計及碳交易-綠證的“源-荷”互動優化調度策略

蘇宜強，劉盛松

（國網江蘇省電力有限公司，南京 210024）

0 引言

近年來，隨著傳統化石能源的過度開采利用和全球氣候變暖，人們逐漸意識到改善能源結構的重要性，積極開發可再生能源成為當今解決能源問題的有效措施［1—2］。為減少碳排放、增加可再生能源出力，碳交易機制和可再生能源配額制受到了廣泛關注。在碳排放交易機制中，交易主體可以購買或出售碳排放配額，使得碳排放較少的發電企業獲益；可再生能源配額制規定了地區電網可再生能源發電所占比例，不足或超出部分可在不同地區間進行交易。

圍繞碳交易機制、可再生能源配額制，學者們開展了大量的研究。文獻［3］介紹了碳交易機制，提出了考慮碳排放的經濟調度策略，并證實了碳交易機制在降低系統碳排放方面的有效性。文獻［4］研究了可再生能源配額制下的風電并網節能經濟調度模型，輸出不同機組的發電計劃，證實了該模型在促進風電消納方面的有效性。文獻［5］、文獻［6］在優化調度中均建立了碳排放交易成本模型。文獻［5］引入電儲能，利用Yalmip求解以機組運行成本、儲能裝置運行成本和碳交易成本等多項成本最小為目標的調度模型。文獻［6］利用模糊自修正粒子群算法求解考慮碳交易成本的冷熱電聯供系統低碳調度多目標優化模型。文獻［7］同樣建立了綠證交易機制模型和碳抵消機制模型，在此基礎上以總成本最小為目標建立綜合考慮以上兩種機制的含風電電力系統優化調度模型，但僅從發電側的角度出發，僅考慮了發電機組針對新政策兩項機制的優化方案。

盡管上述研究對碳交易機制、可再生能源配額制的數學模型和求解算法進行了詳細的研究，但未考慮柔性負荷對碳交易-綠證機制下調度結果的影響。文獻［8］將單一電動汽車作為負荷側調度資源，提出了一種計及電動車碳配額的經濟調度模型，結果證實了碳排放交易機制在有效減少碳排放的同時，也減少了用電成本。以上研究表明，碳交易-綠證機制是節能降耗、平抑可再生能源波動的重要措施，柔性負荷對于碳交易-綠證機制下的調度結果具有重要的影響，因此開展相應的研究具有重要意義。

本文針對大規模新能源消納的情形，提出了同時包含碳交易-綠證以及需求響應的“源-荷”互動優化調度策略，充分考慮了可平移負荷、可削減負荷、可轉移負荷在碳交易-綠證機制下的影響，利用多機制協同，促進新能源消納。

1 計及碳交易-綠證的電力優化調度模型

針對風電大規模接入電網的情形，考慮碳交易-綠證機制，建立針對區域電網的優化調度模型。

1.1 優化調度目標函數

經濟調度目標函數為火電機組運行成本、綠證（tradable green certificate,TGC）成 本、碳 交 易（carbon trading,CT）成本、購買備用成本以及柔性負荷調用成本之和最小，具體如下

式中：f1為火電機組報價成本；f2為TGC成本；f3為CT成本；f4為備用成本；f5為柔性負荷調用成本。

1.1.1 火電機組運行成本

火電機組發電運行中基于燃料成本給出的報價成本為

式中：pfuel為單位碳排放下的燃料價格，元/t；a i、b i、ci分別為第i臺火電機組的CO2排放系數；P i,t為第i臺火電機組在t時刻的出力；NG為該系統火電機組的數量；T為調度時間，取24 h。

1.1.2 TGC成本

可再生能源配額制實施后，電網公司會同時參與電力市場和TGC市場的交易，TGC將和電能一樣具有經濟價值，其成本和收益將成為目標函數的重要組成部分。TGC成本公式如下

1.1.3 CT成本

選擇“基準線法”，即按照各發電廠的發電量按比例分配碳排放配額，t時刻分攤得到的碳排放配額為

式中：CCT為t時刻系統分配得到的碳排放配額；kCT為區域單位電量碳排放配額分配系數。

CT成本的計算公式如下

式中：pCT為單位碳排放價格。

1.1.4 輔助服務（備用容量）成本

1.1.5 柔性負荷調用成本

式中：fshift、fcut、ftrans分別為可平移負荷、可削減負荷和可轉移負荷的調用成本。

1.2 優化調度約束條件

1.2.1 功率平衡約束

為保證電網安全穩定運行，單位時間內所有火電出力和風電出力應等于該時刻的負荷預測值

1.2.2 機組啟停變量約束

式中：u i,t為t時刻第i臺機組的運行狀態。

1.2.3 開關狀態約束

式中：xi,t為第i臺火電機組在t時刻的啟動狀態，啟動為1，不啟動為0；y i,t為第i臺火電機組在t時刻的停機狀態，退出為1，不退出為0；u i,t為第i臺火電機組在t時刻的狀態變量，開機為1，停機為0。

1.2.4 火電機組出力約束

式中：Pi,min和Pi,max分別為第i臺火電機組的最小、最大技術出力。

1.2.5 火電機組爬坡速率約束

式中：SU i為第i臺機組爬坡速率的上界；-SD i為第i臺機組爬坡速率的下界。

1.2.6 支路潮流約束

式中：PL l,t為第l條支路在t時刻的傳輸功率；PLMl為第l條支路的功率限值；QG l,i、QW l,w、QD l,d分別為支路-火力發電機、支路-風力發電機、支路-負荷節點關聯矩陣。

2 柔性負荷模型

柔性負荷功率總量可以表示為可平移負荷、可削減負荷和可轉移負荷之和

式中：Pshift,d,t、Pcut,d,t、Ptrans,d,t分別為可平移負荷、可削減負荷和可轉移負荷，各變量的約束條件分別定義如下。

2.1 可平移負荷

可平移負荷在用電時序上具有一定的前后關聯性，故在優化調度過程中需在保證時序關聯的基礎上對負荷曲線進行整體平移。

假設第ds個可平移負荷在平移前的負荷曲線可以用向量表示為

式中：ts1*,…,tsD*為可平移負荷平移前所處時間段，則可建立第ds個可平移負荷的可行求解空間Pshift_sel,ds

式中：Pshift_sel,ds中的每一行為一種可能的可平移負荷曲線。利用0-1變量yshift,ds,t來表示平移后的可平移負荷Pshift,ds在求解空間Pshift_sel,ds中的位置，yshift,ds,t=1為可平移負荷從t時刻開始，根據開始時刻的唯一性，則

則第ds個可平移負荷在平移后的負荷曲線可以通過下式計算式

中：Pshift,ds中的第t個元素Pshift,d,t即為第d個可平移負荷在第t個時刻的負荷大小。

可平移負荷的成本可通過下式計算

式中：pshift,ds為第ds個可平移負荷單位電量的價格；NDS為可平移負荷的個數。第d個節點的可平移負荷與第ds個可平移負荷存在如下關系

2.2 可削減負荷

可削減負荷通過一定的價格或激勵手段實現負荷的部分或全部削減。

第t個時刻的可削減負荷需滿足其自身的功率限值約束

式中：Pcut_max,d為第d個節點的最大消減量，可削減負荷的成本可通過下式計算

式中：pcut為可削減負荷單位電量的價格。

2.3 可轉移負荷

可轉移負荷能夠在調度周期內轉移用電功率而不減少電能的使用，相比于可平移負荷，可轉移負荷能夠實現功率的靈活轉移而不受用電時序的約束。

第t個時刻的可轉移負荷需滿足功率限值約束

式中：Ptrans_max,d為第d個節點的最大轉移量，此外，由于轉移前后總電能消耗不變，可轉移負荷還應滿足電能約束

式中：Ptrans0,d,t為第d個節點的可轉移負荷在轉移前第t個時刻的負荷大小。

可轉移負荷的成本可通過下式計算

式中：ptrans為可轉移負荷單位電量的價格。

3 算例分析

算例考慮由4臺火電機組和1個風電場組成的區域電網，如圖1所示。火電機組的參數如表1所示。算例所考慮的負荷曲線和風電功率曲線如圖2所示。碳交易配額取0.95 t/MWh，可再生能源配額取0.25，假設碳交易和綠色證書的價格通過上一級碳交易市場和綠色證書交易市場確定，碳交易價格取100元/t，綠證交易價格取500元/MWh。

圖2 負荷曲線與風電功率曲線Fig.2 Load curve and wind power curve

表1 火電機組參數Table 1 Thermal power unit parameters

圖1 5節點系統Fig.1 5-node power system

為了進行對比分析，算例考慮以下兩種情形，分別為：①情形1，不考慮柔性負荷；②情形2，考慮可平移負荷、可削減負荷、可轉移負荷3種類型的柔性負荷，其中可平移負荷考慮5種不同的可平移負荷，平移前的時間范圍和允許平移的時間范圍在表2中列出。

表2 可平移負荷參數（5節點系統）Table 2 Shiftable load parameters(5-node system)

情形1（不考慮柔性負荷的火電機組）的調度結果如圖3所示；情形2（考慮柔性負荷的火電機組）的調度結果如圖4所示。對比圖3和圖4可以發現，引入柔性負荷后，第1臺和第3臺火電機組的最大功率有所減小。

圖3 不考慮柔性負荷的火電機組調度結果Fig.3 Scheduling results of thermal units without considering the flexible loads

圖4 考慮柔性負荷的火電機組調度結果Fig.4 Scheduling results of thermal units considering the flexible loads

圖5給出了情形2中優化前后可平移負荷調度結果的對比，圖6給出了情形2中優化前后各類柔性負荷在總負荷中的占比。從圖中可以看出，優化后的柔性負荷從中午高峰（11:00—14:00）和晚高峰時段（18:00—22:00）轉移到了夜晚低谷時段（1:00—6:00），優化后的負荷曲線在高峰時段低于優化前的負荷曲線，驗證了本文的優化調度模型的合理性。

圖5 可平移負荷的調度結果Fig.5 Scheduling results of shiftable loads

圖6 優化前后各類型柔性負荷在總負荷中所占比例Fig.6 Amount of different flexible loads before and after optimization

為了進一步說明碳交易-綠證機制下柔性負荷對電網企業的影響，表3給出了考慮柔性負荷和不考慮柔性負荷兩種情形下的碳交易成本和綠證交易成本。由表3可以看出，考慮了柔性負荷后的碳交易成本（303 830元）相較于不考慮柔性負荷時（311 340元）有所下降，同時，出售綠證所獲得的收益（117 080元）比不考慮柔性負荷時（113 880元）有所增加。算例結果驗證了本文所提出的優化調度模型的合理性和有效性，同時說明柔性負荷的引入能夠節能降耗、平抑可再生能源波動及促進可再生能源消納，從而更好地發揮碳交易-綠證機制的作用。

表3 兩種情形下的優化結果對比Table 3 Comparison of optimization results in the 2 scenarios

4 結論

本文在低碳排放和可再生能源大力發展的背景下，考慮綠證和碳交易成本，建立了計及多類型柔性負荷資源的優化調度模型。通過算例分析主要得到以下結論。

（1）在優化模型中加入可平移負荷、可削減負荷和可轉移負荷后得到的優化結果表明，柔性負荷可以有效減少部分火電機組的最大功率。

（2）本文所建立的柔性負荷模型使得可平移負荷從用電高峰時段轉移至低谷時段，并且優化后的負荷曲線明顯優于優化前的負荷曲線，有效緩解了用電高峰時段的壓力。

（3）本文將兩種情形下（即是否考慮柔性負荷）的棄風量、碳交易成本以及綠證成本進行對比，得到考慮柔性負荷后的3項指標均低于未考慮柔性負荷時的指標值，證明了柔性負荷的引入可以更好地促進風電消納和發揮碳交易-綠證機制的作用。D