曹雨微， 郭曉鵬， 董厚琦， 王俐英， 曾 鳴

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京 102206)

0 引 言

碳達(dá)峰、碳中和背景下，構(gòu)建清潔低碳、安全高效、去中心化的能源體系成為我國(guó)未來(lái)能源體系建設(shè)的發(fā)展方向[1，2]。一方面，高比例可再生能源發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的必然選擇，而可再生能源電力消納保障機(jī)制和綠色證書交易機(jī)制則成為助力該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵途徑[3]。另一方面，清潔能源發(fā)展需從綜合能源系統(tǒng)全局角度進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，通過(guò)多能互補(bǔ)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)支撐清潔能源消納[4，5]。因此，研究建立綜合考慮可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重、綠色證書交易機(jī)制和碳排放等因素的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型對(duì)服務(wù)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(Regional Integrated Energy System，RIES)運(yùn)行優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)建立不同優(yōu)化模型對(duì)RIES開(kāi)展能源調(diào)度策略研究，并分析不同設(shè)備的出力運(yùn)行狀況。文獻(xiàn)[6]以調(diào)度周期內(nèi)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建了電動(dòng)汽車與地源熱泵協(xié)同作用促進(jìn)風(fēng)電消納的RIES經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[7]考慮風(fēng)電出力的不確定性，以綜合運(yùn)行成本最少、碳排放量最小、能效利用率最高為優(yōu)化目標(biāo)建立了計(jì)及電氣熱綜合需求響應(yīng)的RIES優(yōu)化調(diào)度模型，在保證系統(tǒng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時(shí)能夠提高系統(tǒng)能源利用效率。文獻(xiàn)[8]以電、氫為能源載體，提出了考慮氫在可再生能源利用率和季節(jié)互補(bǔ)方面作用的雙層混合整數(shù)規(guī)劃模型，該模型通過(guò)合理利用風(fēng)光、地?zé)崮艿荣Y源能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備配置優(yōu)化和降低氫供應(yīng)價(jià)格的雙重目標(biāo)。文獻(xiàn)[9]針對(duì)風(fēng)光等大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)后電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足的問(wèn)題，提出了一種考慮火電機(jī)組調(diào)峰主動(dòng)性約束的風(fēng)光水火儲(chǔ)多能系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度策略，該策略能有效提升系統(tǒng)可再生能源的消納能力和系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。上述文獻(xiàn)在RIES的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性、環(huán)保性以及可再生能源消納等方面展開(kāi)了詳細(xì)研究，但考慮可再生能源消納責(zé)任權(quán)重制度約束的RIES運(yùn)行優(yōu)化研究還相對(duì)較少。

對(duì)于可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重和綠色證書(Green Certificate，GC)交易機(jī)制的研究，文獻(xiàn)[10]建立了考慮非水可再生能源隨機(jī)性的配額制綠證中長(zhǎng)期二次交易模型，并通過(guò)算例展示了在配額制下非水可再生能源的流動(dòng)方向。文獻(xiàn)[11]在分析我國(guó)GC市場(chǎng)與電力市場(chǎng)聯(lián)動(dòng)特性和我國(guó)GC市場(chǎng)反身性特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的GC價(jià)格機(jī)制模型，并提出了推動(dòng)構(gòu)建多層級(jí)協(xié)調(diào)運(yùn)作的GC市場(chǎng)交易的政策建議。文獻(xiàn)[12]引入“省間可再生能源交易商”的概念，代理省內(nèi)消納責(zé)任主體參與省間可再生能源市場(chǎng)向省外綠電商購(gòu)電，建立省間可再生能源市場(chǎng)和省內(nèi)電力市場(chǎng)的兩級(jí)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式，并建立了基于配額制的兩級(jí)電力市場(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，對(duì)于完成省內(nèi)消納責(zé)任和市場(chǎng)運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。上述文獻(xiàn)多在交易模型、價(jià)格機(jī)制、政策建議、兩級(jí)市場(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型等方面對(duì)可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重和綠色證書交易機(jī)制展開(kāi)研究，但關(guān)于其對(duì)RIES運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果影響的研究還十分欠缺。

針對(duì)RIES的低碳運(yùn)行研究，文獻(xiàn)[13]計(jì)及碳交易機(jī)制和天然氣動(dòng)態(tài)管存，同時(shí)考慮氣潮流仿真的實(shí)時(shí)修正，建立了考慮風(fēng)電和負(fù)荷不確定性的低碳電-氣聯(lián)合系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，該模型在改善系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、低碳效益、魯棒性以及風(fēng)電消納能力等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[14]以減少棄風(fēng)和二氧化碳排放量為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種考慮引入碳捕集系統(tǒng)和需求響應(yīng)機(jī)制的風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)日前調(diào)度優(yōu)化模型，該模型驗(yàn)證了碳捕集系統(tǒng)在限制系統(tǒng)總體碳排放和減輕風(fēng)力發(fā)電不確定性方面的有效性。文獻(xiàn)[15]增加對(duì)碳配額交易量約束的考慮，建立了RIES的雙階段魯棒優(yōu)化模型，并分析了碳配額交易量、碳交易價(jià)格以及風(fēng)荷不確定因素對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。上述文獻(xiàn)研究了碳交易機(jī)制、碳捕集技術(shù)對(duì)RIES的調(diào)度結(jié)果和低碳效益的影響，但鮮有綜合考慮碳排放成本和可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重的RIES優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)研究。

綜上，現(xiàn)有研究中鮮有綜合考慮可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重、綠色證書交易以及碳排放成本等因素對(duì)RIES優(yōu)化運(yùn)行影響。鑒于此，本文構(gòu)建了計(jì)及可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，綜合考慮可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束、綠色證書交易、碳排放等因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。通過(guò)構(gòu)建不同場(chǎng)景進(jìn)行算例分析，結(jié)果表明考慮可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束和綠色證書交易的優(yōu)化模型能顯著提高系統(tǒng)總收益，且可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束相較于綠證價(jià)格對(duì)系統(tǒng)總收益具有更大的影響程度，驗(yàn)證了模型的有效性。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)設(shè)備元件模型

在RIES中，能源集線器(Energy Hub，EH)能夠?qū)崿F(xiàn)電、熱、冷、氣等多種能源的輸入、供應(yīng)、轉(zhuǎn)化及存儲(chǔ)，以滿足不同能源需求[16]。本文構(gòu)建的基于EH的RIES物理模型如圖1所示，其由供電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)3部分構(gòu)成，可滿足電、熱、冷3種負(fù)荷需求。其中，RIES通過(guò)外部電網(wǎng)、可再生能源以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電為用戶提供電負(fù)荷；通過(guò)燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐滿足熱負(fù)荷需求；通過(guò)吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)提供冷負(fù)荷。同時(shí)，儲(chǔ)能裝置(儲(chǔ)電裝置、儲(chǔ)熱裝置)實(shí)現(xiàn)了能源的充放過(guò)程。基于EH，可以便捷分析RIES結(jié)構(gòu)以及各設(shè)備之間的能量流動(dòng)情況。各設(shè)備建模如圖1所示。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of regional integrated energy system

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

(1)

1.2 光伏發(fā)電機(jī)組

(2)

(3)

1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)

GGT,t=VGT,tHgas

(4)

PGT,t=GGT,t·ηGT

(5)

(6)

式中：GGT,t、PGT,t、QWHB,t分別為燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣的輸入功率、燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率和余熱鍋爐的熱回收功率，kW；ηGT、ηWHB分別為燃?xì)廨啓C(jī)的供電效率和余熱鍋爐的熱回收效率；VGT,t為燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣消耗量，m3；Hgas為天然氣低熱值，kW·h/m3。

1.4 燃?xì)忮仩t

GGB,t=VGB,tHgas

(7)

QGB,t=GGB,t·ηGB

(8)

式中：GGB,t、QGB,t分別為燃?xì)忮仩t消耗天然氣的輸入功率和燃?xì)忮仩t的供熱功率，kW；ηGB為燃?xì)忮仩t的供熱效率；VGB,t為燃?xì)忮仩t的天然氣消耗量，m3。

1.5 吸收式制冷機(jī)

PAC,t=QAC,t·ηAC

(9)

式中：PAC,t為吸收式制冷機(jī)的輸出冷功率；QAC,t為吸收式制冷機(jī)的輸入熱功率；ηAC為吸收式制冷機(jī)的制冷效率。

1.6 電制冷機(jī)

PEC,t=EEC,t·ηEC

(10)

式中：PEC,t為電制冷機(jī)的輸出冷功率；EEC,t為電制冷機(jī)的輸入電功率；ηEC為電制冷機(jī)的制冷效率。

1.7 儲(chǔ)能系統(tǒng)

假設(shè)單位時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放能功率恒定，儲(chǔ)能系統(tǒng)的通用模型如式(11)所示：

(11)

2 計(jì)及消納責(zé)任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

計(jì)及可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重的RIES運(yùn)行優(yōu)化模型以系統(tǒng)總收益最小為目標(biāo)函數(shù)，包含系統(tǒng)運(yùn)維成本、燃料成本、購(gòu)售電收益/成本、碳排放成本和綠證交易收益/成本5部分構(gòu)成，即

minC=Com+Cgas+Cgrid+Ccar+Cgc

(12)

式中：Com、Cgas、Cgrid、Ccar、Cgc分別為系統(tǒng)運(yùn)維成本、燃料成本、購(gòu)售電收益/成本、碳排放成本和綠證交易收益/成本。

2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)維成本

(13)

(1)CCHP系統(tǒng)的運(yùn)維成本

(2)可再生能源發(fā)電設(shè)備的運(yùn)維成本

(15)

(3)儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)維成本

(16)

2.1.2 燃料成本

在文章區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，天然氣分別用于燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，則燃料成本如式(17)所示。

(17)

式中：pgas為天然氣價(jià)格。

2.1.3 購(gòu)售電收益/成本

(18)

2.1.4 碳排放成本

碳排放成本來(lái)自于系統(tǒng)購(gòu)電和購(gòu)氣，計(jì)算如式(19)所示。

(19)

式中：pcar為單位碳排放成本,元/kg；δec、δgt和δgb分別為購(gòu)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和燃?xì)忮仩t供熱的碳排放系數(shù),kg/kW·h。

2.1.5 綠色證書交易收益/成本

當(dāng)系統(tǒng)可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重低于要求值時(shí)，消納責(zé)任主體可以從綠證市場(chǎng)購(gòu)買綠證作為消納量補(bǔ)充，而消納責(zé)任權(quán)重高于要求值時(shí)可以售出綠證賺取收益[17]，因此綠色證書交易收益或成本如式(20)所示。

Cgc=pgcQgc

(20)

式中：pgc為綠證市場(chǎng)價(jià)格，元/kW·h；Qgc為購(gòu)買(正值)/出售(負(fù)值)的綠證量，kW·h。

2.2 約束條件

2.2.1 能量供需平衡約束

(1)電能供需平衡約束

供電系統(tǒng)中，通過(guò)風(fēng)光機(jī)組發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、向外網(wǎng)購(gòu)售電及儲(chǔ)電設(shè)備充放電來(lái)滿足系統(tǒng)電負(fù)荷需求及電制冷機(jī)輸入電功率需求。

(21)

式中：Le,t為電負(fù)荷需求。

(2)熱能供需平衡約束

供熱系統(tǒng)中，通過(guò)余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t供熱以及儲(chǔ)熱設(shè)備充放熱來(lái)滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求及吸收式制冷機(jī)輸入熱功率需求。

(22)

式中：Lh,t為熱負(fù)荷需求。

(3)冷能供需平衡約束

供冷系統(tǒng)中，通過(guò)吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)供冷來(lái)滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求。

PAC,t+PEC,t=Lc,t

(23)

式中：Lc,t為冷負(fù)荷需求。

2.2.2 設(shè)備運(yùn)行約束

(1)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備功率約束

能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)，各設(shè)備應(yīng)滿足自身功率限值要求，其運(yùn)行功率約束如式(24)～式(30)所示。

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(2)儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行約束

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量及充放能功率均需滿足限值要求。此外，文章假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放能不可同時(shí)進(jìn)行且在調(diào)度周期初始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的儲(chǔ)能量相等。

(31)

(32)

(33)

Wm,0=Wm,T

(34)

2.2.3 外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線約束

系統(tǒng)在與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換時(shí)，應(yīng)滿足外部電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線限制約束，且假設(shè)系統(tǒng)購(gòu)電和售電不能同時(shí)進(jìn)行。

(35)

式中：μ為0-1變量，用以表示向外部電網(wǎng)購(gòu)電、售電不能同時(shí)進(jìn)行，μ=1表示購(gòu)電，μ=0表示售電。

2.2.4 可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束

2019年5月，為進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源電力消納，緩解“棄風(fēng)棄光”等問(wèn)題，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局正式發(fā)布了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》(發(fā)改能源[2019]807號(hào))，提出設(shè)定可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重[18]。在該政策背景下，文章考慮可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束如式(36)～式(38)，表示系統(tǒng)可再生能源電力消納量與綠證交易量總和應(yīng)不小于消納責(zé)任權(quán)重規(guī)定下系統(tǒng)總電力消納量：

Ere+Qgc≥ω·Etotal

(36)

(37)

(38)

式中：ω為可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重；Etotal、Ere分別為系統(tǒng)總電量和消納可再生能源電量，kW·h。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取某一園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例，取時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，調(diào)度周期為24 h，在MATLAB環(huán)境下調(diào)用CPLEX求解器求解。該綜合能源系統(tǒng)主要包括電、熱、冷負(fù)荷需求，圖2為夏季典型日負(fù)荷曲線和風(fēng)光預(yù)測(cè)出力曲線。各設(shè)備的技術(shù)和成本參數(shù)如表1所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表2所示[19]。系統(tǒng)向外網(wǎng)購(gòu)、售電采用分時(shí)電價(jià)的形式，具體購(gòu)、售電價(jià)格如表3所示。天然氣低熱值為9.7 kW·h/m3，單價(jià)為2.35元/m3[20]。單位碳排放成本為0.023元/kg，相關(guān)設(shè)備的碳排放系數(shù)如表4所示[21]。

圖2 負(fù)荷需求及風(fēng)光出力預(yù)測(cè)曲線Fig. 2 Forecast curve of load demand and wind turbines and photovoltaic cells output

表1 各設(shè)備技術(shù)和成本參數(shù)Tab.1 Technical and cost parameters of each equipment

基于綠色證書認(rèn)購(gòu)交易平臺(tái)的歷史交易數(shù)據(jù)，考慮風(fēng)電綠證的購(gòu)售，取綠證價(jià)格為0.128 6元/kW·h(即128.6元/個(gè))。此外，依據(jù)國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于各省級(jí)行政區(qū)域2020年可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重的通知》，取可再生能源電力的最低消納責(zé)任權(quán)重和激勵(lì)型消納責(zé)任權(quán)重分別為12.5%和13.8%。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of energy storage system

表3 購(gòu)售電峰谷分時(shí)電價(jià)Tab.3 Peak and valley time-of-use electricity price

表4 相關(guān)設(shè)備的碳排放系數(shù)Tab.4 Carbon emission coefficient of related equipment

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證分析消納責(zé)任權(quán)重和綠證政策、碳排放成本對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的影響，將消納責(zé)任權(quán)重和綠證政策和碳排放成本作為場(chǎng)景設(shè)置變量，重點(diǎn)分析考慮消納責(zé)任權(quán)重和綠證政策下的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益及政策影響，故設(shè)置以下3個(gè)典型場(chǎng)景。

場(chǎng)景1：未考慮消納責(zé)任權(quán)重和綠證、碳排放成本；

場(chǎng)景2：僅考慮碳排放成本；

場(chǎng)景3：同時(shí)考慮消納責(zé)任權(quán)重和綠證、碳排放成本。

3.2.1 不同場(chǎng)景下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對(duì)比

(1)場(chǎng)景1

場(chǎng)景1是未考慮消納責(zé)任權(quán)重和綠證、碳排放成本的基礎(chǔ)場(chǎng)景，該場(chǎng)景中的電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可得，系統(tǒng)內(nèi)大部分電負(fù)荷需求可以靠風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電來(lái)滿足。由于風(fēng)電出力在夜間處于較高水平，而此時(shí)電負(fù)荷需求較低，系統(tǒng)可將多余電量倒送至電網(wǎng)，或者通過(guò)余熱鍋爐和電制冷機(jī)消納部分剩余電力以滿足熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求。在12:00～16:00時(shí)段，光伏發(fā)電出力增多，且電負(fù)荷處于平時(shí)段，負(fù)荷需求可完全由風(fēng)光、燃?xì)廨啓C(jī)出力滿足。在8:00～11:00和16:00～20:00時(shí)段，電負(fù)荷需求高峰時(shí)段，光伏出力減小，風(fēng)光出力不足以滿足電負(fù)荷需求，電力缺口需依靠燃?xì)廨啓C(jī)出力增加甚至向外網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足。

由圖3(b)可得，在1:00～6:00以及18:00～24:00，熱負(fù)荷處于高峰時(shí)段，系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐協(xié)同供熱，還可依靠?jī)?chǔ)熱裝置放熱彌補(bǔ)供熱不足以降低系統(tǒng)運(yùn)維成本。熱負(fù)荷需求在7:00～17:00時(shí)段處于較低水平，由于燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐的耦合作用，該時(shí)段以余熱鍋爐供熱為主，實(shí)現(xiàn)了能源間的互補(bǔ)、提高系統(tǒng)能效；此外，系統(tǒng)剩余產(chǎn)熱可為吸收式制冷機(jī)提供熱動(dòng)力以滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求，在供熱過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)熱裝置可充熱以維持熱功率平衡。由圖3(c)可得，在未考慮消納責(zé)任權(quán)重、綠證和碳排放成本時(shí)，高峰時(shí)段的冷負(fù)荷需求以電制冷機(jī)出力為主，吸收式制冷機(jī)出力為輔，能夠在降低運(yùn)維成本的同時(shí)提高系統(tǒng)能效。

圖3 場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果Fig. 3 Operation optimization results of scenario 1

(2)場(chǎng)景2

場(chǎng)景2在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上引入對(duì)碳排放成本的考慮，電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖4所示。與基礎(chǔ)場(chǎng)景相比，考慮碳排放成本的情況下，系統(tǒng)各設(shè)備的出力情況與場(chǎng)景1總體類似，說(shuō)明現(xiàn)階段碳排放成本因素對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的影響相對(duì)較小。

圖4 場(chǎng)景2系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果Fig. 4 Operation optimization results of scenario 2

(3)場(chǎng)景3

場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上又增加了對(duì)可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重和綠色證書交易的考慮，該場(chǎng)景中的電、熱、冷系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可得，由于風(fēng)光發(fā)電同時(shí)具有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，場(chǎng)景3下的供電系統(tǒng)仍實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光的優(yōu)先全額消納。在電負(fù)荷的高峰時(shí)段，系統(tǒng)仍按風(fēng)光出力、燃?xì)廨啓C(jī)、購(gòu)電的優(yōu)先順序滿足負(fù)荷需求；而在電負(fù)荷需求處于較低水平時(shí)，系統(tǒng)則可以將過(guò)剩電力售出、為余熱鍋爐和電制冷機(jī)提供動(dòng)力以滿足熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求。

與場(chǎng)景1相比，場(chǎng)景3在電負(fù)荷低谷時(shí)期，富余電力更多向外網(wǎng)售電，而用來(lái)提供電制冷機(jī)動(dòng)力的電力減少；而在電負(fù)荷高峰時(shí)段，燃?xì)廨啓C(jī)出力明顯增加。這是由于風(fēng)光發(fā)電同時(shí)具有運(yùn)維成本低且無(wú)碳排放成本的優(yōu)勢(shì)，場(chǎng)景1和場(chǎng)景3均實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光等等可再生能源的滿發(fā)利用，但由于場(chǎng)景3需要進(jìn)一步滿足可再生能源消納責(zé)任權(quán)重，只能在保障風(fēng)光滿發(fā)的基礎(chǔ)上通過(guò)購(gòu)售綠證或者降低電力消納總量?jī)煞N途徑來(lái)滿足消納責(zé)任權(quán)重約束。一方面，考慮綠證證書交易的RIES由于具有較高的綠色證書收益會(huì)優(yōu)先考慮可再生能源電力的消納；另一方面，為滿足可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重條件的約束，系統(tǒng)還會(huì)通過(guò)降低部分電制冷機(jī)出力以降低系統(tǒng)電力消納總量，滿足消納責(zé)任權(quán)重。

而為滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求，則需增加吸收式制冷機(jī)出力，因此與場(chǎng)景1和場(chǎng)景2相比，在考慮消納責(zé)任權(quán)重約束下，高峰時(shí)段的冷負(fù)荷需求以吸收式制冷機(jī)出力為主，電制冷機(jī)出力為輔(如圖5(c)所示)。鑒此，與場(chǎng)景1相比，場(chǎng)景3中供熱系統(tǒng)不再僅以滿足自身熱負(fù)荷需求為主，而是提供大量剩余熱量為吸收式制冷機(jī)提供熱動(dòng)力(如圖5(b)所示)。因此燃?xì)忮仩t與余熱鍋爐出力增加，且由于余熱鍋爐和燃?xì)廨啓C(jī)具有耦合作用導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電出力增多。在最大化系統(tǒng)總收益的優(yōu)化目標(biāo)下，為降低由于燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t出力增多導(dǎo)致的成本增加所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益損失，系統(tǒng)在電負(fù)荷低谷時(shí)期以向主網(wǎng)倒送電力的方式提高售電收益；同時(shí)，大量綠證收益的增加也提升了系統(tǒng)總收益。綜上所述，場(chǎng)景3下的出力選擇在兼顧系統(tǒng)總收益的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可再生能源電力消納比例。

圖5 場(chǎng)景3系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果Fig. 5 Operation optimization results of scenario 3

3.2.2 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)總收益對(duì)比

為比較所提計(jì)及消納責(zé)任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，以上3種場(chǎng)景的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值如表5所示。

由表5可得，未考慮消納責(zé)任權(quán)重和綠證交易、碳排放成本的場(chǎng)景1的系統(tǒng)總收益水平為負(fù)，總成本達(dá)到106 501.37元。其中，從外網(wǎng)購(gòu)電的成本明顯高于售電收益，購(gòu)售電成本達(dá)3 392.58元。場(chǎng)景2的系統(tǒng)總收益仍為負(fù)值，但由于增加了2 452.46元的碳排放成本，從而使得系統(tǒng)總成本增長(zhǎng)為108 953.83元。與場(chǎng)景1和場(chǎng)景2相比，場(chǎng)景3的系統(tǒng)總收益水平得到了明顯增長(zhǎng)，達(dá)到246 935.40元。其中，向外網(wǎng)售電的收入遠(yuǎn)超過(guò)購(gòu)電成本，購(gòu)售電收益可達(dá)12 313.58元。由于系統(tǒng)可再生能源的消納責(zé)任權(quán)重已滿足可再生能源電力的最低消納責(zé)任權(quán)重約束12.5%，因此系統(tǒng)綠證交易售出綠證并獲取收益366 711.19元，將綠證售出后系統(tǒng)實(shí)際消納權(quán)重可達(dá)16.11%，驗(yàn)證了該模型在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高了系統(tǒng)的可再生能源電力消納占比。

表5 不同場(chǎng)景下目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3.2.3 不同場(chǎng)景下實(shí)際可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重和碳排放量對(duì)比

本節(jié)針對(duì)不同場(chǎng)景下的系統(tǒng)可再生能源電力實(shí)際消納責(zé)任權(quán)重、二氧化碳排放量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

由圖6可得，場(chǎng)景3中未考慮消納責(zé)任權(quán)重約束的系統(tǒng)實(shí)際可再生能源電力消納占比為48%，而在系統(tǒng)最低消納責(zé)任權(quán)重為12.5%的約束下，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的實(shí)際可再生能源消納占比為65.31%，相比場(chǎng)景1、2增加了36.06%，場(chǎng)景3通過(guò)保障風(fēng)光滿發(fā)并調(diào)整設(shè)備出力極大提高了系統(tǒng)的可再生能源消納比例。此外，場(chǎng)景3的二氧化碳排放量為133 644.79 kg，相比場(chǎng)景1、2增長(zhǎng)了25.34%。這是由于與場(chǎng)景1、2相比，考慮綠色證書交易的場(chǎng)景3具有綠色證書交易的收益來(lái)源，同時(shí)為滿足可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束，燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t出力增加，系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)總收益最大化而犧牲了部分環(huán)境效益，進(jìn)而增加了部分碳排放量。當(dāng)碳排放成本進(jìn)一步增加時(shí)，環(huán)境目標(biāo)權(quán)重增大時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)更加注重碳排放控制，犧牲部分經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 不同場(chǎng)景下運(yùn)行優(yōu)化指標(biāo)對(duì)比Fig. 6 Comparison of operation optimization indexes of different scenarios

3.3 敏感性分析

為進(jìn)一步探討不同因素對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本節(jié)針對(duì)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重、綠色證書交易價(jià)格等因素開(kāi)展敏感性分析。以55%的可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束，綠色證書交易價(jià)格0.128 6元/kW·h，單位碳排放成本0.023元/kg為原始場(chǎng)景。

3.3.1 不同可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束下的敏感性分析

文章主要研究在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束下的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題，因此可再生能源消納權(quán)重約束對(duì)系統(tǒng)總收益情況具有重要影響。圖7為不同可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束下的系統(tǒng)總收益情況。

可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束的變動(dòng)范圍為原始場(chǎng)景的0～1.8倍，變化率為20%。如圖7所示，隨著可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束的增長(zhǎng)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)總收益呈下降趨勢(shì)。當(dāng)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束處于0～47.06%區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)的總收益為正值，說(shuō)明系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重要求的同時(shí)，能夠?qū)ν獬鍪劬G證并向外網(wǎng)售電獲取收益，且收益值大于系統(tǒng)運(yùn)行總成本。而當(dāng)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束大于47.06%時(shí)，系統(tǒng)的總收益為負(fù)值，說(shuō)明系統(tǒng)需要購(gòu)入綠證以滿足系統(tǒng)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重要求，且系統(tǒng)運(yùn)行總成本大于售電收益值。因此，隨著可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重約束增加，RIES將面臨著犧牲經(jīng)濟(jì)效益的概況。

此外，當(dāng)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束相對(duì)于原始場(chǎng)景增長(zhǎng)20%時(shí)，系統(tǒng)總收益降低138.45%，因此可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束對(duì)系統(tǒng)總收益情況的影響程度較大。這是由于在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組出力情況，從而滿足可再生能源消納責(zé)任權(quán)重要求，因此系統(tǒng)總收益對(duì)其敏感性程度較大。

圖7 不同可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束下的系統(tǒng)總收益情況Fig. 7 Total system revenue under different responsibility of renewable energy consumption

3.3.2 不同綠色證書交易價(jià)格下的敏感性分析

綠證作為系統(tǒng)滿足可再生能源消納責(zé)任權(quán)重要求的重要途徑，其價(jià)格對(duì)系統(tǒng)總收益情況具有重要影響。圖8為不同綠證交易價(jià)格下的系統(tǒng)總收益情況。

綠色證書交易價(jià)格的變動(dòng)范圍為原始場(chǎng)景的1.2～3倍，變化率為20%。如圖8所示，隨著綠色證書交易價(jià)格的增長(zhǎng)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)總收益呈上升趨勢(shì)。當(dāng)綠色證書交易價(jià)格處于0.128 6～0.244 5元/kW·h區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)的總收益為負(fù)值，證明在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重55%的約束下，系統(tǒng)向外網(wǎng)售電收益與售出綠證收益小于系統(tǒng)總成本。當(dāng)綠色證書交易價(jià)格處于0.244 5～0.385 8元/kW·h區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)的總收益為正值，證明在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重55%的約束下，系統(tǒng)向外網(wǎng)售電收益與售出綠證收益大于系統(tǒng)總成本。此外，當(dāng)綠色證書交易價(jià)格相對(duì)于原始場(chǎng)景增加20%時(shí)，系統(tǒng)總收益增長(zhǎng)22.19%，因此系統(tǒng)總收益對(duì)綠色證書交易價(jià)格的敏感性小于可再生能源消納責(zé)任權(quán)重。

圖8 不同綠證交易價(jià)格下的系統(tǒng)總收益情況Fig. 8 Total system revenue under different green certificate prices

4 結(jié) 論

文章建立了考慮可再生能源消納責(zé)任權(quán)重的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型。具體結(jié)論如下：

(1)建立了計(jì)及可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，綜合考慮了綠色證書交易、碳排放等因素。該優(yōu)化模型在可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束下能夠滿足電熱冷等多種負(fù)荷需求，同時(shí)增加系統(tǒng)總收益。

(2)與未考慮可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束的場(chǎng)景對(duì)比，考慮可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束的場(chǎng)景可通過(guò)改變系統(tǒng)各機(jī)組出力比例、出售綠色證書等途徑明顯提高系統(tǒng)總收益。

(3)通過(guò)對(duì)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重約束、綠色證書交易價(jià)格等因素開(kāi)展敏感性分析，可以得出消納責(zé)任權(quán)重約束與系統(tǒng)總收益呈負(fù)相關(guān)，且其影響程度明顯大于綠色證書交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)總收益的影響。

近年來(lái)，我國(guó)可再生能源實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化發(fā)展，在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和以及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)等目標(biāo)導(dǎo)向下，進(jìn)一步提高風(fēng)光等可再生能源發(fā)電的消納比例已成為我國(guó)能源系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵舉措。在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行調(diào)度時(shí)，引入對(duì)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重、綠色證書交易以及碳排放等多因素的考慮，對(duì)于提升能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和清潔化水平提供了有效的借鑒和參考。