贠保記，張恩碩，張 國，馬柯翔，張 斌

考慮綜合需求響應(yīng)與“雙碳”機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

贠保記1,2，張恩碩1，張 國3，馬柯翔1，張 斌2

(1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.西安西瑞控制技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710077；3.長慶油田分公司西安工業(yè)服務(wù)處，陜西 西安 710021)

針對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所面臨的高耗能、高污染問題，綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)為解決能源效率和環(huán)境污染等問題提供了新的途徑。同時(shí)，靈活協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備出力是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵前提。為進(jìn)一步挖掘IES在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與低碳環(huán)保方面的調(diào)度潛力，提出一種IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。首先，建立一個(gè)包含光伏、風(fēng)電、燃?xì)鈾C(jī)組、多種儲(chǔ)能、碳捕集與電轉(zhuǎn)氣等設(shè)備的IES模型，并結(jié)合電、氣、熱負(fù)荷能源轉(zhuǎn)換間耦合關(guān)系與柔性特征，構(gòu)建綜合需求響應(yīng)模型。其次，考慮IES加入碳交易市場，引入階梯式碳交易成本模型，對(duì)系統(tǒng)碳排放量進(jìn)行制約。最后，以包含購能成本、碳排放相關(guān)成本以及需求響應(yīng)補(bǔ)償成本的系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，采用CPLEX軟件對(duì)模型求解。采用CPLEX軟件對(duì)多種運(yùn)行場景仿真求解，結(jié)果表明：所提出模型可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行成本與碳污染排放量。

碳捕集；綜合需求響應(yīng)；階梯式碳交易；低碳；綜合能源系統(tǒng)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，能源消耗和碳排放量的持續(xù)增長已成為制約社會(huì)發(fā)展的一大難題[1-2]。目前我國已成為世界上最大的能源消耗國，碳排放總量居世界第一位，人均碳排放水平超過世界平均水平40%。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用將是我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要舉措[3-5]。

目前關(guān)于IES的研究主要集中在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，而與傳統(tǒng)的電力需求響應(yīng)調(diào)控相比，綜合需求響應(yīng)(integrated demand response, IDR)既有著平抑電負(fù)荷曲線、減小電網(wǎng)調(diào)峰壓力、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本的優(yōu)點(diǎn)，又可以把需求響應(yīng)擴(kuò)展應(yīng)用到電、氣、熱等多種能源體系中，通過系統(tǒng)內(nèi)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種能源間的耦合互補(bǔ)，有著更高的優(yōu)化調(diào)控潛力。文獻(xiàn)[6]綜合考慮了供需雙側(cè)熱/電耦合與電/熱負(fù)荷需求響應(yīng)，通過供需雙側(cè)電熱轉(zhuǎn)換，建立了聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]將電力網(wǎng)與天然氣網(wǎng)綜合需求響應(yīng)引入到多能源系統(tǒng)中，通過構(gòu)建價(jià)格刺激信號(hào)引導(dǎo)用戶改變用電和用氣行為。但上述研究并未考慮到系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[8]提出將電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)設(shè)備引入多能源系統(tǒng)，得到了P2G設(shè)備有助于提高系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論。文獻(xiàn)[9]提出在IES中將P2G與儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合，通過燃?xì)鈾C(jī)組和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)電-氣網(wǎng)絡(luò)的耦合互聯(lián)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)電消納能力，但忽略了P2G設(shè)備甲烷化環(huán)節(jié)外購CO2成本。

碳捕集與封存(carbon capture and stora, CCS) 技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)CO2深度減排、減緩全球氣候變暖最經(jīng)濟(jì)、可靠的環(huán)保技術(shù)之一，有助于實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的可持續(xù)低碳化發(fā)展[10]。文獻(xiàn)[11]介紹了碳捕集電廠的工作原理與運(yùn)行特性，并對(duì)碳捕集技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景進(jìn)行了深入分析。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了碳捕集電廠靈活捕獲及存儲(chǔ)模型，驗(yàn)證了通過靈活的運(yùn)行模式可有效減少碳捕獲能耗，降低系統(tǒng)碳排放量。由此考慮到CCS設(shè)備與P2G設(shè)備在工作機(jī)理上的耦合特性，即CCS將捕獲到的CO2供給P2G設(shè)備，P2G設(shè)備利用CO2合成天然氣再輸送燃?xì)鈾C(jī)組或氣負(fù)荷側(cè)，這為提高碳捕集技術(shù)應(yīng)用范疇與碳資源利用率提供了新思想。

碳交易機(jī)制是通過市場交易來推動(dòng)企業(yè)響應(yīng)政府節(jié)能減排政策的有效手段，其主要分為兩類，分別是傳統(tǒng)式碳交易機(jī)制與階梯式碳交易機(jī)制。文獻(xiàn)[13]提出了考慮碳交易和負(fù)荷預(yù)測誤差的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并通過算例證明了合理的碳權(quán)裕度可有效減少系統(tǒng)碳污染排放量與碳交易成本。文獻(xiàn)[14]在包含大規(guī)模光伏電源的電力系統(tǒng)中引入了傳統(tǒng)碳交易機(jī)制，并綜合考慮了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和低碳性，證明了碳交易機(jī)制可以有效降低電力生產(chǎn)所帶來的碳排放成本。但文獻(xiàn)[13-14]只考慮了傳統(tǒng)式碳交易機(jī)制參與系統(tǒng)調(diào)度。文獻(xiàn)[15]構(gòu)建了考慮熱網(wǎng)約束和碳交易的調(diào)度模型，并在模型中引入兩種碳交易模式，對(duì)比結(jié)果表明，階梯式碳交易模式可進(jìn)一步約束系統(tǒng)碳排放總量，提高新能源消納率。

因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文在需求響應(yīng)側(cè)考慮了電、氣、熱綜合需求響應(yīng)，在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面引入了“雙碳”策略，即CCS和P2G聯(lián)合運(yùn)行與階梯式碳交易機(jī)制，在滿足系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷平衡、設(shè)備出力約束、儲(chǔ)能約束等條件下，構(gòu)建了以系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，并通過CPLEX軟件對(duì)多種模擬場景求解。仿真結(jié)果表明：考慮IDR與“雙碳”機(jī)制的優(yōu)化調(diào)度模型能在降低系統(tǒng)碳污染排放量的同時(shí)，進(jìn)一步發(fā)揮IES的多能互補(bǔ)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型

本文所提配置CCS與P2G設(shè)備的IES結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中CCS與P2G設(shè)備通過聯(lián)合運(yùn)行模式將天然氣輸送給系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組或氣負(fù)荷側(cè)，實(shí)現(xiàn)了“電-氣”系統(tǒng)的雙向能量交互。系統(tǒng)能源供給側(cè)包括上級(jí)電網(wǎng)與燃?xì)夤舅饩W(wǎng)。系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)由電、熱、氣3種負(fù)荷組成。能源轉(zhuǎn)換單元包括燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、P2G和氫燃料電池。儲(chǔ)能單元包括電、熱、氫儲(chǔ)能設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)、可再生清潔能源與上級(jí)電網(wǎng)提供，熱負(fù)荷由回收式制熱設(shè)備與燃?xì)忮仩t提供，氣負(fù)荷由P2G設(shè)備與上級(jí)燃?xì)夤韭?lián)合供應(yīng)。

圖1 IES結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光伏與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備模型

光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電較傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組有著無污染與可再生的優(yōu)點(diǎn)，且發(fā)電成本低、適配范圍廣，其輸出功率主要受光照強(qiáng)度與風(fēng)速影響[16]，簡化模型可表示為

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)模型與回收式制熱設(shè)備模型

燃?xì)廨啓C(jī)作為IES的主要電能供給設(shè)備，其輸入為天然氣，輸出為電能，在燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電的同時(shí)可將其產(chǎn)生的熱量通過回收式制熱設(shè)備輸送給用戶供熱，燃?xì)廨啓C(jī)輸出電功率與回收式制熱設(shè)備輸出熱功率可分別表示為

1.3 氫燃料電池模型

氫燃料電池可將高品質(zhì)氫能轉(zhuǎn)化為電能，其輸入與輸出的關(guān)系可表示為

1.4 燃?xì)忮仩t模型

燃?xì)忮仩t作為IES熱負(fù)荷的主要供給設(shè)備，其輸出的熱功率與熱轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，數(shù)學(xué)模型為

1.5 儲(chǔ)能設(shè)備模型

從能量傳遞及轉(zhuǎn)換的角度考慮，儲(chǔ)能設(shè)備模型相似[17]，因此本文將儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫設(shè)備用統(tǒng)一模型進(jìn)行表述。

1.6 碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行模型

將碳捕集設(shè)備應(yīng)用到傳統(tǒng)燃煤電廠或天然氣電廠后，即將其改造為碳捕集電廠，在碳捕集電廠運(yùn)行階段，碳捕集設(shè)備會(huì)將捕獲的部分碳排封存處理，另外一部分碳排作為甲烷化材料輸送給電轉(zhuǎn)氣設(shè)備?？紤]到系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，當(dāng)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的綜合運(yùn)行成本低于購氣成本時(shí)，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將電能分解轉(zhuǎn)換，第一階段是電解制氫，產(chǎn)出的氫氣可供給儲(chǔ)氫設(shè)備作為氫燃料電池的燃料來源，第二階段是甲烷化產(chǎn)氣，產(chǎn)出的天然氣經(jīng)燃?xì)夤艿垒斔椭料到y(tǒng)內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組或氣負(fù)荷側(cè)，降低了系統(tǒng)購氣成本，其數(shù)學(xué)模型如式(8)—式(15)所示。

2 電、氣、熱綜合需求響應(yīng)模型

2.1 電負(fù)荷需求響應(yīng)模型

本文考慮把可時(shí)移電負(fù)荷與可中斷電負(fù)荷作為調(diào)控手段參與電力需求響應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

1) 可時(shí)移負(fù)荷

可時(shí)移負(fù)荷指在負(fù)荷高峰期通過暫時(shí)改變用戶用能習(xí)慣，達(dá)到減少或推移用能時(shí)段的負(fù)荷。其特點(diǎn)在于用能時(shí)間靈活，用能總量恒定，可用如式(17)所示條件表述。

2) 可中斷負(fù)荷

可中斷負(fù)荷指在不影響用能側(cè)正常生活、工作的前提下，可對(duì)部分負(fù)荷進(jìn)行削減，描述為如式(18)所示條件。

2.2 氣負(fù)荷需求響應(yīng)模型

天然氣與電力作為IES的主要用能供給源，二者具有相似的市場屬性。本文考慮把可時(shí)移氣負(fù)荷作為調(diào)控措施參與到氣負(fù)荷需求響應(yīng)中，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

2.3 熱負(fù)荷需求響應(yīng)模型

由于人體對(duì)溫度舒適性的感知具有一定的模糊性，且熱力供應(yīng)具有延遲性，因此在一定范圍內(nèi)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)整不會(huì)影響到用戶的舒適性[18]。本文將可時(shí)移熱負(fù)荷作為調(diào)控措施參與熱負(fù)荷需求響應(yīng)，熱負(fù)荷總量與可時(shí)移負(fù)荷量可表示為

3 碳交易機(jī)制

碳交易機(jī)制的本質(zhì)是將碳排放配額視為商品，并允許通過碳配額市場進(jìn)行配額交易，從而推動(dòng)各交易體實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要機(jī)制[19]。政府監(jiān)管部門為碳排放源分配碳排放配額，各碳排放源根據(jù)配額數(shù)量合理安排生產(chǎn)計(jì)劃。若碳排放總量低于分配額度，則可將盈余額度放到碳交易市場出售；若碳排放總量超出分配額度，則需要在碳交易市場購買碳排放配額。

據(jù)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計(jì)，國家碳排放權(quán)交易市場首批覆蓋的高耗能產(chǎn)業(yè)(電力、鋼鐵、化工等)碳排放量將超過40億t。因此有必要將碳交易機(jī)制引入IES，將系統(tǒng)碳排放量與經(jīng)濟(jì)成本掛鉤，以此推動(dòng)IES低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.1 碳配額

目前我國碳排放配額初始分配方式可分為兩種：無償配額與有償配額。為提高各生產(chǎn)企業(yè)或單位響應(yīng)國家節(jié)能減排政策的積極性，本文選擇無償配額方式，且認(rèn)為向上級(jí)電網(wǎng)購買的電力均由燃煤火電廠產(chǎn)生。因此IES的碳排放主要來源于燃煤火電機(jī)組、燃?xì)忮仩t與燃?xì)廨啓C(jī)，其無償碳配額由上級(jí)燃煤火電機(jī)組及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量確定[20]，可用式(21)所示的數(shù)學(xué)模型表述。

3.2 階梯式碳交易模型

為進(jìn)一步控制IES碳排放總量，本文采用階梯式碳交易模型。階梯區(qū)間以IES無償碳排放配額為基準(zhǔn)，當(dāng)IES實(shí)際碳排放總量小于無償碳配額時(shí)，可將盈余配額在碳交易市場售出獲取經(jīng)濟(jì)利益，反之則需要在碳交易市場購買碳排放配額，配額區(qū)間越大，購買費(fèi)用越高。

4 IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

1) 購能成本

2) 碳排放相關(guān)成本

3) 可中斷負(fù)荷補(bǔ)償成本

4.2 約束條件

1) 設(shè)備運(yùn)行約束

2) 儲(chǔ)能約束

3) 需求響應(yīng)約束

約束條件如式(16)—式(20)所示。

4) 碳封存約束

考慮到大量封存的CO2注入到地下咸水層或油氣藏中會(huì)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而造成地下飲用水污染，極端情況下會(huì)誘發(fā)地表形變或坍塌，因此設(shè)置碳捕集電廠封存CO2上限，其表達(dá)式為

5) 電、熱、氣、氫功率平衡約束

5 算例分析

圖2 電、氣、熱負(fù)荷及風(fēng)光機(jī)組預(yù)測出力曲線

表1 IES內(nèi)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

表2 儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)

表3 分時(shí)電價(jià)

5.1 碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行分析

為驗(yàn)證碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與可行性，在如圖1所示的IES中設(shè)置以下3種場景進(jìn)行對(duì)比分析。

場景1：系統(tǒng)運(yùn)行在階梯式碳交易機(jī)制下，未考慮碳捕集與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備參與系統(tǒng)運(yùn)行，優(yōu)化目標(biāo)未考慮碳交易成本，未考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制。

場景2：系統(tǒng)運(yùn)行在階梯式碳交易機(jī)制下，考慮碳捕集與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備參與系統(tǒng)運(yùn)行，優(yōu)化目標(biāo)未考慮碳交易成本，未考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制。

場景3：系統(tǒng)運(yùn)行在階梯式碳交易機(jī)制下，考慮碳捕集與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備參與系統(tǒng)運(yùn)行，優(yōu)化目標(biāo)考慮碳交易成本，未考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制。

表4 不同場景下系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

由表4的運(yùn)行結(jié)果可知，場景2的總運(yùn)行成本較場景1減少了102.08元。在系統(tǒng)碳排放總量方面，由于場景2 的目標(biāo)函數(shù)未考慮碳交易成本，系統(tǒng)僅以購能成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)碳排放總量最高。當(dāng)場景3的優(yōu)化目標(biāo)計(jì)及碳交易成本后，其總運(yùn)行成本與碳排放總量最低，相比于場景2，其總運(yùn)行成本與碳排放總量分別減少了190.85元、1759.4 kg。

在場景3碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備協(xié)同運(yùn)行階段，碳捕集設(shè)備首先將電廠排放的部分煙氣過濾吸收，之后采用壓縮機(jī)將捕集到的部分CO2進(jìn)行壓縮封存處理，同時(shí)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將電解槽產(chǎn)生的部分氫能供給甲烷反應(yīng)器，在甲烷化過程中氫氣會(huì)吸收一部分捕集到的CO2，從而降低了碳封存成本與外購CO2成本。與場景1進(jìn)行對(duì)比，場景3的總運(yùn)行成本與碳排放總量分別減少了3.3%與6.1%。

因此，與目標(biāo)函數(shù)僅考慮購能成本的仿真場景相比，考慮碳交易成本與“碳捕集-電轉(zhuǎn)氣設(shè)備”協(xié)同工作參與系統(tǒng)運(yùn)行，可有效降低系統(tǒng)碳排放總量與運(yùn)行成本，提升碳資源利用效率。

5.2 傳統(tǒng)式碳交易與階梯式碳交易效益分析

為了評(píng)估不同碳交易機(jī)制對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本及碳排放量的影響，本文設(shè)置以下3種場景進(jìn)行對(duì)比分析。

場景4：在場景3的基礎(chǔ)上，IES運(yùn)行在傳統(tǒng)式碳交易機(jī)制下。

場景5：在場景4的基礎(chǔ)上，考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制。

場景6：在場景3的基礎(chǔ)上，考慮綜合需求響應(yīng)機(jī)制。

以上場景的IES運(yùn)行結(jié)果如表5所示。

表5 不同碳交易機(jī)制下系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

由以上多種場景運(yùn)行結(jié)果可以看出，場景5的系統(tǒng)總運(yùn)行成本與碳排放總量較場景4分別減少了5.2%與6.3%，場景6的系統(tǒng)總運(yùn)行成本與碳排放總量較場景3分別減少了5.2%與7.3%?？梢?，當(dāng)系統(tǒng)考慮了綜合需求響應(yīng)機(jī)制后，IES可以更好地發(fā)揮其電、氣、熱能源間的耦合互補(bǔ)優(yōu)勢，降低系統(tǒng)購能成本與碳排放量，提高系統(tǒng)的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

此外，場景6的總運(yùn)行成本較場景5只增加了76.82元，而在碳排放量方面，場景6的碳排放總量較場景5減少了680.86 kg，即減少了7.7%。這是因?yàn)閳鼍?的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行在傳統(tǒng)式碳交易機(jī)制下，碳交易成本以恒定基礎(chǔ)碳價(jià)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而導(dǎo)致碳交易成本較低，因此其對(duì)系統(tǒng)碳排放的約束能力有限，而場景6是在階梯式碳交易的背景下進(jìn)行優(yōu)化分析的，階梯式碳價(jià)會(huì)提高碳交易成本，但可以進(jìn)一步限制系統(tǒng)碳排放總量。

綜合來看，階梯式碳交易機(jī)制能保證系統(tǒng)運(yùn)行成本處于較低水平的同時(shí)，進(jìn)一步約束系統(tǒng)碳排放總量。

5.3 系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果分析

考慮綜合需求響應(yīng)與“雙碳”機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)(場景6)電、氣、熱優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3 電功率優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

圖4 氣功率優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

圖5 熱功率優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

由圖3可以看出，系統(tǒng)計(jì)及綜合需求響應(yīng)機(jī)制后，電負(fù)荷曲線的峰谷差較優(yōu)化前降低了98.04 kW。在23：00—07：00電價(jià)谷時(shí)段，系統(tǒng)優(yōu)先利用風(fēng)電功率，但由于該時(shí)段內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的綜合運(yùn)行成本高于購電成本，故電負(fù)荷不足部分可直接向上級(jí)電網(wǎng)購買。在07：00—09：00與21：00—23：00時(shí)段系統(tǒng)電負(fù)荷值較低，此時(shí)電負(fù)荷由光伏、風(fēng)電機(jī)組與燃?xì)廨啓C(jī)提供。在09：00—21：00時(shí)段系統(tǒng)電負(fù)荷值較高，由于此時(shí)向電網(wǎng)購電產(chǎn)生的綜合成本高于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行成本，因此主要依靠燃?xì)廨啓C(jī)與光伏、風(fēng)電機(jī)組滿足電負(fù)荷需求，但燃?xì)廨啓C(jī)受到功率上限約束，不足部分則需要由電儲(chǔ)能與氫燃料電池提供。電儲(chǔ)能設(shè)備與氫燃料電池在系統(tǒng)高負(fù)荷與高電價(jià)階段參與了系統(tǒng)運(yùn)行，改善了系統(tǒng)供能方式，減少了系統(tǒng)購能成本。

由圖4可以看出，系統(tǒng)計(jì)及綜合需求響應(yīng)機(jī)制后，氣負(fù)荷曲線的峰谷差較優(yōu)化前降低了11.16 kW。在07：00—23：00時(shí)段，天然氣價(jià)格恒定不變，而電價(jià)處于中高階段，此時(shí)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的綜合運(yùn)行成本高于天然氣價(jià)，因此所需氣負(fù)荷可直接向上級(jí)氣網(wǎng)購買。在谷電價(jià)時(shí)期，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的運(yùn)行成本與甲烷合成所帶來的降碳成本之和低于氣價(jià)，但電轉(zhuǎn)氣設(shè)備存在功率上限，故此時(shí)氣負(fù)荷由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備與外購天然氣聯(lián)合供應(yīng)。

由圖5可以看出，系統(tǒng)計(jì)及綜合需求響應(yīng)機(jī)制后，熱負(fù)荷曲線的峰谷差較優(yōu)化前降低了55.64 kW。在20：00—08：00時(shí)段，熱負(fù)荷處于高峰期，此時(shí)熱負(fù)荷由燃?xì)忮仩t、回收式制熱設(shè)備與儲(chǔ)熱設(shè)備供能；在08：00—20：00時(shí)段，熱負(fù)荷值較低，而此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)出力較多，回收式制熱設(shè)備將燃?xì)廨啓C(jī)余熱進(jìn)行回收并供給熱負(fù)荷側(cè)，因此熱負(fù)荷主要由回收式制熱設(shè)備提供，燃?xì)忮仩t作為補(bǔ)充，儲(chǔ)熱設(shè)備起到了調(diào)峰作用。

6 結(jié)論

在目前我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源環(huán)境趨向高效能、低耗能、低碳排發(fā)展的大環(huán)境下，本文提出建立含電-氣-熱綜合需求響應(yīng)的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并引入階梯式碳交易機(jī)制與“碳捕集-電轉(zhuǎn)氣設(shè)備”協(xié)同工作參與系統(tǒng)運(yùn)行，通過設(shè)置多個(gè)場景對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：所提出模型可有效降低系統(tǒng)總體運(yùn)行成本與碳污染排放量，此外優(yōu)化運(yùn)行后IES的電、氣、熱負(fù)荷曲線更加平滑，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、減少電網(wǎng)供能壓力發(fā)揮了積極作用。

隨著綜合能源系統(tǒng)和信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)人工智能、云計(jì)算、5G等高新技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)深度融合，推動(dòng)綜合能源系統(tǒng)數(shù)字化、智能化發(fā)展將是未來研究工作的重點(diǎn)。

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Optimal operation of an integrated energy system considering integrated demand response and a "dual carbon "mechanism

YUN Baoji1, 2, ZHANG Enshuo1, ZHANG Guo3, MA Kexiang1, ZHANG Bin2

(1. Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 2. Xi'an Xirui Control Technology Co., Ltd., Xi'an 710077, China; 3. Xi'an Industrial Service Office, Changqing Oilfield Branch, Xi'an 710021, China)

In view of the high energy consumption and pollution problems facing economic and socialdevelopment in China, an integrated energy system (IES) provides a new way to solve problems such as energy efficiency and environmental pollution. At the same time, flexible coordination of the output of various pieces of equipment in the system is key to realizing low-carbon and economic operation. To further explore the IES in terms of dispatch potential in economic operation and low-carbon environmental protection, an IES low-carbon economic dispatch model is proposed. First, this paper establishes an IES model including photovoltaic, wind power, gas-fired units, various types of energy storage, carbon capture and power-to-gas equipment. It then combines the coupling relationship and flexibility characteristics between electricity, gas, and heat load energy conversion to construct a comprehensive demand response model. Second, it considers IES joining the carbon trading market, and introduces a stepped carbon trading cost model to restrict system carbon emissions. Finally, the optimization goal is to minimize the comprehensive operating cost of the system including energy purchase, carbon emission-related and demand response compensation costs. CPLEX software is used to simulate various operation scenarios, and the results show that the proposed model can effectively reduce the system operation cost and carbon pollution emissions.

carbon capture; integrated demand response; ladder-type carbon trading; low-carbon; integrated energy system

10.19783/j.cnki.pspc.220621

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51777155)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51777155).

2021-04-29；

2022-05-31

贠保記(1966—)，男，碩士生導(dǎo)師，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制技術(shù)；E-mail: yunbaoji@ vip.163.com

張恩碩(1995—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磁c電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行；E-mail: 806601222@ qq.com

張 國(1981—)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏刂萍白詣?dòng)化。E-mail: 40510122@qq.com

(編輯 魏小麗)