階梯式碳交易機制下計及電-氣-熱綜合能源系統需求響應優化運行

袁坤龍 張少康 常 冉 陳艷波

階梯式碳交易機制下計及電-氣-熱綜合能源系統需求響應優化運行

袁坤龍1張少康2常 冉2陳艷波1

（1. 華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206； 2. 國網河南省電力公司西峽縣供電公司，河南 西峽 474500）

隨著能源耦合的發展及我國碳市場的不斷完善，傳統電力需求響應已經不能滿足雙碳背景下多能耦合綜合能源系統（IES）的發展現狀。為了更深入地挖掘需求側響應在節能減排中的作用，本文提出一種階梯式碳交易機制下計及電-氣-熱IES需求響應的優化運行模型。首先將負荷分為價格類和替代類，分別建立價格替代和熱能替代需求響應模型；其次考慮IES參與碳交易市場，結合熱電聯產機組（CHP）和燃氣鍋爐（GB）的實際碳排放量，引入階梯式碳交易機制引導IES控制碳排放；最后以購能成本、階梯式碳交易成本與運維成本之和最小為目標函數，建立電-氣-熱IES優化運行模型，并通過四種場景對所建立的模型進行驗證。通過對需求側響應負荷占比及階梯式碳交易基價和區間長度的分析發現，合理地分配價格型、替代型負荷占比，以及碳交易基價和區間長度，有利于提升系統運行的經濟性。

需求響應；階梯式碳交易機制；綜合能源系統（IES）

0 引言

2020年，我國明確提出碳達峰、碳中和目標?？紤]到電力行業的能源消耗和碳排放量占比巨大，發展低碳電力成為加速實現碳減排目標的重要推動力量[1-3]。

“雙碳”背景下，能源體系轉型刻不容緩。文獻[4-5]分析了碳捕集電廠（carbon capture power plant, CCPP）技術在綠色能源轉型中的重要地位，碳捕集技術對當前低碳電力的發展具有關鍵作用。文獻[6]通過碳捕集技術收集CO2并作為電轉氣（power to gas, P2G）的原料，實現了碳捕集與P2G設備之間的循環利用，這一創新措施有助于促進碳減排并推動可持續能源發展。文獻[7]提出一種新型碳循環系統，通過超臨界狀態下的CO2循環技術實現了CO2的循環再利用，并提高了系統的運行效率。文獻[8]提出一種日前-實時雙階段協調調度模型，實現了最佳的能源調度和碳減排效果，進而滿足經濟性和低碳性的要求。

通過多種能源耦合互補，結合負荷協調運行，可以提升風電消納能力。在電源側協調燃氣鍋爐（gas boiler, GB）和熱電聯產機組（combined heat and power, CHP）可以提升風電、光伏并網空間。文獻[9]詳細分析了P2G技術、協同優化模型等，指出P2G可將可再生能源高效轉化為天然氣進行存儲，從而節約了儲能成本。文獻[10-11]提出在系統中引入P2G可以實現風電和光伏的過度消納。文獻[12]考慮到氣網，分析利用P2G技術可以產生天然氣并通過氣網市場獲益。但是，目前針對P2G的能源耦合特性及對需求響應（demand response, DR）的研究較少。文獻[13]提出一種考慮多種DR類型的消納模型。文獻[14]考慮DR模型在解決棄風方面的效益。上述文獻對能源耦合替代與用戶滿意度的研究較少，而能源形式轉換替代對用戶的實際影響較小。

目前，一些研究開始關注綜合能源系統（integrated energy system, IES）的低碳運行。文獻[15]提出一個綜合考慮CO2排放成本和經濟成本的重復博弈模型，用于微電網與配電網研究，將等效碳排放系數納入經濟成本分析中；這一研究方法有助于更全面地評估綜合能源系統的低碳運行情況，同時平衡了經濟性與減碳性的關系。文獻[16]提出考慮碳交易成本的IES模型，實現了經濟性和減碳性目標。此外，文獻[17]為了限制碳排放提出階梯式碳交易機制，通過設定不同的碳排放階梯對碳排放量進行約束，激勵企業采取更多的減排措施，以滿足不同階梯所設定的碳排放要求。文獻[18]在IES模型中引入碳交易成本，建立了一種獎懲階梯式碳交易模型。文獻[19]將階梯式碳交易機制與常規碳交易機制對比，證明了前者應用于IES更加合理。階梯式碳交易機制在系統穩定運行的前提下具有更好的減碳效果和經濟性，上述研究為IES的優化調度和碳排放控制提供了重要的參考和指導。綜合考慮碳交易成本和階梯式碳交易機制有利于提升經濟性和減少碳排放，從而推動可持續發展和低碳轉型。

本文以上述研究為基礎，考慮階梯式碳交易機制、需求響應、碳捕集電廠、P2G兩階段運行策略，構建以購能成本、階梯式碳交易機制成本、運維成本之和最小的經濟運行目標。由于模型中含有二次項，通過將非線性問題轉化為線性模型，并借助Matlab中的求解器Gurobi進行求解，對4種場景分析比較，以證明本文所提策略可兼顧經濟性和減碳性。

1 考慮DR的IES模型

1.1 電-氣-熱系統

IES通過消納風電、光伏，加上各個機組、儲能（energy storage, ES）、儲熱（heat storage, HS）設備之間的協同配合，實現能源的可靠、高效、持續利用。

本文構建如圖1所示的電-氣-熱綜合能源系統，其中，電負荷除了由上級電網供電，還可由風電、光伏、儲電設備供電。碳捕集機組通過燃燒煤炭來給電負荷供電，同時將捕集到的CO2作為電轉氣的原料，利用棄風、棄光合成甲烷，甲烷作為熱電聯產機組和燃氣鍋爐的原料給熱負荷供熱。另外，在電負荷和熱負荷側還配備了儲電、儲熱裝置。該系統采用DR控制策略，通過對可削減、可轉移及可替代負荷進行優化，得到優化后的負荷曲線。優化后的負荷可以平抑波動，實現電熱互耦，從而降低系統的運行成本。

圖1 電-氣-熱綜合能源系統架構

1.2 DR模型

DR分為價格型和替代型，用戶通過對電價波動或激勵機制做出響應，能夠在滿足自身需求的前提下，通過合理分配能源消耗的時間和強度，實現能源資源的最優利用。

1）價格型需求響應

電價可以影響負荷對用電量的需求，因此可以根據電價將負荷分類為可削減負荷（curtailable load, CL）和可轉移負荷（shiftable load, SL）。

（1）CL模型

CL是指用戶根據前后時段的電價變化來決定是否減少自身負荷的行為。通過對電價的觀察和比較，用戶可靈活地調整其能源消耗，以響應電價變動并減少電力需求。

（2）SL模型

SL是指用戶基于需求對電價做出響應，并調整工作時間以適應負荷需求的靈活性。

2）替代型需求響應

可替代負荷（replaceable load, RL）指可以通過電能和熱能替代的負荷。例如，對于某些可由熱能或電能直接供應的負荷，在低電價時消耗電能、在高電價時消耗熱能，可達到更好的經濟效益。RL模型為

最大可替代負荷量的范圍為

優化后的電負荷為

優化后的熱負荷為

2 機組模型與階梯式碳交易機制

2.1 碳捕集電廠模型

傳統火電廠加設碳捕集裝置后形成碳捕集電廠，機組輸出功率一部分供應負荷，另一部分用于滿足碳捕集設備的能耗需求。因此，CCPP的功率關系可表示為

2.2 P2G系統數學模型

P2G技術有兩個關鍵過程。首先水通過電解槽（electrolyzer, EL）轉化為氫氣，這個過程被稱為電解；其次，經過甲烷反應器（methane reactor, MR）的作用，氫氣會被轉化為天然氣，這一過程被稱為甲烷化反應。通過以上兩個關鍵過程，可以實現從電能到氫能，再到天然氣的轉換。電解制氫過程中，氫氣產量與P2G運行功率滿足

在氫氣甲烷化過程中各物質的關系為

2.3 CHP和GB數學模型

2.4 ES和HS模型

2.5 階梯式碳交易機制模型

1）碳排放權配額模型

IES碳排放來自上級購電、GB、CHP、CCPP。本文采用無償配額制度，即碳排放源無需支付額外的碳排放配額費用。

2）實際碳排放模型

MR反應過程消耗CO2，因此碳排放實際模型為

3）階梯式碳排放交易模型

碳交易市場中碳排放權交易額為

階梯式碳排放機制施行不同區間采用不同的配額，配額大小受電價影響，這樣可以刺激用戶減少碳排放。

階梯式碳交易成本為

3 階梯式碳交易機制下計及電-氣-熱IES需求響應優化運行模型

3.1 目標函數

系統目標是實現整個網絡的經濟性最優，目標函數為

1）購能成本

系統具備與上級電網進行電量交易的能力，在供需不平衡的情況下實現電量平衡。當系統發電量無法滿足需求時，系統從上級電網購買所需電量以滿足需求。當系統發電過剩時，將多余電能出售給電網。另外，通過氣網及P2G設備實現CHP和GB的正常運行。因此，購能成本為

3.2 約束條件

1）功率平衡約束

電-氣-熱IES模型需要滿足電功率、熱功率、天然氣平衡約束，分別為

2）機組上下限約束

3）機組爬坡約束

4）電儲能和熱儲能約束

5）碳捕集電廠碳約束

3.3 模型線性化處理

為了簡化碳捕集機組的煤耗成本二次函數，進行線性化處理。將煤耗函數進行分段線性逼近，得到一個線性化模型。線性化處理后的模型為

4 算例分析

系統求解流程如圖2所示。為了驗證模型的正確性，設定以下參數：風電、光伏、電、熱負荷功率預測曲線如圖3所示，初始電價與分時電價如圖4所示，一個運行周期為24h，單位運行時間為1h，天然氣價格取2.55元/m3，燃煤機碳排放權配額系數取0.798kg/(kW?h)，燃氣機組碳排放權配額系數取0.385kg/(kW?h)。

4.1 場景分析

為了驗證模型的合理性，對比分析以下4種場景，各場景成本見表1。

場景1：僅考慮階梯式碳交易機制。

場景2：階梯式碳交易機制下考慮需求響應。

場景3：僅考慮需求響應。

場景4：不考慮階梯式碳交易機制和需求響應。

圖2 求解流程

圖3 風電、光伏、電、熱負荷功率預測曲線

圖4 初始電價與分時電價

由表1可知，通過比較場景4和場景1的階梯式碳交易成本發現，場景1的階梯式碳交易成本比場景4減少了25.55%，這主要是因為相較于場景4，場景1考慮了階梯式碳交易機制，系統有初始碳排放配額，可抵消一部分碳成本，表明階梯式碳交易機制在減少碳交易成本方面發揮了積極作用。與場景4相比，場景3的購能成本減少了11.42%，這是因為考慮DR后高電價時段電負荷減少，低電價時段電負荷增加，電負荷曲線更加平緩，這樣用戶可以利用較為經濟的購能方式來滿足需求，從而降低了購能成本，表明需求響應的引入在優化系統能源消耗方面起到了積極作用，使系統能夠更加高效地運行。相較于場景4，場景2的總運行成本較低、購能成本較低、階梯式碳交易成本較低，這是因為場景2不僅平滑了負荷曲線，實現了用戶側電能和熱能的相互替代，同時抵消了一部分碳成本，說明階梯式碳交易機制下考慮需求響應，在推動節能減排方面發揮了積極作用。

表1 各場景成本 單位: 元

場景2優化前后的電負荷、熱負荷曲線分別如圖5、圖6所示。CL策略在高電價時段削減了部分電負荷；SL策略將高電價時段的電負荷轉移到低電價時段；RL策略在高、低電價之間實現了電能、熱能的相互轉換。各策略相互協同，實現了負荷曲線的削峰填谷。

圖5 場景2優化前后的電負荷曲線

場景2各設備電出力、熱出力分別如圖7、圖8所示，0～8h屬于電價低谷時段，系統依靠風電和碳捕集電廠發電滿足碳捕集機組、P2G設備和電負荷的需求，以維持該時段的電功率平衡，熱負荷由CHP、GB和HS供熱，實現熱平衡。由于風電運維成本較小，該時段內利用風電有利于降低運行成本，當風電出力無法滿足電力系統負荷需求且電價較低時，可從上級購電并需要碳捕集機組發電，以滿足負荷需求；由于CHP供熱存在熱電解耦問題且GB的供熱效率高于CHP，因此優先選擇GB供熱。11～15h電價較高且光伏出力較大，因此減少了碳捕集機組和CHP的產電。本系統P2G所消耗的CO2均來源于碳捕集電廠所捕獲的CO2，且用于供熱所消耗的CH4均由P2G設備產生，所以P2G設備處于運行狀態較多。

圖6 場景2優化前后的熱負荷曲線

圖7 場景2各設備電出力

4.2 不同階梯式碳交易機制參數下的效益分析

目前，大多研究關注碳交易基價對系統的影響，對區間長度的關注相對較少，因此本節重點討論這兩個參數對系統碳排放量和總運行成本的影響。碳交易基價與區間長度對IES的影響如圖9所示。

由于碳交易基價會影響碳排放權重，所以隨著碳交易基價的增加，系統的總成本隨之增加。區間長度的增加減少了在高梯度價位所需購買的碳排放配額數量，因此減少了碳交易成本，并進一步降低了總成本。因此，合理調整碳交易基價和區間長度對于提升系統的經濟性至關重要。

圖8 場景2各設備熱出力

圖9 碳交易基價與區間長度對IES的影響

4.3 價格型、替代型負荷占比對系統成本的影響

價格型、替代型負荷占比與系統總成本之間的關系如圖10所示。首先，保持替代型負荷不變，令價格型負荷占比從10%到40%變化，探究其對系統總成本的影響。其次，保持價格型負荷不變，令替代型負荷占比從10%逐漸增加到70%，研究替代型負荷對系統成本的影響。通過分析不同的價格型負荷占比和替代型負荷占比對系統成本的影響程度，可為優化系統運行提供依據。

圖10 價格型、替代型負荷占比與系統總成本之間的關系

由圖10可知，當保持替代型負荷占比不變，價格型負荷占比從10%增加到40%時，系統總運行成本呈現下降趨勢，這意味著總成本與價格型需求響應之間存在負相關關系。當保持價格型負荷占比不變時，隨著替代型負荷占比從10%增加到70%，系統總運行成本增加。因此，通過合理調整價格型和替代型負荷的占比，可以提高系統的經濟性和運行效益。

5 結論

本文建立了階梯式碳交易機制下計及電-氣-熱IES需求響應優化運行模型，兼顧階梯式碳交易機制和需求響應，對系統產生了積極影響。對比4種場景下的總運行成本、階梯式碳交易機制成本、購能成本和運維成本，并研究碳交易基價、區間長度及CL、SL、RL占比對系統運行的影響，得出以下結論：

1）階梯式碳交易機制下需求響應不僅將部分電負荷從高電價時段轉移到低電價時段并削減了部分負荷，還實現了用戶側電能和熱能的相互替代，使系統能在經濟性和低碳性之間取得良好平衡。

2）考慮階梯式碳交易機制系統擁有初始碳排放配額，不僅能夠降低系統運行成本，而且可以更好地引導碳減排。

3）協調價格型和替代型負荷占比，以及碳排放量區間長度，有利于提高系統運行的經濟性。

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Optimal operation of demand response of electricity-gas-heat integrated energy system under the stepped carbon trading mechanism

YUAN Kunlong1ZHANG Shaokang2CHANG Ran2CHEN Yanbo1

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206;2. Xixia County Power Supply Company of State Grid He’nan Electric Power Company, Xixia, He’nan 474500)

With the development of energy coupling and the continuous improvement of China’s carbon market, the traditional electric power demand response can no longer meet the development status quo of the multi-energy coupled integrated energy system (IES) in the context of carbon peaking and catbon neutrality goals. In order to dig deeper into the role of demand response in energy saving and emission reduction, this paper proposes an electricity-gas-heat IES model under the stepped carbon trading mechanism that includes demand response. Firstly, the loads are classified into price and substitution categories, and the price substitution and heat substitution demand response models are established respectively. Secondly, considering the participation of IES in the carbon trading market, combined with the actual carbon emissions of combined heat and power (CHP) units and gas boilers (GB), the stepped carbon trading mechanism is introduced to guide the IES to control the carbon emissions. Lastly, taking the minimization of the sum of the cost of purchasing energy, the cost of stepped carbon trading, and the cost of operation and maintenance as the objective function, the electricity-gas-heat IES model is established. Finally, an electricity-gas-heat IES optimization model is established with the objective of minimizing the sum of the energy purchase cost and the operation and maintenance cost, and the established model is verified by four scenarios. Through the analysis of demand response load share and stepped carbon trading base price and interval length, it is found that the reasonable allocation of price-based and alternative load share, as well as carbon trading base price and interval length is conducive to improving the economy of system operation.

demand response; stepped carbon trading mechanism; integrated energy system (IES)

國網河南省電力公司西峽縣供電公司項目“分布式光伏規?；_發背景下配電臺區優質供用電技術”（SGHANYXXYWJS2310144）

2023-09-01

2023-10-26

袁坤龍（1998—），男，碩士研究生，研究方向為智能電網規劃、配電網優化。