黃文軒，劉道兵 ，李世春，李偉鋒，鮑志陽，袁野

(1. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在第七十五屆聯(lián)合國代表大會上，我國提出“雙碳目標(biāo)”，即2030年碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。2021年10月，我國印發(fā)《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》。其中，進一步明確指出健全碳達峰，碳中和體系。能源系統(tǒng)作為碳排放的主體之一，深化能源改革，實現(xiàn)碳排放按計劃減排成為我國能源轉(zhuǎn)型的迫切需要。

綜合能源系統(tǒng)IES(Integrated Energy System)特指多種能源進行有機耦合與優(yōu)化協(xié)調(diào)后所形成的能源系統(tǒng)[2-3]。IES作為未來能源形式的主體之一，深化研究IES在“雙碳目標(biāo)”下的減排潛力是十分有必要的。當(dāng)前也有很多專家學(xué)者注意到這一問題：文獻[4]將碳排放權(quán)交易和綠色證書交易相互結(jié)合，建立IES含市場價值風(fēng)險的優(yōu)化模型。文獻[5]考慮了發(fā)電機組發(fā)電時的碳排放，還運用生命周期法分析了IES中機組及儲能設(shè)備在生產(chǎn)與建設(shè)過程中的碳排放。文獻[6]利用電動汽車充放電特性調(diào)整IES負(fù)荷曲線，以實現(xiàn)經(jīng)濟性與碳排放相互協(xié)調(diào)。文獻[7]考慮了熱網(wǎng)動態(tài)特性對IES的影響，并以此為基礎(chǔ)研究了IES在碳交易市場下優(yōu)化調(diào)度。文獻[8-9]提出了階梯式碳交易機制，相對于傳統(tǒng)碳交易機制，更能反應(yīng)碳交易的市場靈活特性。但以上在研究IES低碳優(yōu)化模式下，都將綜合能源抽象為一個整體，忽略了IES內(nèi)部用戶及運營商在低碳減排方面的潛力與其相互協(xié)同作用，無法最大程度發(fā)揮IES節(jié)能減排優(yōu)勢。

需求側(cè)響應(yīng)作為IES重要的可調(diào)度資源，極大增強了負(fù)荷側(cè)的靈活性[10]，使負(fù)荷側(cè)根據(jù)分時電價與碳排放機制，靈活選擇用能需求，對園區(qū)內(nèi)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)節(jié)能減排有著積極意義。文獻[11]研究了需求側(cè)響應(yīng)與儲能裝置相互協(xié)調(diào)消納風(fēng)電的低碳調(diào)度模型，將碳排放和經(jīng)濟性作為雙目標(biāo)進行優(yōu)化。文獻[12]對負(fù)荷側(cè)進行按類別詳細建模，按參與需求類型將電負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移，可平移，可削減負(fù)荷，分析其需求響應(yīng)所帶來的經(jīng)濟補償，碳排放影響。P2G作為綜合能源系統(tǒng)園區(qū)中另一種重要調(diào)度資源，文獻[13]將P2G(Power to Gas，電轉(zhuǎn)氣)細化為兩階段過程，電制氫與電制天然氣。分析P2G在階梯電價機制下減排的優(yōu)勢。以上文獻都結(jié)合IES系統(tǒng)可調(diào)控資源在含碳交易或約束下進行系統(tǒng)優(yōu)化，但都側(cè)重于某一個方面，沒有將綜合能源系統(tǒng)需求響應(yīng)與P2G相結(jié)合，沒有分析用戶側(cè)在雙碳目標(biāo)下的行為特性。

基于此背景，為了深化研究用戶側(cè)與社區(qū)運營商在IES節(jié)能減排的作用，首先將用戶負(fù)荷進行分類。分為剛性負(fù)荷、能源價格敏感型負(fù)荷與碳價敏感型負(fù)荷。并與社區(qū)運營商的P2G設(shè)備聯(lián)合作用，建立含用戶與IES運營商的兩主體參與的階梯碳交易機制，構(gòu)建含IES運營商和用戶的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化模型。最后通過KKT條件與對偶定理將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層的線性混合整數(shù)優(yōu)化模型，利用yalmip+gurobi求解。此外分析敏感型負(fù)荷對需求響應(yīng)的影響，需求響應(yīng)及P2G聯(lián)合優(yōu)化在IES上節(jié)能減排的優(yōu)勢。最后通過多種情景分析，驗證了所提模型的有效性。

1 綜合能源系統(tǒng)中碳交易機制、P2G與需求響應(yīng)

社區(qū)綜合能源系統(tǒng)由供電、氣系統(tǒng)(EGS)供應(yīng)能量，其構(gòu)成主體包括社區(qū)能源運營商(CEO)與用戶(USER)(見圖1)。其中，社區(qū)能源運營商由燃氣輪機(GT)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)燃氣鍋爐(GB)、余熱鍋(WHB)、風(fēng)電機組(WTG)、儲能(ES)、電與天然氣管網(wǎng)組成，這些元件構(gòu)成了社區(qū)能量運營商在低碳目標(biāo)下靈活運行的基礎(chǔ)。供能側(cè)為電與天然氣供應(yīng)商，負(fù)荷側(cè)包括電負(fù)荷(EL)與熱負(fù)荷(HL)。

圖1 IES結(jié)構(gòu)圖

1.1 兩主體階梯碳交易模型

在IES中，參與節(jié)能減排的有兩個主體：用戶與IES運營商。故文中建立雙主體階梯碳交易模型。模型包括：碳配額分配，碳排放量化，碳交易成本支出[8]。階梯式碳交易模型的本質(zhì)是當(dāng)碳排放大于碳配額時，其碳交易價格按照一定區(qū)間長度階梯遞加，當(dāng)碳排放小于碳配額時，通過向外出售碳配額獲取收益，其收益也為按照一定區(qū)間長度階梯遞加。IES為碳排放主體單元，故不考慮向外售出碳配額。結(jié)合我國實際情況，目前我國碳配額主要采用無償分配[14]。其中，具體碳交易模型還有待細化。IES運營商與用戶側(cè)具體碳配額模型如下：

1.1.1 IES運營商與用戶側(cè)碳配額模型

IES運營商的碳配額主要來自于從火電機組購電量、社區(qū)內(nèi)燃氣輪機與燃氣鍋爐的額定功率。用戶的碳配額主要來自于購熱、電量，其模型如下：

(1)

(2)

其中，ECEO,t、ECEO,ebuy,t、ECEO,GT、ECEO,GB分別為IES的CEO該時段總的碳配額、購電量碳配額、燃氣輪機碳配額與燃氣鍋爐碳配額；PCEO,ebuy(t)、PGT,e、PGT,h、PGB,h分別為IES典型日負(fù)荷曲線的購電功率，燃氣輪機在標(biāo)況參數(shù)下額定電功率與熱功率和燃氣鍋爐額定熱功率；αCEO,ebuy、αGT,e、αGT,h、αCEO,GB分別為CEO購電的碳配額折算系數(shù)，燃氣輪機的電、熱功率碳配額折算系數(shù)、燃氣鍋爐額定熱功率的碳配額折算系數(shù)。同理，EUSER,t、EUSER,ebuy,t、EUSER,hbuy,t分別為用戶側(cè)總的碳配額與用戶側(cè)購電、購熱的碳配額；αUSER,ebuy、αUSER,hbuy為其用戶購電、熱分別對應(yīng)的碳配額折算系數(shù)；PUSER,ebuy、PUSER,hbuy分別為用戶側(cè)對應(yīng)的典型日負(fù)荷曲線的購電、購熱功率。

1.1.2 IES運營商與用戶側(cè)的碳排放模型

在文中，CEO的碳排放額的計算為IES整體的碳排放量，CEO以IES整體碳排放量參與碳交易市場交易，USER的碳排放量為用戶側(cè)的碳排放量，其所產(chǎn)生的碳排放費用交由CEO代收。而且假設(shè)IES所購電能全部來自于火電機組，由此，兩主體式碳排放數(shù)學(xué)模型如下：

(3)

(4)

其中,ECEO,r,t、EP2G,r,t分別為CEO實際碳排放量、P2G消納的實際碳排放量；ECEO,ebuyr,t、ECEO,gbuyr,t分別為社區(qū)運營商購電、購氣所產(chǎn)生的碳排放量；EUSER,r,t、EUSER,ebuy,t、EUSER,hbuy,t分別為USER總的實際碳排放量與購電、熱所產(chǎn)生的實際碳排放量；ai、bi、ci反映了CEO購電、氣碳排放的耦合系數(shù);εp2g、εUSER,ebuyr、εUSER,hbuyr分別為P2G設(shè)備系數(shù)碳消納系數(shù)與USER購電、熱實際碳排放系數(shù);PCEO,ebuyr、PCEO,gbuyr、PUSER,ebuyr、PUSER,hbuyr分別為CEO實際購電、氣功率與USER實際購電、熱功率。

1.1.3 IES運營商與用戶側(cè)參與市場交易的碳排放模型

IES運營商與用戶側(cè)參與碳交易市場的碳排放量為該主體實際碳排放量減去該主體所擁有的碳配額。其數(shù)學(xué)模型如下：

ECEO,m,t=ECEO,r,t-ECEO,t-EUSER,t

(5)

EUSER,m,t=EUSER,r,t-EUSER,t

(6)

其中，ECEO,m,t、EUSER,m,t為CEO與USER參與市場的碳排放量。

綜上，兩主體參與的階梯碳交易模型為：

(7)

(8)

其中，CCEO,CO2為CEO參與碳交易市場的費用;c為碳交易的基準(zhǔn)價格;d為碳交易的區(qū)間長度;a為階梯碳交易價格增長系數(shù);CUSER,CO2為USER參與碳交易市場成本;K為USER與CEO碳排放關(guān)系的關(guān)于長度周期的比例向量。由于時間上的連續(xù)性，為簡化計算，對于具體的時段而言,K近似為定值。其比例關(guān)系等于其前一日該時段CEO與USER的碳排放量關(guān)系。其中碳排放量與碳交易價格的具體函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩主體階梯碳交易的碳價模型

1.2 用戶側(cè)需求響應(yīng)

用戶在計劃安排自己生產(chǎn)需求時，受到用能價格和園區(qū)內(nèi)碳排放價格的雙重影響，用戶側(cè)為了更好滿足自身用能需求，通過需求響應(yīng)來參與系統(tǒng)優(yōu)化。文中將用戶負(fù)荷進行分類，分為剛性負(fù)荷、能源價格敏感型負(fù)荷與碳價敏感型負(fù)荷。其中剛性負(fù)荷默認(rèn)為IES中負(fù)荷側(cè)一定比例的不可削減負(fù)荷，熱負(fù)荷需求響應(yīng)原理同電負(fù)荷相同故不展開敘述，其電負(fù)荷具體數(shù)學(xué)模型如下：

PUSER,ebuy,t=PUSER,e1,t+PUSER,e2,t+PUSER,e3,t

(9)

式中PUSER,e1,t、PUSER,e2,t、PUSER,e3,t分別為用戶側(cè)剛性負(fù)荷、電價敏感型負(fù)荷與碳價敏感型負(fù)荷。

其中，能源價格敏感型負(fù)荷與碳價敏感型負(fù)荷都改變了用電總量，但不同的是用戶側(cè)能源價格敏感性負(fù)荷受到CEO發(fā)布能源價格的影響，用戶碳排放的改變只是能源價格敏感性負(fù)荷改變的結(jié)果。而碳價敏感型負(fù)荷主要受到階梯碳價的影響，碳排放量的改變?yōu)樘純r敏感型負(fù)荷的目的。兩者的數(shù)學(xué)模型如下：

(10)

(11)

式中λe2、λco2分別為對應(yīng)項的比例系數(shù)，反應(yīng)對應(yīng)項對該種需求響應(yīng)的影響；ˉPUSER,ebuy,t、EUSER,r,t表示IES中典型日負(fù)荷的用戶側(cè)該時段的平均購電功率與平均參與碳市場交易的碳排放量；ρUSER,ebuy,t、ρUSER,co2,t、ρUSER,ebuyave,t、ρUSER,co2ave,t分別為用戶側(cè)該時段的購電電價、碳交易價格、平均購能電價與平均碳交易價格，其中，階梯碳交易價格如圖(2)所示。當(dāng)該時段價格高于平均電價或者碳價時PUSER,e2,t與PUSER,e3,t為負(fù)值，表示用戶通過需求響應(yīng)削減負(fù)荷，反之，用戶負(fù)荷增加。

1.3 P2G設(shè)備

P2G設(shè)備極大增強了IES系統(tǒng)中電與天然氣的耦合程度。其具體工作原理分為兩階段[15]：第一階段，P2G通過電解水生成氫氣，第二階段通過氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成天然氣。在IES系統(tǒng)中，當(dāng)棄風(fēng)過多導(dǎo)致棄風(fēng)成本過高或者碳排放太高導(dǎo)致碳交易成本過高時，會加強P2G生產(chǎn)力度，從而降低IES的用能成本。其數(shù)學(xué)模型如下所示[16]：

(12)

式中fP2G,t為第t個調(diào)度時段，經(jīng)過P2G設(shè)備所得天然氣氣流量;PP2G,t為P2G設(shè)備所需功率;ηCHP為P2G設(shè)備轉(zhuǎn)換效率;CHV為天然氣的高熱值，其值是一個常數(shù);N為IES中P2G設(shè)備臺數(shù)。

2 雙層優(yōu)化模型

文中在雙主體碳交易機制下建立雙層優(yōu)化模型(見圖3)，上層模型主體為IES中社區(qū)能源運營商(CEO)，其目標(biāo)為在碳交易市場下運行利潤最大，費用包括購、售能費用之差，CEO運維成本，IES碳交易成本，棄風(fēng)成本，收取用戶的碳交易費用。下層優(yōu)化模型的主體為用戶側(cè)，其優(yōu)化目標(biāo)為在園區(qū)內(nèi)碳交易機制下，用能成本最低。用能成本包括購能成本及雙主體碳交易機制下的碳排放成本。

圖3 雙層優(yōu)化模型

2.1 CEO上層優(yōu)化模型

(13)

2.2 上層模型約束條件

CEO在上層優(yōu)化模型中，主要的約束條件有：向購能網(wǎng)絡(luò)購能約束，園區(qū)碳排放約束，內(nèi)部設(shè)備出力約束，儲能約束，功率平衡約束及為保護用戶權(quán)益的售能價格約束等。其具體數(shù)學(xué)模型如下：

(1)購能功率約束：

(14)

(2)內(nèi)部出力約束：

(15)

(3)設(shè)備爬坡約束：

(16)

(4)碳交易約束：

(17)

(5)儲能約束：

,i∈{e,h}

(18)

Qi(1)=Qi(24)

(19)

式中Qi(t)為第i種能源儲能的t時刻儲能容量；ηi,in、ηi,out為第i種能源形勢儲能的充放電效率；Psi,in(t)、Psi,out(t)為第i種能源形勢儲能的充放電功率。

(6)售能價格約束：

(20)

(7)功率平衡約束：

PCEO,ebuy,t+PW,t+PGT,e,t+PEES,out,t=PCEO,esell,t+PP2G,t+PEES,in,t

(21)

PWHB,h,t+PGB,h,t+PHES,out,t=PCEO,hsell,t+PHES,in,t

(22)

(23)

式中PW,t、PGT,e,t、PP2G,t、PEES,in,t、PEES,out,t分別為第t個調(diào)度時間段內(nèi)風(fēng)電機組出力、燃氣輪機發(fā)出電功率、P2G設(shè)備的用能功率與電儲能充、放電功率。PWHB,h,t、PGB,h,t、PHES,int,t、PHES,out,t分別為第t個調(diào)度時間段內(nèi)余熱鍋爐供熱功率、燃氣鍋爐供熱功率與熱儲能充、放熱功率；PGB,h,t為第t個調(diào)度時間段內(nèi)燃氣鍋爐制熱功率；ηGT、ηGB,h分別為燃氣輪機耗氣效率與燃氣鍋爐制熱效率。

2.3 USER下層優(yōu)化模型

(24)

2.4 下層模型約束條件

用戶側(cè)的下層優(yōu)化模型約束主要為購能約束及碳排放約束，具體數(shù)學(xué)模型如下：

(1)購能約束：

(25)

(26)

(2)碳排放約束：

(27)

3 求解方法

首先，將式(3)分段線性化[17]。在雙層模型優(yōu)化中，上層模型的社區(qū)能源運營商(CEO)根據(jù)分時能源價格，向下層模型用戶側(cè)發(fā)布園區(qū)內(nèi)的購能價格與市場階梯碳交易價格。用戶根據(jù)園區(qū)碳交易機制與購能價格決定購能策略。對于下層模型而言，園區(qū)發(fā)布的購能價格與階梯碳交易價格已知，其模型本質(zhì)是關(guān)于購能功率與碳排放量的線性規(guī)劃模型。因此，可以通過KKT條件將下層模型轉(zhuǎn)化為上層的約束條件，從而將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層模型。再通過引入布爾變量將約束條件線性化，并通過強對偶理論讓目標(biāo)函數(shù)與對偶問題相等，具體方法參考文獻[14,18]，在此不詳細展開。所得的單層優(yōu)化模型如下：

(28)

(29)

(30)

綜上所述，優(yōu)化模型為：

(31)

4 算例分析

在仿真驗證過程中，忽略了發(fā)電側(cè)的不確定性與隨機性，是由于該模型為小時級別調(diào)度模型，時間間隔小，預(yù)測誤差不大。基于此，為突出文中研究主旨，著重研究用戶側(cè)與園區(qū)“低碳”背景下的節(jié)能減排潛力及用能行為，文中忽略了該相對次要因素。

基于上述條件，文中通過算例分析，驗證所提模型的有效性，并基于雙主體階梯碳交易機制分析雙層優(yōu)化模型在節(jié)能減排上的優(yōu)勢，敏感型負(fù)荷對用戶側(cè)的需求響應(yīng)影響及P2G設(shè)備與需求響應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化對風(fēng)電消納的效果。該仿真反映了在碳交易市場下對下層用戶側(cè)用能決策的影響及社區(qū)運營商的運營優(yōu)化思路。對“雙碳”目標(biāo)下，IES優(yōu)化研究有著積極意義。文中在MATLAB中利用yalmip +gurobi求解所得優(yōu)化模型。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

文中參數(shù)來源與參考文獻[8,9,17,20],并將一天分為24個調(diào)度時段。其中，園區(qū)運營商與用戶側(cè)的購電單位碳排放權(quán)配額0.798 kg/(kW·h)，購氣單位碳排放權(quán)配額 0.385 kg/(kW·h)[19]。碳交易的基礎(chǔ)價格為267.6元/t，階梯碳交易價格增長系數(shù)為 0.25，碳交易價格區(qū)間長度為0.8t[20]。棄風(fēng)懲罰成本0.2元/(kW·h)。園區(qū)內(nèi)風(fēng)電出力及負(fù)荷預(yù)測如圖4。

圖4 IES負(fù)荷預(yù)測

4.2 場景設(shè)置

為了驗證所提模型的合理性，建立4種情景進行分析如下：

(1)情景1：當(dāng)前多目標(biāo)優(yōu)化模型[21]，將IES視為一個整體，考慮碳排放懲罰成本，并忽略用戶側(cè)的作用與P2G設(shè)備；

(2)情景2：當(dāng)前多目標(biāo)優(yōu)化模型[8,9,13]，將IES視為一個整體，在階梯碳交易機制下，并忽略用戶側(cè)的作用與P2G設(shè)備協(xié)同；

(3)情景3：雙層優(yōu)化模型，將IES分為社區(qū)運營商與用戶兩主體，在雙主體階梯碳交易機制下，考慮用戶側(cè)的能源價格敏感性負(fù)荷與碳價敏感性負(fù)荷在電價與碳排放激勵下的作用，并忽略與P2G設(shè)備相協(xié)同；

(4)情景4：雙層優(yōu)化模型，將IES分為社區(qū)運營商與用戶兩主體，在雙主體階梯碳交易機制下，發(fā)揮用戶側(cè)敏感型負(fù)荷的需求響應(yīng)作用與CEO側(cè)的P2G設(shè)備相協(xié)同。四種情景經(jīng)濟性比較結(jié)果如表1所示。

表1 經(jīng)濟性比較Tab.1 Economic comparison

4.3 雙主體階梯碳交易機制分析

分析四種情景來驗證兩主體階梯碳交易機制的有效性。對比四種情景，情景4總成本最低，為30 063.4元，比情景1低849.9元，比情景2低4 804.8元，比情景3低1 137.7元。最高成本與最低成本的相差占比最高總成本的13.78%。情景4的碳排放量最低，為28 321.5 kg，情景3次之，情景2排名第三，情景1碳排放總量最多。其中最低碳排放量情景4相較于最高排放量情景1減少碳排放6 812.9 kg，占比最高碳排放的19.39%。

在經(jīng)濟性與碳排放方面，由于情景1采用傳統(tǒng)碳排放懲罰機制，碳排放懲罰力度過小，以犧牲環(huán)境成本為代價，大幅度提高了經(jīng)濟性，甚至風(fēng)電盈余時，由于沒有P2G設(shè)備參與，產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象產(chǎn)生。情景2由于采用階梯碳排放機制，與情景1相比大幅降低碳排放總量，但由于階梯碳排放機制導(dǎo)致碳排放成本大幅度上升，總成本增加較多。情景3與情景4相較于情景2而言，采用了雙主體參與的階梯碳排放機制，可以有效發(fā)揮用戶側(cè)的需求響應(yīng)能力，降低了用戶購能成本的同時，也降低了碳排放。其原因在于，在風(fēng)電盈余時，與用戶需求響應(yīng)相互配合，增加風(fēng)電消納的同時，也減少了碳排放量。當(dāng)能源價格過高時，此時用戶側(cè)的能源價格敏感負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位，削減用戶側(cè)負(fù)荷；當(dāng)階梯碳價過高時，此時碳價敏感型負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位，削減用戶側(cè)負(fù)荷。反之亦然。正是兩主體階梯碳交易機制充分發(fā)揮了用戶側(cè)需求響應(yīng)特性，使其從傳統(tǒng)電價引導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿侥茉磧r格與碳交易價格雙重引導(dǎo)，充分發(fā)揮了用戶的主動性，使其在綜合園區(qū)經(jīng)濟性與碳排放方面，有著良好表現(xiàn)。

4.4 敏感型負(fù)荷與用戶側(cè)需求響應(yīng)

在兩主體階梯碳交易機制下，對比情景3、4來分析敏感型負(fù)荷對用戶側(cè)需求響應(yīng)的影響。其中，情景3、4各時段電負(fù)荷出力如圖5、6所示，熱負(fù)荷出力如圖7、8所示。

圖5 情景3電負(fù)荷

圖6 情景4電負(fù)荷

圖7 情景3熱負(fù)荷

圖8 情景4熱負(fù)荷

由分析可知，情景3中，電負(fù)荷在0點到4點間，由于電負(fù)荷處于全天較低水平，電價較低，故電價型敏感負(fù)荷在該時段占比較大，且3點到達峰值。在8點到下午6點間，電負(fù)荷處于全天較高水平，此時電價型敏感負(fù)荷呈現(xiàn)主動削減狀態(tài)，且下午5點達到峰值。對于碳價敏感型負(fù)荷而言，在4點到8點與晚間7點到0點，占比較大，其主要原因是由于該時段風(fēng)力出力較大，在一定程度上減少了IES園區(qū)的碳排放量。

對比情景3與情景4，可以明顯發(fā)現(xiàn)在0點到7點與晚上7點以后，情景4電負(fù)荷需求響應(yīng)程度更大。這是由于在該時段，情景4加入了P2G裝置可以與負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)相互協(xié)同，園區(qū)碳排放量大大降低，導(dǎo)致該時段碳交易價格降低，使得碳價敏感型負(fù)荷大大增加，加大了該時段需求響應(yīng)能力。而在8點到晚上6點，由于風(fēng)電出力小于電負(fù)荷需求，導(dǎo)致P2G設(shè)備處于閑置狀態(tài)，兩者在該時段電價型敏感負(fù)荷與碳價型敏感負(fù)荷表現(xiàn)幾乎一致。直到晚上7點以后，風(fēng)電達到一個較高水平后，由于P2G設(shè)備的出力，碳價敏感型負(fù)荷參與需求響應(yīng)力度開始加大。

針對情景3熱負(fù)荷，在0點到8點，由于熱負(fù)荷處于日內(nèi)較高水平，熱價型敏感負(fù)荷與碳價型敏感負(fù)荷削減量均處在較高水平，9點至下午5點，由于熱負(fù)荷處于日內(nèi)總量較低水平，需求響應(yīng)總量較少，熱價型敏感負(fù)荷與碳價型敏感負(fù)荷變化范圍不大。晚上6點以后，由于碳價與熱價處于全天平均水平，故敏感型負(fù)荷幾乎不參加需求響應(yīng)。

對比情景3,4熱負(fù)荷曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)情景4的0點至8點，熱負(fù)荷參與需求響應(yīng)程度變低，這是由于在該時間段，由于P2G設(shè)備的加入，IES的園區(qū)碳排放量減少，導(dǎo)致熱負(fù)荷的碳價敏感型負(fù)荷參與需求響應(yīng)量削減量減少，甚至在4點與5點時，呈現(xiàn)需求響應(yīng)為正的促進熱負(fù)荷增加的碳價型敏感負(fù)荷，出現(xiàn)逆調(diào)峰現(xiàn)象。

由此，可知合理調(diào)節(jié)價格型敏感負(fù)荷與碳價型敏感負(fù)荷，可以大大促進電負(fù)荷的調(diào)峰能力，同時在促進園區(qū)節(jié)能減排上有著重要優(yōu)勢。

4.5 P2G與需求響應(yīng)對風(fēng)電消納的影響

分析情景3，4各設(shè)備電功率平衡出力圖(見圖9，10)來分析P2G與需求響應(yīng)對風(fēng)電的消納情況。

圖9 情景3電功率功率平衡圖

圖10 情景4電功率功率平衡圖

由分析知，情景3在0～7點與22～23點對風(fēng)電的消納主要依賴于儲能與電負(fù)荷及其需求響應(yīng)。當(dāng)IES配置的電儲能容量不足或者用戶對電能質(zhì)量要求較高時，可能導(dǎo)致棄風(fēng)棄電現(xiàn)象或加大儲能投資成本。情景4相較于情景3而言，在風(fēng)電盈余的時刻的0～7點與19～23點，通過電儲能、P2G設(shè)備與需求響應(yīng)聯(lián)合進行盈余風(fēng)電消納。情景4的多設(shè)備聯(lián)合消納風(fēng)電，不僅減少了儲能的投資成本與棄風(fēng)棄電的概率，還讓用能行為更為靈活，可以發(fā)揮低碳效益的同時，提高經(jīng)濟效益。

綜上所述，P2G與需求響應(yīng)的聯(lián)合優(yōu)化，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著重要意義，同時在“雙碳”背景下，用戶側(cè)用能的需求響應(yīng)行為也發(fā)生一定改變。以雙主體碳交易機制為基礎(chǔ)的雙層優(yōu)化模型，可以較好的反應(yīng)各主體利益的同時，也能發(fā)揮其節(jié)能減排的主動性。

5 結(jié)束語

文中主要完成以下工作：

(1)深化IES中用戶及社區(qū)運營商節(jié)能減排潛力，文中提出將用戶側(cè)參與需求響應(yīng)的負(fù)荷分為剛性負(fù)荷，價格型敏感負(fù)荷，碳價型敏感負(fù)荷。并在社區(qū)運營商中增設(shè)P2G設(shè)備，進行協(xié)同優(yōu)化;

(2)建立了用戶與IES運營商參與的雙主體階梯碳交易機制，并在該基礎(chǔ)上，建立雙層優(yōu)化模型。上層模型為IES運營商運營收益最大，下層模型為用戶側(cè)受到園區(qū)內(nèi)階梯碳價與分時能源價格下的用能費用最小。相較于現(xiàn)有優(yōu)化模型，用戶行為不僅受到能源價格影響，還受到碳交易價格的影響;

(3)此外還分析敏感型負(fù)荷對需求響應(yīng)的影響，需求響應(yīng)及P2G聯(lián)合優(yōu)化在IES上的節(jié)能減排優(yōu)勢，為能源系統(tǒng)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了一定的理論支撐。

未來將繼續(xù)深化研究“雙碳”目標(biāo)下，能源系統(tǒng)優(yōu)化問題及參與者決策行為的特點，分析發(fā)電側(cè)不確定性與隨機性對優(yōu)化調(diào)度影響，深入研究綜合能源系統(tǒng)在“雙碳”目標(biāo)下節(jié)能減排的優(yōu)勢。