陳 曦，袁夢玲，王 松，穆靜霞，彭泓華，王 悠

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.國網(wǎng)重慶市電力公司， 重慶 400015；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

降低CO2的排放量對解決全球平均氣溫升高的問題有至關(guān)重要的作用，我國做出了“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的重要承諾。中央財經(jīng)委員會第九次會議強調(diào)，將在“十四五”期間實施可再生能源替代行動，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力行業(yè)產(chǎn)生的CO2占全國碳排放量的40%，發(fā)展低碳電力是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重要手段和必然趨勢[1-3]。

提高清潔能源的利用率是實現(xiàn)低碳電力的關(guān)鍵。風(fēng)能是一種無污染、資源豐富的能源，盡管我國風(fēng)電裝機容量持續(xù)增加，但風(fēng)電消納問題仍是制約低碳電力發(fā)展的重要原因。綜合能源系統(tǒng)致力于整合區(qū)域內(nèi)的多種能源，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃和優(yōu)化運行，是提高清潔能源利用率和降低碳排放量的重要應(yīng)用場景[4-6]。陳沼宇等[7-8]通過在系統(tǒng)中引入電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)裝置減少棄風(fēng)率；李宏仲等[9]引入儲能裝置，利用提高機組靈活性來增加風(fēng)電消納率；崔楊等[10]根據(jù)華北地區(qū)地?zé)嶝S富特點，通過引入地源熱泵增加了風(fēng)電上網(wǎng)空間。上述文獻通過加大能源之間的耦合轉(zhuǎn)換程度提高風(fēng)電消納能力，提高了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的低碳程度，但運維成本也隨之增加，系統(tǒng)運行中低碳性和經(jīng)濟性之間的矛盾凸顯。

在能源低碳轉(zhuǎn)型的宏觀背景下，碳交易機制的引入賦予了碳減排經(jīng)濟價值。目前已有學(xué)者將碳交易機制引入電力系統(tǒng)規(guī)劃應(yīng)用中。鐘嘉慶等[11-13]在電廠能源規(guī)劃模型中引入碳交易機制，分析了碳交易機制對含風(fēng)電電力系統(tǒng)可靠性的影響。衛(wèi)志農(nóng)等[14]將碳交易引入到電-氣綜合能源系統(tǒng)中，證明了引入碳交易機制會對系統(tǒng)運行狀態(tài)產(chǎn)生影響，且在一定程度下減少碳排放量；崔楊等[15-17]在之前基礎(chǔ)上構(gòu)建了獎懲階梯型碳交易模型，與傳統(tǒng)碳交易模型對比，新型碳交易模型低碳效果更好。以上研究表明：通過引入碳交易模型可以緩和低碳性和經(jīng)濟性之間的矛盾。

綜上，目前的研究鮮有將碳交易引入含風(fēng)電等可再生能源的綜合能源系統(tǒng)中，同時，沒有分析碳交易影響風(fēng)電消納的原理。因此，文中考慮P2G、電鍋爐和碳交易的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟優(yōu)化模型，具體工作包括：搭建含P2G和電鍋爐的綜合能源系統(tǒng)模型，通過加強多能耦合轉(zhuǎn)換來提高風(fēng)電消納能力；然后引入免費碳排放配額和階梯型碳交易，構(gòu)建以運行成本、維護成本和環(huán)境成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)的綜合能源系統(tǒng)模型，在兼顧系統(tǒng)運行中經(jīng)濟性和低碳性的情況下求得最優(yōu)解；最后通過粒子群優(yōu)化細(xì)菌覓食算法在4種場景下對優(yōu)化模型進行求解，分析風(fēng)電消納率、系統(tǒng)運行成本和污染物排放量，綜合判斷構(gòu)建模型的有效性和合理性。

1 考慮碳交易影響風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)模型構(gòu)建

綜合能源系統(tǒng)是一種整合區(qū)域內(nèi)多種能源，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃和優(yōu)化運行，提高清潔能源利用率和降低碳排放量的重要應(yīng)用場景。包括源端、耦合轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)及負(fù)荷側(cè)3部分。源端通常包括風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)廨啓C等分布式能源。為提高風(fēng)電消納并滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求，系統(tǒng)中包含多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲能設(shè)備。如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)框架

1.1 考慮P2G和電鍋爐的綜合能源系統(tǒng)模型

風(fēng)能是一種清潔、無污染的能源，雖然我國大力開發(fā)風(fēng)電，但由于風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，導(dǎo)致部分時段棄風(fēng)問題嚴(yán)重。如在北方地區(qū)的冬季夜間，由于用電處于低谷，而風(fēng)電出力和熱負(fù)荷均為高峰時段，常常為滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求，強迫燃?xì)廨啓C在電負(fù)荷低谷期間高強度運轉(zhuǎn)，從而影響風(fēng)電消納率。

為解決上述問題，在構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)模型時引入了P2G和電鍋爐設(shè)備[10]。P2G可以將電能轉(zhuǎn)換為天然氣或者氫氣等可燃?xì)怏w，實現(xiàn)將多余的風(fēng)電通過轉(zhuǎn)換后進行儲存。電鍋爐機組可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，同時增加電負(fù)荷并且分擔(dān)燃?xì)廨啓C的供熱任務(wù)，達到減少燃?xì)廨啓C電出力，促進風(fēng)電消納的目的。利用P2G和電鍋爐促進風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)運行原理如圖2所示，其中燃?xì)鈾C組最小電出力曲線和最大電負(fù)荷曲線之間的陰影空間為風(fēng)電最大消納能力。

圖2 P2G和電鍋爐提高風(fēng)電消納空間原理

1.2 考慮碳交易的綜合能源系統(tǒng)模型

1.2.1碳交易成本計算模型

碳交易是通過將碳排放量變?yōu)樯唐?，建立合法的碳排放?quán)并允許對其進行買賣，實現(xiàn)控制碳排放量減少的交易機制[18-19]，具體運行流程如圖3所示。

圖3 碳交易運行流程框圖

生態(tài)環(huán)境管理部門以綜合能源系統(tǒng)園區(qū)為單位，根據(jù)各個單位提供的發(fā)電數(shù)據(jù)對其進行配額免費分配。當(dāng)排放源的碳排放量超過分配額，就需要從碳交易系統(tǒng)購買超出的部分。反之，當(dāng)排放源的排放量低于分配額，就可以將剩余額度放入碳交易系統(tǒng)進行售賣而獲得收益。

風(fēng)力發(fā)電過程中不產(chǎn)生CO2,為了使系統(tǒng)優(yōu)先使用風(fēng)電從而提高風(fēng)電消納水平，將風(fēng)機發(fā)電量計入免費碳排放分配額模型中，通過提高風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性提高風(fēng)電消納[20-21]。由于目前我國的發(fā)電機組仍以火力發(fā)電為主，其發(fā)電量占總發(fā)電量的70%，因此，大量使用外購電力仍不能解決供電清潔低碳的問題。為減少綜合能源系統(tǒng)外購電，本文在構(gòu)建的系統(tǒng)中使用外購電力需要購買碳排放權(quán)。

免費碳排放額計算模型中包含風(fēng)電、外購電力、燃?xì)鈾C組，具體公式如下所示。

DC=Dbuy+Dg+DPW

(1)

Dbuy=ηPbuy

(2)

Dg=γh1[(μPGT+HGT)+HGB]

(3)

DPW=ηPW

(4)

式中：DC、Dbuy、Dg、DPW分別表示總的碳排放額度、電網(wǎng)購電、燃?xì)鈾C組、風(fēng)電對應(yīng)的免費碳排放額度;Pw表示風(fēng)力發(fā)電功率；Pbuy表示向電網(wǎng)的購電功率；η表示單位發(fā)電量碳排放配額,取0.799 t/(MW·h);PGT、HGT表示燃?xì)廨啓C的發(fā)電、發(fā)熱功率；HGB表示燃?xì)忮仩t的發(fā)熱功率；γh1表示單位發(fā)熱量的碳排放額度，取0.065 t/GJ;μ表示發(fā)電量折算為發(fā)熱量的折算系數(shù)，取6 MJ/(kW·h)。

實際碳排放源中存在外購電力和燃?xì)鈾C組2個碳排放源。公式如下。

Ep=Eg+Ebuy

(5)

Ebuy=τPbuy

(6)

Eg=γh2[(μPGT+HGT)+HGB]

(7)

式中：EP、Eg、Ebuy表示總的實際碳排放量、燃?xì)鈾C組、電網(wǎng)購電對應(yīng)的實際碳排放量；γh2表示單位發(fā)熱量的實際碳排放量，取0.102 t/GJ[19]；τ表示電網(wǎng)購電單位電量的實際碳排放量，取1.08 t/(MW·h)。

為了進一步控制碳排放總量，本文將碳排放量分為6個區(qū)域，建立階梯型碳交易模型。并引入懲罰系數(shù)α(碳交易價格增長幅度)，使碳交易價格以懲罰系數(shù)依次增長。當(dāng)碳排放量越大時，碳交易成本越高，從而限制碳排放量的增長，公式如式(8)所示。

(8)

式中：FCO2為碳交易成本；c為市場上碳交易價格，碳交易價格受碳減排政策和交易市場影響，一般在120～280元之間，文中取200元；α為區(qū)間碳交易價格增長幅度，取 25%；L為碳排放量區(qū)間長度，取80 t。

1.2.2碳交易促進風(fēng)電消納原理

碳交易促進風(fēng)電消納的原理如圖4所示。其中燃?xì)廨啓C最小出力和供熱設(shè)備最大出力之間的陰影空間是風(fēng)電最大消納能力。

圖4 碳交易促進風(fēng)電消納空間原理示意圖

在綜合能源系統(tǒng)中引入P2G和電鍋爐機組后，使系統(tǒng)具有更好低碳性的同時也增加了維護成本。

為了解決系統(tǒng)低碳性和經(jīng)濟性之間的矛盾，本文將碳交易引入綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行建模中。由式(8)可知，當(dāng)碳分配額度大于實際碳排放額時，系統(tǒng)可獲得碳收益，分配額度越大，碳收益越多，則系統(tǒng)運行總成本越低，減輕了系統(tǒng)的經(jīng)濟壓力。為激勵系統(tǒng)獲得更多的碳分配額度，系統(tǒng)優(yōu)先使用風(fēng)電，燃?xì)廨啓C機組出力減少,燃?xì)忮仩t和電鍋爐熱出力增加以滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

為進一步提高清潔能源利用率和系統(tǒng)運行的低碳經(jīng)濟性，本文搭建含P2G和電鍋爐的綜合能源系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上引入碳交易模型?？紤]一天24 h的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度問題，在運行過程中，不僅有CO2排放，還有SO2和NOx的排放，為了減少系統(tǒng)在運行中對環(huán)境的污染，因此本文以維護成本、運行成本和環(huán)境成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，公式如下。

(9)

(10)

(11)

FEN=FCO2+FNS

(12)

(13)

式中：FIES表示總成本；FCM為運維成本；FCD為運行成本；FCO2為碳交易成本；FNS表示排放氮硫化物費用；FEN為環(huán)境成本(包括碳交易成本和排放氮硫化物成本)，單位均為元；N為設(shè)備類型；Cn為單位出力的運維成本系數(shù)；Pn(t)為機組出力大小；CP、CG分別表示購電、購氣價格；Gbuy(t)表示單位時間內(nèi)系統(tǒng)向天然氣網(wǎng)購買的氣功率，單位為kW；βr表示污染物治理費用；R為污染物種類；Er表示單位出力的污染物排放量。

2 系統(tǒng)運行約束

2.1 功率平衡約束

綜合能源系統(tǒng)中電-熱-氣3個子系統(tǒng)運行時需要滿足功率平衡約束條件，其公式表示為：

PW(t)+Pbuy(t)+PGT(t)=

Pload(t)+PP2G.in(t)+PEB.in(t)+Pbat(t)

(14)

GP2G(t)+Gbuy(t)=GGT.in(t)+GGB.in(t)+

Gload(t)+Gbat(t)

(15)

HGT(t)+HGB(t)+HEB(t)=Hload(t)

(16)

式中：PW(t)、PGT(t)表示風(fēng)力、燃?xì)廨啓C在單位時間內(nèi)的實際出力；PP2G.in(t)、PEB.in(t)表示P2G和電鍋爐單位時間內(nèi)消耗的電功率；GGT.in(t)、GGB.in(t)表示燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t單位時間消耗內(nèi)的氣功率；HEB(t)表示電鍋爐單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱功率；Pbat(t)、Gbat(t)表示儲能設(shè)備的充放功率；Pload(t)、Hload(t)、Gload(t)表示系統(tǒng)的電、熱、氣負(fù)荷需求，單位均為kW。

2.2 轉(zhuǎn)化設(shè)備約束

系統(tǒng)中所有能源轉(zhuǎn)換設(shè)備均滿足上下線約束，其公式表達如下：

(17)

2.3 儲能設(shè)備約束

儲能裝置的數(shù)學(xué)模型如式(18)，為了保證儲能設(shè)備的正常運行，需要對儲能設(shè)備充放上下限功率約束，儲能負(fù)荷狀態(tài)上下限約束，還要保持每日始末剩余儲能容量一致：

(18)

Ex(0)=Ex(T)

(19)

(20)

(21)

3 基于粒子群-細(xì)菌覓食算法的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行

3.1 粒子群-細(xì)菌覓食算法原理

細(xì)菌覓食算法(biomimicry of bacterial foraging optimization，BFO)是模仿大腸桿菌在人體腸道中尋找營養(yǎng)源行為的一種新型算法，通過不斷更新趨化、聚集、復(fù)制和遷徙4個步驟更新細(xì)菌的位置，局部搜索能力比較強，但收斂速度較慢。粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)是模仿鳥類在捕食過程中鳥群之間信息交流和共享行為的一種算法，能以較快的收斂速度逼近最優(yōu)解，但容易陷入局部最優(yōu)。針對綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行問題，本文考慮將以上2種算法結(jié)合，形成粒子群-細(xì)菌覓食算法(PSO-BFO)，利用粒子群算法為細(xì)菌的趨化操作提供方向性指引，增強算法的收斂速度和局部搜索能力，因此粒子群-細(xì)菌覓食算法的更新公式如式22所示。

(22)

式中：Vi表示粒子的速度；Xi表示粒子的位置；pbesti表示個體極值；gbesti表示全局極值；c1、c2表示學(xué)習(xí)因子；w表示慣性權(quán)重；P(i,m,n,M)表示粒子i在第m次趨化性操作，第n次復(fù)制操作和第M次遷徙操作后的函數(shù)值；c(i)表示步長。

3.2 粒子群-細(xì)菌覓食算法流程

針對綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行問題，基于粒子群-細(xì)菌覓食算法流程如圖5所示。

圖5 細(xì)菌覓食-粒子群算法流程框圖

主要步驟設(shè)計如下：

步驟1獲得綜合能源系統(tǒng)中負(fù)荷參數(shù)及能源設(shè)備參數(shù)等，確定PSO-BFO算法中初始參數(shù)：細(xì)菌規(guī)模數(shù)N、遷移次數(shù)Ned、繁殖次數(shù)Nre、趨化次數(shù)Nc、游動次數(shù)Ns和遷移概率Ped。

步驟2初始化設(shè)備初始運行狀態(tài)及綜合能源系統(tǒng)的運行成本，并用式(22)更新機組的出力情況。

步驟3進行遷徙、繁殖、趨化3層循環(huán)，并利用粒子群算法為粒子更新速度和位置。

步驟4當(dāng)?shù)螖?shù)達到最大值時，比較系統(tǒng)運行費用是否優(yōu)于初始值，否則轉(zhuǎn)向步驟2。

步驟5輸出綜合能源系統(tǒng)的最佳運行方案，及最小運行費用。

3.3 算例分析

文中綜合能源系統(tǒng)園區(qū)的各能源轉(zhuǎn)化設(shè)備的運行參數(shù)如表1所示。儲電、儲氣設(shè)備的運行參數(shù)如表2所示；園區(qū)中有電、熱、氣負(fù)荷，數(shù)據(jù)參考文獻[7]；園區(qū)中存在向外購電和購氣，其中購氣上限為2.5 MW，價格為1.5元/kW·h;購電上限為1.5 MW，電價采用分時電價，低谷(22∶00～7∶00)時電價為0.6元/kW·h，高峰(11∶00～15∶00)時電價為1.6元/kW·h，平谷(19∶00～21∶00)時電價為1.2元/kW·h。系統(tǒng)中電網(wǎng)購電和燃?xì)鈾C組存在SO2和NOx的排放，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 設(shè)備運行參數(shù)

表2 儲能設(shè)備參數(shù)

表3 氮硫化物排放相關(guān)數(shù)據(jù)

為對本文提出考慮碳交易影響風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)模型的風(fēng)電消納效果和低碳性進行分析評估，構(gòu)建了4種典型的綜合能源系統(tǒng)典型運行場景進行求解分析，分別是：① 不引入P2G、電鍋爐和碳交易模型；② 引入P2G和電鍋爐，不引入碳交易模型；③ 引入碳交易模型，不引入P2G和電鍋爐；④ 引入P2G、電鍋爐和碳交易模型。

3.3.1綜合能源系統(tǒng)風(fēng)電消納分析

4個場景的風(fēng)電出力情況如圖6所示。

圖6 風(fēng)電出力直方圖

由圖6可知，場景1因為沒有采取提高風(fēng)電消納措施，所以其風(fēng)電浪費嚴(yán)重；場景2、3分別引入電鍋爐、P2G和碳交易機制，均能有效提高風(fēng)電的利用率，其中，場景2的風(fēng)電消納能力高于場景3；場景4同時引入電鍋爐、P2G和碳交易機制，園區(qū)中的風(fēng)電利用率大幅度提高且?guī)缀醪淮嬖跅夛L(fēng)現(xiàn)象。通過對比，在綜合能源系統(tǒng)中增加機組優(yōu)化配置和引入碳交易均能有效提高風(fēng)電消納能力。

3.3.2環(huán)境影響對比

大電網(wǎng)、燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t工作時均會產(chǎn)生SO2、NOx、CO2污染物，將其整理后如表4所示?？芍瑘鼍?、3、4比場景1的污染物排放量均大幅度下降，證明了所構(gòu)建模型的環(huán)保性；其中場景2和場景4引入了碳交易模型，CO2排放量下降明顯，說明碳交易模型能使系統(tǒng)具有更佳的低碳性。

表4 各場景污染物排放量

3.3.3成本比較

通過仿真分析，各個場景運行成本如表5所示。從表中可以看出，場景2、4的維護成本相對場景1有所上漲，原因是增加了機組設(shè)備從而使維護成本上漲。但場景4由于引入了碳交易模型從而獲得了碳收益，總成本明顯下降，說明該模型具有良好的經(jīng)濟性。

表5 各場景系統(tǒng)運行成本

3.3.4碳交易價格對系統(tǒng)中機組運行的影響

碳交易價格會影響系統(tǒng)的調(diào)度結(jié)果，從而影響系統(tǒng)的風(fēng)電消納情況。風(fēng)電消納率隨碳交易價格變化的情況如圖7所示，碳交易價格影響用電設(shè)備(P2G和電鍋爐機組)用電情況的變化如圖8所示，碳交易價格影響燃?xì)鈾C組(燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t)用氣情況的變化如圖9所示。

圖7 風(fēng)電消納受碳交易價格的影響曲線

圖8 碳交易價格影響P2G和電鍋爐用電量的變化曲線

圖9 碳交易價格影響燃?xì)鈾C組用氣量的變化曲線

由圖7～9可知，風(fēng)電消納率隨著碳交易價格的增長而增長。當(dāng)價格變化在0～70元時，風(fēng)電消納率增長較快，且P2G用電量和燃?xì)鈾C組的用氣量明顯增加。因為P2G將多余的風(fēng)電轉(zhuǎn)換為天然氣，提供了風(fēng)電利用率，同時為燃?xì)鈾C組提供了氣源，使其出力加強。當(dāng)價格變化在80～250元時，風(fēng)電消納率增加較緩慢，P2G的用電量和燃?xì)鈾C組的用氣量逐漸降低，電鍋爐的用電量增加明顯。因為此時碳交易價格較高，為增加更多的碳收益，系統(tǒng)減少燃?xì)鈾C組出力，因此天燃?xì)庑枨鬁p少，從而使P2G機組出力減少。為滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求，電鍋爐出力增加，同時消耗多余風(fēng)電為其提供上網(wǎng)空間。當(dāng)碳交易價格超過250元后，系統(tǒng)無棄風(fēng)現(xiàn)象且機組運行狀態(tài)變化不明顯。

3.3.5算法比較

為證明粒子群優(yōu)化細(xì)菌覓食算法的優(yōu)越性，將粒子群算法、細(xì)菌覓食算法和粒子群優(yōu)化細(xì)菌覓食算法3種算法的迭代過程進行比較，如圖10所示。由迭代曲線可知PSO-BFO算法的迭代過程最快，且得到的解最優(yōu)，因此粒子群優(yōu)化細(xì)菌覓食算法的應(yīng)用效果最好。

圖10 不同算法的迭代過程

4 結(jié)論

為解決綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行中清潔低碳性與經(jīng)濟性的矛盾，將P2G、電鍋爐裝置引入綜合能源系統(tǒng)模型的構(gòu)建中，探討了碳交易對風(fēng)電消納率的影響，并將粒子群優(yōu)化細(xì)菌覓食算法應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)運行分析中。通過對4個典型綜合能源系統(tǒng)場景的分析求解可知：考慮碳交易影響風(fēng)電消納的綜合能源系統(tǒng)能有效平衡經(jīng)濟性和低碳性，不同的碳交易價格對綜合能源系統(tǒng)的容量配置和系統(tǒng)運行風(fēng)電消納率產(chǎn)生影響。結(jié)果可為綜合能源系統(tǒng)業(yè)主的規(guī)劃運行以及地方能源和生態(tài)環(huán)境管理部門提供決策參考。