基于碳交易的电-热-气综合能源系统低碳经济调度

基于碳交易的电-热-气综合能源系统低碳经济调度(DOI: 10.7500/AEPS20171220005)秦婷，刘怀东，王锦桥，冯志强，方伟

1研究背景

电力是我国能源消耗的重点行业，其CO2的排放量占全国排放总量的50%左右，因此电力行业具备较大的减排潜力，推行低碳电力有利于促进我国低碳经济的发展。随着各类新能源发电和天然气发电的快速发展，综合能源系统(integrated energy systems, IES)成为提高清洁能源使用比重、实现减排目标的支撑技术，同时碳交易机制被认为是可兼顾电力经济性和低碳环保性的有效手段。

（来源：微信公众号 电力系统自动化 ID：AEPS-1977 作者：编辑部）

EH最早由苏黎世联邦理工学院的Geidl和Andersson提出，它是一种可以满足多种能量需求的能量转换单元。基于EH模型，可以清晰得出IES的架构及其中的能量流动。本文构建的EH模型如图1所示，能量供给侧有风电、电力网络和天然气网络;能量转换组件有P2G设备、燃气轮机和燃气锅炉;负荷侧配备有储电、储热、储气装置。其中，绿线、红线和蓝线分别对应电力、热力和燃气能量流动情况。

图1 EH模型

本文针对图1给出的电-热-气联供IES，建立了基于碳交易的低碳经济调度模型。首先，立足于能源集线器(energy hub, EH)模型构建了电-热-气联供的IES架构;然后，搭建了适用于该IES的阶梯型碳交易成本计算模型;接着，以碳交易成本与能源成本之和最小为目标函数，考虑系统网络约束和系统内各元件的运行约束，构建了IES低碳经济调度模型。通过算例比较了阶梯型低碳经济调度、统一型低碳经济调度和传统经济调度模型的调度结果，分析了3种模型下的两种成本和外购能源数据，验证了本文所提模型的合理性和有效性。最后，研究了碳交易价格和耦合元件容量对系统调度结果的影响。

2IES碳交易成本计算模型

2.1 碳交易机制及其分配原则

碳交易是通过建立合法的碳排放权并允许对其进行买卖，从而实现碳排放量控制的交易机制。在碳交易机制下，碳排放量成为可以进行自由交易的商品。政府或者监管部门以控制碳排放总量为目标，首先为各个碳排放源分配碳排放份额。各碳排放源根据分配份额制定和调节生产计划，若在生产过程中产生的碳排放量高于分配份额，则需从碳交易市场内进行购买;若碳排放量低于分配份额，则可将多出的碳排放额在碳交易市场上出售，根据当日的碳交易价格(即单位碳排放量价格)获得相应收益。碳交易机制利用市场手段对碳排放量进行控制，可极大地激发企业节能减排的积极性。对于电力行业，一般采用无偿为主的方式进行初始碳排放额的分配。初始无偿的碳排放份额与系统发电量相关联，对于超出或者不足的部分可进行碳交易。

2.2 IES碳交易成本计算模型

本文认为IES从电力网络购得的电力均为火电机组发电。因此对于电-热-气联供的IES，存在3个碳排放源：外购的电力、燃气轮机和燃气锅炉。IES的无偿碳排放额由外购电力和燃气轮机发出的电力确定，IES实际碳排放量与设备的输出功率有关，由燃煤和燃气的碳排放系数确定。为了加强对碳排放总量的控制，本文构建了阶梯型碳交易成本计算模型。以分配到的无偿碳排放额为基准，规定若干排放量区间，排放量越大的区间对应的碳交易价格越高。

3基于碳交易的IES低碳经济调度模型

IES低碳经济调度模型考虑一日24h的系统调度问题，以IES外购能源成本、碳交易成本之和最小为目标函数，以功率平衡约束、设备运行约束和外部网络约束作为求解条件对模型进行构建。

由于碳交易成本的引入，系统实际碳排放量为二次函数，因此本文所构模型为混合整数非线性规划问题。在对模型求解时，将实际碳排放量进行分段线性化处理，对每个分段区间，调度模型变为混合整数线性规划问题，可利用成熟的数学规划优化器Gurobi进行求解。

4IES低碳经济调度模型的优化效果

本文对比分析了三种模型的调度结果：①考虑阶梯型碳交易成本的低碳经济调度模型;②考虑统一型碳交易成本的低碳经济调度模型，统一型碳交易成本不对碳排量进行区间划分;③在阶梯型碳交易模式下，仅以外购能源成本最小为目标函数的传统经济调度模型。调度结果表明低碳经济调度可减少系统碳排量，其中阶梯型碳交易成本模型对碳排量具有最严格的约束，并且仍可保证IES的经济性。

本文进一步研究了碳交易价格和耦合设备容量对调度结果的影响：

1)碳交易利用市场手段实现碳排放量控制，使各企业主动减排以获取碳交易收益，手段合理有效。基于阶梯型碳交易成本的IES低碳经济调度模型对碳排放量具有更严格的控制作用，同时兼顾了系统整体的经济性。

2)低碳经济调度模型对碳交易价格变化反应敏锐，可根据碳交易价格协调系统的碳交易成本和能源成本。在一定范围内，碳交易价格的上升可使系统运行总成本下降。

3)耦合元件的容量变化影响低碳经济调度结果。在一定范围内，P2G容量增加，提高系统对风电的消纳，使能源成本下降，但对碳交易成本无影响。燃气轮机在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。

本文仅计算了固定阶梯区间长度和阶梯型碳交易价格增长幅度下的碳交易成本，而两种因素影响着低碳调度模型对碳排放量的控制作用。随着全国碳交易体系的启动，政府对电力行业的碳约束也将更为严格，因此如何为低碳经济调度模型设置最合适的阶梯区间长度和价格增长幅度是一个有意义的研究方向。