周步祥，陳 陽(yáng)，臧天磊，張遠(yuǎn)洪，閔昕瑋，趙雯雯

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵路徑是大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源，并堅(jiān)持市場(chǎng)化改革方向，加快完善碳交易市場(chǎng)。2050年我國(guó)風(fēng)力和光伏總裝機(jī)占比預(yù)計(jì)高達(dá)50 %，但隨著大量可再生能源并網(wǎng)，其隨機(jī)性和間歇性將導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光等問(wèn)題。同時(shí)，可再生能源制氫是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)手段，電轉(zhuǎn)氣和氣網(wǎng)摻氫技術(shù)具有靈活消納可再生能源和減少碳排放的作用，為系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度提供了思路［1］。

氣電耦合系統(tǒng)（natural gas-electricity coupling system，NGECS）等是協(xié)調(diào)綜合能源出力、減少碳排放的可靠載體［2-3］。電制氫（power to hydrogen，P2H）和電制甲烷（power to methane，P2M）均為電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，所產(chǎn)生的氣體注入氣網(wǎng)，可消納可再生能源和降低碳排放［4-5］。目前結(jié)合電轉(zhuǎn)氣的NGECS優(yōu)化調(diào)度相關(guān)研究主要集中于考慮P2M技術(shù)的作用，結(jié)合源、荷等不確定性因素和安全因素等開(kāi)展研究［6-7］。針對(duì)結(jié)合P2H技術(shù)，文獻(xiàn)［8］研究了含氫能氣網(wǎng)摻混輸運(yùn)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法，但沒(méi)有考慮P2H精細(xì)化約束以及混合熱值對(duì)氣網(wǎng)負(fù)荷的影響。文獻(xiàn)［9］以城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，研究引入分布式氫能注氣點(diǎn)和沼氣注氣點(diǎn)對(duì)NGECS經(jīng)濟(jì)性的影響，但沒(méi)有將P2H技術(shù)直接作為NGECS的中間環(huán)節(jié)參與消納棄風(fēng)。文獻(xiàn)［10］將風(fēng)電制氫與本地儲(chǔ)氫罐和燃料電池相結(jié)合參與日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度，驗(yàn)證采用P2H技術(shù)為系統(tǒng)帶來(lái)了更好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，但沒(méi)有考慮利用氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和天然氣管存進(jìn)一步減少儲(chǔ)能成本。文獻(xiàn)［11］研究了利用剩余核能制氫和氣網(wǎng)摻氫技術(shù)，有利于提高核電廠(chǎng)利用效率，提升氫能的供給能力，減少化石能源進(jìn)口。同時(shí)國(guó)內(nèi)也針對(duì)氣網(wǎng)摻氫制定了相關(guān)規(guī)范，取得了一定的成就［12］。根據(jù)現(xiàn)有研究可知，P2M技術(shù)具有吸碳效果，P2H和氣網(wǎng)摻氫技術(shù)具有更高的能源轉(zhuǎn)化效率［13］，有必要考慮三者的結(jié)合，因此本文模型中綜合考慮P2M、P2H，以及摻氫引起的氣網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)變化、氣負(fù)荷變化來(lái)共同完成NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度。

本文在考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮在NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度中引入碳交易機(jī)制，以更加嚴(yán)格地控制碳排放。當(dāng)前的碳交易機(jī)制研究大多是針對(duì)碳配額不足的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)不同程度的懲罰措施［14-15］，而未研究碳配額剩余場(chǎng)景下的碳減排機(jī)制。隨著國(guó)家碳減排要求嚴(yán)格、可再生能源裝機(jī)比例提升，分析碳配額剩余時(shí)的減碳機(jī)制，對(duì)碳排放實(shí)施進(jìn)一步的嚴(yán)格管控有重要意義。為此，本文基于階梯型碳交易機(jī)制，對(duì)碳配額剩余情景，設(shè)置經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)賞，且剩余碳配額越多，獎(jiǎng)賞程度隨之階梯型增加。

綜上，本文NGECS中結(jié)合P2H技術(shù)、P2M技術(shù)、氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和碳交易機(jī)制構(gòu)建模型；同時(shí)綜合考慮摻氫安全性、碳交易價(jià)格、獎(jiǎng)賞成本、氣電系統(tǒng)約束等開(kāi)展低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究，既保證一定的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)達(dá)到減碳效果，本文的主要工作包括以下3個(gè)方面。①建立了考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)的NGECS模型；結(jié)合P2H設(shè)備特性，細(xì)化氣電耦合部分模型，考慮P2H過(guò)程的啟動(dòng)約束和爬坡約束，通過(guò)引入氣網(wǎng)摻氫技術(shù)，進(jìn)一步改善NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度中的碳排放和棄風(fēng)消納情況。②在NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度中考慮摻入氫氣后對(duì)氣網(wǎng)運(yùn)行造成的影響，考慮混合氣體熱值變化、氣負(fù)荷變化和摻氫比例限制，使調(diào)度結(jié)果更符合實(shí)際情況。③在NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度中引入碳交易機(jī)制進(jìn)一步控制碳排放，考慮碳配額剩余情況下的獎(jiǎng)賞機(jī)制，建立賞罰階梯型碳交易機(jī)制，對(duì)碳排放形成更嚴(yán)格的約束。同時(shí)提供獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)參考價(jià)格，確保單位投資減碳效果最優(yōu)，這樣既能控制出資預(yù)算又能確保減碳效果。

1 含氣網(wǎng)摻氫的NGECS精細(xì)化模型

本文的NGECS模型如圖1所示，其中電轉(zhuǎn)氣裝置使原有電氣網(wǎng)絡(luò)間的能量得以雙向流動(dòng)，產(chǎn)出氣體可借助現(xiàn)存的天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大容量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移，節(jié)約投資，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的異地消納。P2H技術(shù)原理是通過(guò)電解水反應(yīng)生成氫氣和氧氣，具有轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。氫能具有環(huán)境友好、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的最具前景的清潔能源之一［16］。在電轉(zhuǎn)氣技術(shù)中，P2H是目前最節(jié)能、最簡(jiǎn)單的方案。

圖1 NGECS模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of NGECS model

P2M技術(shù)是氫氣和二氧化碳通過(guò)薩巴蒂埃催化反應(yīng)得到甲烷和水。二氧化碳可以通過(guò)碳捕集設(shè)備從電廠(chǎng)廢氣、工廠(chǎng)廢氣和空氣中進(jìn)行采集；甲烷可以不受限制地注入天然氣網(wǎng)絡(luò)，過(guò)程反應(yīng)迅速，得以緩和可再生能源出力波動(dòng)性，間接存儲(chǔ)可再生能源。電轉(zhuǎn)氣基本原理如下。

1）電解水反應(yīng)為：2H2O→ 2H2↑+O2↑。

2）催化反應(yīng)為：CO2+4H2→ CH4↑+2H2O。

1.1 氣電耦合精細(xì)化建模

目前P2H技術(shù)主要有以下3種主流制氫方式：堿性電解、質(zhì)子交換膜電解和固體氧化物電解。3種制氫設(shè)備在啟動(dòng)和爬坡?tīng)顟B(tài)下存在較大差距。在啟動(dòng)方面，因固體氧化物電解受到需要將電堆升溫的影響，當(dāng)前技術(shù)升溫耗時(shí)約達(dá)2 h［17］，堿性電解和質(zhì)子交換膜電解則耗時(shí)短，不同啟動(dòng)特征會(huì)明顯影響設(shè)備出力結(jié)果；在爬坡方面，當(dāng)前堿性電解和固體氧化物電解比質(zhì)子交換膜電解爬坡能力分別小50 % 和70 %［18］，存在較大差距，因此本文考慮設(shè)置制氫設(shè)備啟動(dòng)約束和爬坡約束，揭示3種主流設(shè)備的原理差距，選取質(zhì)子交換膜技術(shù)，從而兼具經(jīng)濟(jì)性和快速響應(yīng)能力。

1）P2M出力約束。

式 中：t表 示t時(shí) 段；Pptm，ξ和Pptm，ξmax、Pptm，ξmin分 別 為P2M設(shè)備ξ的用電功率及其上、下限。

2）P2M耦合約束。

式中：Gptm，ξ為P2M設(shè)備ξ制取甲烷的氣體流量；Hgas，m為甲烷的高熱值；ηptm，ξ為P2M設(shè)備ξ的轉(zhuǎn)化效率。

3）P2H出力約束。

式中：Ppth，γ和Ppth，γmax、Ppth，γmin分別為P2H設(shè)備γ的用電功率及其上、下限。

4）P2H耦合約束。

式中：Gpth，γ為P2H設(shè)備γ制取氫氣的氣體流量；Hgas，h為氫氣的高熱值；ηpth，γ為P2H裝置γ的轉(zhuǎn)化效率。

5）P2H啟動(dòng)狀態(tài)約束［19］。

本文采用文獻(xiàn)［19］中建模方式，具體如下：

7）摻氫氣網(wǎng)的混合氣體熱值計(jì)算方式。

傳統(tǒng)天然氣網(wǎng)中的熱值為一常數(shù)，利用P2M技術(shù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生甲烷注入氣網(wǎng)后，仍可假設(shè)不改變天然氣熱值。氣網(wǎng)摻氫后因?yàn)闅錃鉄嶂蹬c天然氣熱值差異較大，本文在天然氣網(wǎng)絡(luò)中注入氫氣后，對(duì)各天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算摻氫后的天然氣網(wǎng)混合熱值，假設(shè)不同熱值的氣體匯入節(jié)點(diǎn)，混合均勻成具有統(tǒng)一混合熱值的氣體后從該節(jié)點(diǎn)流出［5］，節(jié)點(diǎn)混合熱值更新公式如下：式中：n∈y為篩選出天然氣氣源n中連接氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)y處的設(shè)備，其他類(lèi)似；Hgas，y為節(jié)點(diǎn)y處的混合熱值；Gw，n、G、G、Ggt，μ和GL，?分別為天然氣氣源n的流出氣流量、管道yy′的流入氣流量、管道yy′的流出氣流量、燃?xì)鈾C(jī)組μ的耗氣流量和節(jié)點(diǎn)?處負(fù)荷值；?in(y)、?out(y)分別為以節(jié)點(diǎn)y為輸入節(jié)點(diǎn)的管道集合和以節(jié)點(diǎn)y為輸出節(jié)點(diǎn)的管道集合。

氣網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)熱值變化后使得對(duì)應(yīng)連接節(jié)點(diǎn)的氣負(fù)荷也相應(yīng)發(fā)生變化，計(jì)算方法如下：

式中：IL，?為摻氫前節(jié)點(diǎn)?處氣負(fù)荷的初始能量；Hgas，?為節(jié)點(diǎn)?處的混合熱值。

8）摻氫比例約束。

結(jié)合氣網(wǎng)摻氫實(shí)際推廣應(yīng)用情況，摻氫比例普遍低于5 %［5］，在嚴(yán)格考慮實(shí)際摻氫安全性的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)［5］將摻氫比例設(shè)置為3 %。摻氫比例約束表示為：

式中：oH2為摻氫比例上限。

1.2 電力系統(tǒng)建模

1）電力系統(tǒng)直流潮流約束。

式中：P為支路功率；A和A分別為支路導(dǎo)納系數(shù)矩陣和支路導(dǎo)納系數(shù)對(duì)角矩陣；Flb為支路節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣；Ptp、Pwind、Pgt、Ppth、Pptm和Ppload分別為各火力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、P2H裝置、P2M裝置、電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的功率向量。

2）節(jié)點(diǎn)有功功率平衡約束。

式中：Nth、Nwi、Ngt、Npth、Nptm和Npload分別為火力發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、P2H裝置、P2M裝置和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；Ptp，ψ為火力發(fā)電機(jī)組ψ輸出功率，其他類(lèi)似。

此外，同時(shí)考慮直流潮流的相角約束，線(xiàn)路傳輸容量約束，火力發(fā)電機(jī)組的出力約束、啟停約束、爬坡約束以及風(fēng)力機(jī)組的出力約束，分別見(jiàn)附錄A式（A1）—（A6）。棄風(fēng)電量建模見(jiàn)附錄A式（A7）。

1.3 天然氣系統(tǒng)建模

天然氣系統(tǒng)建模的元素包括氣源、管道、壓縮機(jī)以及氣負(fù)荷。本文綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理和安全約束進(jìn)行建模。

1）氣網(wǎng)潮流約束。

氣網(wǎng)潮流利用Weymouth方程建模，具體如下：

式中：Gyy′為管道yy′的平均氣流量；kyy′為與管道yy′橫截面積、長(zhǎng)度等有關(guān)的Weymouth常數(shù)；Hy、Hy′分別為節(jié)點(diǎn)y和節(jié)點(diǎn)y′的氣壓。

2）氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的氣流量平衡約束。

式中：G為壓縮機(jī)j的耗氣流量。氣網(wǎng)潮流約束為非線(xiàn)性約束，本文利用二階錐松弛方法進(jìn)行處理，具體松弛過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［20］。

3）管存約束。

管存是指天然氣管道受氣流在管道中的緩沖特性影響，管道能儲(chǔ)存一定容量的天然氣。因?yàn)楣艽娌⒉坏韧跉庠椿蛘哓?fù)荷，所以將一個(gè)調(diào)度周期前后的管存設(shè)定為相等。

式中：Lyy′為管道yy′的管存；ωyy′為管道yy′的特性系數(shù)；Lyy′，st、Lyy′，ov分別為管道yy′在初始時(shí)段和終止時(shí)段的緩存。

4）壓縮機(jī)約束。

本文假設(shè)在天然氣管道模型中配置固定變比的燃?xì)鈮嚎s機(jī)，以解決運(yùn)行中產(chǎn)生的氣壓降落問(wèn)題。其耗氣流量為：

式中：βgc，j為壓縮機(jī)j的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ggc，j為流過(guò)壓縮機(jī)j的流量；ηgc，j為壓縮機(jī)j的工作效率；H、H分別為壓縮機(jī)j的輸出節(jié)點(diǎn)壓力和輸入節(jié)點(diǎn)壓力；δ為壓縮機(jī)的多變系數(shù)。

2 基于賞罰階梯型碳交易的NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 考慮賞罰的階梯型碳交易模型

我國(guó)發(fā)放碳配額的政策是以企業(yè)的實(shí)際發(fā)電量為依據(jù)，采用無(wú)償?shù)姆绞匠杀壤峙涮寂漕~。本文模型中碳配額建模見(jiàn)文獻(xiàn)［20］。系統(tǒng)中主要碳排放源是火力發(fā)電機(jī)組和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，因此碳配額為：

式中：Eall為系統(tǒng)中一個(gè)周期內(nèi)的碳配額總量；λ為每單位出力對(duì)應(yīng)的碳配額；T為調(diào)度周期。

另一方面，火力發(fā)電與燃?xì)獍l(fā)電的實(shí)際碳排放量E′all可表示為［21］：

式中：aψ為火力發(fā)電機(jī)組ψ的碳排放相關(guān)系數(shù)；aμ為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組μ的碳排放相關(guān)系數(shù)。

在P2M的反應(yīng)過(guò)程中，若以二氧化碳為原材料，則考慮將P2M過(guò)程中吸收的二氧化碳同樣作為交易項(xiàng)計(jì)入賞罰碳交易模型中，這樣能進(jìn)一步減少碳排放成本。P2M的碳排放模型為：

式中：Eptm為P2M的碳排放量；Em，ξ為P2M設(shè)備ξ消耗單位電量吸收的二氧化碳的質(zhì)量。

為嚴(yán)格控制碳排放，本文采用賞罰階梯型碳排放模型。在交易中采用設(shè)置獎(jiǎng)賞的方式，當(dāng)系統(tǒng)存在碳配額剩余時(shí)，對(duì)整體給予一定激勵(lì)；同時(shí)設(shè)定懲罰因子，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)碳配額不足時(shí)，對(duì)整體施加一定壓力。賞罰階梯型碳交易模型為：

式中：Cemi為系統(tǒng)碳交易成本；c為碳交易基準(zhǔn)價(jià)格；β為獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格，即首個(gè)單位剩余碳配額量對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)賞價(jià)格；φ為獎(jiǎng)賞因子增量，即剩余碳配額每增加單位區(qū)間碳排量所追加的獎(jiǎng)賞倍率；ω為碳排放的區(qū)間長(zhǎng)度；υ為懲罰因子，即碳配額不足時(shí)，碳排量增加單位區(qū)間所提高的懲罰倍率。

2.2 NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合考慮賞罰的階梯型碳交易機(jī)制，本文提出綜合考慮碳交易成本、機(jī)組運(yùn)行成本、火力發(fā)電機(jī)組的啟停成本、燃?xì)廨啓C(jī)的啟停成本、天然氣購(gòu)氣成本和碳原料成本的NGECS低碳優(yōu)化調(diào)度函數(shù)，如式（22）所示，此外P2H和P2M的用電成本已經(jīng)計(jì)入機(jī)組出力成本中。

式中：Call為總運(yùn)行成本；κsqu，ψ、κone，ψ、κcon，ψ為火力發(fā)電機(jī)組ψ的成本系數(shù)；B、B分別為火力發(fā)電機(jī)組ψ的啟動(dòng)、停運(yùn)成本；B、B分別為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組μ的啟動(dòng)、停運(yùn)成本；D、D分別為火力發(fā)電機(jī)組ψ開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)的狀態(tài)變量；D、D分別為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組μ開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)的狀態(tài)變量；Nw為天然氣氣源的數(shù)量；Cw，n為天 然氣 氣 源n單位 購(gòu) 氣 成 本；Cbuy，ξ為P2M設(shè)備ξ單位購(gòu)碳成本。

2.3 模型求解

本文模型的詳細(xì)求解流程圖如附錄A圖A1所示，具體步驟如下：步驟1，錄入初始數(shù)據(jù)，包括設(shè)定氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)初值；步驟2，判斷是否摻氫，選擇碳交易機(jī)制和目標(biāo)函數(shù)；步驟3，因?yàn)槔酶戒汚式（A8）—（A16）已完成了對(duì)氣網(wǎng)潮流非線(xiàn)性約束的二階錐松弛，所以在給定氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)初值的條件下，可利用CPLEX求解器進(jìn)行求解，進(jìn)行第一次迭代；步驟4，將所得氣網(wǎng)潮流結(jié)果代入式（7）和式（8），得到氣網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)更新熱值和節(jié)點(diǎn)氣負(fù)荷值；步驟5，判斷迭代前后的氣網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)熱值精度和節(jié)點(diǎn)氣負(fù)荷流量精度，若滿(mǎn)足精度要求則停止計(jì)算并輸出結(jié)果，否則返回步驟3進(jìn)行下一次迭代。

3 算例分析

本文采用改進(jìn)的IEEE 39節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)模型和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)氣網(wǎng)模型組成的系統(tǒng)作為分析與驗(yàn)證算例，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A圖A2。IEEE 39節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)包含8臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)；比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)包含4個(gè)天然氣氣源、2臺(tái)P2M設(shè)備、2臺(tái)P2H設(shè)備。風(fēng)電預(yù)測(cè)出力、電負(fù)荷和氣負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄A圖A3，NGECS中參數(shù)取值見(jiàn)附錄A表A1—A4。

3.1 不同調(diào)度模型對(duì)比分析

為驗(yàn)證本文所考慮的氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和賞罰階梯型碳交易機(jī)制對(duì)消納棄風(fēng)、降低碳排放的作用，算例設(shè)置如下4種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比：場(chǎng)景1，既不考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)也不考慮碳交易機(jī)制；場(chǎng)景2，考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)但不考慮碳交易機(jī)制；場(chǎng)景3，考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和階梯型碳交易機(jī)制；場(chǎng)景4，考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和賞罰階梯型碳交易機(jī)制。

1）場(chǎng)景1與場(chǎng)景2的結(jié)果對(duì)比分析。

表1給出了4種場(chǎng)景下的調(diào)度結(jié)果。由表可知，相比場(chǎng)景1，場(chǎng)景2棄風(fēng)量減少了74.1 %，總成本降低了6.88萬(wàn)元，但凈碳排量增加了1.3 %。場(chǎng)景2中新增P2H技術(shù)，相比P2M技術(shù)其單位產(chǎn)氣量具有更低的電能損耗，成本更低，使棄風(fēng)優(yōu)先通過(guò)P2H技術(shù)轉(zhuǎn)成氫氣存儲(chǔ)在氣網(wǎng)中，高效消納風(fēng)電，等量棄風(fēng)轉(zhuǎn)化成更多氣體，減少氣源投入，節(jié)約運(yùn)行成本。但P2H技術(shù)相比P2M技術(shù)無(wú)法吸收二氧化碳，使系統(tǒng)凈碳排量增加。這驗(yàn)證了P2H技術(shù)對(duì)消納風(fēng)電有明顯效果，同時(shí)可有效降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。附錄A圖A4（a）—（c）分別給出了場(chǎng)景2—4下的調(diào)度結(jié)果。

表1 4種場(chǎng)景下的調(diào)度結(jié)果Table 1 Scheduling results under four scenarios

2）場(chǎng)景2與場(chǎng)景3的結(jié)果對(duì)比分析。

由表1可知，場(chǎng)景3相比場(chǎng)景2凈碳排量降低了3.3 %，但總成本僅增加了0.03 %。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中單位火電碳排放水平遠(yuǎn)高于單位燃?xì)馓寂欧潘?，即系統(tǒng)新增的碳交易成本部分，等同于提高火電單位出力成本，所以火電出力得到嚴(yán)格控制。并且，碳排放水平越高，懲罰力度越高，使得碳交易成本增加，總成本增加。對(duì)比圖A4（a）和圖A4（b）可以看出，系統(tǒng)通過(guò)在07:00—22:00時(shí)段減少火電出力，提高燃?xì)獬隽?，?chǎng)景2中碳排放剩余情況為超額1 000 t，場(chǎng)景3中利用碳交易階梯懲罰將整體碳排放水平控制在僅超額221.79 t，減少了碳交易成本，雖然新增燃?xì)夂吞冀灰讘土P成本使運(yùn)行成本提高了0.03 %，但碳排放水平降低了649.08 t。因此，引入階梯型碳交易機(jī)制會(huì)對(duì)碳排放形成更加嚴(yán)格的約束，驗(yàn)證了引入碳交易機(jī)制對(duì)減碳的有效性。

3）場(chǎng)景3與場(chǎng)景4的結(jié)果對(duì)比分析。

由表1可知，相比場(chǎng)景3，場(chǎng)景4凈碳排量降低了5.0 %，棄風(fēng)量降低了12.3 %，總成本降低了1.41萬(wàn)元。這是因?yàn)閳?chǎng)景4中賞罰階梯型碳交易機(jī)制針對(duì)碳配額剩余的場(chǎng)景，會(huì)給予階梯型的獎(jiǎng)賞，意味著剩余碳配額越多，獎(jiǎng)賞單價(jià)越高，碳排放收益權(quán)重越大，則進(jìn)一步鼓勵(lì)燃?xì)獍l(fā)電和控制火力發(fā)電。系統(tǒng)出現(xiàn)碳配額剩余后，場(chǎng)景3均以統(tǒng)一碳價(jià)參與交易，碳收益權(quán)重固定，所以場(chǎng)景4能對(duì)碳排放形成更嚴(yán)格的控制，同時(shí)有利于獲取碳收益和降低總成本。對(duì)比圖A4（b）和圖A4（c）可知，場(chǎng)景4中01:00—03:00和09:00—21:00時(shí)段火力發(fā)電功率降低，11:00—21:00時(shí)段燃?xì)獍l(fā)電功率增大，同時(shí)P2M在03:00和24:00時(shí)出力增加，雖然P2M相比P2H轉(zhuǎn)化效率更低，但具有吸碳功效能獲得碳收益，等同于降低P2M的綜合出力成本，3種變化共同導(dǎo)致整體碳排放降低。同時(shí)01:00—02:00時(shí)段風(fēng)電出力增加，棄風(fēng)量減少。這驗(yàn)證了賞罰階梯型碳交易機(jī)制能有效降低碳排放，減少棄風(fēng)和控制總成本。

4）場(chǎng)景1與場(chǎng)景4的結(jié)果對(duì)比分析。

與場(chǎng)景1相比，場(chǎng)景4同時(shí)考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和賞罰階梯型碳交易機(jī)制。結(jié)合上文分析，因?yàn)橛袣饩W(wǎng)摻氫和碳收益降低運(yùn)行成本，同時(shí)獎(jiǎng)賞碳交易模型提供更嚴(yán)格的排碳約束，所以由表1可知，場(chǎng)景4相比場(chǎng)景1棄風(fēng)量降低了77.3 %，凈碳排量降低了7.0 %，同時(shí)總成本降低了4.49萬(wàn)元。

上述對(duì)比充分說(shuō)明在NGECS中考慮氣網(wǎng)摻氫技術(shù)和賞罰階梯型碳交易機(jī)制后對(duì)消納棄風(fēng)、降低碳排量和提升經(jīng)濟(jì)性有顯著效果。

3.2 考慮熱值變化對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響

為驗(yàn)證摻氫后考慮氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)熱值變化的必要性，針對(duì)摻氫后的氣網(wǎng)熱值變化采用如下3種不同處理方式（分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)景4—6）進(jìn)行對(duì)比。場(chǎng)景4，注氫后每一節(jié)點(diǎn)處熱值不同，需按式（7）計(jì)算；場(chǎng)景5，氣網(wǎng)中設(shè)定天然氣熱值為固定熱值，即忽略摻氫引起的變化；場(chǎng)景6，假設(shè)各時(shí)段氫氣在氣網(wǎng)中混合均勻，即氣網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)處熱值相同。以節(jié)點(diǎn)16處的熱值情況為例，3種場(chǎng)景的對(duì)比如圖2所示。

圖2 3種場(chǎng)景在節(jié)點(diǎn)16處的熱值結(jié)果Fig.2 Heat value results at Bus 16 under three scenarios

由圖2可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)16在01:00—03:00時(shí)段氣網(wǎng)注氫量最大，節(jié)點(diǎn)16在場(chǎng)景4—6下的熱值分別為38.78、39.50、39.31 MJ／m3。場(chǎng)景4由于考慮更加詳細(xì)的熱值變化，相較于場(chǎng)景5和場(chǎng)景6熱值數(shù)據(jù)具有明顯差異。原因在于場(chǎng)景5和場(chǎng)景6均將全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一處理，場(chǎng)景5中節(jié)點(diǎn)熱值被設(shè)定為甲烷熱值，忽略了摻氫的影響，在01:00時(shí)，節(jié)點(diǎn)16的熱值與場(chǎng)景4相比差1.9 %。場(chǎng)景6中計(jì)及摻氫的影響，但全系統(tǒng)將摻氫影響均分，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)16在01:00時(shí)熱值與場(chǎng)景4相差1.4 %。在04:00時(shí)，場(chǎng)景4中熱值已經(jīng)回歸至常數(shù)，實(shí)際連接節(jié)點(diǎn)16處的P2H設(shè)備沒(méi)有產(chǎn)氫注入氣網(wǎng)，但場(chǎng)景6中，受連接在節(jié)點(diǎn)3處的P2H設(shè)備產(chǎn)氫的影響，節(jié)點(diǎn)16處的熱值低于39.50 MJ／m3明顯不符合實(shí)際。07:00—20:00時(shí)段系統(tǒng)均沒(méi)有產(chǎn)氫，所以3種場(chǎng)景下各節(jié)點(diǎn)熱值相同。由節(jié)點(diǎn)16在不同熱值計(jì)算方式下的對(duì)比結(jié)果可知，本文采用的計(jì)算方式能有效減小誤差，更符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

由以上分析可知，因?yàn)闊嶂涤?jì)算方式的不同，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)熱值出現(xiàn)差異，同時(shí)熱值差異經(jīng)由式（8）直接影響氣負(fù)荷的計(jì)算，摻氫會(huì)使氣負(fù)荷增大，且摻氫比例越大，氣負(fù)荷增幅越大。伴隨氣網(wǎng)摻氫技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，摻氫比例會(huì)逐漸提高。為進(jìn)一步揭示摻氫方式在不同摻氫比例下對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響，同時(shí)結(jié)合大規(guī)模應(yīng)用中摻氫比例低于5 % 的實(shí)際情況［5］，提高算例摻氫比例至5 % 得到調(diào)度結(jié)果如表2所示，進(jìn)一步分析3種摻氫方式對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。

表2 摻氫比例分別為3 %、4 %和5 %時(shí)3種摻氫方式的調(diào)度結(jié)果Table 2 Scheduling results of three hydrogen-mixed ways when hydrogen-mixed ratio is 3 %，4 % and 5 % respectively

場(chǎng)景5中未考慮新增摻氫引起的氣負(fù)荷增加，所以全系統(tǒng)氣負(fù)荷總量低于場(chǎng)景4中總負(fù)荷，由表2可知，3種摻氫比例下場(chǎng)景5總成本均低于場(chǎng)景4。當(dāng)摻氫比例為3 % 時(shí)，差值為-96 425元；當(dāng)摻氫比例增長(zhǎng)為5 % 時(shí)，差值增長(zhǎng)為-118 286元，原因在于隨著摻氫比例的提高，氣網(wǎng)摻氫比例增加，通過(guò)式（8）計(jì)算可知負(fù)荷增幅變大，所以總成本對(duì)應(yīng)增大。對(duì)于場(chǎng)景6，雖然計(jì)及了摻氫引起的氣負(fù)荷增加，但由于在考慮氣網(wǎng)摻氫時(shí)，采用全部氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均攤摻氫量的方式，導(dǎo)致氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷整體增大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)氣負(fù)荷增量高于場(chǎng)景4。由表2可知：摻氫比例為3 % 時(shí)，相比場(chǎng)景4，場(chǎng)景6的總成本提高了97 744元；摻氫比例為5 % 時(shí)，場(chǎng)景6的總成本提高了103 626元?？梢?jiàn)，3種熱值計(jì)算方式對(duì)調(diào)度結(jié)果存在一定的影響，而且隨著摻氫比例的增加，誤差會(huì)越來(lái)越大。因此有必要采用分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)熱值的建模方法，確保系統(tǒng)正確反饋碳排放情況和總成本情況。

3.3 獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響

圖3、4分別給出了獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格對(duì)碳排放量、獎(jiǎng)賞成本和總成本、碳交易成本的影響。由圖3和圖4可以看出，隨著獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格的提高，總成本逐漸降低，碳排放和碳交易成本呈現(xiàn)階梯形下降。原因在于隨著獎(jiǎng)賞成本的增加，系統(tǒng)的碳交易收益逐漸增加，目標(biāo)函數(shù)中碳交易成本所占權(quán)重逐漸增加，系統(tǒng)優(yōu)先選擇適當(dāng)增加燃?xì)鈾C(jī)組出力，減少火力發(fā)電機(jī)組出力，逐漸減碳，以此獲取更高的碳收益。同時(shí)，由于碳交易獎(jiǎng)賞機(jī)制有階梯區(qū)間性，本文算例的碳交易機(jī)制有2處區(qū)間拐點(diǎn)，所以圖3和圖4中的獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格也對(duì)應(yīng)形成2處拐點(diǎn)，分別在1元／t和68元／t處。同時(shí)當(dāng)獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格大于68元／t后，剩余碳配額已經(jīng)達(dá)到最大獎(jiǎng)賞單價(jià)區(qū)間，碳排放也保持穩(wěn)定。

圖3 獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格對(duì)獎(jiǎng)賞成本和碳排放量的影響Fig.3 Impact of reward benchmark price on reward cost and carbon emission

圖4 獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格對(duì)總成本和碳交易成本的影響Fig.4 Impact of reward benchmark price on total cost and carbon transaction cost

綜上，在系統(tǒng)產(chǎn)生剩余碳配額時(shí)，因獲得補(bǔ)貼的碳收益使總運(yùn)行成本下降，且隨獎(jiǎng)賞程度增加，碳排放降低，總成本降低。

3.4 獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格的參考定價(jià)分析

進(jìn)一步分析圖3可知：當(dāng)獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格為1元／t時(shí)，獎(jiǎng)賞成本為600元，相比獎(jiǎng)賞為0時(shí)，實(shí)現(xiàn)減碳964 t，即降低5.1 % 的碳排放量；當(dāng)獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格為68元／t時(shí)，獎(jiǎng)賞成本為8.16萬(wàn)元，可實(shí)現(xiàn)減碳1 306 t，即降低6.9 % 的碳排放量。存在價(jià)格拐點(diǎn)的原因是碳交易獎(jiǎng)賞機(jī)制呈現(xiàn)階梯特性，進(jìn)一步促使系統(tǒng)新增碳配額剩余量存在階梯特性。這是因?yàn)樵谠摴拯c(diǎn)處，系統(tǒng)在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)盡力調(diào)節(jié)出力，使碳配額剩余區(qū)間為最大獎(jiǎng)賞單價(jià)區(qū)間臨界值，此時(shí)能獲取較大的碳收益，獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格增加后，直到系統(tǒng)碳配額剩余量遇到下一區(qū)間拐點(diǎn)，碳收益權(quán)重再次大于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行權(quán)重，系統(tǒng)重新調(diào)節(jié)出力使系統(tǒng)碳配額剩余達(dá)到第二獎(jiǎng)賞區(qū)間。由圖3和圖4可知，1元／t和68元／t即為區(qū)間拐點(diǎn)。以獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格68元／t為參考時(shí)，單位減碳成本為62.48元／t，且實(shí)現(xiàn)減碳6.9 % 的目標(biāo)。當(dāng)改價(jià)為80元／t時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到相同減碳效果（如圖3所示），但是獎(jiǎng)賞成本達(dá)到95 999元，新增成本14 399元。由此可見(jiàn)，定價(jià)宜結(jié)合減碳目標(biāo)和預(yù)算參考拐點(diǎn)價(jià)格。

由以上分析可知：本文模型對(duì)于獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格有指導(dǎo)意義，結(jié)合預(yù)算與減碳目標(biāo)后可獲得最優(yōu)參考價(jià)格；同時(shí)當(dāng)獎(jiǎng)賞金額大于某一值后，將只會(huì)增加支出負(fù)擔(dān)，而不能進(jìn)一步降低單位減碳成本。

4 結(jié)論

針對(duì)含高比例風(fēng)電的NGECS，本文計(jì)及P2H和氣網(wǎng)摻氫技術(shù)，提出賞罰階梯型碳交易模式，綜合考慮各設(shè)備發(fā)電運(yùn)行成本和碳交易成本的低碳調(diào)度模型，得到結(jié)論如下。

1）通過(guò)在NGECS中補(bǔ)充考慮P2H設(shè)備、氣網(wǎng)摻氫技術(shù)，可以有效提高清潔能源消納水平，棄風(fēng)量降低了77.3 %，同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2）在NGECS中引入P2H和氣網(wǎng)摻氫技術(shù)后，雖然提高了能源轉(zhuǎn)化效率，但氫氣作為異質(zhì)氣體混入氣網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致氣網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，摻氫比例限制在3 % 時(shí)，不同場(chǎng)景下氣節(jié)點(diǎn)熱值已經(jīng)產(chǎn)生明顯差距，并進(jìn)一步將誤差傳遞至系統(tǒng)其余環(huán)節(jié)，有必要針對(duì)每一時(shí)刻摻氫后混合氣體的實(shí)際情況進(jìn)行更新計(jì)算，以及更新氣網(wǎng)負(fù)荷的變化。

3）本文提出考慮賞罰階梯型碳交易機(jī)制，針對(duì)碳配額剩余場(chǎng)景，能進(jìn)一步降低系統(tǒng)碳排量，優(yōu)化NGECS低碳調(diào)度。隨著獎(jiǎng)賞價(jià)格的增加，碳交易市場(chǎng)對(duì)碳排放形成更嚴(yán)格的約束，在降低總成本和碳排放的同時(shí)，提升整體環(huán)保性。本文模型與方法給出的最優(yōu)獎(jiǎng)賞基準(zhǔn)價(jià)格，能為減碳獎(jiǎng)賞成本提供參考，確保有效控制預(yù)算，同時(shí)保證減碳效果。

本文提出的P2H和氣網(wǎng)摻氫模型沒(méi)有計(jì)及設(shè)備時(shí)變運(yùn)行特性，針對(duì)NGECS中設(shè)備的動(dòng)態(tài)建模是進(jìn)一步的研究方向。

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