考慮電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

王凌云, 李佳勇, 楊 波

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院, 宜昌 443002； 2.國(guó)網(wǎng)武漢供電公司, 武漢 430015)

隨著時(shí)代科技不斷發(fā)展,全球一直以化石能源為主的能源消費(fèi)和利用模式對(duì)當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了氣候變暖的重大難題。電力行業(yè)的CO2排放量占全國(guó)碳排放總量的50%左右[1],因此挖掘電力行業(yè)的碳減排潛力,有利于中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前,中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始采取一系列政策措施來(lái)控制二氧化碳的總排放量,在電力發(fā)展“十三五”中,明確指出中國(guó)電力發(fā)展應(yīng)逐步側(cè)重于環(huán)保、安全、高產(chǎn)的高比例可再生能源系統(tǒng)方向發(fā)展,優(yōu)化機(jī)組容量配置以及消化產(chǎn)能過(guò)剩[2]。

綜合能源系統(tǒng)以冷、熱、電、氣等多能源供應(yīng)模式滿(mǎn)足用戶(hù)在不同時(shí)段針對(duì)不同能源的需求,其能源利用比率高,系統(tǒng)碳排放總量相對(duì)較少,并打破了能源子系統(tǒng)間的壁障,從而實(shí)現(xiàn)在區(qū)域內(nèi),跨區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種能源的互補(bǔ)以及協(xié)同優(yōu)化,達(dá)到提高能源綜合利用效率、促進(jìn)可再生能源消納以及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的效果。

為了更加精確地計(jì)算系統(tǒng)碳排放總量,采用生命周期分析方法使電儲(chǔ)能間接過(guò)程中的碳排放量可具體化。生命周期分析方法作為一種預(yù)防型的環(huán)境保護(hù)策略與措施,主要應(yīng)用在研究能耗、能源利用及其污染環(huán)境的排放物。

通過(guò)引入鯨魚(yú)優(yōu)化算法(whale optimization algorithm)研究系統(tǒng)內(nèi)部最優(yōu)容量配置。為了達(dá)到提高鯨魚(yú)優(yōu)化算法的收斂精度、加快收斂速度、增強(qiáng)局部搜索能力的目的,對(duì)原始鯨魚(yú)優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)。

目前,綜合能源系統(tǒng)主要通過(guò)研究區(qū)域級(jí)冷熱電聯(lián)供(combined cooling heating and power,CCHP)系統(tǒng),再結(jié)合區(qū)域用電、氣、熱、冷負(fù)荷需求來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)組設(shè)備選型,容量配置和可再生能源消納優(yōu)化[3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)建立包含電鍋爐和蓄熱罐的熱電聯(lián)合調(diào)度模型,對(duì)比分析兩者對(duì)風(fēng)電消納的影響,從而提升熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力；文獻(xiàn)[5]建立天然氣管道動(dòng)態(tài)特性約束的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)熱電聯(lián)合調(diào)度模型,提升系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[6]考慮低碳排放和能源消納,提出以經(jīng)濟(jì)成本和碳交易成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo),并考慮棄風(fēng)懲罰成本的電氣耦合系統(tǒng)運(yùn)行模型；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)CCHP中采用太陽(yáng)能和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合供電,并利用生命周期分析方法進(jìn)行分析求解；文獻(xiàn)[8]建立分布式電源規(guī)劃與運(yùn)行的雙層規(guī)劃模式,綜合考慮電力公司收益和社會(huì)收益,在上層以年化總成本最低為目標(biāo),保障下層綜合收益最大的基礎(chǔ)下,優(yōu)化配網(wǎng)的分布式電源接入點(diǎn)和接入容量；文獻(xiàn)[9]采用新型儲(chǔ)能方式,在研究樓宇微網(wǎng)中加入需求側(cè)虛擬儲(chǔ)能,并分別采用熱跟隨和電跟隨模式進(jìn)行對(duì)比,考慮樓宇室溫調(diào)節(jié)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題；文獻(xiàn)[10]提出考慮熱、電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng),建立基于建筑物熱力學(xué)模型的需求側(cè)響應(yīng)模型,并考慮可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的調(diào)度,采用復(fù)合粒子群算法求解。以上研究針對(duì)低碳電力、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度等方面均做出了考慮。

綜上所述,當(dāng)前討論碳交易市場(chǎng)中的碳交易價(jià)格對(duì)綜合能源系統(tǒng)的各機(jī)組出力運(yùn)行及能效影響的相關(guān)研究較少。因此，在上述研究背景下,構(gòu)建典型的電氣熱冷微網(wǎng)型綜合能源系統(tǒng),運(yùn)用生命周期分析方法,分析在計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的情況下,研究系統(tǒng)中各機(jī)組設(shè)備的溫室氣體排放量,并運(yùn)用碳排放因子,將溫室氣體統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為CO2進(jìn)行計(jì)量,在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型中考慮碳交易機(jī)制,通過(guò)改進(jìn)的鯨魚(yú)優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解,得到系統(tǒng)中各機(jī)組設(shè)備出力、總碳排放量,并分析了隨著碳交易價(jià)格增長(zhǎng),總經(jīng)濟(jì)成本的變化情況。

1 典型CCHP系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)模型

具有電氣熱冷負(fù)荷需求的綜合能源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型

微型燃?xì)廨啓C(jī)在綜合能源系統(tǒng)中較其他內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率相對(duì)較高,CCHP采用微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,使用燃燒天然氣產(chǎn)生的熱能作為動(dòng)能,使電動(dòng)機(jī)發(fā)電,發(fā)出的電力不向電網(wǎng)出售,基于微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理為以熱定電,故數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

(3)

1.3 燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型

燃?xì)忮仩t作為在系統(tǒng)中的微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出不足時(shí),通過(guò)燃燒天然氣產(chǎn)生高溫蒸汽,為系統(tǒng)直接供熱的機(jī)組裝置,但是不具備直接發(fā)電功能,其數(shù)學(xué)模型為

PGB(t)=ηGBQGB(t)

(4)

式(4)中:PGB(t)為燃?xì)忮仩tt時(shí)刻的熱輸出功率；ηGB為燃?xì)忮仩t的氣熱轉(zhuǎn)換比率；QGB(t)為燃?xì)忮仩tt時(shí)刻的氣輸入功率。

1.4 電鍋爐數(shù)學(xué)模型

電鍋爐常被應(yīng)用于微網(wǎng)當(dāng)中,作為將電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備,其具有安全環(huán)保、安裝簡(jiǎn)易、節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn),其數(shù)學(xué)模型為

PEB(t)=PCE(t)ηEB

(5)

式(5)中:PEB(t)為電鍋爐在t時(shí)刻的熱輸出功率；PCE(t)為電鍋爐在t時(shí)刻的耗電功率；ηEB為其電熱轉(zhuǎn)換效率。

1.5 電制冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型

電制冷機(jī)組的制冷量與系統(tǒng)對(duì)其輸入的電能成正比,在電價(jià)效益較高時(shí),進(jìn)行冷負(fù)荷輸出,從而提高系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平,其數(shù)學(xué)模型為

PER(t)=QER(t)COPER

(6)

式(6)中:PER(t)為電制冷機(jī)組t時(shí)刻的冷負(fù)荷輸出量；QER(t)為電制冷機(jī)組t時(shí)刻的電負(fù)荷輸入量；COPER為電制冷機(jī)組的電冷轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.6 吸收式制冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型

吸收式制冷機(jī)組通過(guò)將系統(tǒng)中的低品質(zhì)熱能進(jìn)行回收利用,轉(zhuǎn)換為可利用冷能,其數(shù)學(xué)模型為

PAR(t)=Qgt(t)ηrecCOPAR

(7)

式(7)中:PAR(t)為吸收式制冷機(jī)組的冷輸出功率；Qgt(t)為吸收式制冷機(jī)組余熱輸入功率；ηrec為吸收式制冷機(jī)組的熱能回收比率；COPAR為機(jī)組的制冷系數(shù)。

1.7 電儲(chǔ)能數(shù)學(xué)模型

由于電儲(chǔ)能設(shè)備存在功能多樣的特性,其還具有可控、快速、精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)能力；還可實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”全面提升電能質(zhì)量。電儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)綜合能源系統(tǒng)中的電能進(jìn)行合理存儲(chǔ)與釋放,通過(guò)將電能的合理轉(zhuǎn)移,完成系統(tǒng)中電能在時(shí)間上的解耦[11]。假設(shè)在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi),電池容量隨使用時(shí)間的消耗忽略不計(jì),其數(shù)學(xué)模型為

PBS(t+1)=PBS(t)+αcPBR(t)-αdPBR(t)

(8)

式(8)中:PBS(t)為電儲(chǔ)能設(shè)備在t時(shí)刻的充電功率；αc、αd分別為電儲(chǔ)能設(shè)備的充電系數(shù)與放電系數(shù)；PBR(t)為電儲(chǔ)能設(shè)備在t時(shí)刻的放電功率。

2 綜合能源系統(tǒng)中電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放分析

2.1 生命周期分析電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放特性

生命周期分析方法作為各研究領(lǐng)域中一種通用分析方法,評(píng)估某一能源活動(dòng)從產(chǎn)生到消耗的整個(gè)生命周期環(huán)節(jié)中,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的總污染影響。該方法的核心步驟可概括為歸類(lèi)、界定化及評(píng)估[12]。

為了達(dá)到系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的,故需考慮碳排放這一重要因素。除了系統(tǒng)中的煤電配電網(wǎng)、CCHP、新能源機(jī)組及氣爐存在大量碳排放外,電儲(chǔ)能設(shè)備的輸配環(huán)節(jié)碳排放也不可忽視。根據(jù)文獻(xiàn)[13],電儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行階段通常只會(huì)在存儲(chǔ)和釋放電力過(guò)程當(dāng)中損耗一些電力,但是在設(shè)備建設(shè)及設(shè)備運(yùn)輸階段中存在間接的較大碳排放量,故應(yīng)將該部分的碳排放量計(jì)算在系統(tǒng)總碳排放中。

利用生命周期分析方法分析電儲(chǔ)能設(shè)備在系統(tǒng)總碳排放中的間接碳排放量,根據(jù)生命周期分析方法的三大步驟。首先定義電儲(chǔ)能設(shè)備全生命周期環(huán)節(jié)為球化、原料混合、離心洗滌、干燥與分級(jí)、廢料再利用,和有關(guān)輸入能源、能源原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸,其中運(yùn)行、廢棄及其回收環(huán)節(jié)均不考慮在電儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放計(jì)量中；確定全生命周期過(guò)程中所排放的環(huán)境污染物清單包含CO2、N2O、CH4,但需將所有污染物統(tǒng)一折算成單位產(chǎn)能排放CO2總量。

2.2 基于生命周期分析的電儲(chǔ)能碳排放計(jì)量

電儲(chǔ)能設(shè)備的全生命周期分析中所排放的環(huán)境污染物可劃分為設(shè)備建設(shè)、設(shè)備運(yùn)輸兩個(gè)階段。根據(jù)研究文獻(xiàn)[13],電儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放極少,可忽略不計(jì)。

(9)

(10)

3 綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

因構(gòu)建經(jīng)濟(jì)模型考慮到低碳排放的因素,除了考慮系統(tǒng)成本費(fèi)用最低,還要考慮低碳環(huán)保,目標(biāo)函數(shù)綜合應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)與環(huán)境兩方面,但為了更直觀地反映出所提出方法的經(jīng)濟(jì)性,將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)函數(shù),使碳排放量也體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)成本當(dāng)中,故應(yīng)綜合考慮碳交易機(jī)制。

minF=foc+fctc

(11)

式(11)中:F為系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)的總成本；foc為系統(tǒng)運(yùn)行成本；fctc為碳交易成本。

3.1.1 運(yùn)行成本

系統(tǒng)的運(yùn)行成本包含天然氣購(gòu)買(mǎi)成本、向配電網(wǎng)購(gòu)電或售電成本以及系統(tǒng)中各機(jī)組的維護(hù)成本。

(12)

fGAS(t)=fGAS,MT(t)+fGAS,GB(t)

(13)

fPSE(t)=fPE(t)PPE(t)-fSE(t)PSE(t)

(14)

fMU(t)=fMTPMT(t)+fERPER(t)+fARPAR(t)+fEBPEB(t)+fGBPGB(t)+fPVPPV(t) +fWTPWT(t)+fES[PBS(t)-PBR(t)]

(15)

式中:T為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；fGAS(t)為t時(shí)段的天然氣購(gòu)買(mǎi)成本；fPSE(t)為t時(shí)段從配電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)或出售電量成本；fMU(t)為t時(shí)段的各機(jī)組維護(hù)成本,與系統(tǒng)各機(jī)組的出力呈正相關(guān)性；fGAS,MT(t)、fGAS,GB(t)分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t消耗天然氣成本；fPE(t)、fSE(t)分別為系統(tǒng)t時(shí)刻從配電網(wǎng)購(gòu)電和售電成本；PPE(t)、PSE(t)分別為系統(tǒng)t時(shí)刻對(duì)配電網(wǎng)的購(gòu)電功率和售電功率；fMT、fER、fAR、fEB、fGB、fPV、fWT、fES分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)、電鍋爐、燃?xì)忮仩t、光伏機(jī)組、風(fēng)力機(jī)組、電儲(chǔ)能設(shè)備的單位維護(hù)成本；PWT(t)、PPV(t)分別為風(fēng)力機(jī)組、光伏機(jī)組在t時(shí)刻的實(shí)際發(fā)電功率。

3.1.2 碳交易成本

碳交易機(jī)制是將碳排放權(quán)以商品自由交易的形式實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保目的的一種機(jī)制,國(guó)家政府部門(mén)通過(guò)對(duì)各個(gè)碳排放源分配一定量的初始碳排放額度。當(dāng)該碳排放源的實(shí)際碳排放額超過(guò)初始分配額度時(shí),還需到碳交易市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)超量的碳排放額度；反之,當(dāng)實(shí)際碳排放額低于初始分配額度時(shí),可將多余的碳排放額度作為商品,轉(zhuǎn)交碳交易市場(chǎng)進(jìn)行出售盈利[14]。

近似認(rèn)為綜合能源系統(tǒng)的碳排放量為各機(jī)組碳排放量以及電儲(chǔ)能設(shè)備的間接碳排放量,其中各機(jī)組碳排放量與其出力呈正比,有

(16)

根據(jù)碳交易機(jī)制的影響,研究并制定碳交易價(jià)格制度,從而達(dá)到將碳排放量體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)成本當(dāng)中的目的。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際碳排放量超過(guò)初始分配額時(shí),對(duì)超出的碳排放額度執(zhí)行梯度價(jià)格購(gòu)買(mǎi),則有

(17)

碳交易成本則為

(18)

式中:pc為低于初始碳排放配額時(shí)的碳交易基準(zhǔn)價(jià)格；α為梯度價(jià)格倍增系數(shù)；β為超出初始碳排放配額時(shí)的碳交易價(jià)格倍率；ΔE為超出初始配額的單個(gè)增量區(qū)間；Nt為實(shí)際碳排放超出初始配額的增量區(qū)間總數(shù)。

3.2 約束條件

3.2.1 冷熱電功率平衡約束

{PER(t)+PAR(t)=QCL(t)

PEB(t)+PGB(t)+PMT(t)=QHL(t)+PIHP(t)

PRWT(t)+PRPV(t)+PBR(t)+PE,DN(t)+PMT(t)=

PBS(t)+PEB(t)+PER(t)+QET(t)

式(19)中:QCL(t)、QHL(t)、QET(t)為系統(tǒng)在t時(shí)刻的冷、熱、電負(fù)荷；PIHP(t)為系統(tǒng)在t時(shí)刻與熱網(wǎng)交換的熱功率；PE,DN(t)為系統(tǒng)在t時(shí)刻從配電網(wǎng)所購(gòu)買(mǎi)電量。

3.2.2 儲(chǔ)電約束

PBS,min≤PBS(t)≤PBS,max

(20)

式(20)中:PBS,min、PBS,max分別表示儲(chǔ)電設(shè)備的容量上下限。

(21)

式(21)中:PBR,min、PBR,max、PBS,min、PBS,max分別表示電儲(chǔ)能設(shè)備釋放電能和儲(chǔ)存電能的最小值及最大值。

(22)

式(22)中：us(t)、ur(t)分別表示t時(shí)刻各儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電狀態(tài)與放電狀態(tài),1表示工作狀態(tài),0表示不工作狀態(tài)。

3.2.3 設(shè)備出力范圍約束

(23)

式(23)中:PER,min、PER,max、PAR,min、PAR,max、PEB,min、PEB,max、PGB,min、PGB,max、PMT,min、PMT,max分別為電制冷機(jī)組、吸收式制冷機(jī)組、電鍋爐機(jī)組、燃?xì)忮仩t機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)組的出力上下限。

4 基于改進(jìn)鯨魚(yú)優(yōu)化算法求解

鯨魚(yú)優(yōu)化算法作為一種新型的基于群體智能算法,解決了常規(guī)智能算法中搜索不良和局部最優(yōu)停滯問(wèn)題[15]，主要包含包圍獵物、泡泡網(wǎng)捕食、隨機(jī)搜索獵物3個(gè)階段。

鯨魚(yú)優(yōu)化算法以一組隨機(jī)解開(kāi)始,隨著迭代次數(shù)的變化,它會(huì)使用隨機(jī)搜索代理或最優(yōu)代理來(lái)不停更新最優(yōu)解。算法利用a、A、p來(lái)確定搜索空間,A決定是使用隨機(jī)搜索代理還是最優(yōu)搜索代理。如果,|A|>1,則使用隨機(jī)搜索代理；|A|<1,則使用當(dāng)前最優(yōu)搜索代理來(lái)更新位置。第3個(gè)參數(shù)p,有助于算法在環(huán)繞式捕食和螺旋氣泡捕食之間切換。

為了避免算法在求解過(guò)程中陷入局部最小值,達(dá)到提高鯨魚(yú)優(yōu)化算法收斂性的目的,提出基于反向?qū)W習(xí)概念的改進(jìn)鯨魚(yú)優(yōu)化算法[16]。考慮在一個(gè)d維搜索空間當(dāng)中解為Xi={xi,1,xi,2,xi,3,…,xi,d},則該解的反向點(diǎn)為X′i={x′i,1,x′i,2,…,x′i,d},表達(dá)式為

x′i,j=(xmax,d+xmin,d)-xi,j

(24)

式(24)中:i表示搜索空間中的可行解的數(shù)量；j表示搜索空間中可行解的維數(shù)。

為了增強(qiáng)搜索代理之間的多樣性,引發(fā)更多的探索行為。同時(shí)降低多樣性對(duì)算法性能的影響,提出一種將指數(shù)遞減函數(shù)用于改善鯨魚(yú)優(yōu)化算法中的參數(shù)a,其表達(dá)式為

(25)

式(25)中：max_iter為最大迭代數(shù)。

可看出與線(xiàn)性遞減函數(shù)相比,指數(shù)遞減函數(shù)形式的a迭代的后半部分緩慢下降,將有利于算法在搜索區(qū)間的最優(yōu)解探索。其算法流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)鯨魚(yú)算法流程圖Fig.2 Flow chart of improved whale optimization algorithm

5 算例分析

5.1 算例概況

選取中國(guó)某典型地區(qū)作為研究案例,該典型地區(qū)的日內(nèi)風(fēng)機(jī)出力、光伏出力及電氣熱冷負(fù)荷預(yù)測(cè)情況如圖3所示。

圖3 日負(fù)荷及風(fēng)光出力預(yù)測(cè)曲線(xiàn)Fig.3 Predicted curves of load and PV/wind power output

將日內(nèi)綜合能源系統(tǒng)從配電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)或者出售電價(jià)劃分為峰時(shí)段、谷時(shí)段、平時(shí)段。日內(nèi)峰時(shí)段區(qū)間為10:00—16:00,18:00—21:00；日內(nèi)谷時(shí)段為0:00—7:00,23:00—24:00；日內(nèi)平時(shí)段為7:00—10:00,16:00—18:00,21:00—23:00，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)Table 1 Time-of-use price of distribution network

在引入碳交易市場(chǎng)的機(jī)制下,將碳排放量轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)因素作為研究,所選取的各能源碳排放配額參考國(guó)家發(fā)改委所出臺(tái)的相關(guān)分配方案,其數(shù)值如表2所示[17]。

表2 單位有功碳排放配額系數(shù)Table 2 Carbon emission quote coefficient of unity active power

電儲(chǔ)能環(huán)節(jié)所涉及的溫室氣體碳排放因子如表3所示[18]。

表3 碳排放因子Table 3 Carbon emission factor

系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)如表4所示[19]，天然氣價(jià)格為2.96元/m3。

表4 系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)Table 4 Operating parameter systems

5.2 結(jié)果分析

為研究在碳交易市場(chǎng)下,計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。將綜合能源系統(tǒng)設(shè)置成兩種場(chǎng)景,場(chǎng)景1為不計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng),場(chǎng)景2為計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的綜合能源系統(tǒng)。

5.2.1 碳交易機(jī)制對(duì)綜合能源系統(tǒng)各機(jī)組設(shè)備出力影響分析

圖4(a)中,CCHP、電鍋爐及電制冷機(jī)和氣爐功率均取為左主軸值,電儲(chǔ)能功率取為右次軸值。分析左主軸值可得,在初始碳交易價(jià)格成本低的時(shí)期,低碳目標(biāo)的權(quán)重小,系統(tǒng)中價(jià)格較高但是碳排放相對(duì)較少的CCHP及電爐出力逐漸上升,氣爐的出力明顯下降,當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至9 元/t時(shí),電爐出力增長(zhǎng)至與氣爐出力相等；隨著碳交易價(jià)格的繼續(xù)增長(zhǎng),低碳目標(biāo)權(quán)重作用明顯,氣爐出力繼續(xù)下降,新能源機(jī)組出力增加,系統(tǒng)出力傾向于沒(méi)有碳排放的電爐。當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至48 元/t時(shí),氣爐停止運(yùn)行,系統(tǒng)中的熱供能完全由CCHP及電爐承擔(dān)；當(dāng)碳交易價(jià)格繼續(xù)增長(zhǎng),CCHP和電爐的出力增長(zhǎng)至穩(wěn)定；當(dāng)碳交易價(jià)增長(zhǎng)至58 元/t時(shí),電爐出力上升,CCHP的出力下降。分析右次軸值可得,當(dāng)碳交易價(jià)格初始增長(zhǎng)時(shí),由于儲(chǔ)能成本相對(duì)較大,電儲(chǔ)能設(shè)備不運(yùn)行。在綜合考慮儲(chǔ)能成本和碳交易成本條件下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),需要在日內(nèi)配電網(wǎng)峰時(shí)段電價(jià)時(shí),釋放儲(chǔ)存的電能,通過(guò)電能差價(jià)收益來(lái)減少系統(tǒng)成本的消耗。當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至32 元/t時(shí),電儲(chǔ)能開(kāi)始運(yùn)行,出力迅速上升；由于碳交易價(jià)格達(dá)到58 元/t時(shí),電爐出力的上升,CCHP出力的下降,使系統(tǒng)中的電能供需進(jìn)行空間解耦,對(duì)電能供給減少的同時(shí),消耗一部分電能滿(mǎn)足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至108元/t時(shí),電儲(chǔ)能利用率降低,電儲(chǔ)能設(shè)備出力下降。

圖4 碳交易機(jī)制下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)Fig.4 Operational status of systems under carbon trading mechanism

圖4(b)中,在考慮電儲(chǔ)能碳排放的前提下,要減少電儲(chǔ)能設(shè)備的出力,故應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)中電能的消耗,減少過(guò)多電能的儲(chǔ)存。與場(chǎng)景1相比,在碳交易價(jià)格初始增長(zhǎng)階段,由氣爐負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的更多出力,故氣爐的出力下降速度更緩慢；CCHP出力上升速度較之場(chǎng)景1中減緩,是為了減少過(guò)多電能的產(chǎn)生,避免電儲(chǔ)能設(shè)備在碳交易價(jià)格低谷時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至18 元/t時(shí),氣爐與CCHP出力增長(zhǎng)至相等；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至22 元/t時(shí),電爐出力增長(zhǎng)至與氣爐出力相等；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至39 元/t時(shí),系統(tǒng)中電爐出力增長(zhǎng)至與CCHP出力相等。隨著碳交易價(jià)格繼續(xù)增長(zhǎng),當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至63元/t時(shí),氣爐停止運(yùn)行,完全由CCHP和電爐出力滿(mǎn)足系統(tǒng)中負(fù)荷需求,并且此時(shí)CCHP的出力達(dá)到最大值。當(dāng)碳交易價(jià)格繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí),低碳目標(biāo)權(quán)重明顯,CCHP的出力開(kāi)始下降,電爐出力繼續(xù)上升,增加系統(tǒng)中電能的消耗,對(duì)電能進(jìn)行空間解耦,達(dá)到抑制電儲(chǔ)能設(shè)備出力的目的。分析次軸值可知,在考慮電儲(chǔ)能設(shè)備存在碳排放的前提下,系統(tǒng)電儲(chǔ)能利用率下降；當(dāng)碳交易價(jià)格處于0～43元/t時(shí),由于低碳目標(biāo)權(quán)重小,同時(shí)存在電儲(chǔ)能設(shè)備成本,故電儲(chǔ)能設(shè)備不運(yùn)行。當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至43 元/t時(shí),低碳目標(biāo)權(quán)重逐漸明顯,電儲(chǔ)能設(shè)備成本權(quán)重小,電儲(chǔ)能設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至102 元/t時(shí),由于系統(tǒng)偏向電爐出力,CCHP的出力減緩,電儲(chǔ)能設(shè)備的出力仍繼續(xù)增長(zhǎng),但增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。

5.2.2 碳交易機(jī)制對(duì)碳排放的影響分析

分析圖5可知,在引入碳交易機(jī)制后,場(chǎng)景1在碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至25 元/t時(shí),氣爐出力下降快,系統(tǒng)總碳排放明顯下降；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至34 元/t時(shí),低碳目標(biāo)權(quán)重小,碳排放量下降緩慢；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至52 元/t時(shí),低碳目標(biāo)權(quán)重作用明顯,系統(tǒng)出力從高碳排放的氣爐轉(zhuǎn)向更為清潔的CCHP機(jī)組與電爐機(jī)組出力,碳排放量下降速度加快并達(dá)到最低；當(dāng)碳交易價(jià)格繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí),此時(shí)碳排放量購(gòu)買(mǎi)成本大,系統(tǒng)的運(yùn)行需考慮經(jīng)濟(jì)與環(huán)保雙目標(biāo),新能源機(jī)組出力趨于滿(mǎn)發(fā),同時(shí)CCHP出力降低,導(dǎo)致需求側(cè)出現(xiàn)負(fù)荷缺口,使系統(tǒng)向煤電配電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)更多電量,系統(tǒng)碳排放量重新轉(zhuǎn)換為上升趨勢(shì)。

圖5 碳交易機(jī)制下的碳排放量變化Fig.5 Change of carbon emission under carbon trading mechanism

場(chǎng)景2在計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放的情況下,在碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至36 元/t時(shí),系統(tǒng)中氣爐出力的下降趨勢(shì)更為緩慢,與場(chǎng)景1相比,碳排放量下降趨勢(shì)較緩；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至43 元/t時(shí),為了抑制電儲(chǔ)能設(shè)備啟動(dòng),氣爐仍有少量出力,但已趨于停止運(yùn)行狀態(tài),低碳目標(biāo)權(quán)重明顯,CCHP與電爐的出力上升較緩,碳排放量有所降低,但仍高于場(chǎng)景1；CCHP與電爐的出力逐漸穩(wěn)定,電儲(chǔ)能設(shè)備啟動(dòng)；在碳價(jià)格增長(zhǎng)至55 元/t時(shí),達(dá)到系統(tǒng)最低碳排放量。隨著碳交易價(jià)格的繼續(xù)增加,由于CHHP和電爐出力小幅上升,電儲(chǔ)能設(shè)備出力上升,使系統(tǒng)碳排放量上升。隨著低碳權(quán)重作用顯著,系統(tǒng)通過(guò)增加電爐出力,減少一定量的CCHP出力,達(dá)到抑制電儲(chǔ)能設(shè)備的過(guò)載運(yùn)行,故系統(tǒng)碳排放量雖上升,但是較場(chǎng)景1緩慢；在碳交易價(jià)格達(dá)到84 元/t時(shí),與場(chǎng)景1碳排放量相同。隨著碳交易價(jià)格的繼續(xù)上升,由于在低碳權(quán)重很小時(shí)的氣爐出力較多,雖仍需要向煤電配電網(wǎng)購(gòu)電,但是電能需求量明顯減少,系統(tǒng)碳排放繼續(xù)上升,但始終低于場(chǎng)景1中碳排放量。

5.2.3 碳交易機(jī)制對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)影響分析

分析圖6可知,在場(chǎng)景1中,當(dāng)碳交易價(jià)格小于98 元/t時(shí),總成本增長(zhǎng)緩慢,因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行成本基本無(wú)變化,總成本波動(dòng)來(lái)源于碳交易價(jià)格增長(zhǎng)的同時(shí),碳排放量也在上升,當(dāng)碳交易價(jià)格大于98 元/t時(shí),由于低碳權(quán)重目標(biāo)顯著,總成本的上升來(lái)自從電網(wǎng)購(gòu)電帶來(lái)的成本費(fèi)用。在場(chǎng)景2中,在碳價(jià)格增長(zhǎng)至9 元/t時(shí),與場(chǎng)景1的總成本費(fèi)用基本相同；當(dāng)碳交易價(jià)格繼續(xù)上漲時(shí),由于氣爐的繼續(xù)運(yùn)行,相對(duì)于場(chǎng)景1開(kāi)始產(chǎn)生更多的碳排放成本費(fèi)用；當(dāng)碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至43 元/t時(shí),電儲(chǔ)能設(shè)備的投入,也計(jì)入了系統(tǒng)的碳排放成本費(fèi)用；隨著碳交易價(jià)格的增長(zhǎng),系統(tǒng)的電爐負(fù)責(zé)主要出力,系統(tǒng)成本增長(zhǎng)減緩；在碳交易價(jià)格增長(zhǎng)至102 元/t時(shí),與場(chǎng)景1總成本費(fèi)用相同；當(dāng)碳交易價(jià)格繼續(xù)增加,系統(tǒng)成本繼續(xù)上升,但低于場(chǎng)景1的系統(tǒng)總成本。

圖6 碳交易機(jī)制下的系統(tǒng)成本變化Fig.6 Change of system cost under carbon trading mechanism

6 結(jié)論

研究包含電氣熱冷負(fù)荷需求的綜合能源系統(tǒng),在引入碳交易市場(chǎng)的機(jī)制下,通過(guò)生命周期分析電儲(chǔ)能設(shè)備碳排放量,對(duì)比分析碳交易價(jià)格變化對(duì)兩種場(chǎng)景下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、碳排放量、總成本的影響,結(jié)論如下:

(1)由于電儲(chǔ)能設(shè)備在運(yùn)行環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量可忽略不計(jì),通過(guò)生命周期分析研究電儲(chǔ)能設(shè)備的全生命周期碳排放量,對(duì)其生產(chǎn)環(huán)節(jié),運(yùn)輸環(huán)節(jié)分別進(jìn)行分析,使得電儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放量變得可具體化,更有利于調(diào)節(jié)電儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行,使系統(tǒng)出力更為平滑。

(2)在引入碳交易市場(chǎng)機(jī)制后,在系統(tǒng)總碳排放量中計(jì)及電儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放量,通過(guò)合理的碳交易價(jià)格引導(dǎo),在滿(mǎn)足負(fù)荷需求側(cè)的前提下,改變系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)組出力構(gòu)成,在有效減少系統(tǒng)碳排放量的同時(shí),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最優(yōu)。