基于階梯碳交易的碳捕集電廠-電轉氣虛擬電廠低碳經濟調度

趙振宇，李炘薪

（華北電力大學經濟與管理學院，北京市 昌平區 102206）

0 引言

為實現“3060”碳達峰、碳中和目標，能源轉型迫在眉睫[1-2]。虛擬電廠(virtual power plant，VPP)能夠聚合分布式能源發電、實現需求側管理，是保障電力系統穩定運行的重要手段[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的挑戰，在保證經濟低碳的同時，VPP 系統如何兼顧平抑負荷波動并進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，國內外學者對電轉氣[6-7](power-togas，P2G)技術、碳捕集[8-10]電廠(carbon capture power plant，CCPP)進行了研究，其中，P2G的能源轉換和時空平移特性為提升系統新能源消納能力、減少碳排放量、增加電力系統靈活性提供了可靠途徑[11]。文獻[12]介紹了P2G設備的運行機制和原理，建立了考慮經濟性與環保性的雙層優化模型，分析了P2G 對風電消納與系統經濟性的影響。文獻[13]指出P2G可耦合電-氣能源網絡，將多余的風光發電轉化為天然氣，從而減少棄風棄光并提高系統的靈活性與經濟性。文獻[14]研究電-氣互聯綜合能源系統的協同運行，分析P2G在提升消納風電能力、降低CO2排放的同時所產生的經濟效益。然而，目前對P2G 的CO2來源及輸送成本的研究相對較少，而CCPP 可以作為一種為P2G 提供碳源的良好渠道[15]。文獻[16]提出了CCPP 靈活性調峰的策略，構建了風電-碳捕集調度模型并分析了其低碳性能與經濟效益。文獻[17-18]構建了CCPP-P2G系統框架，并利用CCPP捕獲的CO2為P2G 設備提供原料，驗證結果表明該系統具有良好的經濟效益。根據現有研究，將CCPP 與P2G 技術相結合，既可消納大容量風光功率，又能開拓碳的新型再利用前景。

現有對VPP 調度模型的研究大多僅注重其經濟效益，并未考慮碳交易市場對所構建模型調度策略的影響。文獻[19-20]引入碳交易機制，提出了考慮碳排放成本的經濟調度策略，并驗證了碳交易機制在降低系統碳排放方面的有效性。文獻[21-22]在碳交易中采用統一型碳價，提出計及碳交易機制的含碳捕集電廠的VPP 經濟調度模型。文獻[23]在采用CCPP-P2G協同運行模式的基礎上考慮碳交易政策，有效降低了系統的碳排放量。上述研究雖然考慮了系統調度過程中的經濟性與低碳性，但主要集中于統一型碳交易模型，而該模型無法對不同生產單位進行區分，模型中的VPP 系統低碳潛力也未充分挖掘。為解決以上問題，可根據碳排放量區間制定不同碳價，采用階梯型碳交易機制。

在上述研究的基礎上，本文基于階梯型碳交易機制，提出含CCPP-P2G 耦合和需求響應的VPP低碳運行策略。首先，構建含有風電、光伏、CCPP、P2G的VPP運行架構，采用需求響應鼓勵用戶調整用電計劃，發揮負荷側的靈活性，并進一步挖掘VPP 內可調度單元互補調節潛力；其次，考慮碳配額制度對VPP 調度的影響，引入階梯型碳交易模型，建立以外購電成本、機組運行成本、棄風棄光成本及碳交易成本之和最小為目標的VPP 低碳經濟調度模型；最后，通過算例設置多個場景進行對比分析，并對階梯型碳交易進行敏感性分析，驗證所提策略的有效性。

1 含CCPP-P2G設備的VPP調度系統

1.1 VPP運行框架

VPP 內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與低碳性問題，本文建立了含CCPP-P2G 設備的VPP 運行系統，其結構如圖1 所示。在VPP 系統中，供電側包括外電網、火電機組、風光發電。調度中心根據用戶的負荷需求，通過控制系統對各機組的發電進行調度。系統通過耦合CCPP 和P2G 實現CO2的捕獲和利用，P2G 運行所需的功率由可再生能源發電機組提供。此外，在階梯型碳交易的引導下，通過VPP 與碳交易市場的雙向互動，激勵運營商根據碳排放配額制定合理的生產與碳排放計劃，實現碳減排的目的。

圖1 虛擬電廠運行結構Fig.1 Operation structure of VPP

1.2 CCPP-P2G協同運行模型

考慮碳捕集裝置和P2G 設備在推動VPP 碳減排中的應用現狀及在增強減排效果方面的協同作用，本文構建了CCPP-P2G協同運行系統，如圖2所示。在該系統中，CCPP捕獲的CO2流入碳存儲裝置進行儲存，再作為原料提供給P2G 設備生產CH4，從而實現CO2的減排。P2G生產的CH4可輸送到天然氣網進行交易以獲取部分收益，提高系統經濟性。此外，P2G 設備的運行功率可由系統的棄風棄光提供，從而促進新能源消納。

圖2 CCPP-P2G設備運行原理Fig.2 Operating principle of CCPP-P2G equipment

碳捕集機組的輸出功率一部分提供給居民用戶，一部分用于系統自身的運行，其在t時段的等效輸出功率計算式如下：

CCPP 中碳存儲裝置t時段儲碳容量計算式如下：

式中：ωcs為儲碳設備的損耗系數；為t時段提供給P2G的CO2量；分別為儲碳設備的最小與最大容量。

P2G裝置在t時段消耗單位電量產出的CH4量計算式如下：

式中：βP2G為P2G的轉化效率；是天然氣的熱值，數值為37 MJ/m3；為P2G設備在t時段的運行功率。

P2G 裝置在運行過程中會吸收CCPP 捕捉的CO2，有效地減少了碳排放，計算式如下：

1.3 價格型需求響應

目前應用最為廣泛的價格型需求響應是分時電價機制，用戶根據接收到的價格信號調整其用電需求，進而優化負荷曲線。同時為了防止用戶過度響應導致其滿意度下降，本文將用戶滿意度λ引入價格彈性矩陣M中來描述分時電價實施前后的負荷變化情況[24]。本文的價格型需求響應數學模型如下：

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

1.4 階梯型碳交易

碳市場交易機制的核心是監管部門通過評估生產單位的用能情況，然后賦予其主體合法的碳排放權，而參與市場交易的主體可以買賣碳排放權。對于VPP 運營商而言，該機制可以激勵自身減少對燃煤機組的使用，從而在碳交易市場獲得更多收益。

1）實際碳排放計算

VPP在調度過程中存在兩大碳排放源：CCPP與外部購電，其實際碳排放量EA一般采用發電機組的碳排放強度來計算，計算式如下：

2）碳排放配額計算

目前我國碳交易機制主要根據VPP 運營商實際發電量確定無償碳排放配額[25]，因此政府監管部門對VPP 制定的碳排放權由其碳排放源確定，碳排放配額EF計算式如下：

式中κcq為VPP的碳排放配額系數。

3）階梯型碳交易成本模型

相較于傳統碳交易模型中的統一定價機制，為進一步實現碳減排的目標，本文采用階梯型碳交易定價模型[26]。該模型碳交易價格不固定，碳排放越多，碳價越高，呈階梯形。在該機制下，以各VPP 運營商分配到的無償碳排放配額為基準，將碳排放量劃分為多個區間，隨著VPP 碳排放量的增加，需要購買的碳排放權配額越多，相應區間的碳價越高，系統所需碳排放成本也越高。階梯型碳交易模型如下：

2 VPP低碳經濟調度模型

為了綜合考慮系統的經濟性與低碳性，以系統運行成本最小為優化目標，建立考慮階梯碳交易機制的CCPP-P2G 耦合的VPP 低碳經濟調度模型。

2.1 目標函數

2.1.1 電網交互成本

式中gb，t為VPP在t時刻的購電價格。

2.1.2 CCPP-P2G的運行成本

1）CCPP發電成本

CCPP 發電成本由燃料成本和啟停成本[27]組成，其啟停成本受機組啟停狀態影響，計算式如下：

式中：a、b、c為火電機組煤耗系數；是啟停成本；布爾變量ut為機組在t時刻啟停狀態，1為開啟狀態，0為關停狀態。

2）CCPP碳儲存成本

碳存儲成本是碳存儲設備儲存CO2所花費的成本，與碳存儲設備的儲碳能力有關，計算式如下：

式中ρcs是單位碳存儲價格。

3）P2G運行成本

P2G在t時段的運行成本取決于該時段的設備運行功率及天然氣產出量，計算式如下：

2.1.3 新能源機組出力成本

2.1.4 可再生能源棄用懲罰成本

2.2 約束條件

在含CCPP-P2G 的虛擬電廠運行時，需要滿足以下約束條件。

2.2.1 功率平衡約束

VPP系統運行首先要滿足系統功率平衡約束，計算式如下：

2.2.2 VPP與電網交互約束

當VPP 系統與外部網絡連接時，考慮到線路傳輸限制，需要對其電量交換范圍進行限制，約束條件如下：

2.2.3 CCPP運行約束

1）CCPP出力范圍約束如下：

2）碳捕集設備能耗上下限[28]如下：

3）火電機組爬坡約束如下：

式中ΔPTO為火電機組的爬坡速率約束。

4）火電機組最小持續啟停機時間約束如下：

式中：Ton、Toff分別為機組最小連續運行、停運時間；分別為機組在t-1 時段連續運行、停運時間。

2.2.4 P2G運行功率約束

P2G在t時段的運行成本取決于該時段的風能和太陽能棄用量，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設備內的CO2量，約束如下：

2.2.6 備用容量約束

為應對風電和光伏出力不確定性、負荷不確定性等因素帶來的不利影響，保證供電可靠性，設置VPP 備用容量不小于負荷功率的3%加風光預測出力的5%，備用容量約束如下：

2.3 模型求解

本文構建的基于階梯型碳交易的CCPP-P2G耦合VPP 低碳經濟調度模型為混合整數二次非線性規劃，求解較為復雜，流程如下：首先，將非線性函數進行分段線性化處理[29]，從而將該問題轉化為混合整數線性規劃求解；然后基于MATLAB配置的Yalmip工具箱進行模型構建；最后調用CPLEX 求解器對模型的最小值進行求解，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 總成本最小的調度策略，通過MATLAB 輸出可視化的數據及圖形。

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

3 案例分析

3.1 基礎數據

為驗證所構建的低碳經濟調度模型對提高VPP 經濟與環境效益的效果，本文選取北方某園區的數據進行仿真分析。根據文獻[30-33]設置的CCPP與P2G參數如表1所示，本文選擇的調度周期長度為24 h，風電機組運行費用為680元/MW，光伏機組運行費用為350 元/MW，棄風棄光成本為500元/MW，單位CH4的價格為2.822元/m3。依據《2022 年度全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案》，設置VPP內機組的碳排放配額系數為0.6 t/(MW·h)，碳交易成本是270 元/t，區間長度為0.25 t，價格增長率為20%。

表1 CCPP-P2G設備參數Tab.1 CCPP-P2G equipment parameters

在實施需求響應之前，終端用戶用電電價為0.5元/(MW·h)，實施需求響應的階梯電價[34]如表2所示。彈性系數mij中i和j分別為峰時段、平時段、谷時段，電力需求響應價格彈性矩陣M計算結果如下：

表2 分時電價Tab.2 Time-of-use price

風電與光伏機組在調度周期內的預測出力如圖4所示。

圖4 風光出力預測Fig.4 Wind and photovoltaic output prediction

3.2 虛擬電廠耦合協同調度優化分析

為了測算VPP 在低碳性與經濟性目標下各組件的出力情況，設置4 個不同場景對比分析CCPP-P2G耦合模型和基于價格型需求響應機制、普通碳交易和階梯型碳交易在VPP中的影響。

1）場景1為普通VPP運行場景，該場景為不考慮CCPP-P2G 耦合設備及價格型需求響應的普通碳交易場景。

2）場景2 為CCPP-P2G 運行場景，該場景為在VPP 內部引入CCPP-P2G 耦合設備，但不考慮價格型需求響應的普通碳交易場景。

3）場景3 為在考慮CCPP-P2G 運行的基礎上引入價格型需求響應的普通碳交易場景。

4）場景4 為考慮CCPP-P2G 運行和價格型需求響應機制的階梯型碳交易模式下的VPP 調度模式場景。

不同場景下運營成本、環境影響因素對比分別如表3、4所示。

表3 不同場景下運營成本對比分析Tab.3 Comparative analysis of operating costs under different scenarios 元

表4 不同場景下環境影響因素對比Tab.4 Comparison of environmental impact factors under different scenarios

1）場景1調度模式

在場景1，VPP中沒有其他靈活性資源，只有風電、光伏和火電機組運行，每個單元的輸出功率如圖5所示。

圖5 場景1各單元輸出功率Fig.5 Output power of each unit in scenario 1

由圖5 可知，在調度期間風光與火電機組的總發電量用于滿足用戶負荷需求。由于沒有靈活性資源使得VPP 中的電量轉移，棄風棄光量達到14.76 MW，棄風棄光成本為7 378.97 元。VPP 運行過程中15個時段無棄風棄光，此時火電機組啟動維持電力負荷需求，燃煤產生的CO2全部排放到大氣中，VPP 運行的總碳排放量為20.47 t，燃煤產生的實際碳排放量遠高于碳配額，因此較高的碳排放量導致較高的碳排放成本。場景1 調度模式下VPP運營總成本為47 011元。

2）場景2調度模式

場景2在場景1的基礎上增設了CCPP-P2G耦合設備，主要包括CCPP 和P2G 單元。各單元的運行功率如圖6所示。

圖6 場景2各單元輸出功率Fig.6 Output power of each unit in scenario 2

在調度期間，CCPP 總發電量為41.50 MW，捕獲的CO2量為39.59 t。P2G 設備可利用多余的風電和光伏功率運行，并將捕獲的部分CO2作為原料生成天然氣，出售給天然氣網以獲取利潤。在該場景下，VPP系統排放CO2共8.78 t，棄風棄光功率為7.71 MW，碳排放量與棄風棄光量相對于場景1 都大幅減少。通過向天然氣網出售天然氣，P2G單元實現盈利，收入為241.08元。場景2調度模式下VPP運營總成本為46 361元。

3）場景3調度模式

場景3在場景2基礎上考慮了價格型需求響應機制，VPP運營商可以制定更為靈活的調度計劃，進一步減小運營成本。各單元運行功率如圖7所示。

圖7 場景3各單元輸出功率Fig.7 Output power of each unit in scenario 3

基于需求價格彈性的響應模型，本文得到需求響應前后的負荷曲線如圖8 所示。通過需求響應機制，用戶負荷曲線的峰谷差減小，高峰時段(12:00—20:00)電力負荷下降約11.74%，低谷時段(23:00—次日04:00)電力負荷增加約13.08%，實現了削峰填谷的目標。此外，用戶參與需求響應，使得用電高峰時段負荷減少，火電機組出力減少，這也間接減少了系統的碳排放。在此場景下，VPP 系統碳排放量為6.47 t，棄風棄光功率為7.20 MW，VPP運營總成本為45 297元。

圖8 需求響應實施前后負荷量對比Fig.8 Load comparison before and after the implementation of demand response

4）場景4調度模式

場景4 為綜合考慮階梯型碳交易成本及VPP運行成本的低碳經濟調度模式，通過設置階梯碳價來進一步控制VPP 系統的碳排放量。圖9 為場景4下各單元運行功率。

圖9 場景4各單元輸出功率Fig.9 Output power of each unit in scenario 4

在場景4 中采用階梯型碳價策略，相較于場景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制后，對碳排放區間進行嚴格的劃分，隨著碳排放量的逐漸增加，VPP 運營商面臨碳排放成本的大幅增長，因此大大降低了對碳源的調用。該場景的階梯碳交易機制充分挖掘CCPP-P2G 的節能減排潛力，對于促進新能源消納、響應“雙碳”目標政策起到積極作用，總體實現了低碳經濟調度的目標。場景4調度模式下VPP運營總成本為44 980元。

3.3 敏感性分析

在階梯型碳交易模型中，不同的參數設置也會對VPP 的低碳經濟調度產生影響。本文從碳排放區間長度、碳交易價格增長率及碳交易基準價格3個方面進行比較分析。3個參數對總成本和碳排放量的影響如圖10—12所示。

圖10 碳排放區間長度分析Fig.10 Analysis of carbon emission interval length

由圖10 可知，當碳排放區間長度在[0.15,0.19]t變化時，VPP運營商以階梯碳價模式購買碳排放額度，由于區間長度較小，碳排放權交易額處于高價區間，碳交易成本較高，因此系統碳排放量較少；當區間長度在(0.19,0.29]t 變化時，隨著區間長度增大，VPP 運營商所需購買的碳配額交易價格處于高梯度價位的量越小，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，當區間長度大于0.31 t后，較大的區間長度使得階梯型碳交易機制與傳統碳交易差別不大，VPP 運營商以碳交易基準價格便可排放CO2，系統碳排放量增長緩慢，總成本略微下降?？傮w而言，隨著碳交易區間長度的逐漸增大，系統碳交易成本逐漸減少，運營商需支付的總成本下降。

由圖11 可知，當價格增長率為[0,0.3)時，隨著價格增長率的提高，碳交易成本增大，總成本也逐漸增大，為減小成本，運營商會盡可能調整系統內部機組出力并減少外購電量，避免更多的碳排放；當價格增長率在[0.3,0.6]變化時，由于系統內部固定的負荷需求，機組出力方式也逐漸趨于穩定，碳排放量下降趨勢有所減緩?？傮w而言，隨著價格增長率的逐漸增大，系統的碳排放量逐漸減少，但總成本不斷增大。

圖11 碳交易價格增長率分析Fig.11 Analysis of carbon trading price growth rate

由圖12 可知，當碳交易基準價格小于275 元時，隨著碳交易基準價格的增長，碳排放成本逐漸增加，系統總成本也隨之上漲，此時，運營商會調整內部機組出力，加強對碳排放量約束，因此VPP 碳排放量逐漸減少。當碳交易基準價格大于275 元時，VPP 內部機組出力趨于穩定，此時基準價格的上漲不會對碳排放量有明顯影響，系統碳排放下降趨勢減緩，但高額碳價會使碳排放成本進一步上升?？傮w而言，隨著碳交易基準價格的逐漸增長，系統碳排放量逐漸減少，但總成本不斷增大。

圖12 碳交易基準價格分析Fig.12 Analysis of carbon trading benchmark price

綜上所述，當碳排放區間長度小于0.29 t、價格增長率小于0.3、碳交易基準價格小于290 元/t時，VPP 碳排放量會有一定程度的變化；但當參數超過上述值時，碳排放量變化趨于平穩，但會帶來總成本的不斷上升。因此，對于監管機構而言，通過設置合理的階梯型碳交易機制參數，可以對VPP 系統的碳排放量實現合理引導。對于VPP 運營商而言，可根據碳排放區間長度、價格增長率和碳交易基準價格協調系統內部各機組出力，從而控制碳排放量和總成本。

4 結論

針對接入CCPP-P2G 技術的VPP 系統，結合碳交易市場機制，提出了考慮階梯型碳交易和需求響應的CCPP-P2G虛擬電廠低碳經濟調度模型，在保證用戶滿意度的基礎上充分發揮負荷側靈活性，可有效控制碳排放，提高新能源消納能力和VPP整體運行效益。通過研究不同場景的經濟性、低碳性以及階梯碳交易模型參數對系統運行的影響，得出如下結論：

1）CCPP-P2G 協同可實現碳的循環利用，減少CO2的排放；P2G實現了電-氣的能量轉換，將生產的天然氣出售獲取利潤，可提高系統的低碳性與經濟性，P2G 的運行可減少系統的棄風棄光功率，有利于優化資源配置，提高能源利用效率；需求響應可通過分時電價引導用戶響應系統調度，實現系統的削峰填谷，在優化能源結構、減少碳排放的同時提高系統的經濟性。

2）在市場機制方面，相較傳統的統一碳價碳交易模式，階梯型碳交易基于碳排放區間制定不同碳價，與CCPP-P2G 結合后在保障VPP 經濟性的同時，能夠更好地引導系統碳減排。

3）通過敏感度分析研究了階梯型碳交易模型各參數對碳排放量和總成本的影響。通過設置恰當的基準價格、區間長度和價格增長率可合理引導運營商控制碳排放量，從而有效協調環境效益和經濟效益的平衡。

在研究的基礎上，如何通過描述風光出力的不確定性和隨機性，從而兼顧虛擬電廠的低碳經濟性和魯棒性將是下一步的研究方向。