基于碳排放流理論的供需聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略

李虹，林蘭心,2

基于碳排放流理論的供需聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略

李虹1，林蘭心1,2

（1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 漳州供電公司，福建 漳州 363000）

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，為調(diào)動(dòng)多能用戶(hù)參與系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的積極性，提出了一種以用戶(hù)為主導(dǎo)的供需聯(lián)合低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。首先，完善了不同產(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度計(jì)算方法，利用碳排放流（Carbon emission flow，CEF）理論構(gòu)建了多能網(wǎng)絡(luò)的碳排放計(jì)算模型。基于此，構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)（Integrated energy system，IES）低碳經(jīng)濟(jì)雙層優(yōu)化調(diào)度模型。其中，上層模型為考慮綜合需求響應(yīng)（Integrated demand response，IDR）和用戶(hù)碳交易成本的多能用戶(hù)IDR策略，下層模型為考慮網(wǎng)絡(luò)約束的IES經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。然后，通過(guò)自適應(yīng)差分進(jìn)化算法嵌套Gurobi對(duì)雙層模型進(jìn)行求解。算例分析結(jié)果表明，結(jié)合CEF理論和IDR機(jī)制的雙層優(yōu)化模型可改善用戶(hù)和IES的經(jīng)濟(jì)效益和低碳效益，實(shí)現(xiàn)供需雙側(cè)的聯(lián)合優(yōu)化。

綜合能源系統(tǒng)；優(yōu)化調(diào)度；需求側(cè)管理；碳排放流

0 引言

致力于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、推動(dòng)能源高效利用、大力發(fā)展清潔能源，有利于緩解日益增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)間的矛盾[1,2]。在此背景下，多能協(xié)同的IES[3]應(yīng)運(yùn)而生。IES是含有電、氣、熱等不同能流的復(fù)雜能源系統(tǒng)，其通過(guò)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備耦合可實(shí)現(xiàn)多類(lèi)異質(zhì)能源利用，實(shí)現(xiàn)多能流間互補(bǔ)互濟(jì)、協(xié)同優(yōu)化，是促進(jìn)可再生能源消納的重要載體和實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳減排目標(biāo)的重要途徑。研究IES低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，對(duì)進(jìn)一步減少化石能源的消耗、實(shí)現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展理念具有重要意義。

以IES低碳經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)的相關(guān)研究目前主要集中于引入碳捕集技術(shù)或設(shè)立碳交易機(jī)制。以火電為主要能源的IES會(huì)形成大量碳排放，而碳捕集技術(shù)的引入可實(shí)現(xiàn)IES低碳運(yùn)行[4,5]；碳交易的設(shè)立從政策層面引導(dǎo)IES發(fā)揮低碳潛力[6-8]，有效地減少了發(fā)電側(cè)的碳排放。在此基礎(chǔ)上，供需雙側(cè)結(jié)合更有利于進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)整體的碳減排潛力[9-11]。

上述研究的碳排放計(jì)算策略以能源消耗總量為依據(jù)，因發(fā)電側(cè)承擔(dān)全部的碳排放責(zé)任，故不利于調(diào)動(dòng)用戶(hù)參與低碳減排的積極性。考慮到用戶(hù)的用能行為促使了發(fā)電側(cè)的碳排放，所以為明確用戶(hù)的碳排放責(zé)任，有必要以負(fù)荷側(cè)的角度衡量碳排放。

由于以能源消耗總量為依據(jù)對(duì)碳排放進(jìn)行計(jì)算無(wú)法體現(xiàn)碳排放在IES的多能網(wǎng)絡(luò)分布情況，因此文獻(xiàn)[12-14]提出了CEF概念，分析了CEF的機(jī)理，詳細(xì)介紹了電力系統(tǒng)中CEF的建模。利用CEF理論可追蹤碳排放流在多能網(wǎng)絡(luò)的分布情況，劃分用戶(hù)的碳排放責(zé)任，從而促使用戶(hù)積極參與提高系統(tǒng)整體低碳性。

基于CEF理論，文獻(xiàn)[15]提出了一種需求側(cè)碳排放懲罰機(jī)制，并引入低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以促進(jìn)碳減排；為降低系統(tǒng)總碳排放，文獻(xiàn)[16]基于Shapley值碳排放分?jǐn)偡ǎ岢隽素?fù)荷節(jié)點(diǎn)階梯碳價(jià)計(jì)算方法，利用需求響應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)度周期內(nèi)的負(fù)荷分布；為降低用戶(hù)對(duì)高碳強(qiáng)度能源的依賴(lài)，進(jìn)一步減少能源消耗和碳排放，文獻(xiàn)[17]采用貝葉斯回歸進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，提出了一種高精度和高效率的碳排放流計(jì)算方法。上述研究存在的問(wèn)題是，因?qū)τ诋a(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度常取固定值，故無(wú)法體現(xiàn)機(jī)組碳排放強(qiáng)度的時(shí)變性和差異性；未考慮能源網(wǎng)絡(luò)耦合下的碳排放的分布和傳輸情況。

綜上所述，本文以用戶(hù)為主導(dǎo)，結(jié)合CEF理論和IDR，提出一種供需雙側(cè)交互的雙層低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化策略。具體思路是：1）考慮不同產(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度，完善現(xiàn)有的碳排放計(jì)算模型；根據(jù)CEF理論，建立電網(wǎng)、氣網(wǎng)和熱網(wǎng)的碳排放計(jì)算模型。2）結(jié)合CEF理論和IDR，提出多能用戶(hù)和IES交互的雙層低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。其中，上層模型以用戶(hù)總成本最小為目標(biāo)的IDR策略，下層以運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的IES經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。下層以上層所制定的IDR策略調(diào)整IES的調(diào)度方案，而上層制定的方案又受到下層的影響。因此，利用該雙層模型可協(xié)調(diào)2主體的利益，得到2主體均認(rèn)可的最優(yōu)策略。

1 基于CEF的雙主體優(yōu)化策略

以IES的低碳經(jīng)濟(jì)問(wèn)題為研究對(duì)象，結(jié)合CEF理論和IDR機(jī)制，構(gòu)建了多能用戶(hù)和IES雙主體交互的雙層低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。雙層模型優(yōu)化框架如圖1所示。

由圖1可以看出，模型優(yōu)先從用戶(hù)的角度考慮，將用戶(hù)置于規(guī)劃決策的主導(dǎo)地位。因此上層模型通過(guò)制定綜合考慮用戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益和減碳潛力的IDR實(shí)際最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)用能低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，得到用戶(hù)實(shí)際用能量，并傳遞至下層；下層的IES運(yùn)營(yíng)商基于上層規(guī)劃的IDR策略，在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)安全約束的條件下，以IES總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，制定出IES經(jīng)濟(jì)調(diào)度最優(yōu)策略，根據(jù)所得的網(wǎng)絡(luò)潮流，利用CEF理論計(jì)算出負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)，傳遞回上層。兩主體基于各自的利益訴求，制定出最優(yōu)于自身的實(shí)際策略，并對(duì)對(duì)方的優(yōu)化策略產(chǎn)生影響，從而共同實(shí)現(xiàn)供需雙側(cè)低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

圖1 雙層模型優(yōu)化框架

2 IES的CEF模型

為研究多能網(wǎng)絡(luò)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多能間的最優(yōu)供給分配，需進(jìn)行能量流和碳排放流分析。CO2的產(chǎn)生多由供能側(cè)產(chǎn)生，但能源供給是由用戶(hù)側(cè)的需求驅(qū)動(dòng)的，因此要考慮用戶(hù)側(cè)的碳排放。利用虛擬“碳流”概念，可實(shí)現(xiàn)從供給側(cè)到用戶(hù)側(cè)的碳排放追蹤，從而建立CEF模型，對(duì)用戶(hù)側(cè)的碳排放情況進(jìn)行直觀的計(jì)算分析。

2.1 產(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度計(jì)算

在以往的碳排放計(jì)算模型中，常將同類(lèi)產(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度設(shè)為定值。該方法一方面難以體現(xiàn)碳排放強(qiáng)度在多重影響因素下的時(shí)變性，另一方面無(wú)法體現(xiàn)不同產(chǎn)能機(jī)組間碳排放強(qiáng)度的差異性，因此所建立的計(jì)算模型難以用于更為精準(zhǔn)的總碳排放量控制。基于此，本文建立體現(xiàn)時(shí)變性和差異性的產(chǎn)能機(jī)組碳排放強(qiáng)度計(jì)算模型。

本文考慮的產(chǎn)能機(jī)組主要為電力系統(tǒng)中的燃煤機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組以及天然氣系統(tǒng)中的氣源。

考慮到風(fēng)電是清潔能源，本文認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的碳排放強(qiáng)度近似為0。

燃煤機(jī)組的碳排放強(qiáng)度為[18]：

天然氣的碳排放強(qiáng)度與燃燒方式、用途和天然氣的品質(zhì)等有關(guān)，其計(jì)算模型表示如下：

式中：g、g和g分別為天然氣熱值、單位熱值含碳量和碳氧化率。

2.2 電力系統(tǒng)的CEF模型

電網(wǎng)中碳排放流與網(wǎng)絡(luò)潮流間存在依存關(guān)系。碳排放流將發(fā)電節(jié)點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，跟隨著支路潮流在電力網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)，最終流入需求側(cè)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。根據(jù)CEF理論的相關(guān)概念、能量合并原則和比例分擔(dān)原則[12-14]，可計(jì)算出電力系統(tǒng)中支路碳排放流率、碳流密度和節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)等參數(shù)，從而得到碳排放流在電力系統(tǒng)中的流動(dòng)軌跡。其中，節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)可表示為：

支路碳流密度的大小等同于流入該支路的首節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)，可表示為：

2.3 天然氣系統(tǒng)的CEF模型

氣網(wǎng)與電網(wǎng)具有相似性。將氣網(wǎng)中的管道類(lèi)比于電網(wǎng)中的支路，氣網(wǎng)管道的連接點(diǎn)類(lèi)比于電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，可構(gòu)建氣網(wǎng)的能流計(jì)算模型。

2.4 熱力系統(tǒng)的CEF模型

熱網(wǎng)中的碳排放流以管道中熱媒介質(zhì)的流動(dòng)為載體。將熱網(wǎng)中的管道、管道連接點(diǎn)、熱功率類(lèi)比于電網(wǎng)中的支路、節(jié)點(diǎn)和有功功率，依據(jù)輸入和輸出熱網(wǎng)的碳流量應(yīng)守恒的原理，可建立熱網(wǎng)的CEF模型。模型建立主要考慮熱源節(jié)點(diǎn)、供水管道、回水管道和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。其中，供水管道的熱源節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)要考慮熱源的碳排放強(qiáng)度和回水管道的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)，因此有：

熱力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)和支路碳流密度的計(jì)算公式與式（3）—（4）相似。

2.5 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的CEF模型

本文涉及的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括CHP機(jī)組、P2G機(jī)組和電鍋爐機(jī)組。

對(duì)于能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，在各時(shí)刻其輸入端和輸出端的碳流量應(yīng)守恒，其CEF模型可參考文獻(xiàn)[19]。

3 雙層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 上層模型

3.1.1 綜合需求響應(yīng)機(jī)制

目標(biāo)：通過(guò)制定合理的IDR策略挖掘系統(tǒng)和用戶(hù)間的互動(dòng)潛力，引導(dǎo)用戶(hù)在低碳機(jī)組出力時(shí)刻用能，以提升供需雙側(cè)的低碳經(jīng)濟(jì)性。

價(jià)格型需求響應(yīng)將通過(guò)價(jià)格的變化促使用戶(hù)改變?cè)械挠媚芰?xí)慣。實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)后的電負(fù)荷為：

實(shí)施價(jià)格型需求響應(yīng)后的氣負(fù)荷為：

熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)主要基于用戶(hù)對(duì)溫度舒適度的模糊性，其通過(guò)在一定范圍內(nèi)改變溫度從而調(diào)節(jié)熱負(fù)荷的大小，其表達(dá)式為：

3.1.2 目標(biāo)函數(shù)

上層模型以用戶(hù)的總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，主要由用能成本p和碳交易成本c2部分組成，如下式所示：

用戶(hù)用能成本為：

用戶(hù)的碳交易成本為：

3.1.3 約束條件

1）需求響應(yīng)約束。

式（6）—（9）構(gòu)成了需求響應(yīng)約束條件。

2）價(jià)格約束。

為保障用戶(hù)用能的利益并確保系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的合理盈利，運(yùn)營(yíng)商將需求響應(yīng)后的能源價(jià)格設(shè)定在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，且變動(dòng)后平均能源價(jià)格不高于需求響應(yīng)前的均價(jià)，即：

3.2 下層模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

下層模型以實(shí)現(xiàn)IES經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為IES總運(yùn)行成本最小。

總運(yùn)行成本包括燃煤機(jī)組運(yùn)行成本、購(gòu)氣成本、P2G運(yùn)行成本和棄風(fēng)成本，表示如下：

3.2.2 約束條件

1）負(fù)荷平衡約束條件。

2）電網(wǎng)約束條件。

電網(wǎng)采用直流潮流模型，主要考慮機(jī)組出力上下限約束、爬坡約束、電網(wǎng)支路潮流約束，參考文獻(xiàn)[9]。

3）氣網(wǎng)約束條件。

本文氣網(wǎng)主要考慮氣源出力上下限約束、氣網(wǎng)管道約束、氣流節(jié)點(diǎn)流量平衡約束，參考文獻(xiàn)[6]。

4）熱網(wǎng)約束條件。

熱網(wǎng)計(jì)算模型主要包括熱源節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)等效計(jì)算模型、供水溫度和回水溫度的上下限約束、節(jié)點(diǎn)溫度混合公式，參考文獻(xiàn)[4]。

5）能源耦合設(shè)備約束條件。

CHP、電鍋爐、P2G的能量轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：chp、eb分別為CHP、電鍋爐集合；chp為CHP的熱電比；chp為CHP機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率；eb為電鍋爐的轉(zhuǎn)換效率。

6）CEF計(jì)算。

利用電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)的CEF模型計(jì)算各網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)，并將其傳遞至上層模型。

3.3 模型求解

雙層模型求解流程如圖2所示。圖中，上層模型為非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，因此采用考慮自適應(yīng)變異算子的差分進(jìn)化算法進(jìn)行求解；下層模型為線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)Yalmip調(diào)用Gurobi進(jìn)行求解。

圖2 雙層模型求解流程

具體的求解過(guò)程如下：

1）輸入上層模型的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨機(jī)生成初始化種群。根據(jù)上層模型的約束條件對(duì)隨機(jī)生成初始化種群的每個(gè)個(gè)體進(jìn)行校驗(yàn)。

2）利用變異、交叉、選擇操作等進(jìn)化過(guò)程和基于IDR約束和價(jià)格約束篩選出適應(yīng)度更優(yōu)的個(gè)體，并將不符合要求或適應(yīng)度較低的個(gè)體淘汰。

3）利用所得到的最優(yōu)用戶(hù)總成本時(shí)返還的實(shí)際負(fù)荷參數(shù)作為下層模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；基于網(wǎng)絡(luò)約束條件，利用Gurobi求解得到下層模型的最優(yōu)解，即最優(yōu)的EGH-IES總運(yùn)行成本。

4）若未達(dá)到迭代次數(shù)，利用求解下層模型得到的電、氣、熱網(wǎng)潮流計(jì)算出各網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)，并將其返還至上層，作為求解上層模型中的用戶(hù)碳交易成本計(jì)算模型的參數(shù)。

5）重復(fù)上述步驟，將新產(chǎn)生的種群適應(yīng)度與上代進(jìn)行比較，留下適應(yīng)度更高的方案，直到迭代次數(shù)達(dá)到最大，并輸出最終優(yōu)化結(jié)果。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在文獻(xiàn)[20，21]的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，建立由改進(jìn)IEEE9節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)模型、6節(jié)點(diǎn)氣網(wǎng)模型、6節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)模型構(gòu)成的IES，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 IES結(jié)構(gòu)

表1 機(jī)組參數(shù)

選取某地區(qū)典型日為研究對(duì)象，其風(fēng)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 典型日風(fēng)電預(yù)測(cè)出力及負(fù)荷曲線(xiàn)

4.2 算例仿真與結(jié)果分析

為分析結(jié)合了CEF理論和IDR模型的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、用戶(hù)用能低碳性和靈活性的影響，分別設(shè)置了不同調(diào)度場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

場(chǎng)景1。未考慮IDR機(jī)制和用戶(hù)碳交易成本的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

場(chǎng)景2。僅考慮IDR機(jī)制的IES雙層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

場(chǎng)景3。綜合考慮IDR機(jī)制和用戶(hù)碳交易成本的IES雙層低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，即本文所建模型。

不同場(chǎng)景下的調(diào)度結(jié)果如表2所示。

表2 不同場(chǎng)景下的調(diào)度結(jié)果

以場(chǎng)景1、2分析本文引入的IDR機(jī)制的有效性。如表2所示，與場(chǎng)景1相比，在考慮了IDR機(jī)制的場(chǎng)景2中：1）用戶(hù)可選擇在價(jià)格較低的低谷時(shí)期用能，從而降低了用戶(hù)自身的購(gòu)能成本；2）由于用能低谷也是風(fēng)電高發(fā)時(shí)期，因此也提高了風(fēng)電的消納率，增加了對(duì)清潔能源的利用，促使碳排放量降低了3.73%；3）用戶(hù)和IES的經(jīng)濟(jì)效益得到提高——用戶(hù)總成本減少了0.83萬(wàn)元，IES的運(yùn)行成本減少了0.38萬(wàn)元。

場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上考慮了用戶(hù)的碳交易成本。通過(guò)利用CEF理論計(jì)算出負(fù)荷節(jié)點(diǎn)各時(shí)刻的碳排放量，再利用IDR機(jī)制促使用戶(hù)選擇風(fēng)電高發(fā)時(shí)刻用能，所以利用本文模型實(shí)現(xiàn)了間接減少系統(tǒng)對(duì)高碳排放量的燃煤機(jī)組的使用，進(jìn)一步抑制了碳排放，降低了用戶(hù)總成本。

圖5示出了實(shí)施IDR機(jī)制前后的負(fù)荷曲線(xiàn)。

圖5 實(shí)施IDR前后負(fù)荷曲線(xiàn)對(duì)比

由圖5可知，在采用價(jià)格型電、氣需求響應(yīng)和基于溫度模糊性的熱需求響應(yīng)條件下，用戶(hù)降低高峰時(shí)期用能，轉(zhuǎn)為在低谷時(shí)期用能，使電、氣、熱負(fù)荷的曲線(xiàn)均有所平緩，風(fēng)電消納程度有所提高，也增加了低谷時(shí)期的用電量，間接提高了電鍋爐的出力。

圖6示出了不同場(chǎng)景下的風(fēng)電實(shí)際出力與風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線(xiàn)的對(duì)比情況。

圖6 風(fēng)電消納曲線(xiàn)

由圖6可知，在未考慮IDR的場(chǎng)景1中，累計(jì)棄風(fēng)量為737 kW·h；場(chǎng)景2中夜間時(shí)刻的風(fēng)電消納程度明顯提高，其風(fēng)電消納率可達(dá)98.27%，但仍有部分風(fēng)電未消納。在引入用戶(hù)碳交易成本后，IES可結(jié)合CEF理論和IDR進(jìn)一步調(diào)節(jié)供應(yīng)側(cè)的靈活機(jī)組和需求側(cè)的靈活負(fù)荷，因此風(fēng)電消納程度進(jìn)一步增加，達(dá)到98.77%。

為研究本文提出模型對(duì)抑制碳排放量的效果，設(shè)置場(chǎng)景4：考慮發(fā)電機(jī)碳排放強(qiáng)度取定值。

場(chǎng)景3和場(chǎng)景4的優(yōu)化對(duì)比結(jié)果如圖7所示。圖8給出了場(chǎng)景3下電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)碳勢(shì)。圖9描述了場(chǎng)景3中發(fā)電機(jī)組的碳排放量和機(jī)組出力所占比例情況。圖10給出了場(chǎng)景3中當(dāng)=1時(shí)碳排放流在IES中的分布情況。

圖7 不同場(chǎng)景下優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖8 電網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)

圖9 場(chǎng)景3下發(fā)電機(jī)組的碳排放量和機(jī)組出力所占比例情況

圖10 t=1時(shí)IES中碳排放流分布情況

結(jié)合圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)，與場(chǎng)景4相比，場(chǎng)景3中的碳排放強(qiáng)度實(shí)時(shí)變化。由于用電高峰時(shí)刻的燃煤機(jī)組的碳排放強(qiáng)度較高，系統(tǒng)傾向于使用碳排放強(qiáng)度較小的CHP機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電，促進(jìn)了用戶(hù)在低谷時(shí)期用電；因此，用戶(hù)的總成本有所降低，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也有所改善。在場(chǎng)景4下，用電高峰時(shí)刻的碳排放強(qiáng)度仍為定值，因此碳排放量的計(jì)算結(jié)果雖小于場(chǎng)景3，但無(wú)法體現(xiàn)出發(fā)電機(jī)組在不同時(shí)段的出力變化，不能較為精準(zhǔn)地反映實(shí)際的碳排放量。

由圖9可知，燃煤機(jī)組的實(shí)時(shí)碳排放量與其出力曲線(xiàn)有相似的趨勢(shì)，但所占比例略有差異：燃煤機(jī)組的出力占比約為25%～60%，但其碳排放量占比可達(dá)50%～80%；CHP機(jī)組的出力占比約為40%～55%，其碳排放量占比約為20%～50%；風(fēng)電的出力占比約在30%以?xún)?nèi)，而碳排放量占比為0。

如圖10所示，利用CEF理論詳細(xì)描述碳排放在多能網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)情況，可準(zhǔn)確描述各支路、各節(jié)點(diǎn)的碳排放信息，精準(zhǔn)抑制負(fù)荷側(cè)的碳排放量，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的低碳性。

綜上所述，結(jié)合CEF理論與IDR，可促進(jìn)用戶(hù)選擇在清潔能源高發(fā)時(shí)刻用電，實(shí)現(xiàn)IES的低碳運(yùn)行。基于此，考慮實(shí)時(shí)發(fā)電機(jī)組碳排放強(qiáng)度，可進(jìn)一步嚴(yán)格約束碳排放量，促進(jìn)清潔能源的消納，提高系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

基于低碳經(jīng)濟(jì)的理念，本文研究了不同產(chǎn)能機(jī)組的碳排放強(qiáng)度模型，建立了多能網(wǎng)絡(luò)的碳排放計(jì)算模型；通過(guò)結(jié)合CEF理論和IDR，構(gòu)建了供需交互的雙層低碳經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，得出以下結(jié)論：

1）考慮價(jià)格型需求響應(yīng)和柔性熱負(fù)荷的結(jié)合，可抑制用戶(hù)在高峰時(shí)期用電、用氣，轉(zhuǎn)為在低谷時(shí)期用能；利用柔性熱負(fù)荷可對(duì)用戶(hù)用熱進(jìn)行調(diào)節(jié)、平緩熱負(fù)荷曲線(xiàn)，從而改善用戶(hù)用能和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2）基于CEF理論建立的用戶(hù)碳交易成本計(jì)算模型，提高了用戶(hù)參與低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的積極性，有利于用戶(hù)在清潔能源高發(fā)時(shí)刻用電，降低了用戶(hù)側(cè)的碳排放量；碳排放強(qiáng)度時(shí)變性的考慮可較為精準(zhǔn)地反映不同時(shí)段的碳排放量，促使系統(tǒng)選擇低碳機(jī)組出力，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和低碳效益的最優(yōu)化，促進(jìn)了供需雙側(cè)的良好互動(dòng)。

展望：本文目前僅考慮了需求側(cè)的低碳經(jīng)濟(jì)性。考慮到實(shí)際需求響應(yīng)會(huì)受到多重因素影響，存在較大的不確定性，后續(xù)研究將在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上考慮負(fù)荷的不確定性。

[1] 曾鳴, 楊雍琦, 劉敦楠, 等. 能源互聯(lián)網(wǎng)“源–網(wǎng)–荷–儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模式及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(1): 114-124.

ZENG MING, YANG YONGQI, LIU DUNNAN, et al. “Generation-grid-load-storage” coordinative optimal operation mode of energy internet and key technologies[J]. Power System Technology, 2016, 40(1):114-124(in Chinese).

[2] ZHU D, WANG B, MA H, et al. Evaluating the vulnerability of integrated electricity-heat-gas systems based on the high-dimensional random matrix theory[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2019, 6(4): 878-889.

[3] 呂佳煒, 張沈習(xí), 程浩忠, 等. 考慮互聯(lián)互動(dòng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(12): 4001-4021.

LV JIAWEI, ZHANG SHENXI, CHENG HAOZHONG, et al. Review on district-level integrated energy system planning considering interconnection and interaction[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(12): 4001-4021(in Chinese).

[4] 崔楊, 曾鵬, 仲悟之, 等. 考慮富氧燃燒技術(shù)的電–氣–熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(2): 592-608.

CUI YANG, ZENG PENG, ZHONG WUZHI, et al. Low-carbon economic dispatch of electro-gas-thermal integrated energy system based on oxy-combustion technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(2): 592-608(in Chinese).

[5] 康麗虹, 賈燕冰, 田豐, 等. 含LNG冷能利用的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 高電壓技術(shù), 2022, 48(2): 575-584.

KANG LIHONG, JIA YANBING, TIAN FENG, et al. Low-carbon economic dispatch of integrated energy system containing LNG cold energy utilization[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(2): 575-584(in Chinese).

[6] 崔楊, 曾鵬, 仲悟之, 等. 考慮階梯式碳交易的電–氣–熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2021, 41(3): 10-17.

CUI YANG, ZENG PENG, ZHONG WUZHI, et al. Low-carbon economic dispatch of electricity-gas-heat integrated energy system based on ladder-type carbon trading[J]. Electric Power Automation Equipment, 2021, 41(3): 10-17(in Chinese).

[7] 郭尊, 李庚銀, 周明. 計(jì)及碳交易機(jī)制的電–氣聯(lián)合系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)魯棒優(yōu)化運(yùn)行[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(4): 1220-1228.

GUO ZUN, LI GENGYIN, ZHOU MING. Fast and dynamic robust optimization of integrated electricity-gas system operation with carbon trading[J]. Power System Technology, 2020, 44(4): 1220-1228(in Chinese).

[8] ZHANG X, LIU X, ZHONG J, et al. Electricity-gas-integrated energy planning based on reward and penalty ladder-type carbon trading cost[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2019, 13(23): 5263-5270.

[9] 田豐, 賈燕冰, 任海泉, 等. 考慮碳捕集系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)“源–荷”低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(9): 3346-3355.

TIAN FENG, JIA YANBING, REN HAIQUAN, et al. “Source-load” low-carbon economic dispatch of integrated energy system considering carbon capture system[J]. Power System Technology, 2020, 44(9): 3346-3355(in Chinese).

[10] LU Q, GUO Q, ZENG W. Optimization scheduling of an integrated energy service system in community under the carbon trading mechanism: a model with reward-penalty and user satisfaction[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 323: 129171.

[11] 陳錦鵬, 胡志堅(jiān), 陳嘉濱, 等. 考慮階梯式碳交易與供需靈活雙響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[J]. 高電壓技術(shù), 2021, 47(9): 3094-3106.

CHEN JINPENG, HU ZHIJIAN, CHEN JIABIN, et al. Optimal dispatch of integrated energy system considering ladder-type carbon trading and flexible double response of supply and demand[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(9): 3094-3106(in Chinese).

[12] 周天睿, 康重慶, 徐乾耀, 等. 電力系統(tǒng)碳排放流分析理論初探[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(7): 38-43.

ZHOU TIANRUI, KANG CHONGQING, XU QIANYAO, et al. Preliminary theoretical investigation on power system carbon emission flow[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(7): 38-43(in Chinese).

[13] 周天睿, 康重慶, 徐乾耀, 等. 碳排放流在電力網(wǎng)絡(luò)中分布的特性與機(jī)理分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(15): 39-44.

ZHOU TIANRUI, KANG CHONGQING, XU QIANYAO, et al. Analysis on distribution characteristics and mechanisms of carbon emission flow in electric power network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(15): 39-44(in Chinese).

[14] 康重慶, 程耀華, 孫彥龍, 等. 電力系統(tǒng)碳排放流的遞推算法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(18): 10-16.

KANG CHONGQING, CHENG YAOHUA, SUN YANLONG, et al. Recursive calculation method of carbon emission flow in power systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(18): 10-16(in Chinese).

[15] SHAO C, DING Y, WANG J. A low-carbon economic dispatch model incorporated with consumption-side emission penalty scheme[J]. Applied Energy, 2019, 238: 1084-1092.

[16] 陳厚合, 茅文玲, 張儒峰, 等. 基于碳排放流理論的電力系統(tǒng)源–荷協(xié)調(diào)低碳優(yōu)化調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(10): 1-11.

CHEN HOUHE, MAO WENLING, ZHANG RUFENG, et al. Low-carbon optimal scheduling of a power system source-load considering coordination based on carbon emission flow theory[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(10): 1-11(in Chinese).

[17] WANG Y, QIU J, TAO Y. Optimal power scheduling using data-driven carbon emission flow modelling for carbon intensity control[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2021, 37(4): 2894-2905.

[18] 汪超群, 陳懿, 文福拴, 等. 電力系統(tǒng)碳排放流理論改進(jìn)與完善[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2022, 46(5): 1683-1693.

WANG CHAOQUN, CHEN YI, WEN FUSHUAN, et al. Improvement and perfection of carbon emission flow theory in power systems[J]. Power System Technology, 2022, 46(5): 1683-1693(in Chinese).

[19] 楊毅, 易文飛, 王晨清, 等. 基于碳排放流理論的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 電力建設(shè), 2022, 43(11): 33-41.

YANG YI, YI WENFEI, WANG CHENQING, et al. Low-carbon economic dispatching of park integrated energy system applying carbon emission flow theory[J]. Electric Power Construction, 2022, 43(11): 33-41(in Chinese).

[20] 稅月, 劉俊勇, 高紅均, 等. 考慮風(fēng)電不確定性的電氣能源系統(tǒng)兩階段分布魯棒協(xié)同調(diào)度[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(13): 43-50.

SHUI YUE, LIU JUNYONG, GAO HONGJUN, et al. Two-stage distributed robust cooperative dispatch for integrated electricity and natural gas energy systems considering uncertainty of wind power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(13): 43-50(in Chinese).

[21] LI Z, WU W, SHAHIDEHPOUR M, et al. Combined heat and power dispatch considering pipeline energy storage of district heating network[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 7(1): 12-22.

Supply-demand Joint Optimal Scheduling Strategy Based on Carbon Emission Flow Theory

LI Hong1, LIN Lanxin1,2

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.Power Supply Company of Zhangzhou, State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd., Zhangzhou 363000, China)

Under the background of the “dual carbon” target, in order to motivate multi-energy users to participate in the low-carbon economy scheduling the system, a user-oriented supply-demand joint low-carbon economic optimal scheduling model is proposed. Firstly, the carbon emission intensity calculation method of different energy capacity units are improved, and the multi-energy network model of carbon emission calculation is established by using carbon emission flow (CEF) theory. Based on this, a bi-level optimal scheduling model for integrated energy system (IES) low-carbon economy is established, in which the upper level model is a multi-user integrated demand response (IDR) strategy considering IDR and user carbon transaction cost, and the lower level model is the IES economic optimal scheduling considering network constraints. Then, the bi-level model is solved by using the adaptive differential evolution algorithm nested Gurobi. The results shows that the bi-level optimal model combining with the CEF theory and IDR mechanism can improve the economic and low-carbon benefits of users and IES and realize the supply-demand joint optimization.

integrated energy system; optimal dispatch; demand side management; carbon emission flow

TM73；[TK-9]

A

1672-0792(2023)11-0001-11

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.11.001

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51607068）。

2023-07-01

李虹（1979—），女，講師，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制；

林蘭心（1998—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榫C合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、需求側(cè)響應(yīng)。

李虹