维度上对用户用能带来的影响。本文针对上述问题，提出一种改进阶梯式碳交易机制下考虑用户侧需求响应的综合能源低碳经济调度模型，通过设置多个运行场景对比验证本文所提模型及方法的有效性。1 IES框架 IES内部耦合了多种灵活可调资源，通过调度使用户用能需求得到满足的同时，结合碳交易的引导，促进自身低碳经济运行。文中所建立的IES结构如图1所示，其中：能源供给侧包括外部电网、天然气网和风电机组；能量转换设备包括热电联产（Combined Heat and Power，CHP）、燃气锅炉（Gas Boiler，GB）、电转气（Power to Gas，P2G）设备及余热锅炉（Waste Heat Boiler，WHB）；储能设备包括储电、储热及储气；用户侧包含电负荷、气负荷及热负荷。目前，国内外学者对能量转换设备的具体建模已有较多研究23-25，本文不再赘述。此外，本文在IES框架中加入了相当于电、气、热能流的二氧化碳流动，简称碳流。碳流能清晰地反映IES中二氧化碳的产生及流动，指引IES限制碳排放行为。2 改进阶梯式碳交易机制 碳交易机制是IES实现低碳目标的关键支撑。为了进一步限制IES碳排放，本文引入改进阶梯式碳交易机制，由碳排放权配额、实际碳排放和碳交易机制3部分构成。2.1碳排放权配额模型本文 IES中碳排放源有 CHP机组、GB、气负荷及燃煤机组。碳排放权配额模型为|EIES=ECHP+EGB+Ebuy，e+Eg，loadECHP=ht=1T()e，hPCHP，e()t+PCHP，h()tEGB=ht=1TPGB，h()tEbuy，e=et=1TPbuy，e()tEg，load=gt=1TPg，load()t，（1）图1IES框架Fig.1IES framework98第 7 期葛磊蛟，等：考虑改进阶梯式碳交易机制与需求响应的综合能源系统优化调度式中：EIES为 IES 的总碳排放配额；ECHP，EGB，Ebuy，e，Eg，load分别为CHP机组、GB、外部购电、气负荷的碳排放配额；h，e，g分别为燃气机组生产单位热功率、燃煤机组生产单位电功率和消耗单位气负荷获得的碳排放配额；PCHP，e(t)，PCHP，h(t)分别为 t 时段CHP机组的产电量及余热量；PGB，h(t)为t时段GB产热量；Pbuy，e(t)为t时段外部购电量；Pg，load(t)为t时段气负荷；e，h为CHP机组的电热折算系数；T为调度周期。2.2实际碳排放模型本文设定外部电网购电全部由燃煤机组生产。考虑到用户侧气负荷的使用多是以燃烧的形式消耗，也会产生碳排放，本文将气负荷加入实际碳排放模型；同时，P2G设备运行时会吸收部分二氧化碳。实际碳排放模型为|EIES=ECHP+EGB+Ebuy，e+Eg，load-EP2GECHP=ht=