PDF《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 秦婷1 ,刘怀东1,

2 ,王锦桥1 ,冯志强1 ,方伟1 ( 1.

天津大学电气自动化与信息工程学院,天津市

3 0

0 0

7 2;

2. 智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市

3 0

0 0

7 2 ) 摘要:在能源互联网和低碳电力的背景下, 综合能源系统成为节能减排的重要载体.基于能源集 线器模型搭建了包含电转气和燃气轮机的电―热―气联供综合能源系统架构;

将碳交易机制引入系 统的调度模型中, 构建了分碳排量区间计算碳交易成本的阶梯型计算模型;

综合考虑碳交易成本和 外购能源成本, 建立了适用于电―热―气联供系统的低碳经济调度模型.通过对比分析3种调度模 型的调度结果, 验证了所提模型在兼顾系统低碳性和经济性方面的有效性.最后, 分析了碳交易价 格和耦合元件容量对调度结果的影响. 关键词:能源互联网;

低碳电力;

综合能源系统;

电―热―气联供系统;

碳交易;

低碳经济调度 收稿日期:

2 0

1 7 -

1 2 -

2 0;

修回日期:

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1 0. 上网日期:

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0 6 -

0 5.

0 引言 人类社会不断进步, 逐渐形成了以化石能源为 主的能源消费和利用模式, 由此带来的气候变暖问 题也成为当前社会经济发展的重大挑战.电力是中 国能源消耗的重点行业, 其CO2的排放量占全国排 放总量的5 0%左右[

1 ] , 因此电力行业具备较大的碳 减排潜力, 推行低碳电力有利于促进中国低碳经济 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( i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m, I E S) 被认为是提高清洁能源使用比重、 实现碳减排目标 的支撑技术[

2 ] .文献[ 3] 考虑天然气网络约束和电 网安全约束, 建立了针对风电不确定性的鲁棒调度 模型;

文献[

4 -

6 ] 将电转气( p o w e rt og a s , P

2 G) 技术 引入I E S, 构建了以系统最低经济成本为目标函数 的调度模型;

文献[ 7] 考虑电、 热负荷的需求侧响应 建立了两步调度模型, 并探讨了风电渗透率对系统 运行的影响.现有I E S 调度模型仅考虑 了系统整 体的经济成本, 忽略了碳排放带来的附加环境成本. 为了减少电力系统碳排放, 碳交易被认为是可 兼顾电力经济性和低碳环保性的有效手段[

8 ] .文献 [

9 -

1 1 ] 基于碳交易机制, 分别建立了含不同新能源 的电力系统优化调度模型.在I E S方面, 文献[

1 2] 计算了I E S在碳交易机制下的碳交易成 本和能源 成本, 并分析了碳交易价格和天然气价格对系统运 行的影响, 对I E S 的碳交易成本分析具有指导意义.但其并未对碳交易成本计算模型进行改进, 同 时所构建的I E S较为简单, 仅包含天然气气源、 火 电机组、 燃气轮机和电气负荷. 对于一个电―热―气联供的I E S形态, 引入风电 可增强系统能量来源的清洁性;

引入 P

2 G 和燃气轮 机形成闭环耦合系统, 可以增强电、 气网络的耦合程 度, 同时 P

2 G 有利于提高I E S 对新能源的消纳能力;

引入储电、 储热和储气设备, 有利于形成多元消 纳技术提高新能源利用率[

1 3] . 本文针对一个电―热―气联供的I E S, 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( e n e r g yh u b , EH) 模型[

1 4] 构建了 电―热―气 联供的I E S架构;

然后, 搭建了适用于该I E S 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I E S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, 分析了三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.

1 电―热―气联供的I E S EH 最早由苏黎世联邦理工学院的Geidl和 A n d e r s s o n提出, 它是一种可以满足多种能量需求 的能量转换单元[

1 5] .基于 EH 模型, 可以清晰得出 I E S的架构及其中的能量流动.本文构建的 EH 模8第4 2卷第1 4期2018年7月2 5日Vol.42N o .

1 4J u l y2 5,

2 0

1 8 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

1 2

2 0

0 0

5 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 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 P

2 G 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 E H 模型 F i g .

1 M o d e l o f e n e r g yh u b

2 I E S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[

1 6] . 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, 一般采用以无偿为主的方式进 行初始碳排放额的分配[

9 -

1 2] .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 I E S碳交易成本计算模型 本文认为I E S 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I E S, 存在 三个碳排放源: 外购的电力、 燃气轮机和燃气锅炉. I E S的无偿碳排放额由外购电力和燃气轮机发出的 电力确定: EL = δ∑ T t=1 ( Pe , tΔ t+Pg t , t ηg t e Δ t) (

1 ) 式中: EL 为I E S的无偿碳排放额;

T 为一日时段总 数, 为2 4h;

Δ t为单位时段时长, 为1h;

δ 为单位电 量排放份额, 本文取区域电量边际排放因子和容量 边际因子的加权平均值0.

6 4

8 [ 9,

1 6] ;

Pe , t 为单位时段 t内的外购电力功率;

Pg t , t为单位时段t 内输入燃气 轮机的天然气功率;

ηg t e 为燃气轮机的气转电效率. 文献[

1 7 -

1 8 ] 给出了电―气互联系统中供电和供 热的 碳排放计算方法, I E S 实际碳排放量由下式确定: EP =∑ T t=1 ( a1 +b

1 Pe , t +c

1 P2 e , t) + ∑ T t=1 ( a2 +b

2 Pg t r , t +c

2 P2 g t r , t) (

2 ) Pg t r , t=Pg t , t ηg t e+Pg t , t ηg t h+Pg b , t ηg b (

3 ) 式中: EP 为I E S实际的碳排放量;

a1, b 1, c

1 为火电 碳排放计算系数, a2, b 2, c

2 为天然气供能碳排放系 数;

Pg t r , t 为单位时段t 内燃气轮机和燃气锅炉输出 功率之和;

ηg t h 为燃气轮机气转热效率;

Pg b , t 为单位 时段t内燃气锅炉的输入功率;

ηg b 为燃气锅炉的能 量转换效率. 为了进一步控制碳排放总量, 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.阶梯型碳交易成本计算公式 如下: FC= λ( EP-EL) EP≤EL+d λ d+( 1+ σ) λ( EP-EL-d) EL+d