計及綜合能源系統(tǒng)全壽命周期碳排放和碳交易的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和光伏聯(lián)合優(yōu)化配置

矯舒美，喬學(xué)博，李 勇，姚天宇，曹一家

（湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

0 引言

綜合能源系統(tǒng)（IES）憑借其多能源互補方式不僅可促進(jìn)能源高效利用，還可提升可再生能源的消納能力，是助力我國實現(xiàn)2030 碳達(dá)峰、2060 碳中和的重要手段［1］。其中，低碳設(shè)備的合理配置可以在保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時降低碳排放。

目前，已有諸多學(xué)者針對IES 的優(yōu)化配置問題進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)［2］以多能耦合系統(tǒng)長期協(xié)調(diào)運行總成本最小為目標(biāo)，對電轉(zhuǎn)氣（P2G）設(shè)備與風(fēng)電場進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃；文獻(xiàn)［3］以包括投資、運行和維護(hù)費用的全壽命周期成本最小為目標(biāo)，建立了園區(qū)IES的多階段規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［4］考慮P2G、儲能及可再生能源出力設(shè)備對系統(tǒng)的影響，對IES 規(guī)劃階段的容量配置進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)［5］基于光伏（PV）與負(fù)荷的季節(jié)性日場景削減結(jié)果，對PV與P2G設(shè)備進(jìn)行多場景規(guī)劃；文獻(xiàn)［6］考慮全壽命周期成本，建立了協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的園區(qū)IES 規(guī)劃方案；文獻(xiàn)［7］利用典型日場景處理PV 的不確定性，提出了一種含冷、熱、電、氣多能流的IES 容量規(guī)劃模型，保證了系統(tǒng)在整個規(guī)劃周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；文獻(xiàn)［8］采用設(shè)備年利用小時數(shù)作為衡量設(shè)備全壽命周期利用率的指標(biāo)，提出了一種計及風(fēng)、光、荷不確定性場景的園區(qū)IES 長時間尺度規(guī)劃方法。上述研究基于場景法分析了IES 在規(guī)劃周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和能效性，但忽略了環(huán)保性和低碳性。

關(guān)于IES 的低碳運行也已有相關(guān)的研究：文獻(xiàn)［9］基于儲熱裝置、電鍋爐，構(gòu)建了計及碳交易成本的熱電聯(lián)合調(diào)度模型；文獻(xiàn)［10］通過分析碳交易機制和碳排放配額，研究了碳交易對含風(fēng)電熱電聯(lián)合系統(tǒng)的影響；文獻(xiàn)［11］建立了考慮碳交易價格影響的電-氣互聯(lián)IES 的低碳經(jīng)濟(jì)運行模型；文獻(xiàn)［12］考慮熱電聯(lián)合需求響應(yīng)和碳交易成本，建立了兼顧新能源消納的園區(qū)IES 聯(lián)合經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；文獻(xiàn)［13］考慮儲液式碳捕集電廠，建立了含風(fēng)電系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，能夠保證系統(tǒng)獲得最佳的低碳和經(jīng)濟(jì)效益。但上述研究只計及設(shè)備運行時的碳排放，未考慮設(shè)備全壽命周期內(nèi)的碳排放。

P2G 設(shè)備可以利用電能將捕集的CO2轉(zhuǎn)化為燃?xì)猓襊V 發(fā)電過程是零碳排放的，因此P2G 設(shè)備與PV 是降低碳排放、助力碳中和的重要低碳設(shè)備。但P2G 設(shè)備和PV 的制造過程并不是零碳排放的，因此有必要考慮設(shè)備生產(chǎn)以及回收過程的碳排放對IES優(yōu)化配置的影響。此外，IES內(nèi)大部分設(shè)備都需要利用水傳遞熱量以及冷量，所以水是IES 的重要組成部分。為了更貼合工程實際，有必要將與水相關(guān)的約束納入IES的優(yōu)化配置模型中。

針對上述分析，本文提出了一種計及IES 全壽命周期碳排放和碳交易機制的P2G 設(shè)備和PV 聯(lián)合優(yōu)化配置方法。首先，建立了基于湖南省某實際分布式能源站的IES內(nèi)部設(shè)備模型，提出了IES全壽命周期碳排放模型，給出了P2G設(shè)備和PV的全壽命周期碳排放計算方法；然后，以基于階梯罰金機制的碳排放成本、含用水成本在內(nèi)的購能成本、設(shè)備投資成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了P2G設(shè)備和PV的聯(lián)合優(yōu)化配置模型；最后，以湖南省某分布式能源站為對象對所提模型和方法進(jìn)行算例分析與驗證。

1 分布式能源站IES建模

基于湖南省某分布式能源站的IES 架構(gòu)如圖1 所示，內(nèi)部已有設(shè)備包含儲冷裝置、儲熱裝置、儲氣裝置、冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）機組、燃?xì)忮仩t、熱泵機以及離心式冷水機組。該能源站采用分布式供能系統(tǒng)，供能區(qū)域內(nèi)有大量穩(wěn)定的冷、熱、電負(fù)荷需求。本文擬在該IES 中配置PV 和P2G 設(shè)備，以提升系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性并降低碳排放。

圖1 IES架構(gòu)Fig.1 Architecture of IES

1.1 CCHP機組模型

CCHP 機組由內(nèi)燃發(fā)電機和溴化鋰機組組成，內(nèi)燃發(fā)電機利用燃?xì)馊紵l(fā)電，并將產(chǎn)生的煙氣余熱供給溴化鋰機組。內(nèi)燃發(fā)電機模型可表示為：

溴化鋰機組采用制冷采暖專用機，該機型可工作在制冷、制熱2 種模式下，且在不同模式下設(shè)備的效率不同，其模型可表示為：

1.2 燃?xì)忮仩t與熱泵機模型

燃?xì)忮仩t與熱泵機的輸入均為天然氣，輸出均為熱量，但設(shè)備效率不同，兩者之間的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系可用式（3）表示。

1.3 離心式冷水機組模型

離心式冷水機組利用氟利昂制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收載冷劑水的熱量進(jìn)行循環(huán)制冷，制取冷凍水供用戶使用，其模型可表示為：

1.4 儲能裝置模型

為了緩解源、荷不確定性的影響，IES 需要加入儲氣、儲熱、儲冷裝置。各儲能裝置的運行方式相同，以儲熱裝置為例，其模型可表示為：

1.5 P2G設(shè)備模型

P2G 設(shè)備可以將電能轉(zhuǎn)化成H2或者CH4，并按照符合規(guī)定的比例注入天然氣網(wǎng)絡(luò)，在實現(xiàn)電氣互轉(zhuǎn)的同時提升了清潔能源的消納比例。本文中的P2G 設(shè)備生成CH4，一般分為2 個化學(xué)反應(yīng)過程［14］：第一個過程是水電解反應(yīng)，水分子在催化劑、高溫以及通電的情況下生成H2和O2；第二個過程是H2與CO2在高溫高壓的條件下產(chǎn)生CH4。其中，消耗的水量、消耗的CO2量、生成的CH4量之比為2∶1∶1。則P2G設(shè)備模型可表示為：

1.6 PV模型

PV模型可表示為：

2 分布式能源站IES全壽命周期碳排放

從全壽命周期角度而言，IES碳排放可分為設(shè)備建造過程碳排放、設(shè)備運行過程碳排放以及拆除回收過程碳排放。對于P2G設(shè)備和PV而言，其運行過程中不產(chǎn)生碳排放，因此只需考慮P2G設(shè)備和PV在建造以及拆除回收過程中產(chǎn)生的CO2量。對于除P2G 設(shè)備、PV 以外的其他設(shè)備而言，其容量均已確定，設(shè)備建造以及拆除回收過程中的碳排放量為定值，因此只需考慮設(shè)備運行過程中的碳排放即可。

2.1 PV全壽命周期碳排放

1）PV建造過程的碳排放。

PV 在建造過程中排放的CO2包括間接碳排放、直接碳排放2類。間接碳排放是指PV產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程中生產(chǎn)設(shè)備用電能耗轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的CO2排放量，此處主要是指多晶硅還原、切割、組件封裝、系統(tǒng)集成安裝等過程消耗電能而產(chǎn)生的碳排放［15］，可表示為：

式中：ψPV，inde為PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程中的間接碳排放量，單位為kg／kW；EPV，inde為PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程中所有生產(chǎn)設(shè)備的用電能耗，單位為kW·h／kW；α為從電網(wǎng)購買電量對應(yīng)的碳排放系數(shù)，取值為0.997 kg／（kW·h）。

直接碳排放是指PV 產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)過程中直接排放的CO2量，此處是指硅沙還原到冶金硅過程中直接排放的CO2量。工廠建造1 kW PV 電池大約需要12.5 kg工業(yè)硅（SiO2），根據(jù)還原硅沙的化學(xué)公式，可計算得到該過程中PV 的直接碳排放量ψPV，de=18.4 kg／kW［16］。

綜上，PV在建造過程中的碳排放量ψPV，made為：

2）PV拆除回收過程的碳排放。

PV 組件在退役后需要進(jìn)行組件回收利用，若有效利用可回收的PV 組件，可降低碳排放。則PV 在拆除回收過程中的碳排放量ψPV，re可表示為：

式中：?PV為PV 組件的有效回收效率；?y為PV 組件有效回收時的碳排放系數(shù)；?f為PV組件不能有效回收時的碳排放系數(shù)。

基于費用等年值法［17］，設(shè)PV組件的使用壽命為m1年，貼現(xiàn)率為I1，則PV 的全壽命周期碳排放量的年折現(xiàn)值LPV（單位為kg／a）可表示為：

2.2 P2G設(shè)備全壽命周期碳排放

1）P2G設(shè)備建造過程的碳排放。

P2G 設(shè)備主要由2 級反應(yīng)裝置及控制系統(tǒng)組成，且其設(shè)備容量主要由2 級反應(yīng)裝置的容量共同決定。由于P2G 設(shè)備的容量對控制系統(tǒng)的影響不大，本文認(rèn)為不同容量P2G 設(shè)備的控制系統(tǒng)在建造及拆除回收過程中的碳排放量是一致的，即本文只考慮P2G設(shè)備2級反應(yīng)裝置的全壽命周期碳排放。

第一級反應(yīng)裝置為質(zhì)子交換膜水電解制氫裝置［18］，主要由裝置外架構(gòu)以及電解槽組成，其建造過程中的碳排放主要包括鋼鐵鑄造碳排放以及陰極和陽極電催化劑的貴金屬還原碳排放；第二級反應(yīng)裝置為甲烷化裝置［19］，主要由甲烷化反應(yīng)器、脫硫槽、廢熱鍋爐、蒸汽過熱器、循環(huán)壓縮機組成，其建造過程中的碳排放主要為鋼鐵鑄造碳排放。故P2G設(shè)備在建造過程中的直接碳排放ψP2G，de可表示為：

式中：PP2G，max為P2G 設(shè)備的安裝容量上限；σsl為鋼鐵鑄造碳排放系數(shù)；σcl為貴金屬還原碳排放系數(shù)，取值為8.25 kg／kW。

P2G 設(shè)備在建造過程中也會產(chǎn)生間接碳排放，主要為鋼鐵鑄造和還原貴金屬催化劑時生產(chǎn)設(shè)備消耗電能所產(chǎn)生的碳排放，可表示為：

式中：ψP2G，inde為P2G 設(shè)備建造過程中的間接碳排放量，單位為kg／kW；EP2G，inde為P2G 設(shè)備建造過程中所有生產(chǎn)設(shè)備的用電能耗，單位為kW·h／kW。

2）P2G設(shè)備拆除回收過程的碳排放。

P2G 設(shè)備在超過使用年限后，需要拆除回收。由于P2G 設(shè)備的大部分架構(gòu)使用鋼鐵，若能及時對其進(jìn)行合理的回收利用，可大幅降低碳排放。P2G設(shè)備在拆除回收過程中的碳排放量ψP2G，re可表示為：

式中：ιP2G為P2G設(shè)備拆除回收時的碳排放系數(shù)。

設(shè)P2G設(shè)備的使用壽命為m2年，貼現(xiàn)率為I2，則P2G 全壽命周期碳排放量的年折現(xiàn)值LP2G（單位為kg／a）可表示為：

2.3 其他碳排放

其他碳排放指IES 中所有設(shè)備的運行碳排放，主要包括設(shè)備消耗天然氣的碳排放和外購電對應(yīng)的碳排放兩部分。P2G 設(shè)備產(chǎn)生的CH4會加入天然氣管道，因此IES 運行過程中的年碳排量ECO2（單位為kg／a）可表示為：

3 P2G設(shè)備和PV的容量配置模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)進(jìn)行P2G設(shè)備和PV 的容量聯(lián)合優(yōu)化配置，系統(tǒng)總成本Call主要包括碳交易成本Cc、購能成本Cin、設(shè)備投資成本Ce和設(shè)備運維成本Cw，則目標(biāo)函數(shù)如式（20）所示。

1）碳交易成本。

碳交易實質(zhì)上是通過建立碳排放權(quán)二次分配的合理制度，借助市場對碳排放權(quán)進(jìn)行交易，從而控制企業(yè)的碳排放量，促進(jìn)全球溫室氣體減排，助力碳中和［20］。本文設(shè)置了階梯罰金價格，具體碳交易制度如下：在一定的調(diào)度周期內(nèi)，若企業(yè)的實際碳排放量小于指定配額，則可通過出售多余的碳排放額度以獲取收益；若企業(yè)的實際碳排放量大于指定配額，則必須購買額外的碳排放額度。當(dāng)企業(yè)的實際碳排放量大于指定配額且超額量大于可購買的碳排放額度時，除了需支付購買碳排放額度的交易成本外，還需要支付超額部分的高額罰金，且隨著超額量的增加，罰金價格也會按一定的幅度增長。因此，碳交易成本Cc可表示為：

式中：νc為碳交易價格，本文取值為100 元／t；Dc為IES 的碳排放配額，單位為t；Hc為不同罰金階段IES可購買的碳排放額度，單位為t；wc為初級罰金價格，單位為元／t；d為罰金價格增長系數(shù)，本文取值為1.2。

2）購能成本。

根據(jù)分布式能源站的實際運行情況，購水成本占據(jù)一定的比例，因此本文將購水成本納入購能成本，計算式為：

用水設(shè)備主要包括溴化鋰機組、燃?xì)忮仩t、熱泵機、離心式冷水機組、P2G 設(shè)備。溴化鋰機組、燃?xì)忮仩t、熱泵機和離心式冷水機組用水以攜帶能量供給冷、熱負(fù)荷，用水量由負(fù)荷大小以及負(fù)荷所需溫度決定。溴化鋰機組、燃?xì)忮仩t、熱泵機、離心式冷水機組用水量的計算式為：

根據(jù)P2G設(shè)備的工作原理，其用水量可表示為：

3）設(shè)備成本。

設(shè)備成本包括設(shè)備投資成本和運維成本。設(shè)備投資成本由P2G設(shè)備和PV的容量決定，設(shè)備初始投資等年值成本可表示為：

式中：εPV、εP2G分別為單位容量PV、P2G 設(shè)備的投資成本，單位為元／kW。

設(shè)備運維成本包括PV、P2G 設(shè)備的運維成本，可表示為：

式中：βPV、βP2G分別為單位容量PV、P2G設(shè)備的年運維成本，單位為元／kW。

3.2 約束條件

1）電、熱、冷、氣平衡約束。

2）P2G設(shè)備、PV容量約束。

式中：PP2G，min、PPV，min分別為P2G 設(shè)備、PV 的安裝容量下限。

此外，其他設(shè)備相關(guān)約束如式（1）—（8）所示。

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

本文基于湖南省某實際分布式能源站IES 進(jìn)行算例分析。PV 發(fā)電具有隨機性，負(fù)荷也具有一定的波動性，且都具有季節(jié)性，因此利用K-means 聚類方法將PV 和電、冷、熱負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)按照季節(jié)生成4 個典型日場景，即S=4，s=1，2，3，4 分別對應(yīng)春、夏、秋、冬季典型日場景，數(shù)據(jù)曲線見附錄A 圖A1。根據(jù)湖南省的電價、水價以及氣價，確定各能源的分時價格如附錄A 表A1 所示。且將能量單位統(tǒng)一換算為kW。利用商業(yè)軟件GAMS進(jìn)行優(yōu)化求解。

4.2 配置方案對比分析

為了說明本文模型的有效性，設(shè)置了8 種情形進(jìn)行對比分析，如附錄A 表A2 所示。IES 的碳排放配額Dc=6 000 t，不同罰金階段IES 可購買的碳排放額度Hc=3000 t，初級罰金價格wc=300 元／t。優(yōu)化配置結(jié)果如表1所示。

對比表1 中情形2—4 的配置結(jié)果可知，相較于P2G 設(shè)備單獨配置的情形2、PV 單獨配置的情形3，PV 和P2G 設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的情形4 下P2G設(shè)備容量增加了1 389.24 kW（約3.6 倍），PV 容量增加了2 267.072 kW（約1.46 倍）。可見，聯(lián)合優(yōu)化配置使得PV、P2G 設(shè)備這2 種低碳設(shè)備的接入容量均增大，有效提升了可再生能源的利用率。相較于情形1，情形4的碳交易成本減少了868.942萬元，系統(tǒng)總成本減少了1 466.629 萬元，這是因為P2G 設(shè)備可將PV產(chǎn)生的部分電能轉(zhuǎn)換成燃?xì)猓瑑?nèi)燃發(fā)電機可將燃?xì)廪D(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)了實時的電氣互轉(zhuǎn)，從而降低了系統(tǒng)的購能成本，也有效減少了碳排放量以及系統(tǒng)總成本。相較情形1—3，情形4 實現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，證明了PV、P2G 設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的有效性和可行性。

對比表1 中情形3、6 的結(jié)果可知，情形3 的PV配置容量增加了1 156.94 kW，碳交易成本減少了62.37 萬元，系統(tǒng)總成本減少了4.437 萬元；對比表1中情形2和5、情形4和7的結(jié)果可知，無論是低碳設(shè)備單獨配置還是PV與P2G設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置，只要在目標(biāo)函數(shù)中考慮碳交易成本，各低碳設(shè)備的接入容量均增大，且系統(tǒng)總成本相應(yīng)減少。考慮碳交易機制的配置方法有效提升了清潔能源的利用率，并兼顧了IES 的經(jīng)濟(jì)性。這是因為采用傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)配置模型時，碳排放系數(shù)小、發(fā)電成本較高的PV 以及吸碳、成本高的P2G設(shè)備沒有得到有效利用，使得傳統(tǒng)配置方案中包括電網(wǎng)購電成本在內(nèi)的購能成本較高，導(dǎo)致系統(tǒng)總成本增加，碳排放量也較大。

表1 不同情形的優(yōu)化配置結(jié)果Table 1 Optimal configuration results of different conditions

對比情形1 和其他情形可知，如果IES 不配置PV、P2G 設(shè)備這2 種低碳設(shè)備，則IES 的碳排放量很高，達(dá)27 736.835 t，系統(tǒng)總成本也最大，達(dá)3 058.975萬元，表明PV 與P2G 設(shè)備是目前降低碳排放、助力碳中和的重要手段，有必要在規(guī)劃IES 時對PV、P2G設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置。

配置PV 與P2G 設(shè)備后，IES 運營商可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果合理安排機組出力，且在不同典型場景下IES的運行狀態(tài)有所區(qū)別。例如：夏季冷負(fù)荷較大，且供冷的離心式冷水機組是電制冷設(shè)備，此時IES 的電負(fù)荷需求較大，IES 應(yīng)以“以電定熱”的模式運行，情形4 下各設(shè)備的出力結(jié)果見附錄A 圖A2；而冬季的熱負(fù)荷需求較大，IES 應(yīng)以“以熱定電”的模式運行。由圖A2可知，P2G設(shè)備一直處于運行狀態(tài)，利用CO2產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的天然氣，促進(jìn)碳中和。由于夜晚PV不發(fā)電，此時IES 內(nèi)部主要由內(nèi)燃發(fā)電機供應(yīng)電負(fù)荷，溴化鋰機組利用其產(chǎn)生的余熱輸出熱功率；而白天PV 發(fā)電量較大，此時內(nèi)燃發(fā)電機出力較少，所產(chǎn)生的較少余熱被溴化鋰機組轉(zhuǎn)化為冷功率。溴化鋰機組的產(chǎn)熱／產(chǎn)冷工作狀態(tài)受內(nèi)燃發(fā)電機影響，而內(nèi)燃發(fā)電機的出力受PV 出力影響，且PV 出力具有隨機性和波動性，這使得溴化鋰機組的產(chǎn)熱／產(chǎn)冷量并不穩(wěn)定，因此大部分冷負(fù)荷由離心式冷水機組提供。當(dāng)PV不出力時，為了有效利用內(nèi)燃發(fā)電機的余熱，不造成能量損失，大部分熱負(fù)荷由溴化鋰機組供應(yīng)。而在夏季熱負(fù)荷很小，此時熱泵機不出力。

由于用水成本是IES 的重要能源成本之一，對比情形4 和8 可知：情形4 考慮了用水成本，PV 與P2G 設(shè)備的配置容量較小，這是因為P2G 設(shè)備在運行過程中會消耗一定量的水，產(chǎn)生一定的用水成本，當(dāng)將用水成本納入目標(biāo)函數(shù)時，會影響P2G 設(shè)備的配置容量，而P2G 設(shè)備容量的減小，也會影響PV 發(fā)電的消納，使得PV 容量減小。2 種低碳設(shè)備容量的減小，使得IES 的碳排放量稍有增加，但由于設(shè)備成本和包括用水成本在內(nèi)的購能成本降低，使得系統(tǒng)總成本降低。因此，考慮用水成本的PV與P2G設(shè)備聯(lián)合配置不僅貼合工程實際，還使IES 具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

4.3 碳交易機制分析

4.3.1 碳排放配額對聯(lián)合配置的影響

目前我國碳交易機制仍處于探索階段，合理地設(shè)定碳交易機制中的參數(shù)，可以有效降低企業(yè)的碳排放量，其中企業(yè)的碳排放配額是重要參數(shù)。為了說明碳排放配額Dc的作用，本文將未考慮碳交易成本（情形7）的IES 碳排放量15 001.588 t 作為IES 的碳排放強度，并分析碳排放配額與碳排放強度之比ξ取不同的值時，對PV與P2G設(shè)備聯(lián)合配置的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)ξ較小時，IES的碳排放配額也很小，導(dǎo)致碳交易超額罰金較大，使得碳交易成本對目標(biāo)函數(shù)的約束力度很強，因此低碳設(shè)備的配置容量也很大，碳排放量小，但系統(tǒng)總成本較高，雖然保證了IES 的環(huán)保性，但I(xiàn)ES 的經(jīng)濟(jì)性并不好；隨著ξ增大，PV 與P2G 設(shè)備的配置容量減小，碳交易成本降低，且購能成本增加，系統(tǒng)總成本主要在碳交易成本和購能成本的博弈中變化；當(dāng)ξ=40%時，系統(tǒng)總成本較小，碳排放量也較小，此時IES 可獲得較好的經(jīng)濟(jì)和低碳效益。

表2 ξ 對聯(lián)合配置結(jié)果的影響Table 2 Influence of ξ on joint configuration results

4.3.2 超額排放罰金價格對聯(lián)合配置的影響

為了控制碳排放量，并使基于碳交易機制的設(shè)備容量配置更加合理，本文對IES 設(shè)置超額排放罰金。設(shè)定初級罰金價格等于碳交易價格，即以不計罰金模式下的碳交易市場為起始點，并使初級罰金價格以100 元／t 遞增。低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置時的碳排放量、系統(tǒng)總成本與初級罰金價格的關(guān)系曲線如圖2 所示，不同初級罰金價格下的低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置結(jié)果如表3所示。

圖2 碳排放量、系統(tǒng)總成本與初級罰金價格的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of carbon emissions and total system cost vs. primary penalty price

表3 初級罰金價格對低碳設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化配置的影響Table 3 Influence of primary penalty price on joint optimal configuration of low-carbon equipment

結(jié)合圖2 與表3 可知，當(dāng)初級罰金價格由100元／t 增加至200 元／t 時，PV、P2G 設(shè)備容量增幅分別為12.26%、28.56%，碳排放量減少了220 t，系統(tǒng)總成本增加了125.235 萬元。這是因為初級罰金價格的變化使得碳交易市場從無罰金機制變?yōu)閹в辛P金機制，導(dǎo)致碳交易成本迅速增加，為了降低碳交易成本，低碳設(shè)備的接入容量便會增加。而隨著初級罰金價格增大，高額罰金使得碳交易成本在系統(tǒng)總成本中的比重逐漸增大，IES逐漸加強了對碳排放的約束，促使低碳設(shè)備的配置容量逐漸增大，且碳排放量逐漸減少。通過合理設(shè)置超額碳排放的初級罰金價格，可以有效降低IES 的碳排放量，提升PV 以及P2G設(shè)備的配置容量，助力碳中和。

另外，計及IES 全壽命周期碳排放與只計及設(shè)備運行過程中碳排放的PV 與P2G 設(shè)備的聯(lián)合優(yōu)化配置結(jié)果會受到初級罰金價格的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，當(dāng)初級罰金價格較低時，計及IES全壽命周期碳排放與只計及設(shè)備運行過程中碳排放2 種情形的配置結(jié)果幾乎一致；當(dāng)初級罰金價格大于300 元／t 時，相較于計及IES 全壽命周期碳排放的情形，只計及設(shè)備運行過程中碳排放情形的設(shè)備配置容量均有所增加。這是因為設(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過程中的碳排放量比設(shè)備運行過程中的碳排放量小，當(dāng)初級罰金價格較低時，設(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過程中的碳排放量產(chǎn)生的碳交易成本在系統(tǒng)總成本中占比較小，不足以影響優(yōu)化配置結(jié)果；而隨著初級罰金價格增大，碳交易成本不斷增加，使得計及IES全壽命周期碳排放的配置容量相對減小，從而降低了設(shè)備生產(chǎn)以及拆除回收過程中的碳排放。

圖3 初級罰金價格對聯(lián)合配置結(jié)果的影響Fig.3 Influence of primary penalty price on joint configuration results

5 結(jié)論

在我國碳達(dá)峰和碳中和時代背景下，本文基于以湖南省某分布式能源站為原型的IES，提出了考慮全壽命周期碳排放和碳交易機制的P2G 設(shè)備與PV聯(lián)合優(yōu)化配置模型。該模型考慮了對IES 很重要的用水成本和分時電價，使得模型更加貼合實際情況。該模型計及IES 全壽命周期碳排放和碳交易機制，可極大地提升PV和P2G設(shè)備的配置容量，保證系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性并有效降低系統(tǒng)的碳排放。此外，碳排放超額罰金對碳排放量以及容量配置結(jié)果有顯著的影響。我國碳交易市場機制會迅速發(fā)展并逐漸成熟，合理設(shè)定企業(yè)碳排放配額以及碳排放階梯罰金可以使企業(yè)積極參與碳交易并優(yōu)化企業(yè)的用能方式和能源配置結(jié)構(gòu)。

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