張東月，張照彥，王培光，王 森，成霄楠，石松鎧

(河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引 言

隨著世界對(duì)能源需求的與日俱增，全球生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。為了減少碳排放，提高能源利用率，各國(guó)學(xué)者對(duì)能源展開(kāi)了一系列的研究，智能電網(wǎng) (smart grid)、綜合能源系統(tǒng) (integrated energy system，IES)和能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet)等概念先后出現(xiàn)。目前綜合能源規(guī)劃、控制和調(diào)度的研究成為能源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向[1]。冷熱電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)耦合了多種設(shè)備和能源形式，通過(guò)優(yōu)化協(xié)調(diào)各類(lèi)設(shè)備滿(mǎn)足用戶(hù)的負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)了能源的多級(jí)利用，提高了能源的利用效率。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方面的研究已經(jīng)取得了許多寶貴的學(xué)術(shù)成果。在能源系統(tǒng)的構(gòu)成方面，文獻(xiàn)[2]將微網(wǎng)分為蓄電池、新能源、電網(wǎng)微網(wǎng)及用戶(hù)共3個(gè)主體進(jìn)行規(guī)劃，分析了蓄電池在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的循環(huán)次數(shù)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行的影響，以及不同配比下的可再生能源利用率對(duì)優(yōu)化調(diào)度成本的影響。在設(shè)備容量配置方面，文獻(xiàn)[3]提出了一種將儲(chǔ)熱對(duì)機(jī)組的供熱備用轉(zhuǎn)換為機(jī)組發(fā)電備用的綜合能源系統(tǒng)模型；驗(yàn)證了模型對(duì)新能源消納的有效性，提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率，減少了機(jī)組規(guī)劃容量的需求。在能源利用方面，文獻(xiàn)[4] 針對(duì)風(fēng)電的消納問(wèn)題，在綜合能源系統(tǒng)中引入電鍋爐、儲(chǔ)氣設(shè)備，電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)技術(shù)，考慮需求響應(yīng)負(fù)荷，分4種方案建立了經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度模型，通過(guò)驗(yàn)證得出最優(yōu)方案。在考慮了新能源的魯棒性方面，文獻(xiàn)[5]提出了新的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，為了預(yù)測(cè)風(fēng)光等新能源特性，采用了概率分布函數(shù)和累積密度函數(shù)；為了應(yīng)對(duì)新能源的不確定性和非線(xiàn)性，模型考慮了工業(yè)用戶(hù)、商業(yè)用戶(hù)和居民的需求側(cè)響應(yīng)和階梯電價(jià)；優(yōu)化模型降低了智能微電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)成本和污染物排放，同時(shí)提高了新能源利用率。在環(huán)境機(jī)制方面，文獻(xiàn)[6]基于碳交易和綠色證書(shū)交易機(jī)制，建立了考慮CVaR(conditional value at risk)的碳-綠色證書(shū)聯(lián)合交易的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；綜合考慮碳排放權(quán)交易(carbon emission trading，CET)和綠色證書(shū)交易(green certificate trading，GCT)的特點(diǎn)，比較不同調(diào)度模型的結(jié)果，并分析不同CET價(jià)格和綠色證書(shū)價(jià)格對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響。

以上研究很少涉及用戶(hù)的熱負(fù)荷與熱水負(fù)荷分開(kāi)，本文細(xì)化了熱負(fù)荷，使熱水負(fù)荷單獨(dú)計(jì)算，可以在滿(mǎn)足用戶(hù)更加靈活的負(fù)荷需求上成本最低。本文基于風(fēng)電出力懲罰提出了一種可再生能源出力預(yù)測(cè)偏差懲罰，結(jié)合碳交易和綠色證書(shū)交易機(jī)制，闡述了碳交易和綠色證書(shū)交易機(jī)制對(duì)含有可再生能源預(yù)測(cè)偏差懲罰的系統(tǒng)影響；綜合能源系統(tǒng)模型結(jié)合分時(shí)電價(jià)、蓄電池壽命及充放能的特性約束，使用風(fēng)光等可再生能源作為非主力供電單元，減少運(yùn)行成本；采用GNU線(xiàn)性規(guī)劃工具集(GNU linear programming kit, GLPK)求解工具，輸入典型日負(fù)荷進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的日前調(diào)度策略。

1 系統(tǒng)設(shè)備

本文采用高溫型地源熱泵系統(tǒng)+雙蓄系統(tǒng)，利用夜間谷段蓄能，白天尖峰時(shí)段放能，滿(mǎn)足部分用能需求，降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。冷熱源選擇地埋管形式的地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵機(jī)組供冷的同時(shí)可以回收部分的冷凝熱，為需要熱水的場(chǎng)所提供熱量，凸顯一機(jī)多用的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)由光伏組件、風(fēng)電機(jī)組、蓄電池、儲(chǔ)冷（熱）水箱、地源熱泵、太陽(yáng)能集熱器和電鍋爐構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

其中冷負(fù)荷由地源熱泵和蓄冷（熱）罐提供，熱負(fù)荷由地源熱泵、蓄冷（熱）罐和太陽(yáng)能集熱器提供，電負(fù)荷由配電網(wǎng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能和蓄電池提供，熱水負(fù)荷夏季由地源熱泵夏季制冷熱回收、電鍋爐和太陽(yáng)能集熱器提供，冬季由電鍋爐和太陽(yáng)能集熱器提供。

1.2 設(shè)備模型

1.2.1 電鍋爐模型

該設(shè)備用來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的熱水負(fù)荷，電鍋爐模型如下式所示：

式中：Heb——電鍋爐制熱量；

Peb——電鍋爐制熱消耗的電功率；

H-ebmin、Hebmax——電鍋爐制熱量最大、最小值；

β 電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率，一般在0.90～0.95之間。

1.2.2 地源熱泵模型

地源熱泵是根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷需求，以地下土壤為熱源或冷源，利用地下土壤溫度全年恒定的特點(diǎn)，以少量的電能為驅(qū)動(dòng)力，來(lái)提供用戶(hù)所需要的熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱水負(fù)荷。一般熱泵的輸出能源與輸入電能的比值在4以上，所以地源熱泵是一種效率高、能耗低的供能設(shè)備。根據(jù)能效比建立模型如下式所示：

式中：Pgt——地源熱泵制冷或制熱消耗的電功率；

COPh、Hg——地源熱泵制熱能效比與產(chǎn)熱量；

COPl和Lg——地源熱泵的制冷能效比與產(chǎn)冷量；

Pgtmin、Pgtmax——地源熱泵消耗最小與最大電功率；

Hgc——地源熱泵熱回收熱量；

ηh——熱回收效率；

Zgt——地源熱泵的制冷制熱狀態(tài)。

1.2.3 可再生能源誤差模型

風(fēng)電/光伏等可再生能源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，對(duì)于實(shí)際發(fā)電的預(yù)測(cè)會(huì)有一定偏差，文獻(xiàn)[7]提出將風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差分布看作一個(gè)分段指數(shù)分布，且分段指數(shù)模型比正態(tài)分布、拉普拉斯等分布的誤差更小，其概率密度函數(shù)為：

式中：μ0——概率密度序列最大概率密度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化誤差值；

b1、b2——形狀參數(shù)。

計(jì)算出兩段累積分布函數(shù)的交點(diǎn)值b1/(b1+b2)，兩段指數(shù)分布在形狀上具有獨(dú)立性，本文分別求取符合兩段分布的誤差值，隨機(jī)生成小于交點(diǎn)值的累積概率密度F(x)，根據(jù)反函數(shù)對(duì)應(yīng)生成小于相對(duì)誤差μ0的誤差值x，隨機(jī)生成大于交點(diǎn)值的累積概率密度F(x)，根據(jù)反函數(shù)對(duì)應(yīng)生成大于相對(duì)誤差μ0的誤差值x，本文把日前調(diào)度的步長(zhǎng)分為24個(gè)時(shí)段，兩段誤差分布生成的誤差值的個(gè)數(shù)分別為b1/(b1+b2)×24和24×(1-b1/(b1+b2))。

根據(jù)誤差模型建立的風(fēng)電機(jī)組模型為：

式中：Pwt——風(fēng)力預(yù)測(cè)發(fā)電功率；

光伏發(fā)電模型為：

式中：Ppv——光伏預(yù)測(cè)發(fā)電功率；

太陽(yáng)能集熱器模型為：

式中：Qstc——太陽(yáng)能集熱器的預(yù)測(cè)輸出功率；

2 目標(biāo)函數(shù)與約束

2.1 目標(biāo)函數(shù)

綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行總成本主要包括系統(tǒng)向電網(wǎng)購(gòu)電的成本、向電網(wǎng)售電的收益、發(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本和系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本。本文系統(tǒng)的可再生能源作為非主力供電單元，其所產(chǎn)生電量較低，故系統(tǒng)不向電網(wǎng)售電，所以不考慮售電收益?？紤]到蓄電池頻繁充放電會(huì)導(dǎo)致壽命降低，從而間接增加系統(tǒng)的成本[8]，本文將蓄電池的更換費(fèi)用折算到成本中，可以更真實(shí)地反映目標(biāo)成本。本文約束了蓄電池的初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，所以不需要儲(chǔ)能電池的電量懲罰。

儲(chǔ)能電池的使用壽命一般會(huì)受其放電深度的影響，但是在其壽命周期內(nèi)電池總的循環(huán)電量基本不變[9]。且充放電總量為恒定值，由下式可以得到儲(chǔ)能電池每循環(huán)充放單位電量的成本：

Crpe——儲(chǔ)能電池的更換成本；

Q——儲(chǔ)能電池生命周期內(nèi)放電總量。

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和太陽(yáng)能集熱器出力無(wú)法控制，其運(yùn)行成本難以調(diào)整，本文忽略不計(jì)。

綜上，目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

式中：Coc——運(yùn)行成本；

Clife——儲(chǔ)能電池壽命成本；

Cctc——碳交易成本；

Cgreen——綠色證書(shū)交易成本；

Cdev——可再生能源偏差懲罰成本。

2.1.1 運(yùn)行成本

運(yùn)行成本為購(gòu)電總成本，如下式所示：

式中：Ce,t——分時(shí)電價(jià)；

Pbuy——系統(tǒng)的買(mǎi)電量。

2.1.2 蓄電池壽命成本

蓄電池壽命成本如下式所示：

其中Pbd為儲(chǔ)能電池的放電功率。

2.1.3 碳交易成本

碳交易機(jī)制是將碳排放權(quán)以商品自由交易的形式實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保目的的一種機(jī)制，國(guó)家政府部門(mén)對(duì)各個(gè)碳排放源分配一定量的初始碳排放額度[10]。當(dāng)碳排放源的實(shí)際碳排放額超過(guò)初始分配額度時(shí)，需到碳交易市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)超量的碳排放額度；反之，當(dāng)實(shí)際碳排放額低于初始分配額度時(shí)，可將多余的碳排放額度作為商品，轉(zhuǎn)交碳交易市場(chǎng)進(jìn)行出售盈利[11]：

式中：ηc——電能碳排放系數(shù)，取0.272；

CT——免費(fèi)碳排放額度；

2.1.4 綠色證書(shū)交易成本

綠色證書(shū)交易制度基于可再生能源配額制，兩種制度相互配合，企業(yè)在完成分配的可再生能源額度后生產(chǎn)的多余發(fā)電就轉(zhuǎn)化為綠色證書(shū)，進(jìn)入市場(chǎng)交易，但是實(shí)際電量還是由自己消納；而沒(méi)有完成配額的企業(yè)就會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)證書(shū)，來(lái)避免配額懲罰，綠證交易是對(duì)除水電外其他可再生能源電量生產(chǎn)和消費(fèi)的有效憑證[12]。綠色證書(shū)交易成本如下式所示：

Pmake——可再生能源實(shí)際消納量；

Pres——可再生能源日配額量。

本文的CET和GCT均屬于日前小時(shí)級(jí)市場(chǎng)，即系統(tǒng)根據(jù)每小時(shí)所獲得的綠色證書(shū)數(shù)量和碳配額量參與市場(chǎng)交易。

2.1.5 偏差懲罰成本

當(dāng)可再生能源的實(shí)際輸出功率大于預(yù)測(cè)出力時(shí)就會(huì)造成浪費(fèi)，應(yīng)以懲罰來(lái)表示這部分的損失；當(dāng)可再生能源實(shí)際輸出功率小于預(yù)測(cè)出力時(shí)，為避免不滿(mǎn)足負(fù)荷需求，則需要其他常規(guī)能源額外增加出力來(lái)補(bǔ)償可再生能源的出力不足，這樣將造成其他常規(guī)能源產(chǎn)生一定的備用費(fèi)用[13]，降低了可再生能源的優(yōu)勢(shì)。偏差懲罰成本如下式所示：

式中：α1、α2——高估懲罰成本系數(shù)和低估懲罰成

本系數(shù)，α1、α2取電價(jià)市場(chǎng)價(jià)格0.6元；

Pnew——可再生能源的實(shí)際出力。

2.2 儲(chǔ)能約束

蓄電池起削峰填谷的作用，為了防止蓄電池的充電及放電深度過(guò)大導(dǎo)致壽命減少，需要添加下式約束條件來(lái)限制儲(chǔ)能電池的電量狀態(tài)：

式中：SOCt——t時(shí)間段的儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能狀態(tài)值；

SOCmin、SOCmax——綜合能源系統(tǒng)調(diào)度中儲(chǔ)能電池的最小與最大的儲(chǔ)能狀態(tài)值；

SOC0、SOCend——調(diào)度開(kāi)始時(shí)刻與結(jié)束時(shí)刻的儲(chǔ)能狀態(tài)。

考慮在同一時(shí)間段內(nèi)，電池的充電狀態(tài)與放電狀態(tài)不可以同時(shí)存在，因此，儲(chǔ)能電池的充放電狀態(tài)需要遵守下式的約束條件：

其中Xt、Yt分別為蓄電池的充電和放電狀態(tài)。

蓄電池的放電和充電過(guò)程，如下式所示：

式中：ηbc、ηbd——儲(chǔ)能電池的充放電效率；

Sbs——儲(chǔ)能電池的額定容量；

Pbc——儲(chǔ)能電池的充電功率。

考慮蓄電池的使用壽命與充放電功率大小有關(guān)，約束單位時(shí)間內(nèi)充放電最大功率，如下式所示：

同理儲(chǔ)熱與儲(chǔ)冷也符合上述約束，并設(shè)SOHt、SOLt為t時(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷狀態(tài)值，Mt、Nt分別為蓄熱和放熱狀態(tài)，At、Bt分別為蓄冷和放冷狀態(tài)，ηcc、ηcd分別為蓄放冷效率，ηhc、ηhd分別為蓄放熱效率，Shs、Scs為蓄熱與蓄冷的額定容量，Pcc、Pcd分別為蓄放冷功率，Phd、Phc分別為蓄放熱功率。

2.3 能量平衡約束

2.3.1 電能平衡約束

式中：P——用戶(hù)買(mǎi)電量；

Pper——用戶(hù)電負(fù)荷；

2.3.2 熱能平衡約束

Hper——用戶(hù)熱負(fù)荷。

2.3.3 冷能平衡約束

其中Lper為用戶(hù)冷負(fù)荷。

2.3.4 熱水平衡約束

式中：H——用戶(hù)需求熱水的熱負(fù)荷；

Hgc——地源熱泵制冷時(shí)熱回收的冷凝熱；

ηl——冷凝熱回收效率。

2.4 模型線(xiàn)性化

本文建立的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型為非線(xiàn)性，需要將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解，對(duì)于其中的非線(xiàn)性耦合關(guān)系，例如儲(chǔ)能設(shè)備的出力特性約束中包含出現(xiàn)0,1變量與正數(shù)變量相乘的關(guān)系。V(t)為0,1變量，X(t)為正數(shù)變量。為了對(duì)V(t)X(t)線(xiàn)性化，先假定X(t)一個(gè)較大的上限值設(shè)為Xmax。增加兩個(gè)臨時(shí)變量Y(t)，Z(t)。線(xiàn)性化的步驟如下[14]：

加入等式約束：

加入不等式約束：

這樣Y(t)完全等價(jià)于V(t)X(t)，但增加了2個(gè)變量和3個(gè)約束。

3 案例分析驗(yàn)證

本文選取雄安新區(qū)商服中心的綜合能源系統(tǒng)為研究案例，系統(tǒng)包含地源熱泵、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池、冷熱雙蓄、電鍋爐和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。系統(tǒng)中光伏板與太陽(yáng)能集熱器面積都為600 m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池容量為1 000 kWh，小時(shí)級(jí)碳配額為100 kg/h，碳交易價(jià)格為200 元/h，小時(shí)級(jí)可再生能源配額為200 kWh，綠色證書(shū)交易為每本100元，案例中的設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如表1～表2所示。

表1 出力設(shè)備參數(shù)表

表2 儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)設(shè)置

選取夏季典型日和冬季典型日的負(fù)荷數(shù)據(jù)為運(yùn)行工況，把日前調(diào)度的步長(zhǎng)分為24個(gè)時(shí)段，電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，將調(diào)度模型轉(zhuǎn)換為MILP模型，采用Pyomo+GLPK進(jìn)行優(yōu)化求解。用戶(hù)側(cè)冷、熱水、電負(fù)荷的預(yù)測(cè)值如圖2所示。

圖2 用戶(hù)側(cè)負(fù)荷預(yù)測(cè)

光伏、風(fēng)電機(jī)組及太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)24 h的出力根據(jù)其預(yù)測(cè)出力曲線(xiàn)所確定，如圖3所示?；谏鲜鲇脩?hù)負(fù)荷數(shù)據(jù)和可再生能源預(yù)測(cè)出力，建立綜合能源系統(tǒng)模型，并得到優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。

圖3 可再生能源的出力預(yù)測(cè)

圖4為冬季典型日電平衡。冬季太陽(yáng)輻照低，時(shí)間短。00:00-09:00時(shí)間光伏不出力；此時(shí)夜間電價(jià)較低，儲(chǔ)能電池不宜放電，適合充電，到電價(jià)峰值時(shí)再放出，供電單元只有風(fēng)電機(jī)組和從電網(wǎng)購(gòu)電；優(yōu)先使用風(fēng)電，缺額部分由電網(wǎng)購(gòu)電；09:00-17:00輻照充足，光伏出力，此時(shí)電價(jià)較高，儲(chǔ)能電池不宜充電，適合放電，此時(shí)供電單元為蓄電池、光伏、風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)買(mǎi)電，優(yōu)先使用光伏、風(fēng)電和蓄電池，缺額部分由電網(wǎng)購(gòu)電；17:00-24:00時(shí)間內(nèi)無(wú)光照，電價(jià)相對(duì)較高，蓄電池放電，供電單元有蓄電池、風(fēng)電和電網(wǎng)購(gòu)電，優(yōu)先使用風(fēng)電和蓄電池，缺額部分由電網(wǎng)購(gòu)電。

圖4 冬季典型日電平衡

圖5為冬季典型日熱平衡出力圖，圖6為冬季典型日熱水平衡出力圖。

圖5 冬季典型日熱平衡

圖6 冬季典型日熱水平衡

冬季熱負(fù)荷需求較高，供熱設(shè)備有地源熱泵、冷（熱）雙蓄罐和太陽(yáng)能集熱器，供熱水設(shè)備有電鍋爐和太陽(yáng)能集熱器，00:00-09:00無(wú)光照所以太陽(yáng)能集熱器不出力，此時(shí)只有地源熱泵制熱供熱，電鍋爐供熱水，此時(shí)間段電價(jià)較低，蓄熱罐內(nèi)熱量不滿(mǎn)，所以蓄熱罐在此時(shí)間段蓄熱；09:00-12:00有光照，太陽(yáng)能集熱器優(yōu)先供熱水，此時(shí)電價(jià)較高，供熱由地源熱泵和蓄熱罐供熱，優(yōu)先消耗蓄熱罐達(dá)到功率最大值，缺額部分由地源熱泵提供，熱水提供優(yōu)先消耗太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)熱，缺額由電鍋爐提供；12:00-16:00太陽(yáng)能產(chǎn)熱充足，熱水負(fù)荷比較小，太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)熱除了供熱水外還有剩余供熱，此時(shí)間段電價(jià)相對(duì)較低，蓄熱罐適宜蓄熱到電價(jià)高時(shí)再放熱，16:00-22:00此時(shí)電價(jià)較高，無(wú)光照，太陽(yáng)能集熱器不出力，供熱單元只有地源熱泵和蓄熱罐，蓄熱罐放熱，熱水只由電鍋爐提供，22:00-24:00此時(shí)電價(jià)下降，蓄熱罐開(kāi)始蓄熱，供熱只由地源熱泵提供，熱水只由電鍋爐提供。

圖7為夏季典型日電平衡。在夏季太陽(yáng)光照高，并且時(shí)間長(zhǎng)，00:00-07:00為夜晚無(wú)光照，此階段電價(jià)較低蓄電池適宜充電，在電價(jià)平價(jià)或峰值放出，此時(shí)供電單元只有風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)購(gòu)電，優(yōu)先使用風(fēng)電，07:00-12:00光照時(shí)間充足，供電單元為光伏、風(fēng)電、蓄電池和電網(wǎng)購(gòu)電，優(yōu)先使用光伏、風(fēng)電和蓄電池，缺額部分由電網(wǎng)購(gòu)電承擔(dān)，此時(shí)光伏和風(fēng)電的發(fā)電量比較多，電網(wǎng)購(gòu)電比較少，12:00-18:00光照較強(qiáng)，電價(jià)較低適宜蓄電池充電，18:00-22:00電價(jià)為峰值，無(wú)光照無(wú)光伏產(chǎn)電，蓄電池放電，供電單元為蓄電池、風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)購(gòu)電，22:00-24:00電價(jià)較低，蓄電池適宜充電，供電單元為風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)購(gòu)電。由于地緣熱泵制冷的熱回收功能，使得熱水不需要電鍋爐提供就可以滿(mǎn)足，所以電鍋爐出力和用電量都為0。

圖7 夏季典型日電平衡

圖8為夏季典型日冷平衡，圖9為夏季典型日熱水平衡。

圖8 夏季典型日冷平衡

圖9 夏季典型日熱水平衡

夏季冷負(fù)荷需求較高，供冷設(shè)備有地源熱泵和蓄冷罐，供熱水設(shè)備有電鍋爐、太陽(yáng)能集熱器和地源熱泵的熱回收。由于熱水負(fù)荷較小，所以太陽(yáng)能集熱器和地源熱泵的熱回收足夠滿(mǎn)足熱水負(fù)荷需求，00:00-06:00無(wú)光照，電價(jià)處于波谷，所以此時(shí)間段蓄冷罐適合蓄冷，供冷只由地源熱泵提供，熱水由地源熱泵產(chǎn)生的熱回收提供；06:00-12:00光照充足，電價(jià)處于波峰位置，所以此時(shí)蓄冷罐以放冷為主，供冷由地源熱泵和蓄冷罐共同承擔(dān)，熱水由太陽(yáng)能集熱器和電鍋爐共同出力，優(yōu)先消耗太陽(yáng)能產(chǎn)熱，如果產(chǎn)熱不足則缺額部分由電鍋爐承擔(dān)；12:00-16:00冷負(fù)荷較高，電價(jià)處于平價(jià)，蓄冷罐選擇蓄冷直到電價(jià)峰值再放出，此時(shí)熱水負(fù)荷較低，太陽(yáng)能集熱足夠滿(mǎn)足，所以地源熱泵熱回收和電鍋爐不出力；16:00-18:00電價(jià)回升，蓄冷罐放冷，此時(shí)熱水負(fù)荷較大，太陽(yáng)能集熱不能滿(mǎn)足熱水負(fù)荷，所以缺額部分由地源熱泵熱回收出力；18:00-24:00無(wú)光照，太陽(yáng)能集熱不出力，蓄冷罐由電價(jià)高低決定是否蓄冷，熱水只由電鍋爐提供。

不同場(chǎng)景結(jié)果對(duì)比，考慮碳排放，綠色證書(shū)對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響，建立3個(gè)場(chǎng)景對(duì)比分析驗(yàn)證：

1）場(chǎng)景1：只有可再生能源偏差懲罰成本。

2）場(chǎng)景2：可再生能源偏差懲罰成本+碳排放。

3）場(chǎng)景3：可再生能源偏差懲罰成本+碳排放+綠色證書(shū)交易。

由圖10可以明顯看出在夏季場(chǎng)景3的可再生能源消納比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2高，碳排放量比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2低。

圖10 夏季可再生能源消納與碳排放

表3為夏季時(shí)綜合能源系統(tǒng)的3種場(chǎng)景運(yùn)行結(jié)果對(duì)比。由表可知，夏季典型日的場(chǎng)景1總成本為8 721.88元，場(chǎng)景2比場(chǎng)景1高292.18元，場(chǎng)景3為8 417.52元，比場(chǎng)景1減少304.36元，比場(chǎng)景2減少596.54元；場(chǎng)景1的碳排放為3 868.85 kg，場(chǎng)景2比場(chǎng)景 1減少 33.49 kg，場(chǎng)景 3比場(chǎng)景 2減少6.00 kg；場(chǎng)景1風(fēng)電的消納7 449.38 kWh場(chǎng)景2比場(chǎng)景1提高了46.23 kWh，場(chǎng)景3比場(chǎng)景2提高了22.03 kWh；場(chǎng)景 1光伏消納 3 216.09 kWh，場(chǎng)景2比場(chǎng)景1提高了76.81 kWh，太陽(yáng)能集熱消納均為1 657.97 kWh。

表3 夏季各場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果對(duì)比

由圖11可以明顯看出在冬季場(chǎng)景3的可再生能源消納比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2高，碳排放量比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2低。

表4為冬季時(shí)綜合能源系統(tǒng)的3種場(chǎng)景運(yùn)行結(jié)果對(duì)比。由表可知，冬季典型日?qǐng)鼍?總成本為12 691.91元，場(chǎng)景2比場(chǎng)景1高659.91元，場(chǎng)景3比場(chǎng)景1高242.61元；場(chǎng)景1的碳排放為5 887.24 kg，場(chǎng)景2比場(chǎng)景1減少32.07 kg，場(chǎng)景3比場(chǎng)景2減少 5.99 kg；場(chǎng)景1風(fēng)電消納 7 449.38 kWh，場(chǎng)景 2比場(chǎng)景1提高了46.23 kWh，場(chǎng)景3比場(chǎng)景2提高了22.03 kWh；場(chǎng)景1光伏消納1 789.05 kWh，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3比場(chǎng)景1提高了71.56 kWh，太陽(yáng)能集熱消納均為1 570.12 kWh。

表4 冬季各場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果對(duì)比

由上述對(duì)比結(jié)果可以分析出，場(chǎng)景1的碳排放最高，場(chǎng)景1未考慮碳排放和綠色證書(shū)收益，雖然總成本比較低，但是向環(huán)境多排放了大量的二氧化碳，并且可再生能源的消納最少；場(chǎng)景2加入了碳排放成本，所以總成本最高，碳排放比起場(chǎng)景1有所減少，并且可再生能源的消納較場(chǎng)景1也得到提升；場(chǎng)景3既加入了碳排放成本，又考慮了綠色證書(shū)收益，可再生能源消納越多，綠色證書(shū)收益越高，系統(tǒng)的總成本就會(huì)越少，場(chǎng)景1到場(chǎng)景3的碳排放逐漸降低，可再生能源消納逐漸增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合可再生能源偏差懲罰、碳交易機(jī)制和綠色證書(shū)交易機(jī)制，對(duì)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比分析3種調(diào)度結(jié)果，得到結(jié)論如下：

1）將碳交易機(jī)制引入含可再生能源偏差懲罰的綜合能源調(diào)度模型，目標(biāo)函數(shù)以系統(tǒng)運(yùn)行成本、碳交易成本和偏差懲罰成本為最小總成本，可能會(huì)增加總成本，但是會(huì)減少對(duì)環(huán)境的碳排放，使系統(tǒng)更趨向于清潔性系統(tǒng)，響應(yīng)國(guó)家的“雙碳”政策。

2）將綠色證書(shū)交易機(jī)制加入上述的含可再生能源偏差懲罰和碳交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)中，增加了綠色證書(shū)收益。當(dāng)綠色能源增加時(shí)，額外收益增加，大大減少了系統(tǒng)的總成本，并且由于清潔能源使用的增加，碳排放隨之減少更多，而且提高了可再生能源發(fā)電的消納。

綜上所述，由于可再生能源出力偏差與預(yù)測(cè)出力之間的關(guān)系，使可再生能源的出力在優(yōu)化過(guò)程中要受到經(jīng)濟(jì)性的制約，使可再生能源的消納不完全，在引入可再生能源偏差懲罰的綜合能源系統(tǒng)中加入綠色證書(shū)交易機(jī)制和碳交易機(jī)制，可以減少因可再生能源偏差懲罰導(dǎo)致的棄風(fēng)、棄光，減少系統(tǒng)的總成本、促進(jìn)可再生能源的消納，可以減少對(duì)環(huán)境的碳排放量。