基于碳交易的電-熱-氣綜合能源系統低碳經濟調度(DOI: 10.7500/AEPS20171220005)秦婷，劉懷東，王錦橋，馮志強，方偉

1研究背景

電力是我國能源消耗的重點行業，其CO2的排放量占全國排放總量的50%左右，因此電力行業具備較大的減排潛力，推行低碳電力有利于促進我國低碳經濟的發展。隨著各類新能源發電和天然氣發電的快速發展，綜合能源系統(integrated energy systems, IES)成為提高清潔能源使用比重、實現減排目標的支撐技術，同時碳交易機制被認為是可兼顧電力經濟性和低碳環保性的有效手段。

（來源：微信公眾號 電力系統自動化 ID：AEPS-1977 作者：編輯部）

EH最早由蘇黎世聯邦理工學院的Geidl和Andersson提出，它是一種可以滿足多種能量需求的能量轉換單元。基于EH模型，可以清晰得出IES的架構及其中的能量流動。本文構建的EH模型如圖1所示，能量供給側有風電、電力網絡和天然氣網絡;能量轉換組件有P2G設備、燃氣輪機和燃氣鍋爐;負荷側配備有儲電、儲熱、儲氣裝置。其中，綠線、紅線和藍線分別對應電力、熱力和燃氣能量流動情況。

圖1 EH模型

本文針對圖1給出的電-熱-氣聯供IES，建立了基于碳交易的低碳經濟調度模型。首先，立足于能源集線器(energy hub, EH)模型構建了電-熱-氣聯供的IES架構;然后，搭建了適用于該IES的階梯型碳交易成本計算模型;接著，以碳交易成本與能源成本之和最小為目標函數，考慮系統網絡約束和系統內各元件的運行約束，構建了IES低碳經濟調度模型。通過算例比較了階梯型低碳經濟調度、統一型低碳經濟調度和傳統經濟調度模型的調度結果，分析了3種模型下的兩種成本和外購能源數據，驗證了本文所提模型的合理性和有效性。最后，研究了碳交易價格和耦合元件容量對系統調度結果的影響。

2IES碳交易成本計算模型

2.1 碳交易機制及其分配原則

碳交易是通過建立合法的碳排放權并允許對其進行買賣，從而實現碳排放量控制的交易機制。在碳交易機制下，碳排放量成為可以進行自由交易的商品。政府或者監管部門以控制碳排放總量為目標，首先為各個碳排放源分配碳排放份額。各碳排放源根據分配份額制定和調節生產計劃，若在生產過程中產生的碳排放量高于分配份額，則需從碳交易市場內進行購買;若碳排放量低于分配份額，則可將多出的碳排放額在碳交易市場上出售，根據當日的碳交易價格(即單位碳排放量價格)獲得相應收益。碳交易機制利用市場手段對碳排放量進行控制，可極大地激發企業節能減排的積極性。對于電力行業，一般采用無償為主的方式進行初始碳排放額的分配。初始無償的碳排放份額與系統發電量相關聯，對于超出或者不足的部分可進行碳交易。

2.2 IES碳交易成本計算模型

本文認為IES從電力網絡購得的電力均為火電機組發電。因此對于電-熱-氣聯供的IES，存在3個碳排放源：外購的電力、燃氣輪機和燃氣鍋爐。IES的無償碳排放額由外購電力和燃氣輪機發出的電力確定，IES實際碳排放量與設備的輸出功率有關，由燃煤和燃氣的碳排放系數確定。為了加強對碳排放總量的控制，本文構建了階梯型碳交易成本計算模型。以分配到的無償碳排放額為基準，規定若干排放量區間，排放量越大的區間對應的碳交易價格越高。

3基于碳交易的IES低碳經濟調度模型

IES低碳經濟調度模型考慮一日24h的系統調度問題，以IES外購能源成本、碳交易成本之和最小為目標函數，以功率平衡約束、設備運行約束和外部網絡約束作為求解條件對模型進行構建。

由于碳交易成本的引入，系統實際碳排放量為二次函數，因此本文所構模型為混合整數非線性規劃問題。在對模型求解時，將實際碳排放量進行分段線性化處理，對每個分段區間，調度模型變為混合整數線性規劃問題，可利用成熟的數學規劃優化器Gurobi進行求解。

4IES低碳經濟調度模型的優化效果

本文對比分析了三種模型的調度結果：①考慮階梯型碳交易成本的低碳經濟調度模型;②考慮統一型碳交易成本的低碳經濟調度模型，統一型碳交易成本不對碳排量進行區間劃分;③在階梯型碳交易模式下，僅以外購能源成本最小為目標函數的傳統經濟調度模型。調度結果表明低碳經濟調度可減少系統碳排量，其中階梯型碳交易成本模型對碳排量具有最嚴格的約束，并且仍可保證IES的經濟性。

本文進一步研究了碳交易價格和耦合設備容量對調度結果的影響：

1)碳交易利用市場手段實現碳排放量控制，使各企業主動減排以獲取碳交易收益，手段合理有效。基于階梯型碳交易成本的IES低碳經濟調度模型對碳排放量具有更嚴格的控制作用，同時兼顧了系統整體的經濟性。

2)低碳經濟調度模型對碳交易價格變化反應敏銳，可根據碳交易價格協調系統的碳交易成本和能源成本。在一定范圍內，碳交易價格的上升可使系統運行總成本下降。

3)耦合元件的容量變化影響低碳經濟調度結果。在一定范圍內，P2G容量增加，提高系統對風電的消納，使能源成本下降，但對碳交易成本無影響。燃氣輪機在IES中的能源利用率得到大幅提升，其容量增加使得能源成本和碳交易成本均有所下降。

本文僅計算了固定階梯區間長度和階梯型碳交易價格增長幅度下的碳交易成本，而兩種因素影響著低碳調度模型對碳排放量的控制作用。隨著全國碳交易體系的啟動，政府對電力行業的碳約束也將更為嚴格，因此如何為低碳經濟調度模型設置最合適的階梯區間長度和價格增長幅度是一個有意義的研究方向。