基于碳交易的電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度(DOI: 10.7500/AEPS20171220005)秦婷，劉懷東，王錦橋，馮志強(qiáng)，方偉

1研究背景

電力是我國能源消耗的重點行業(yè)，其CO2的排放量占全國排放總量的50%左右，因此電力行業(yè)具備較大的減排潛力，推行低碳電力有利于促進(jìn)我國低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著各類新能源發(fā)電和天然氣發(fā)電的快速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)(integrated energy systems, IES)成為提高清潔能源使用比重、實現(xiàn)減排目標(biāo)的支撐技術(shù)，同時碳交易機(jī)制被認(rèn)為是可兼顧電力經(jīng)濟(jì)性和低碳環(huán)保性的有效手段。

（來源：微信公眾號 電力系統(tǒng)自動化 ID：AEPS-1977 作者：編輯部）

EH最早由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Geidl和Andersson提出，它是一種可以滿足多種能量需求的能量轉(zhuǎn)換單元。基于EH模型，可以清晰得出IES的架構(gòu)及其中的能量流動。本文構(gòu)建的EH模型如圖1所示，能量供給側(cè)有風(fēng)電、電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò);能量轉(zhuǎn)換組件有P2G設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t;負(fù)荷側(cè)配備有儲電、儲熱、儲氣裝置。其中，綠線、紅線和藍(lán)線分別對應(yīng)電力、熱力和燃?xì)饽芰苛鲃忧闆r。

圖1 EH模型

本文針對圖1給出的電-熱-氣聯(lián)供IES，建立了基于碳交易的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。首先，立足于能源集線器(energy hub, EH)模型構(gòu)建了電-熱-氣聯(lián)供的IES架構(gòu);然后，搭建了適用于該IES的階梯型碳交易成本計算模型;接著，以碳交易成本與能源成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束和系統(tǒng)內(nèi)各元件的運(yùn)行約束，構(gòu)建了IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。通過算例比較了階梯型低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度、統(tǒng)一型低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度和傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的調(diào)度結(jié)果，分析了3種模型下的兩種成本和外購能源數(shù)據(jù)，驗證了本文所提模型的合理性和有效性。最后，研究了碳交易價格和耦合元件容量對系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響。

2IES碳交易成本計算模型

2.1 碳交易機(jī)制及其分配原則

碳交易是通過建立合法的碳排放權(quán)并允許對其進(jìn)行買賣，從而實現(xiàn)碳排放量控制的交易機(jī)制。在碳交易機(jī)制下，碳排放量成為可以進(jìn)行自由交易的商品。政府或者監(jiān)管部門以控制碳排放總量為目標(biāo)，首先為各個碳排放源分配碳排放份額。各碳排放源根據(jù)分配份額制定和調(diào)節(jié)生產(chǎn)計劃，若在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放量高于分配份額，則需從碳交易市場內(nèi)進(jìn)行購買;若碳排放量低于分配份額，則可將多出的碳排放額在碳交易市場上出售，根據(jù)當(dāng)日的碳交易價格(即單位碳排放量價格)獲得相應(yīng)收益。碳交易機(jī)制利用市場手段對碳排放量進(jìn)行控制，可極大地激發(fā)企業(yè)節(jié)能減排的積極性。對于電力行業(yè)，一般采用無償為主的方式進(jìn)行初始碳排放額的分配。初始無償?shù)奶寂欧欧蓊~與系統(tǒng)發(fā)電量相關(guān)聯(lián)，對于超出或者不足的部分可進(jìn)行碳交易。

2.2 IES碳交易成本計算模型

本文認(rèn)為IES從電力網(wǎng)絡(luò)購得的電力均為火電機(jī)組發(fā)電。因此對于電-熱-氣聯(lián)供的IES，存在3個碳排放源：外購的電力、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t。IES的無償碳排放額由外購電力和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的電力確定，IES實際碳排放量與設(shè)備的輸出功率有關(guān)，由燃煤和燃?xì)獾奶寂欧畔禂?shù)確定。為了加強(qiáng)對碳排放總量的控制，本文構(gòu)建了階梯型碳交易成本計算模型。以分配到的無償碳排放額為基準(zhǔn)，規(guī)定若干排放量區(qū)間，排放量越大的區(qū)間對應(yīng)的碳交易價格越高。

3基于碳交易的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型考慮一日24h的系統(tǒng)調(diào)度問題，以IES外購能源成本、碳交易成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡約束、設(shè)備運(yùn)行約束和外部網(wǎng)絡(luò)約束作為求解條件對模型進(jìn)行構(gòu)建。

由于碳交易成本的引入，系統(tǒng)實際碳排放量為二次函數(shù)，因此本文所構(gòu)模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。在對模型求解時，將實際碳排放量進(jìn)行分段線性化處理，對每個分段區(qū)間，調(diào)度模型變?yōu)榛旌险麛?shù)線性規(guī)劃問題，可利用成熟的數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化器Gurobi進(jìn)行求解。

4IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的優(yōu)化效果

本文對比分析了三種模型的調(diào)度結(jié)果：①考慮階梯型碳交易成本的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型;②考慮統(tǒng)一型碳交易成本的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，統(tǒng)一型碳交易成本不對碳排量進(jìn)行區(qū)間劃分;③在階梯型碳交易模式下，僅以外購能源成本最小為目標(biāo)函數(shù)的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。調(diào)度結(jié)果表明低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度可減少系統(tǒng)碳排量，其中階梯型碳交易成本模型對碳排量具有最嚴(yán)格的約束，并且仍可保證IES的經(jīng)濟(jì)性。

本文進(jìn)一步研究了碳交易價格和耦合設(shè)備容量對調(diào)度結(jié)果的影響：

1)碳交易利用市場手段實現(xiàn)碳排放量控制，使各企業(yè)主動減排以獲取碳交易收益，手段合理有效?；陔A梯型碳交易成本的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型對碳排放量具有更嚴(yán)格的控制作用，同時兼顧了系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。

2)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型對碳交易價格變化反應(yīng)敏銳，可根據(jù)碳交易價格協(xié)調(diào)系統(tǒng)的碳交易成本和能源成本。在一定范圍內(nèi)，碳交易價格的上升可使系統(tǒng)運(yùn)行總成本下降。

3)耦合元件的容量變化影響低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果。在一定范圍內(nèi)，P2G容量增加，提高系統(tǒng)對風(fēng)電的消納，使能源成本下降，但對碳交易成本無影響。燃?xì)廨啓C(jī)在IES中的能源利用率得到大幅提升，其容量增加使得能源成本和碳交易成本均有所下降。

本文僅計算了固定階梯區(qū)間長度和階梯型碳交易價格增長幅度下的碳交易成本，而兩種因素影響著低碳調(diào)度模型對碳排放量的控制作用。隨著全國碳交易體系的啟動，政府對電力行業(yè)的碳約束也將更為嚴(yán)格，因此如何為低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型設(shè)置最合適的階梯區(qū)間長度和價格增長幅度是一個有意義的研究方向。