鄧淑斌, 李嶸, 梁志飛, 凡鵬飛, 賈旭東, 李梓仟

(1.廣州電力交易中心有限責任公司,廣州市510663;2. 電力規(guī)劃總院有限公司,北京市100120)

0 引 言

為助力實現(xiàn)“碳達峰,碳中和”戰(zhàn)略目標,我國正建設以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。同時,為了促進新能源消納和降低碳排放,我國正逐步實施綠色證書交易機制和碳排放交易機制,通過市場機制手段調(diào)整能源結構和約束碳排放,進一步推動能源結構轉型和實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展[1]。

隨著分布式能源的快速發(fā)展以及近年來我國以天然氣為核心能源的綜合能源社區(qū)的大力建設,目前配網(wǎng)側同樣面臨著新能源消納和降低碳排放的雙重壓力[2-3]。因此,如何實現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟運行并促進分布式新能源的消納是配電網(wǎng)運行面對的重要挑戰(zhàn)之一。

由于碳排放交易機制將碳排放權視為商品進行交易,通過市場手段實現(xiàn)對碳排放量的有效控制,因此通過引入碳交易可實現(xiàn)能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。在配網(wǎng)側,目前研究大多關注綜合能源微網(wǎng)或虛擬電廠的低碳經(jīng)濟運行或規(guī)劃問題。如文獻[4]提出了一種考慮需求響應和碳交易機制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型,仿真結果表明通過制定合理的碳交易價格可以實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。文獻[5]考慮碳交易機制建立了考慮購能成本、碳排放成本和棄風成本的電氫綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行策略,實現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳運行。文獻[6]提出了考慮碳交易成本的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)分布式調(diào)度方法,實現(xiàn)了不完全信息下綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。文獻[7]則考慮碳交易影響,提出了電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃運行方法,實現(xiàn)了電網(wǎng)的低碳規(guī)劃運行。文獻[8]以包含電動汽車、燃氣輪機、風光分布式電源組成的虛擬電廠為研究對象,建立考慮碳交易的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型,實現(xiàn)了虛擬電廠低碳經(jīng)濟調(diào)度。文獻[9]引入碳交易機制提出了虛擬電廠競標策略,實現(xiàn)了虛擬電廠的低碳經(jīng)濟運行。文獻[10]提出了考慮碳交易機制的含風電電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法,文獻[11]則提出一種考慮風險和碳交易機制的微電網(wǎng)分布魯棒優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[12]實現(xiàn)了低碳工藝與流程控制的鋼鐵工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)低碳運行。而文獻[13] 提出了基于碳交易機制和需求響應的配電網(wǎng)重構方法,文獻[14]提出了計及碳排放成本的輸電網(wǎng)與風電分布魯棒協(xié)同擴展規(guī)劃方法,文獻[15]則提出了低碳背景下基于自適應魯棒優(yōu)化的含源配電系統(tǒng)規(guī)劃方法。

隨著大量分布式能源并網(wǎng),新能源的消納也是配網(wǎng)側急需解決的問題之一。配額制和綠證交易機制,通過規(guī)定新能源消納比例,明確消納責任,倒逼發(fā)電商或電力用戶出售或消納綠色電力,可有效緩解新能源補貼資金壓力,促進新能源可持續(xù)發(fā)展。文獻[16]同時考慮碳交易和綠證交易提出了虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度運行策略,實現(xiàn)了虛擬電廠的低碳運行,并促進了新能源消納。文獻[17]考慮碳交易-綠證成本,以及柔性負荷調(diào)度成本,提出一種“源-荷”互動優(yōu)化調(diào)度策略,實現(xiàn)了發(fā)電側資源與多種柔性負荷資源的優(yōu)化調(diào)度。文獻[18]提出一種融合綠證-碳排放等價交互機制的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法,提高了系統(tǒng)綠電占比和經(jīng)濟性。文獻[19]以綠證為基礎,考慮碳排放權的交易和需求側響應,建立了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型,促進了風電的消納,并降低了碳排放量。文獻[20]則考慮綠證交易和等待補貼,提出一種綠證定價動態(tài)模型,實現(xiàn)了新能源發(fā)電企業(yè)的綠證報價策略優(yōu)化,提高了其市場價格優(yōu)勢。文獻[21]考慮碳交易和綠證交易制度,提出一種電力批發(fā)市場能源優(yōu)化模型,降低了碳排放,并優(yōu)化了碳配額和綠證比例。文獻[22]提出一種綠證和碳聯(lián)合交易模型,通過全局優(yōu)化方法實現(xiàn)了綠證和碳排放權資源的優(yōu)化配置,促進了新能源發(fā)電消納,降低了化石燃料機組的碳排放量。文獻[23]討論了區(qū)塊鏈技術在綠電追溯、綠證交易、碳交易、綠證與碳資產(chǎn)聯(lián)合市場4個方向的適用性,并分析了目前我國分布式綠色能源碳交易機制及碳數(shù)據(jù)管理所面臨的一些挑戰(zhàn)。文獻[24]則介紹了世界主要碳市場的建設歷程和發(fā)展現(xiàn)狀,總結討論了主要國家的碳市場機制,并分析了中國碳市場發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),給出了中國碳市場未來的發(fā)展建議。文獻[25]提出了基于區(qū)塊鏈的綠證交易撮合及流通模型。文獻[26]對基于賣方靈活合同的綠電與綠證中長期聯(lián)合交易機制及其均衡進行了深入分析。文獻[27]提出了發(fā)電聯(lián)盟參與電-碳-綠證市場的協(xié)同優(yōu)化策略。文獻[28]提出了計及綠證-碳交易與氫能的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調(diào)度方法。

綜上所述,通過考慮碳交易和綠證交易可有效降低碳排放和促進新能源消納,然而目前的相關研究多以綜合能源微網(wǎng)和虛擬電廠為研究對象,忽略了配電網(wǎng)層面的碳交易和綠證交易機制的實施以及系統(tǒng)運行問題。而配電網(wǎng)作為分布式能源消納的重要載體,實現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟運行和新能源的高比例消納對于促進分布式能源發(fā)展和降低碳排放具有重要意義。

基于以上討論分析,本文同時將碳交易和綠證交易機制引入到配電網(wǎng)優(yōu)化運行當中,以配電網(wǎng)綜合運行成本為目標,考慮配電網(wǎng)潮流約束,分布式能源運行約束等,建立了配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟優(yōu)化運行模型;通過改進的IEEE 15節(jié)點配電網(wǎng)算例對所提配電網(wǎng)優(yōu)化運行模型進行驗證,并針對碳交易和綠證交易機制對配電網(wǎng)優(yōu)化運行的影響進行討論分析,以期為滿足配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟運行的發(fā)展需求提供方法參考。

1 碳交易和綠證交易機制

1.1 碳交易機制

目前我國主要采用基準線法免費給企業(yè)碳排放源分配碳排放配額。當企業(yè)碳排放總量大于其碳排放配額總量時,需要從碳交易市場購買不足的碳排放量,并付出額外的成本;當企業(yè)碳排放總量小于其碳排放配額總量時,可在碳交易市場中出售剩余的碳排放量,并獲得相應的收益。碳交易成本可表示為[6]:

Cct=Pc(Ece-Ecq)

(1)

式中:Cct為碳交易成本;Pc為碳交易價格,Ece為實際碳排放總量;Ecq為碳配額總量。

1)碳配額總量Ecq。

(2)

(3)

燃氣鍋爐為用戶供熱,其碳排放配額可認為與其供熱量成正比,可表示為:

(4)

2)實際碳排放總量Ece。

系統(tǒng)實際碳排放總量為燃機輪機和燃氣鍋爐實際碳排放總量之和,表示為:

(5)

(6)

1.2 綠證交易機制

目前我國主要采用基于配額制的綠證交易機制,通過規(guī)定新能源電力在負荷中的比例明確各發(fā)電企業(yè)或用戶的新能源消納責任,以促進新能源消納。當綠證交易參與主體獲得的綠證數(shù)量多于其配額數(shù)量時,可以出售多余的綠證以獲得收益;反之,需要購買缺少的綠證以滿足考核要求。本文配電網(wǎng)綠證交易成本Cgc可表示為[18]:

Cgc=Pgc(Ggc,o-Ggc,q)

(7)

式中:Ggc,o為配電網(wǎng)獲得的綠證數(shù)量,本;Ggc,q表示綠證配額數(shù)量,本;Pgc為綠證交易價格,元/本。

(8)

(9)

由以上碳交易和綠證交易模型可知,配電網(wǎng)優(yōu)化運行決策中,通過優(yōu)化燃氣輪機、燃氣鍋爐出力直接影響系統(tǒng)的碳排放量和配額;同時通過優(yōu)化新能源消納量直接影響綠證獲得數(shù)量,進而優(yōu)化碳交易成本和綠證交易成本。從碳交易和綠證交易機制模型來看,前者主要調(diào)控傳統(tǒng)碳排放機組的出力,后者主要調(diào)控新能源機組的消納,二者模型之間并未有顯性的耦合關系。碳交易和綠證交易的耦合機理和協(xié)調(diào)作用機制本質(zhì)上是多種市場機制的均衡問題,也是研究的熱點、難點和亟需解決的重要科學問題。本文暫不考慮該問題,重點探討配電網(wǎng)參與碳交易和綠證交易場景下的低碳經(jīng)濟優(yōu)化運行問題。

2 考慮碳交易和綠證交易的配電網(wǎng)優(yōu)化運行模型

配電網(wǎng)以最小化綜合運行成本為目標優(yōu)化其運行策略,目標函數(shù)為:

(10)

式中:Cbuy為配電網(wǎng)從上級電網(wǎng)購電的成本;Cgas為天然氣成本;Cge為從新能源購電的成本;Cct為碳交易成本;Cgc為綠證交易成本;最后一項為網(wǎng)損成本,λloss為網(wǎng)損成本系數(shù),取0.5元/kWh。

(11)

(12)

(13)

燃氣輪機和新能源發(fā)電(風電光伏)均并網(wǎng)運行,同時燃氣輪機和鍋爐協(xié)調(diào)運行,共同為當?shù)毓?燃氣輪機需滿足約束[30]:

(14)

燃氣鍋爐需滿足下面運行約束[30]:

(15)

熱負荷需求節(jié)點需滿足熱功率平衡約束:

(16)

新能源上網(wǎng)功率不超過其最大預測輸出功率:

(17)

輻射狀配電網(wǎng)的二階錐形式的潮流約束可表示為[31]:

(18)

3 算例分析

3.1 算例配置

如圖1所示,以改進的IEEE 15節(jié)點配電網(wǎng)為例,對所提考慮碳交易和綠證交易配電網(wǎng)優(yōu)化運行方法進行驗證。分布式新能源電站通過節(jié)點3、5、6并網(wǎng)運行,其中節(jié)點3、6為風電,節(jié)點5為光伏。風電和光伏的預測功率見圖2。燃氣輪機通過節(jié)點4、10、12并網(wǎng)運行,節(jié)點4、10、12有熱負荷需求,由圖3給出,通過燃氣輪機和鍋爐來滿足其熱需求。配電網(wǎng)根節(jié)點電壓標幺值取為1.0 pu,其他節(jié)點電壓標幺值波動范圍取0.9～1.1 pu;各節(jié)點有功功率設置為原系統(tǒng)數(shù)據(jù)的10倍,一天各時刻的波動規(guī)律見圖4。碳交易價格為80元/t,綠證交易價格為100元/本,新能源上網(wǎng)電價為0.38元/kWh,新能源配額比例取0.3。燃氣輪機和鍋爐的容量及運行參數(shù)見表1。算例考慮4種場景,如表2所示,其中“√”和“×”分別表示考慮和不考慮該要素,場景1為參考場景,不考慮碳交易和綠證交易機制;場景2僅考慮碳交易機制;場景3僅考慮綠證交易機制;場景4同時考慮碳交易和綠證交易機制。

表1 燃氣輪機和鍋爐參數(shù)Table 1 The parameters for gas turbines and boilers

表2 場景劃分Table 2 The case settings

圖1 改進的IEEE 15節(jié)點配電網(wǎng)Fig.1 The improved IEEE 15 node distribution network

圖2 新能源預測功率Fig.2 The predicted output power of new energies

圖3 熱負荷需求Fig.3 The heating demands

圖4 電負荷變化曲線Fig.4 The change curve of power load

3.2 不同場景仿真結果對比分析

表3給出了系統(tǒng)碳排放和綠電比例仿真結果,對比仿真結果可以看出,相比場景1,場景2、場景3和場景4的碳排放量分別下降了28.57%,24.11%和29.72%,說明碳交易機制和綠證交易機制均有顯著的碳減排作用,同時考慮碳交易機制和綠證交易機制的碳減排效果最明顯。與場景1相比,場景2、場景3和場景4的綠電占比均有顯著的提高,說明碳交易機制和綠證交易機制均可以促進新能源的消納。比較場景2和場景3可以看出,碳交易機制的減排作用大于綠證交易機制,而綠證交易機制在促進新能源消納方面的作用要優(yōu)于碳排放交易機制。

表3 碳排放和綠電比例結果Table 3 The results of carbon emission and the ratio of green power

表4給出了系統(tǒng)運行成本,從表4可以看出,相比場景1,場景2、場景3和場景4系統(tǒng)的碳交易成本或綠證交易成本均為負值,表明系統(tǒng)通過參與碳交易和綠證交易獲得了較為客觀的收益,由表3中新能源的占比可知由于系統(tǒng)消納了較多的新能源,使得系統(tǒng)實際碳排放量小于碳配額,且獲得的綠證數(shù)量大于綠證配額,因此通過碳交易和綠證交易獲得了收益,降低了系統(tǒng)總運行成本,有效提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。場景4說明同時考慮碳交易機制和綠證交易,不僅可以實現(xiàn)較好的減排和促進新能源消納效果,同時可以有效提升系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

表4 運行成本結果Table 4 The results of operation cost

表5給出了新能源消納情況,從表5可以看出,場景1有較大的棄風棄光率,約為40.29%,場景2考慮了碳交易機制后,為降低碳排放,系統(tǒng)大幅提高了新能源的消納,棄風棄光率下降為14.83%;說明碳交易機制的實施可有效促進新能源消納,而場景3和場景4的新能源被完全消納,可見綠證交易機制在促進新能源消納方面具有明顯的效果和優(yōu)勢。

表5 新能源消納結果Table 5 The results of consumption of new energies

因此,通過上述討論可知,在配網(wǎng)實際運行當中,分別僅參與碳排放權交易或綠證交易,均可有效降低碳排放和提高綠電占比,并取得較為明顯的運行效益;而同時參與碳排放權和綠證交易,在碳減排、綠電占比和運行收益方面的作用最為明顯,效果最好。配網(wǎng)實際運行過程中,可根據(jù)當?shù)靥际袌龊途G證市場的具體建設情況,并結合運行目標需求選擇參與交易的市場類型。

圖5給出了場景4考慮碳交易和綠證交易機制下配電網(wǎng)的優(yōu)化運行結果,可以看出系統(tǒng)的電負荷主要通過消納新能源來滿足,不足的部分通過從上級電網(wǎng)購電以及燃氣輪機發(fā)電來提供,通過優(yōu)化供電策略保證了系統(tǒng)的電功率供需平衡,同時實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。

圖5 系統(tǒng)電功率平衡優(yōu)化結果Fig.5 The optimal operation results of power balance

3.3 碳交易價格和綠證價格靈敏度分析

為進一步分析碳交易價格對系統(tǒng)碳排放量的影響,在僅考慮碳排放交易機制的場景2的基礎上,改變碳交易價格,得到了圖6所示不同碳交易價格時系統(tǒng)的碳排放量?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著碳交易價格的升高,系統(tǒng)的碳排放量逐漸降低。在碳交易價格遞增的初始階段碳交易價格對系統(tǒng)碳排放量的影響較大,當碳交易價格增大到一定程度,碳交易價格對系統(tǒng)碳排放量的影響變小。這是因為隨著碳交易價格的升高,為降低運行成本,系統(tǒng)通過優(yōu)化運行策略降低碳排放量,通過碳交易獲得收益,從而降低運行成本。碳交易價格升高到一定程度后,受新能源容量限制等,碳減排效果逐漸降低。

圖6 不同碳交易價格下系統(tǒng)碳排放量Fig.6 The carbon emission at different carbon trading prices

為進一步分析綠證交易價格對新能源消納情況的影響,在僅考慮綠證交易機制的場景3的基礎上,改變綠證交易價格,得到了圖7所示不同綠證交易價格時系統(tǒng)的綠電的占比和棄風棄光率結果?？梢钥闯?隨著綠證價格的升高,綠電占比逐步升高,棄風棄光率逐步降低,直到新能源被完全消納,綠電占比達到最大,棄風棄光率變?yōu)??？梢娋G證交易機制可顯著促進新能源消納,通過設定合理的綠證交易價格可實現(xiàn)新能源的完全消納。

圖7 不同綠證交易價格下系統(tǒng)綠電占比Fig.7 The green power ration at different green certificate prices

4 結 論

針對配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟運行及新能源高比例消納問題,本文提出了考慮碳交易和綠證交易機制的配電網(wǎng)優(yōu)化運行模型,仿真結果表明:

1)碳交易機制和綠證交易機制均有顯著的碳減排作用,碳交易機制的減排作用大于綠證交易機制,而同時考慮碳交易機制和綠證交易機制的碳減排效果最明顯。

2)碳交易機制和綠證交易機制均可以促進新能源的消納,而綠證交易機制在促進新能源消納方面的效果優(yōu)于碳排放交易機制。

3)所提優(yōu)化運行方法可以優(yōu)化供電策略,保證系統(tǒng)的電功率供需平衡,實現(xiàn)配電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。

4)隨著碳交易價格的升高,系統(tǒng)的碳排放量逐漸降低;而隨著綠證價格的升高,綠電占比逐步升高,棄風棄光率逐步降低,直到新能源被完全消納,綠電占比達到最大,棄風棄光率變?yōu)榱恪?/p>

碳交易和綠證交易機制在降低碳排放和促進新能源消納方面具有顯著的效果,然而兩種機制的耦合機理和相互作用機制復雜,如何協(xié)調(diào)二者機制的運行,實現(xiàn)優(yōu)勢互補,是今后需要重點關注的研究內(nèi)容。