综合能源系统低碳经济优化调度研究

张铭鹰,赵 毅,张添硕,刘人硕,陆铭阳

(沈阳工程学院电力学院,辽宁 沈阳 110136)

0 引言

全社会经济发展大量排放CO2为环境带来压力,温室气体的大量排放进一步导致全球气候变暖[1]。因此,实现低碳电力将有望加速实现碳减排目标。

目前,有关建设综合能源系统(integrated energy system,IES)的研究主要集中在经济运行方面[2-3],忽略了IES减排的重要性。因此,文献[4-5]探讨了碳交易市场和碳排放计算模型,引入了一种综合能源系统优化调度模型。同时,文献[6]提出了一种奖惩阶梯式碳交易机制,以进一步强化减排措施。

促进清洁能源消纳是节能减排的重要途径,然而风电的反调峰特性导致弃风问题尤为突出[7]。为了应对这一挑战,一些研究者提出了一项解决方案,即采用电转气(power-to-gas,P2G)技术,将多余的电能转化为天然气,从而极大地提高了风能利用效率。在文献[8]中,构建了一个包含P2G技术的IES,该系统同时考虑了多种能源,并结合纳什策略进行博弈分析。

含热电联产(combined heat and power,CHP)的优化运行也取得了一定成果[9-10]。一些研究已经使用CHP系统的热电联产特性来建立模型。然而,这些模型通常默认CHP系统的热电比固定,这可能导致其产生的电力与系统需求不完全匹配。为了解决这个问题,在文献[11]中,研究者考虑了可调节的CHP系统热电比特性,以增强CHP的能源供给效能,并对系统经济运行进行了优化。

该研究构建在原研究基础上,全面考虑了阶梯式碳交易机制、P2G两阶段运行过程及CHP和氢燃料电池(hydrogen fuel cell,HFC)等具备可调节热电比的运行策略对IES优化调度所产生的影响。

1 含阶梯式碳交易机制与电制氢及供需灵

活双响应的IES运行框架

集合多种能源形式的IES,协调运作以适应多元化的能源需求,在实现灵活性的同时,该系统还引入了先进的碳交易市场机制。另外,该系统对电解槽的两阶段运行过程进行细致优化,同时,考虑到CHP设备的热电比可调特性能够更好地平衡和优化能源供应。具体框架如图1所示。

图1 IES框架

图1是包含5个核心组件的IES低碳经济调度框架。上级能源供给单元充当能量源的角色,为整个系统持续提供可再生清洁能源。电解槽(electrolyzer,EL)将电能转化成氢能,氢能通过甲烷反应器(methane reactor,MR)进一步转化为天然气,也可直接通过氢燃料电池HFC转化为电能和热能,减少能源梯级消耗,提高能源利用率;燃气锅炉(gas boiler,GB)通过燃烧天然气提供热能。

1.1 阶梯式碳交易机制模型

为进一步促进低碳经济发展,国家监管机构为每个IES碳排放源设置了免费碳排放配额。如果IES实际碳排放量低于分配碳排放配额,那么可将多余碳排放额度向碳市场出售,以获取经济利益。如果IES实际碳排放量超过配额,则需要在碳市场上购买超出部分,否则将面临额外经济成本。

1.1.1 碳排放权配额模型

当前国内主要采用无偿分配方式进行碳配额。在IES中,主要碳排放源包括上级购电、GB和CHP。本文认为上级购电全部来源于煤电机组,碳排放权配额模型如下。

(1)

式中:EIES、Ee,buy、ECHP、EGB分别为IES、上级电网、CHP、GB的碳排放权配额;μe、μg分别为燃煤机组单位电力消耗、燃气机组单位天然气消耗的碳排放权配额;Pe,buy(t)为t时段上级购电量;PCHP,e(t)、PCHP,h(t)分别为t时段CHP输出电能和热能;PGB,h(t)为t时段GB输出热能;T为调度周期。

1.1.2 实际碳排放模型

CO2在MR氢转天然气过程中被吸收了一部分,因此实际碳排放模型如下。

(2)

式中:EIES,r、Ee,buy,r分别为IES和上级购电的实际碳排放量;Etotal,r为CHP、GB、MR总的实际碳排放量;EMR,r为MR实际吸收的CO2量;Ptotal(t)为t时段CHP、GB、MR的等效输出功率;a1、b1、c1和a2、b2、c2分别为燃煤机组和耗天然气型供能设备的碳排放计算参数;ϖ为MR设备氢能转天然气过程中吸收CO2的参数;PMR,g(t)为t时段MR输出的天然气功率。

1.1.3 阶梯式碳排放交易模型

根据IES碳排放权配额和实际碳排放量,可计算出实际碳交易市场的碳排放权交易额。

EIES,a=EIES,r-EIES

(3)

式中:EIES,a为IES碳排放权交易额。

和传统碳交易定价机制有很大不同,将排放部分分成多个区间段是阶梯式碳交易机制的特征,碳排放量越多的区间,相应碳排放权交易定价越高,系统对应碳交易成本越大。阶梯式碳交易成本如下。

(4)

式中:FC为阶梯碳交易成本;λ为碳交易基价;l为碳排放量区间长度;χ为价格增长率。

1.2 P2G两阶段运行过程

氢能作为一种清洁能源,具有巨大应用潜力,如在氢能源汽车和氢燃料电池等领域的应用。P2G两阶段运行过程如图2所示。

图2 P2G两阶段运行过程

首先通过EL将电能转化为氢能,将氢能的一部分和CO2输入到MR中从而生成天然气,供应给气负荷、GB、CHP,此阶段为传统P2G过程,其中一部分氢能输入到HFC转化为热能和电能,另一部分氢能被储存在储氢罐中。与直接将氢能转化为电能和热能相比,将氢能转化为天然气需要经过燃烧过程,因此会产生梯级损耗。相比之下,氢能具有更高能效,不会产生CO2。

a.EL设备

(5)

b.MR设备

(6)

c.HFC设备

将HFC热、电能量转化效率之和视为固定常数,且热电比可调,可构建HFC模型[12]:

(7)

1.3 供需灵活双响应模型

a.供应侧需求响应模型

CHP通过天然气发电并利用余热满足热需求。由于CHP热电比可调整,根据实时需求调整热能、电能输出可以提高运行效率。工作模型为

(8)

b.需求侧需求响应

供暖需求:在寒冷季节,用户可使用壁挂炉等设备,或选择电暖气和电空调等设备来满足相同供暖需求。

生活热水需求:用户可选用IES,也可采用电热水器或燃气热水器提供的热功率来加热水。

炊事需求:在烹饪食物时,用户可使用电磁炉或燃气灶等设备来储备所需的热能。

2 考虑阶梯式碳交易机制与电制氢IES优化

运行模型

2.1 目标函数

(9)

a.系统内部元件运行成本

(10)

b.购能成本

(11)

式中:Pg,buy(t)为t时段购气量;αt、βt分别为t时段电价、气价。

c.弃风成本

(12)

式中:δDG为单位弃风惩罚成本;PDG,cut(t)为t时段弃风功率。

2.2 约束条件

a.风电出力约束

(13)

b.GB运行约束

(14)

c.储能运行约束

本文认为电、热、气等储能设备模型具有相似性,因此统一对电、热、气等储能设备进行建模。

(15)

d.电功率平衡约束

由于风电波动性和不确定性,为减轻主电网压力,本文仅考虑IES向上级电网购买电量情况。

(16)

e.热功率平衡约束

(17)

f.天然气平衡约束

本文只考虑IES向上级气网购买天然气。

(18)

g.氢平衡约束

(19)

3 算例分析

3.1 情景对比

情景1:在阶梯式碳交易市场的情景下,优化目标是降低购能成本和弃风成本,碳排放成本不予考虑。

情景2:在传统碳交易市场环境中,主要优化目标是综合考虑降低碳排放成本、购能成本及弃风成本。

情景3:在阶梯式碳交易市场环境下,优化目标同样考虑了碳排放成本、购能成本及弃风成本。

情景4:在IES中并未引入电、气耦合设备。

情景5:在IES中引入了传统P2G设备。

情景6:将P2G设备替换为EL、MR及HFC组合的两阶段运行设备。

情景7:将CHP和HFC热电比设定为固定值。

情景8:将CHP和HFC热电比设定为可调。

3.2 考虑阶梯式碳交易机制效益分析

为了验证阶梯式碳交易机制有效性,设置了情景1、2、3,调度结果见表1。由表1可知,当优化目标中考虑碳成本时,碳排放量明显低于未考虑碳成本的情景。

表1 考虑阶梯式碳交易机制前后效益对比

在3种运行情景中,情景1旨在实现传统经济运行优化目标。由于大量天然气燃烧导致碳排放超出了分配配额,从而造成总成本最高。

情景2考虑了碳交易成本,相对于情景1,情景2减少了天然气购买量,增加了电力购买量,总成本最低。

情景3考虑了阶梯式碳交易机制,其中碳排放权购买价格呈阶梯状上升,进一步限制了系统碳排放量,证明了在阶梯式碳交易机制下,系统能够在减少排放同时保持相对较低运行成本。

3.3 细化P2G两阶段过程效益分析

为了对比EL、MR、HFC组合的两阶段运行过程调度与原P2G调度在成本和碳排放方面优势,设置了3种情景进行对比。由表2可知,情景6总成本最低,减排效果显著。

表2 细化P2G两阶段运行前后效益对比

通过将1天等分为24个时段,可以观察到不同运行情景下弃风情况。图3为3种运行情景下,夜间弃风现象最为严重时段。

图3 各情景弃风情况

在情景6中,IES充分利用富裕风力发电,将其输入EL设备进行氢气制备,从而避免了风力发电弃风问题。

3.4 可调热电比机制效果分析

通过对比情景7和情景8,发现二者在热电比调整上差异显著。由表3可知,情景8在减少碳排放的同时降低了整个系统运行成本。

表3 不同热电比机制效益

以CHP为例,可以对各时段热电比进行分析,从而更加直观地了解不同情景之间的差异和特点。

由图4可知,在夜间时段,热负荷需求量处于高峰期,由于GB发热效率高,因此大部分热负荷由GB进行提供,GB处于满发状态,不足部分则需要由CHP进行供应。

图4 CHP各时段热电比

4 结论

a.加入阶梯式碳交易市场,此方法比以往的碳交易机制能更好地约束碳排放。

b.通过将P2G替换为EL、MR、HFC组合设备方式,可以改进风力发电消纳方式,降低碳排放水平,提高能量利用率,从而减少能量损失。

c.本文将CHP和HFC热电比可调特性纳入考虑范围,根据不同时间段,可以适时调整设备输出水平,从而降低运行成本。