趙振宇，李炘薪

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

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫[1-2]。虛擬電廠(virtual power plant，VPP)能夠聚合分布式能源發(fā)電、實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段[3-5]。作為未來重要的能源利用途徑，VPP 正面臨著高比例新能源并網(wǎng)的挑戰(zhàn)，在保證經(jīng)濟(jì)低碳的同時(shí)，VPP 系統(tǒng)如何兼顧平抑負(fù)荷波動(dòng)并進(jìn)一步提升可再生能源的消納能力成為亟需解決的問題。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電轉(zhuǎn)氣[6-7](power-togas，P2G)技術(shù)、碳捕集[8-10]電廠(carbon capture power plant，CCPP)進(jìn)行了研究，其中，P2G的能源轉(zhuǎn)換和時(shí)空平移特性為提升系統(tǒng)新能源消納能力、減少碳排放量、增加電力系統(tǒng)靈活性提供了可靠途徑[11]。文獻(xiàn)[12]介紹了P2G設(shè)備的運(yùn)行機(jī)制和原理，建立了考慮經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的雙層優(yōu)化模型，分析了P2G 對(duì)風(fēng)電消納與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)[13]指出P2G可耦合電-氣能源網(wǎng)絡(luò)，將多余的風(fēng)光發(fā)電轉(zhuǎn)化為天然氣，從而減少棄風(fēng)棄光并提高系統(tǒng)的靈活性與經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[14]研究電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，分析P2G在提升消納風(fēng)電能力、降低CO2排放的同時(shí)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。然而，目前對(duì)P2G 的CO2來源及輸送成本的研究相對(duì)較少，而CCPP 可以作為一種為P2G 提供碳源的良好渠道[15]。文獻(xiàn)[16]提出了CCPP 靈活性調(diào)峰的策略，構(gòu)建了風(fēng)電-碳捕集調(diào)度模型并分析了其低碳性能與經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[17-18]構(gòu)建了CCPP-P2G系統(tǒng)框架，并利用CCPP捕獲的CO2為P2G 設(shè)備提供原料，驗(yàn)證結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)現(xiàn)有研究，將CCPP 與P2G 技術(shù)相結(jié)合，既可消納大容量風(fēng)光功率，又能開拓碳的新型再利用前景。

現(xiàn)有對(duì)VPP 調(diào)度模型的研究大多僅注重其經(jīng)濟(jì)效益，并未考慮碳交易市場(chǎng)對(duì)所構(gòu)建模型調(diào)度策略的影響。文獻(xiàn)[19-20]引入碳交易機(jī)制，提出了考慮碳排放成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，并驗(yàn)證了碳交易機(jī)制在降低系統(tǒng)碳排放方面的有效性。文獻(xiàn)[21-22]在碳交易中采用統(tǒng)一型碳價(jià)，提出計(jì)及碳交易機(jī)制的含碳捕集電廠的VPP 經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[23]在采用CCPP-P2G協(xié)同運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上考慮碳交易政策，有效降低了系統(tǒng)的碳排放量。上述研究雖然考慮了系統(tǒng)調(diào)度過程中的經(jīng)濟(jì)性與低碳性，但主要集中于統(tǒng)一型碳交易模型，而該模型無法對(duì)不同生產(chǎn)單位進(jìn)行區(qū)分，模型中的VPP 系統(tǒng)低碳潛力也未充分挖掘。為解決以上問題，可根據(jù)碳排放量區(qū)間制定不同碳價(jià)，采用階梯型碳交易機(jī)制。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于階梯型碳交易機(jī)制，提出含CCPP-P2G 耦合和需求響應(yīng)的VPP低碳運(yùn)行策略。首先，構(gòu)建含有風(fēng)電、光伏、CCPP、P2G的VPP運(yùn)行架構(gòu)，采用需求響應(yīng)鼓勵(lì)用戶調(diào)整用電計(jì)劃，發(fā)揮負(fù)荷側(cè)的靈活性，并進(jìn)一步挖掘VPP 內(nèi)可調(diào)度單元互補(bǔ)調(diào)節(jié)潛力；其次，考慮碳配額制度對(duì)VPP 調(diào)度的影響，引入階梯型碳交易模型，建立以外購(gòu)電成本、機(jī)組運(yùn)行成本、棄風(fēng)棄光成本及碳交易成本之和最小為目標(biāo)的VPP 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后，通過算例設(shè)置多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)階梯型碳交易進(jìn)行敏感性分析，驗(yàn)證所提策略的有效性。

1 含CCPP-P2G設(shè)備的VPP調(diào)度系統(tǒng)

1.1 VPP運(yùn)行框架

VPP 內(nèi)部聚合多種靈活性分布式資源，基于上文提出的多能源互補(bǔ)與低碳性問題，本文建立了含CCPP-P2G 設(shè)備的VPP 運(yùn)行系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在VPP 系統(tǒng)中，供電側(cè)包括外電網(wǎng)、火電機(jī)組、風(fēng)光發(fā)電。調(diào)度中心根據(jù)用戶的負(fù)荷需求，通過控制系統(tǒng)對(duì)各機(jī)組的發(fā)電進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)通過耦合CCPP 和P2G 實(shí)現(xiàn)CO2的捕獲和利用，P2G 運(yùn)行所需的功率由可再生能源發(fā)電機(jī)組提供。此外，在階梯型碳交易的引導(dǎo)下，通過VPP 與碳交易市場(chǎng)的雙向互動(dòng)，激勵(lì)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)碳排放配額制定合理的生產(chǎn)與碳排放計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)碳減排的目的。

圖1 虛擬電廠運(yùn)行結(jié)構(gòu)Fig.1 Operation structure of VPP

1.2 CCPP-P2G協(xié)同運(yùn)行模型

考慮碳捕集裝置和P2G 設(shè)備在推動(dòng)VPP 碳減排中的應(yīng)用現(xiàn)狀及在增強(qiáng)減排效果方面的協(xié)同作用，本文構(gòu)建了CCPP-P2G協(xié)同運(yùn)行系統(tǒng)，如圖2所示。在該系統(tǒng)中，CCPP捕獲的CO2流入碳存儲(chǔ)裝置進(jìn)行儲(chǔ)存，再作為原料提供給P2G 設(shè)備生產(chǎn)CH4，從而實(shí)現(xiàn)CO2的減排。P2G生產(chǎn)的CH4可輸送到天然氣網(wǎng)進(jìn)行交易以獲取部分收益，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。此外，P2G 設(shè)備的運(yùn)行功率可由系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光提供，從而促進(jìn)新能源消納。

圖2 CCPP-P2G設(shè)備運(yùn)行原理Fig.2 Operating principle of CCPP-P2G equipment

碳捕集機(jī)組的輸出功率一部分提供給居民用戶，一部分用于系統(tǒng)自身的運(yùn)行，其在t時(shí)段的等效輸出功率計(jì)算式如下：

CCPP 中碳存儲(chǔ)裝置t時(shí)段儲(chǔ)碳容量計(jì)算式如下：

式中：ωcs為儲(chǔ)碳設(shè)備的損耗系數(shù)；為t時(shí)段提供給P2G的CO2量；分別為儲(chǔ)碳設(shè)備的最小與最大容量。

P2G裝置在t時(shí)段消耗單位電量產(chǎn)出的CH4量計(jì)算式如下：

式中：βP2G為P2G的轉(zhuǎn)化效率；是天然氣的熱值，數(shù)值為37 MJ/m3；為P2G設(shè)備在t時(shí)段的運(yùn)行功率。

P2G 裝置在運(yùn)行過程中會(huì)吸收CCPP 捕捉的CO2，有效地減少了碳排放，計(jì)算式如下：

1.3 價(jià)格型需求響應(yīng)

目前應(yīng)用最為廣泛的價(jià)格型需求響應(yīng)是分時(shí)電價(jià)機(jī)制，用戶根據(jù)接收到的價(jià)格信號(hào)調(diào)整其用電需求，進(jìn)而優(yōu)化負(fù)荷曲線。同時(shí)為了防止用戶過度響應(yīng)導(dǎo)致其滿意度下降，本文將用戶滿意度λ引入價(jià)格彈性矩陣M中來描述分時(shí)電價(jià)實(shí)施前后的負(fù)荷變化情況[24]。本文的價(jià)格型需求響應(yīng)數(shù)學(xué)模型如下：

式中：pi和qj分別為i與j時(shí)段用電量和電價(jià)；Δpi和Δqj分別為i與j時(shí)段用電量和電價(jià)的變化量；當(dāng)i=j時(shí)，mij為自彈性系數(shù)，當(dāng)i≠j時(shí)，mij為交叉彈性系數(shù)。

1.4 階梯型碳交易

碳市場(chǎng)交易機(jī)制的核心是監(jiān)管部門通過評(píng)估生產(chǎn)單位的用能情況，然后賦予其主體合法的碳排放權(quán)，而參與市場(chǎng)交易的主體可以買賣碳排放權(quán)。對(duì)于VPP 運(yùn)營(yíng)商而言，該機(jī)制可以激勵(lì)自身減少對(duì)燃煤機(jī)組的使用，從而在碳交易市場(chǎng)獲得更多收益。

1）實(shí)際碳排放計(jì)算

VPP在調(diào)度過程中存在兩大碳排放源：CCPP與外部購(gòu)電，其實(shí)際碳排放量EA一般采用發(fā)電機(jī)組的碳排放強(qiáng)度來計(jì)算，計(jì)算式如下：

2）碳排放配額計(jì)算

目前我國(guó)碳交易機(jī)制主要根據(jù)VPP 運(yùn)營(yíng)商實(shí)際發(fā)電量確定無償碳排放配額[25]，因此政府監(jiān)管部門對(duì)VPP 制定的碳排放權(quán)由其碳排放源確定，碳排放配額EF計(jì)算式如下：

式中κcq為VPP的碳排放配額系數(shù)。

3）階梯型碳交易成本模型

相較于傳統(tǒng)碳交易模型中的統(tǒng)一定價(jià)機(jī)制，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)，本文采用階梯型碳交易定價(jià)模型[26]。該模型碳交易價(jià)格不固定，碳排放越多，碳價(jià)越高，呈階梯形。在該機(jī)制下，以各VPP 運(yùn)營(yíng)商分配到的無償碳排放配額為基準(zhǔn)，將碳排放量劃分為多個(gè)區(qū)間，隨著VPP 碳排放量的增加，需要購(gòu)買的碳排放權(quán)配額越多，相應(yīng)區(qū)間的碳價(jià)越高，系統(tǒng)所需碳排放成本也越高。階梯型碳交易模型如下：

2 VPP低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

為了綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與低碳性，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立考慮階梯碳交易機(jī)制的CCPP-P2G 耦合的VPP 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 電網(wǎng)交互成本

式中g(shù)b，t為VPP在t時(shí)刻的購(gòu)電價(jià)格。

2.1.2 CCPP-P2G的運(yùn)行成本

1）CCPP發(fā)電成本

CCPP 發(fā)電成本由燃料成本和啟停成本[27]組成，其啟停成本受機(jī)組啟停狀態(tài)影響，計(jì)算式如下：

式中：a、b、c為火電機(jī)組煤耗系數(shù)；是啟停成本；布爾變量ut為機(jī)組在t時(shí)刻啟停狀態(tài)，1為開啟狀態(tài)，0為關(guān)停狀態(tài)。

2）CCPP碳儲(chǔ)存成本

碳存儲(chǔ)成本是碳存儲(chǔ)設(shè)備儲(chǔ)存CO2所花費(fèi)的成本，與碳存儲(chǔ)設(shè)備的儲(chǔ)碳能力有關(guān)，計(jì)算式如下：

式中ρcs是單位碳存儲(chǔ)價(jià)格。

3）P2G運(yùn)行成本

P2G在t時(shí)段的運(yùn)行成本取決于該時(shí)段的設(shè)備運(yùn)行功率及天然氣產(chǎn)出量，計(jì)算式如下：

2.1.3 新能源機(jī)組出力成本

2.1.4 可再生能源棄用懲罰成本

2.2 約束條件

在含CCPP-P2G 的虛擬電廠運(yùn)行時(shí)，需要滿足以下約束條件。

2.2.1 功率平衡約束

VPP系統(tǒng)運(yùn)行首先要滿足系統(tǒng)功率平衡約束，計(jì)算式如下：

2.2.2 VPP與電網(wǎng)交互約束

當(dāng)VPP 系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，考慮到線路傳輸限制，需要對(duì)其電量交換范圍進(jìn)行限制，約束條件如下：

2.2.3 CCPP運(yùn)行約束

1）CCPP出力范圍約束如下：

2）碳捕集設(shè)備能耗上下限[28]如下：

3）火電機(jī)組爬坡約束如下：

式中ΔPTO為火電機(jī)組的爬坡速率約束。

4）火電機(jī)組最小持續(xù)啟停機(jī)時(shí)間約束如下：

式中：Ton、Toff分別為機(jī)組最小連續(xù)運(yùn)行、停運(yùn)時(shí)間；分別為機(jī)組在t-1 時(shí)段連續(xù)運(yùn)行、停運(yùn)時(shí)間。

2.2.4 P2G運(yùn)行功率約束

P2G在t時(shí)段的運(yùn)行成本取決于該時(shí)段的風(fēng)能和太陽能棄用量，約束如下：

2.2.5 P2G的CO2使用量約束

P2G 的CO2使用量不得超過碳存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)的CO2量，約束如下：

2.2.6 備用容量約束

為應(yīng)對(duì)風(fēng)電和光伏出力不確定性、負(fù)荷不確定性等因素帶來的不利影響，保證供電可靠性，設(shè)置VPP 備用容量不小于負(fù)荷功率的3%加風(fēng)光預(yù)測(cè)出力的5%，備用容量約束如下：

2.3 模型求解

本文構(gòu)建的基于階梯型碳交易的CCPP-P2G耦合VPP 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型為混合整數(shù)二次非線性規(guī)劃，求解較為復(fù)雜，流程如下：首先，將非線性函數(shù)進(jìn)行分段線性化處理[29]，從而將該問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃求解；然后基于MATLAB配置的Yalmip工具箱進(jìn)行模型構(gòu)建；最后調(diào)用CPLEX 求解器對(duì)模型的最小值進(jìn)行求解，具體求解流程如圖3 所示。該求解方法具有較好的全局尋優(yōu)能力，求解速度快、精度高，且適用性較好?；谏鲜龇椒ǖ玫絍PP 總成本最小的調(diào)度策略，通過MATLAB 輸出可視化的數(shù)據(jù)及圖形。

圖3 模型求解流程圖Fig.3 Model solving flow chart

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證所構(gòu)建的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型對(duì)提高VPP 經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的效果，本文選取北方某園區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)文獻(xiàn)[30-33]設(shè)置的CCPP與P2G參數(shù)如表1所示，本文選擇的調(diào)度周期長(zhǎng)度為24 h，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用為680元/MW，光伏機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用為350 元/MW，棄風(fēng)棄光成本為500元/MW，單位CH4的價(jià)格為2.822元/m3。依據(jù)《2022 年度全國(guó)碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案》，設(shè)置VPP內(nèi)機(jī)組的碳排放配額系數(shù)為0.6 t/(MW·h)，碳交易成本是270 元/t，區(qū)間長(zhǎng)度為0.25 t，價(jià)格增長(zhǎng)率為20%。

表1 CCPP-P2G設(shè)備參數(shù)Tab.1 CCPP-P2G equipment parameters

在實(shí)施需求響應(yīng)之前，終端用戶用電電價(jià)為0.5元/(MW·h)，實(shí)施需求響應(yīng)的階梯電價(jià)[34]如表2所示。彈性系數(shù)mij中i和j分別為峰時(shí)段、平時(shí)段、谷時(shí)段，電力需求響應(yīng)價(jià)格彈性矩陣M計(jì)算結(jié)果如下：

表2 分時(shí)電價(jià)Tab.2 Time-of-use price

風(fēng)電與光伏機(jī)組在調(diào)度周期內(nèi)的預(yù)測(cè)出力如圖4所示。

圖4 風(fēng)光出力預(yù)測(cè)Fig.4 Wind and photovoltaic output prediction

3.2 虛擬電廠耦合協(xié)同調(diào)度優(yōu)化分析

為了測(cè)算VPP 在低碳性與經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)下各組件的出力情況，設(shè)置4 個(gè)不同場(chǎng)景對(duì)比分析CCPP-P2G耦合模型和基于價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制、普通碳交易和階梯型碳交易在VPP中的影響。

1）場(chǎng)景1為普通VPP運(yùn)行場(chǎng)景，該場(chǎng)景為不考慮CCPP-P2G 耦合設(shè)備及價(jià)格型需求響應(yīng)的普通碳交易場(chǎng)景。

2）場(chǎng)景2 為CCPP-P2G 運(yùn)行場(chǎng)景，該場(chǎng)景為在VPP 內(nèi)部引入CCPP-P2G 耦合設(shè)備，但不考慮價(jià)格型需求響應(yīng)的普通碳交易場(chǎng)景。

3）場(chǎng)景3 為在考慮CCPP-P2G 運(yùn)行的基礎(chǔ)上引入價(jià)格型需求響應(yīng)的普通碳交易場(chǎng)景。

4）場(chǎng)景4 為考慮CCPP-P2G 運(yùn)行和價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制的階梯型碳交易模式下的VPP 調(diào)度模式場(chǎng)景。

不同場(chǎng)景下運(yùn)營(yíng)成本、環(huán)境影響因素對(duì)比分別如表3、4所示。

表3 不同場(chǎng)景下運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比分析Tab.3 Comparative analysis of operating costs under different scenarios 元

表4 不同場(chǎng)景下環(huán)境影響因素對(duì)比Tab.4 Comparison of environmental impact factors under different scenarios

1）場(chǎng)景1調(diào)度模式

在場(chǎng)景1，VPP中沒有其他靈活性資源，只有風(fēng)電、光伏和火電機(jī)組運(yùn)行，每個(gè)單元的輸出功率如圖5所示。

圖5 場(chǎng)景1各單元輸出功率Fig.5 Output power of each unit in scenario 1

由圖5 可知，在調(diào)度期間風(fēng)光與火電機(jī)組的總發(fā)電量用于滿足用戶負(fù)荷需求。由于沒有靈活性資源使得VPP 中的電量轉(zhuǎn)移，棄風(fēng)棄光量達(dá)到14.76 MW，棄風(fēng)棄光成本為7 378.97 元。VPP 運(yùn)行過程中15個(gè)時(shí)段無棄風(fēng)棄光，此時(shí)火電機(jī)組啟動(dòng)維持電力負(fù)荷需求，燃煤產(chǎn)生的CO2全部排放到大氣中，VPP 運(yùn)行的總碳排放量為20.47 t，燃煤產(chǎn)生的實(shí)際碳排放量遠(yuǎn)高于碳配額，因此較高的碳排放量導(dǎo)致較高的碳排放成本。場(chǎng)景1 調(diào)度模式下VPP運(yùn)營(yíng)總成本為47 011元。

2）場(chǎng)景2調(diào)度模式

場(chǎng)景2在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上增設(shè)了CCPP-P2G耦合設(shè)備，主要包括CCPP 和P2G 單元。各單元的運(yùn)行功率如圖6所示。

圖6 場(chǎng)景2各單元輸出功率Fig.6 Output power of each unit in scenario 2

在調(diào)度期間，CCPP 總發(fā)電量為41.50 MW，捕獲的CO2量為39.59 t。P2G 設(shè)備可利用多余的風(fēng)電和光伏功率運(yùn)行，并將捕獲的部分CO2作為原料生成天然氣，出售給天然氣網(wǎng)以獲取利潤(rùn)。在該場(chǎng)景下，VPP系統(tǒng)排放CO2共8.78 t，棄風(fēng)棄光功率為7.71 MW，碳排放量與棄風(fēng)棄光量相對(duì)于場(chǎng)景1 都大幅減少。通過向天然氣網(wǎng)出售天然氣，P2G單元實(shí)現(xiàn)盈利，收入為241.08元。場(chǎng)景2調(diào)度模式下VPP運(yùn)營(yíng)總成本為46 361元。

3）場(chǎng)景3調(diào)度模式

場(chǎng)景3在場(chǎng)景2基礎(chǔ)上考慮了價(jià)格型需求響應(yīng)機(jī)制，VPP運(yùn)營(yíng)商可以制定更為靈活的調(diào)度計(jì)劃，進(jìn)一步減小運(yùn)營(yíng)成本。各單元運(yùn)行功率如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景3各單元輸出功率Fig.7 Output power of each unit in scenario 3

基于需求價(jià)格彈性的響應(yīng)模型，本文得到需求響應(yīng)前后的負(fù)荷曲線如圖8 所示。通過需求響應(yīng)機(jī)制，用戶負(fù)荷曲線的峰谷差減小，高峰時(shí)段(12:00—20:00)電力負(fù)荷下降約11.74%，低谷時(shí)段(23:00—次日04:00)電力負(fù)荷增加約13.08%，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的目標(biāo)。此外，用戶參與需求響應(yīng)，使得用電高峰時(shí)段負(fù)荷減少，火電機(jī)組出力減少，這也間接減少了系統(tǒng)的碳排放。在此場(chǎng)景下，VPP 系統(tǒng)碳排放量為6.47 t，棄風(fēng)棄光功率為7.20 MW，VPP運(yùn)營(yíng)總成本為45 297元。

圖8 需求響應(yīng)實(shí)施前后負(fù)荷量對(duì)比Fig.8 Load comparison before and after the implementation of demand response

4）場(chǎng)景4調(diào)度模式

場(chǎng)景4 為綜合考慮階梯型碳交易成本及VPP運(yùn)行成本的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式，通過設(shè)置階梯碳價(jià)來進(jìn)一步控制VPP 系統(tǒng)的碳排放量。圖9 為場(chǎng)景4下各單元運(yùn)行功率。

圖9 場(chǎng)景4各單元輸出功率Fig.9 Output power of each unit in scenario 4

在場(chǎng)景4 中采用階梯型碳價(jià)策略，相較于場(chǎng)景3，碳排放成本略微提高，但碳排放量下降了1.78 t，這是由于采用階梯型碳交易機(jī)制后，對(duì)碳排放區(qū)間進(jìn)行嚴(yán)格的劃分，隨著碳排放量的逐漸增加，VPP 運(yùn)營(yíng)商面臨碳排放成本的大幅增長(zhǎng)，因此大大降低了對(duì)碳源的調(diào)用。該場(chǎng)景的階梯碳交易機(jī)制充分挖掘CCPP-P2G 的節(jié)能減排潛力，對(duì)于促進(jìn)新能源消納、響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)政策起到積極作用，總體實(shí)現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)。場(chǎng)景4調(diào)度模式下VPP運(yùn)營(yíng)總成本為44 980元。

3.3 敏感性分析

在階梯型碳交易模型中，不同的參數(shù)設(shè)置也會(huì)對(duì)VPP 的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度產(chǎn)生影響。本文從碳排放區(qū)間長(zhǎng)度、碳交易價(jià)格增長(zhǎng)率及碳交易基準(zhǔn)價(jià)格3個(gè)方面進(jìn)行比較分析。3個(gè)參數(shù)對(duì)總成本和碳排放量的影響如圖10—12所示。

圖10 碳排放區(qū)間長(zhǎng)度分析Fig.10 Analysis of carbon emission interval length

由圖10 可知，當(dāng)碳排放區(qū)間長(zhǎng)度在[0.15,0.19]t變化時(shí)，VPP運(yùn)營(yíng)商以階梯碳價(jià)模式購(gòu)買碳排放額度，由于區(qū)間長(zhǎng)度較小，碳排放權(quán)交易額處于高價(jià)區(qū)間，碳交易成本較高，因此系統(tǒng)碳排放量較少；當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度在(0.19,0.29]t 變化時(shí)，隨著區(qū)間長(zhǎng)度增大，VPP 運(yùn)營(yíng)商所需購(gòu)買的碳配額交易價(jià)格處于高梯度價(jià)位的量越小，碳排放成本越小，總成本也逐漸降低；隨著碳排放成本的減小，VPP 碳排放量逐漸增加，當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度大于0.31 t后，較大的區(qū)間長(zhǎng)度使得階梯型碳交易機(jī)制與傳統(tǒng)碳交易差別不大，VPP 運(yùn)營(yíng)商以碳交易基準(zhǔn)價(jià)格便可排放CO2，系統(tǒng)碳排放量增長(zhǎng)緩慢，總成本略微下降?？傮w而言，隨著碳交易區(qū)間長(zhǎng)度的逐漸增大，系統(tǒng)碳交易成本逐漸減少，運(yùn)營(yíng)商需支付的總成本下降。

由圖11 可知，當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率為[0,0.3)時(shí)，隨著價(jià)格增長(zhǎng)率的提高，碳交易成本增大，總成本也逐漸增大，為減小成本，運(yùn)營(yíng)商會(huì)盡可能調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)組出力并減少外購(gòu)電量，避免更多的碳排放；當(dāng)價(jià)格增長(zhǎng)率在[0.3,0.6]變化時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)部固定的負(fù)荷需求，機(jī)組出力方式也逐漸趨于穩(wěn)定，碳排放量下降趨勢(shì)有所減緩?？傮w而言，隨著價(jià)格增長(zhǎng)率的逐漸增大，系統(tǒng)的碳排放量逐漸減少，但總成本不斷增大。

圖11 碳交易價(jià)格增長(zhǎng)率分析Fig.11 Analysis of carbon trading price growth rate

由圖12 可知，當(dāng)碳交易基準(zhǔn)價(jià)格小于275 元時(shí)，隨著碳交易基準(zhǔn)價(jià)格的增長(zhǎng)，碳排放成本逐漸增加，系統(tǒng)總成本也隨之上漲，此時(shí)，運(yùn)營(yíng)商會(huì)調(diào)整內(nèi)部機(jī)組出力，加強(qiáng)對(duì)碳排放量約束，因此VPP 碳排放量逐漸減少。當(dāng)碳交易基準(zhǔn)價(jià)格大于275 元時(shí)，VPP 內(nèi)部機(jī)組出力趨于穩(wěn)定，此時(shí)基準(zhǔn)價(jià)格的上漲不會(huì)對(duì)碳排放量有明顯影響，系統(tǒng)碳排放下降趨勢(shì)減緩，但高額碳價(jià)會(huì)使碳排放成本進(jìn)一步上升。總體而言，隨著碳交易基準(zhǔn)價(jià)格的逐漸增長(zhǎng)，系統(tǒng)碳排放量逐漸減少，但總成本不斷增大。

圖12 碳交易基準(zhǔn)價(jià)格分析Fig.12 Analysis of carbon trading benchmark price

綜上所述，當(dāng)碳排放區(qū)間長(zhǎng)度小于0.29 t、價(jià)格增長(zhǎng)率小于0.3、碳交易基準(zhǔn)價(jià)格小于290 元/t時(shí)，VPP 碳排放量會(huì)有一定程度的變化；但當(dāng)參數(shù)超過上述值時(shí)，碳排放量變化趨于平穩(wěn)，但會(huì)帶來總成本的不斷上升。因此，對(duì)于監(jiān)管機(jī)構(gòu)而言，通過設(shè)置合理的階梯型碳交易機(jī)制參數(shù)，可以對(duì)VPP 系統(tǒng)的碳排放量實(shí)現(xiàn)合理引導(dǎo)。對(duì)于VPP 運(yùn)營(yíng)商而言，可根據(jù)碳排放區(qū)間長(zhǎng)度、價(jià)格增長(zhǎng)率和碳交易基準(zhǔn)價(jià)格協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)組出力，從而控制碳排放量和總成本。

4 結(jié)論

針對(duì)接入CCPP-P2G 技術(shù)的VPP 系統(tǒng)，結(jié)合碳交易市場(chǎng)機(jī)制，提出了考慮階梯型碳交易和需求響應(yīng)的CCPP-P2G虛擬電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，在保證用戶滿意度的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮負(fù)荷側(cè)靈活性，可有效控制碳排放，提高新能源消納能力和VPP整體運(yùn)行效益。通過研究不同場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)性、低碳性以及階梯碳交易模型參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，得出如下結(jié)論：

1）CCPP-P2G 協(xié)同可實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用，減少CO2的排放；P2G實(shí)現(xiàn)了電-氣的能量轉(zhuǎn)換，將生產(chǎn)的天然氣出售獲取利潤(rùn)，可提高系統(tǒng)的低碳性與經(jīng)濟(jì)性，P2G 的運(yùn)行可減少系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光功率，有利于優(yōu)化資源配置，提高能源利用效率；需求響應(yīng)可通過分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)用戶響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的削峰填谷，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少碳排放的同時(shí)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2）在市場(chǎng)機(jī)制方面，相較傳統(tǒng)的統(tǒng)一碳價(jià)碳交易模式，階梯型碳交易基于碳排放區(qū)間制定不同碳價(jià)，與CCPP-P2G 結(jié)合后在保障VPP 經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，能夠更好地引導(dǎo)系統(tǒng)碳減排。

3）通過敏感度分析研究了階梯型碳交易模型各參數(shù)對(duì)碳排放量和總成本的影響。通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)價(jià)格、區(qū)間長(zhǎng)度和價(jià)格增長(zhǎng)率可合理引導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商控制碳排放量，從而有效協(xié)調(diào)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的平衡。

在研究的基礎(chǔ)上，如何通過描述風(fēng)光出力的不確定性和隨機(jī)性，從而兼顧虛擬電廠的低碳經(jīng)濟(jì)性和魯棒性將是下一步的研究方向。