計及碳排放成本的交直流混合微網優化運行

狄開麗，李鵬，華浩瑞

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

計及碳排放成本的
交直流混合微網優化運行

狄開麗，李鵬，華浩瑞

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市 071003)

交直流混合微網可綜合發揮交流微網與直流微網的特點，碳交易機制符合低碳經濟理念。根據交直流混合微網的特點，建立了計及碳排放成本的交直流混合微網優化運行模型，通過對比不同權重下的經濟指標和碳排放指標，研究碳交易機制的引入對混合微網優化運行的影響。在此基礎上，引入雙向換流器損耗模型，研究雙向換流器損耗對混合微網經濟調度的影響。算例結果表明，等權重調度策略具有更優的經濟性和環保性，雙向換流器損耗模型的引入改變了交流區域和直流區域可控微源出力，更加貼合實際。

交直流混合微網；碳交易；雙向換流器損耗；優化運行

0 引 言

碳排放是關乎國家可持續發展戰略的重要問題。在哥本哈根會議上，中國提出到2020年使單位GDP的CO2排放量比2005年下降40%～45%的目標[1]。而電力行業作為碳排放的主要行業，承擔著減少碳排放、發展低碳經濟的重要責任[2]。

碳交易[3-4]是為了應對全球氣候變化，有效促進全球溫室氣體減排，減少CO2排放所采用的市場機制。碳排放權交易機制[5]的引入，使得CO2排放不再只作為排放成本考慮，而且能夠通過碳交易獲得收入，利用市場調節手段促使發電企業主動進行節能減排。目前，國內外的相關研究大多是將碳交易機制引入含清潔能源的電力系統經濟調度[6-10]，針對交直流混合微網的研究較為匱乏。

交直流混合微網[11-12]同時具有交流母線和直流母線，可綜合發揮交流和直流的特點，擁有更廣泛的適用領域，是微網[13]的一種全新形式。交直流混合微網可減少設備變頻裝置的使用，從而降低設備的制造成本，減少因AC/DC或DC/AC多級能量變換引起的損耗。另外，因其同時兼容交流與直流區域，可降低先有微網的改造難度，降低系統配置與建造的綜合成本，提高微網的綜合經濟效益。交直流混合微網擁有諸多優勢，是微網技術發展的必然趨勢。然而目前對交直流混合微網的研究還處于初步探索階段，國內外學者針對交直流混合微網結網方式、控制技術、保護技術等方面[14-17]展開了研究，但針對交直流混合微網優化運行的研究相對欠缺。

由于交直流混合微網的交流區和直流區通過雙向換流器相連[18]，兩區域之間會有功率的流動，而交互功率通過雙向換流器會有一定的損耗，損耗的大小將影響2個區域是否進行功率交互以及交互功率的大小，對混合微網的優化運行具有一定的影響。而在現有的文獻中，缺少雙向換流器損耗對交直流混合微網優化調度結果影響的分析研究。因此，本文基于低碳經濟理念，將碳交易機制引入交直流混合微網優化運行，建立考慮碳排放成本的交直流混合微網優化模型，通過對比3種不同權重的經濟指標和碳排放指標，考察碳交易機制的引入對混合微網優化運行的影響；同時，在上述優化模型基礎上引入雙向換流器損耗模型，研究雙向換流器損耗對微網優化運行的影響。算例結果表明：等權重調度策略具有更優的經濟性和環保性，引入雙向換流器損耗將對混合微網可控微源的出力大小及2個區域交互功率的大小產生影響，更加貼合實際。

1 碳排放成本的分析

本文根據《2014年中國區域電網基準線排放因子》[19]確定碳排放限額。交直流微網的總碳排放限額公式參照文獻[7]。

本文的碳排放成本包含2種費用：碳減排費用與碳交易費用。

假設碳交易市場為完全競爭市場，且碳交易價格為P[20]。若交直流微網的碳排放量大于其限額，那么可以通過內部減排、購買碳排放權或者對超額部分的排放量上交罰金的方式來達到減排目標，由于單位碳超額罰金往往比碳交易價格高得多，因此本文不考慮罰金方式，超額的碳排放量全部以購買碳排放權的方式完成。若以購買碳排放權為正，售出碳排放權為負，則碳交易量Etra的計算公式為

(1)

式中：Ei為交直流微網碳排放量；QC為單位時間碳排放限額；Er為內部減排量。

若邊際碳減排成本為Cr(Er)，則其碳排放成本CT根據以下公式確定：

CT=Cr(Er)+P(Ei-QC-Er)

(2)

當Etra﹥0，即需要購買碳排放權，將支付碳交易費用，式(2)是單調遞增函數；當Etra﹤0，可將多余的碳排放量售出獲取碳交易收益，式(2)是單調遞減函數。為了碳排放成本最小，對式(2)進行一階求導并令其等于0可得：

(3)

由式(3)可知，當邊際減排成本小于交易價格時，將采取減排措施直至邊際減排成本與碳交易價格相等，此時將產生最小碳排放費用或者獲得最大碳排放收益。

根據文獻[21]可知，邊際碳減排成本和碳減排率的關系如式(4)所示：

(4)

式中：RE為發電單元的碳減排率，其表達式如式(5)；a、b為常數。

若發電單元的最大出力為P0，CO2排放因子為KCO2，可得發電單元的碳減排率為

(5)

將式(5)代入式(4)、(3)可得到碳排放成本最低時的最優內部碳減排量Erbest：

(6)

由式(6)可知，當碳價確定時，發電單元的最優內部碳減排量為定值，從而碳減排成本確定。因此本文在優化之前先將邊際減排成本與碳價做比較，若前者較小，則先進行內部減排，而后開始交直流混合微網的優化過程，計算碳排放權的購(售)量，其流程如圖1所示。

圖1 碳交易量及購(售)電量計算流程圖Fig.1 Calculation flowchart of carbon trading volume and power purchasing and selling quantity

2 碳交易機制下的交直流混合微網優化模型

2.1 交直流混合微網結構

交直流混合微網的直流區域與交流區域通過雙向換流器相連，兩區域均可有微型燃氣輪機(micro turbine，MT)、燃料電池(fuel cell，FC)、光伏(photovoltaic， PV)、風電(wind turbine，WT)等分布式電源和儲能裝置(energy storage，ES)，并通過不同種類的換流器連接到交、直流母線。與普通微網一樣，交直流混合微網通過公共耦合點(point of common coupling，PCC)與大電網相連通，可實現并網與孤島運行2種形式，整體結構如圖2所示。

交直流微網包括交流區域與直流區域，采用分區優化后，微網的運行狀態會出現以下3種情況：(1)交、直流區域都存在功率缺額；(2)其中一個區域出現功率缺額；(3)2個區域均不存在功率缺額。當出現第1種情況時，功率缺額需要通過大電網補足；第2種情況時，功率缺額需要由另一個不存在功率缺額的區域和大電網共同補足，由此會產生交、直流2個區域之間的交互功率。由于微網交、直流2個區域是通過AC-DC雙向換流器連接，當交互功率通過換流器時會產生損耗。若2個區域通過進行功率交互所節約的費用小于換流器損耗折算費用時，將不進行功率交互，其功率缺額由大電網補足。

2.2 目標函數

本文的計及碳排放成本的交直流混合微網優化問題，是綜合考慮了經濟成本、碳排放成本的多目標優化問題。

經濟成本包括燃料費用、發電設備的運行維護費用、購(售)電費用、雙向換流器損耗折算費用和污染折算費用，其計算公式如式(7)所示：

(7)

碳排放成本CT按式(2)計算。

綜上，本文的目標函數是包括燃料費用、運行維護費用、購(售)電費用、換流器損耗折算費用、污染折算費用和碳排放成本的綜合費用最低：

minF=CEc+CT

(8)

2.3 約束條件

(1)全系統能量平衡約束：

∑Pi+Pbs+Pbat=Pload+Ploss+Pinter(1-η)

(9)

圖2 交直流混合微網結構圖Fig.2 Structure of AC-DC hybrid microgrid

(2)交流區功率平衡約束：

(10)

(3)直流區功率平衡約束：

∑Pi,DC+Pbat,DC+Pinter,AC/DC=Pload,DC+Ploss,DC

(11)

(4)發電單元輸出功率約束：

(12)

(5)并網聯絡線容量約束：

(13)

(6)碳排放配額約束：

Ei-QC=Er+Etra

(14)

(7)蓄電池電池容量和功率容量約束：

(15)

(8)蓄電池容量連續性約束：

(16)

3 算例

3.1 算例數據

算例結構如圖3所示。風力發電只接入直流區域，光伏發電只接入交流區域。大電網通過PCC與交直流混合微網的交流母線相連，購(售)電功率的上限為100 kW，下限為-100 kW。直流區域配有微燃機1臺，功率上限為65 kW，下限為5 kW；燃料電池1臺，功率上限為120 kW，下限為10 kW；儲能裝置的最大、最小電量分別為150，20 kW·h，最大充放電功率為40 kW，充放電效率取92%。交流區域配有同型號的微燃機、燃料電池、儲能裝置各1臺。直流區域與交流區域通過雙向換流器相連，取由交流區向直流區輸送功率為正，其交互功率的上限為100 kW，下限為-100 kW，雙向換流器的效率取90%。假設所有的碳交易均通過清潔發展機制(clean development mechanism，CDM )進行，碳交易價格為150元/t[8]，碳交易限額為原碳排放量的90%，不考慮碳排放超額罰款和機組的啟停。

圖3 交直流混合微網算例結構Fig.3 Structure of AC-DC hybrid microgrid example

可控微源發電功率與燃料成本的關系曲線如圖4所示，天然氣的低熱值為9.7 kW·h/m3，價格為2.8元/m3。

圖4 可控微源發電功率與燃料成本的關系曲線Fig.4 Relationship curve of controllable micro source power and fuel cost

交直流混合微網向大電網購(售)電按分時電價計費，風力發電和光伏發電按照MPPT模式運行，采用日前預測數據，其功率全額收納。交流區域與直流區域的負荷預測、風光輸出功率預測及分時電價曲線如圖5所示。

3.2 算例結果

3.2.1 優化結果分析

交直流混合微網在1天運行中，總成本為4 686.18元，其中交流區域微燃機生產電能1 107.75 kW，燃料電池生產電能2 015.1 kW；直流區域微燃機生產電能774.15 kW，燃料電池生產電能2 318.5 kW；總購電量為1 641.15 kW，總售電量為177.70 kW；購買碳排放量84.31 kg，售出碳排放量52.72 kg。

圖5 風光、負荷預測和電價曲線Fig.5 Electric price and power predication curves of PV、WT and loads

直流混合微網的優化結果如圖6—8所示。由圖8可知，在0～7、23～24時段，微網中負荷較輕，電價較低，購電量以及各微源發出的多余電量給蓄電池充電；在11～15、19～20時段，微網的負荷達到最大，可控微源的發電成本小于電價，因此可控微源輸出功率很大，蓄電池放電，并將多余電量售出獲取售電收益；在8～10、16～18、21～22時段，電價處于平時段，各微源出力及購電量滿足功率平衡，蓄電池既不充電也不放電。在0～7時段，微網負荷輕且電價低，可控微源的發電成本大于電價，為了獲得最大收益，微網向大電網購電量達到上限，可控微源發電量處于發電下限，在滿足功率平衡的同時，減少了CO2排放，將多余的碳排放限額售出獲得碳交易收益；在8～24時段，負荷相對較大，可控微源的CO2排放量大于其限額，因此需要購買碳排放權。在整個時段對比購售電量曲線與碳交易曲線可知，兩曲線的變化趨勢完全相反，這是因為CO2的排放來自可控微源，當購電量增加，可控微源的出力減少，CO2的排放減少，若此時CO2排放量大于限額，則碳排放購買量減少；若此時CO2排放量小于限額，則碳排放售出量增大。

3.2.2 不同碳排放成本權重系數下優化結果比較

本文考察的指標為經濟成本和碳排放成本，為探討碳交易機制的引入對交直流混合微網經濟調度的影響，本文采用了如表1所示的3種不同的指標權重系數進行仿真驗證。其中情景1采用相同的權重系數(即等權重調度)，情景2采用較大的碳交易權重系數(即高碳排放權重調度)，情景3為未引入碳交易時的經濟調度(即一般調度)。

圖6 交流區域優化結果Fig.6 Optimization results of AC area

圖7 直流區域優化結果Fig.7 Optimization results of DC area

圖8 交直流混合微網整體優化結果Fig.8 Whole optimization results of AC-DC hybrid microgrid

情景1和情景2的碳交易量情況如圖9所示。3種情景下的成本如表2所示。

圖9 等權重調度和高碳排放權重調度下的碳交易量 元Fig.9 Carbon trading volume under equal weight dispatch and high carbon emission weight dispatch

從圖9可以看出，相比于等權重調度，高碳排放權重調度在0～7時段售出的碳排放量增多，8～23時段購買的碳排放量減少，24時段由原來的購買碳排放權轉為售出碳排放權，由此減少了碳交易成本。

從表2可以看出，等權重調度時，混合微網優化運行總成本最低，因為對于一般調度，CO2只能作為污染物付出排放費用，此費用較大，而當考慮碳交易時，碳排放量既可以購入付出費用也可以售出獲取收益，因此等權重調度較一般調度更為經濟環保；對于高碳排放權重調度，由于碳排放權重系數較大，微網通過增加電能的購買量和減少電能的售出量使得可控微源出力降低，進而減少CO2的排放，但此時購售電成本的增加量遠遠大于其他成本的減少量，因此高碳排放權重調度相比于等權重調度，其運行成本增加。

3.2.3 考慮換流器損耗對交直流混合微網優化運行的影響

不考慮換流器損耗和考慮換流器損耗時，交流區域和直流區域的可控微源總出力、總購售電量及總交互功率如表3所示，2個區域各時段的交互功率如圖10所示。

表3 考慮/未考慮雙向換流器損耗時可控微源的出力、購售電量和交互功率情況
Table 3 Controllable micro source output, power purchasing and selling quantity and interactive power with or without considering bidirectional converter loss kW

圖10 2種情況下各時段的交互功率Fig.10 Interactive power at each time period under two cases

由表3可以看出，考慮雙向換流器的損耗后，交流區域可控微源的總出力減少，直流區域可控微源的總出力增加，交互功率總量降低。這是因為交流區域與直流區域的單位發電成本不同，在未考慮換流器損耗時，單位電量成本低的交流區域盡可能多地發電，并將多余電量輸送至直流區域，以減少經濟成本；當考慮換流器損耗時，若換流器損耗折算成本大于2個區域單位電量成本的差價，將停止或者減少功率交互，而出現功率缺額的直流區域將會增加發電量來補足缺額的功率。

由圖10可以看出，在電價較低時，交流區域盡可能地向外網購電，并將額外功率通過雙向換流器傳送至直流區域；在電價較高時，直流區域微源發電量增加，并將額外功率通過雙向換流器傳送至交流區域，交流區域將剩余功率售出獲取利益。不考慮換流器損耗時，只要交流或直流一個區域出現功率缺額，并且大電網不能夠補足缺額功率時，另一個不存在缺額的區域就會向其輸送電能。當考慮換流器損耗時，整體來說2個區域之間的交互功率有所降低；在7、10、21時段，雙向換流器沒有流動功率，這是因為在這3個時段通過功率交互所節省的發電費用比換流器損耗折算費用高。

因此，在考慮雙向換流器的損耗后，可控微源的出力情況發生改變，并且只有當通過功率交互所節約的成本大于換流器損耗折算費用時，交流區域和直流區域之間才會有功率流動，相比于不考慮換流器損耗的情況更加符合實際。

4 結 論

(1)本文將碳交易機制引入交直流混合微網的優化模型中，建立了碳排放成本模型，利用市場調節手段促使微網主動進行節能減排。算例結果顯示，可控機組碳排放量和電價對碳交易的影響較大，且碳交易曲線與購(售)電量曲線變化趨勢完全相反。

(2)本文對比了3種不同權重系數下的調度策略，優化結果顯示，相比于一般調度策略和高碳排放權重調度策略，等權重調度策略具有更優的經濟性和環保性。

(3)本文引入雙向換流器損耗模型，研究雙向換流器損耗對交直流混合微網優化運行的影響。算例結果表明，引入換流器損耗模型后，交流區域與直流區域的可控微源出力情況改變，2個區域的總交互功率降低，且只有當通過功率交互所節約的費用大于換流器損耗折算費用時，2個區域間才會有功率流動，相比于不考慮換流器損耗的情況更加貼近實際。

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(編輯 張媛媛)

Optimal Operation of AC-DC Hybrid Microgrid Considering Carbon Emission Cost

DI Kaili, LI Peng, HUA Haorui

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Baoding 071003, Hebei Province, China)

AC-DC hybrid microgrid can give full play to the complementary advantages of AC microgrid and DC microgrid, whose carbon trading mechanism conforms the concept of low-carbon economy. According to the characteristics of AC-DC hybrid microgrid, this paper constructs the optimization model of AC-DC hybrid microgrid with considering the cost of carbon emission. By comparing the different weights of the economic indicator and carbon emission indicator, this paper studies the influence of carbon trading mechanism on the optimal operation of hybrid microgrid. On this basis, this paper introduces a loss model of the bidirectional converter and studies the influence of the bidirectional converter loss on the economic dispatch of hybrid microgrid. The simulation result shows that the equal weight dispatch strategy has better economic and environmental protection, and the application of the bidirectional converter’s loss model changes the controllable micro source output in AC area and DC area, which is more applicable for the real needs.

AC-DC hybrid microgrid; carbon trading; bidirectional converter loss; optimal operation

國家自然科學基金項目(51577068)

TM 734

A

1000-7229(2016)07-0012-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.002

2016-03-28

狄開麗(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網發電與微網技術；

李鵬(1965)，男，博士，教授，IEEE高級會員，主要研究方向為新能源并網發電與微網技術、電能質量分析與控制、電力電子技術在智能電網中的應用等；

華浩瑞(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源并網發電與微網技術。

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (51577068)