摘要：在“2030碳達峰、2060碳中和”雙碳目標的政策背景下，社會進一步推動可再生能源電力消納責任權重的實行。作為可以有效支撐清潔低碳能源體系的區(qū)域綜合系統，需要在考慮可再生能源電力消納責任權重情況下保證系統經濟低碳運行。結合綠色證書交易機制，提出了一種計及可再生能源電力消納責任權重的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型。以系統總收益最大化為目標，綜合考慮可再生能源消納責任權重、綠色證書交易、碳排放等因素，構建了包含電、熱、冷負荷的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型。通過設置不同場景進行算例分析，結果表明考慮了可再生能源電力消納責任權重和綠證交易的區(qū)域綜合能源系統優(yōu)化模型可有效提高系統總收益且兼顧了環(huán)境效益，為系統的經濟低碳運行提供了有效借鑒。
關鍵詞：區(qū)域綜合能源系統;可再生能源電力;消納責任權重;綠色證書;碳排放
0引言
碳達峰、碳中和背景下，構建清潔低碳、安全高效、去中心化的能源體系成為我國未來能源體系建設的發(fā)展方向[1-2]。一方面，高比例可再生能源發(fā)展成為實現低碳目標的必然選擇，而可再生能源電力消納保障機制和綠色證書交易機制則成為助力該目標實現的關鍵途徑[3]。
另一方面，清潔能源發(fā)展需從綜合能源系統全局角度進行統籌規(guī)劃，通過多能互補、源網荷儲協調支撐清潔能源消納[4-5]。因此，研究建立綜合考慮可再生能源電力消納責任權重、綠色證書交易機制和碳排放等因素的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型對服務“雙碳”目標具有重要意義。針對區(qū)域綜合能源系統(RegionalIntegratedEnergySystem，RIES)運行優(yōu)化，國內外學者通過建立不同優(yōu)化模型對RIES開展能源調度策略研究，并分析不同設備的出力運行狀況。
文獻[6]以調度周期內運行成本最小為目標，構建了電動汽車與地源熱泵協同作用促進風電消納的RIES經濟調度模型。文獻[7]考慮風電出力的不確定性，以綜合運行成本最少、碳排放量最小、能效利用率最高為優(yōu)化目標建立了計及電氣熱綜合需求響應的RIES優(yōu)化調度模型，在保證系統環(huán)保經濟運行的同時能夠提高系統能源利用效率。文獻[8]以電、氫為能源載體，提出了考慮氫在可再生能源利用率和季節(jié)互補方面作用的雙層混合整數規(guī)劃模型，該模型通過合理利用風光、地熱能等資源能夠實現設備配置優(yōu)化和降低氫供應價格的雙重目標。
文獻[9]針對風光等大規(guī)?？稍偕茉床⒕W后電力系統調峰能力不足的問題，提出了一種考慮火電機組調峰主動性約束的風光水火儲多能系統互補協調優(yōu)化調度策略，該策略能有效提升系統可再生能源的消納能力和系統運行的經濟性。上述文獻在RIES的運行經濟性、可靠性、環(huán)保性以及可再生能源消納等方面展開了詳細研究，但考慮可再生能源消納責任權重制度約束的RIES運行優(yōu)化研究還相對較少。對于可再生能源電力消納責任權重和綠色證書(GreenCertificates，GC)交易機制的研究，文獻[10]建立了考慮非水可再生能源隨機性的配額制綠證中長期二次交易模型，并通過算例展示了在配額制下非水可再生能源的流動方向。
文獻[11]在分析我國GC市場與電力市場聯動特性和我國GC市場反身性特征的基礎上，構建了適應我國國情的GC價格機制模型，并提出了推動構建多層級協調運作的GC市場交易的政策建議。文獻[12]引入“省間可再生能源交易商”的概念，代理省內消納責任主體參與省間可再生能源市場向省外綠電商購電，建立省間可再生能源市場和省內電力市場的兩級電力市場運營模式，并建立了基于配額制的兩級電力市場優(yōu)化運行模型，對于完成省內消納責任和市場運行發(fā)揮了重要作用。
上述文獻多在交易模型、價格機制、政策建議、兩級市場優(yōu)化運行模型等方面對可再生能源電力消納責任權重和綠色證書交易機制展開研究，但關于其對RIES運行優(yōu)化結果影響的研究還十分欠缺。針對RIES的低碳運行研究，文獻[13]計及碳交易機制和天然氣動態(tài)管存，同時考慮氣潮流仿真的實時修正，建立了考慮風電和負荷不確定性的低碳電-氣聯合系統快速動態(tài)魯棒優(yōu)化調度模型，該模型在改善系統運行經濟性、低碳效益、魯棒性以及風電消納能力等方面具有明顯優(yōu)勢。
文獻[14]以減少棄風和二氧化碳排放量為優(yōu)化目標，提出了一種考慮引入碳捕集系統和需求響應機制的風電發(fā)電系統隨機日前調度優(yōu)化模型，該模型驗證了碳捕集系統在限制系統總體碳排放和減輕風力發(fā)電不確定性方面的有效性。文獻[15]增加對碳配額交易量約束的考慮，建立了RIES的雙階段魯棒優(yōu)化模型，并分析了碳配額交易量、碳交易價格以及風荷不確定因素對調度結果的影響。上述文獻研究了碳交易機制、碳捕集技術對RIES的調度結果和低碳效益的影響，但鮮有綜合考慮碳排放成本和可再生能源電力消納責任權重的RIES優(yōu)化調度的相關研究。
綜上，現有研究中鮮有綜合考慮可再生能源電力消納責任權重、綠色證書交易以及碳排放成本等因素對RIES優(yōu)化運行影響。鑒于此，本文構建了計及可再生能源電力消納責任權重約束的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型，綜合考慮可再生能源消納責任權重約束、綠色證書交易、碳排放等因素對系統運行的影響。通過構建不同場景進行算例分析，結果表明考慮可再生能源電力消納責任權重約束和綠色證書交易的優(yōu)化模型能顯著提高系統總收益，且可再生能源電力消納責任權重約束相較于綠證價格對系統總收益具有更大的影響程度，驗證了模型的有效性。
1區(qū)域綜合能源系統設備元件模型
在RIES中，能源集線器(EnergyHub，EH)能夠實現電、熱、冷、氣等多種能源的輸入、供應、轉化及存儲，以滿足不同能源需求[16]。其由供電系統、供熱系統和供冷系統3部分構成，可滿足電、熱、冷3種負荷需求。其中，RIES通過外部電網、可再生能源以及燃氣輪機發(fā)電為用戶提供電負荷;通過燃氣鍋爐、余熱鍋爐滿足熱負荷需求;通過吸收式制冷機和電制冷機提供冷負荷。同時，儲能裝置(儲電裝置、儲熱裝置)實現了能源的充放過程?；贓H，可以便捷分析RIES結構以及各設備之間的能量流動情況。
2計及消納責任權重的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型
2.1目標函數
計及可再生能源電力消納責任權重的RIES運行優(yōu)化模型以系統總收益最小為目標函數，包含系統運維成本、燃料成本、購售電收益/成本、碳排放成本和綠證交易收益/成本五部分構成。
3算例分析
3.1基礎數據
本文選取某一園區(qū)綜合能源系統為例，取時間步長為1h，調度周期為24h，在MATLAB環(huán)境下調用CPLEX求解器求解。該綜合能源系統主要包括電、熱、冷負荷需求?；诰G色證書認購交易平臺的歷史交易數據，考慮風電綠證的購售，取綠證價格為0.1286元/kWh(即128.6元/個)。此外，依據國家發(fā)改委、國家能源局聯合印發(fā)的《關于各省級行政區(qū)域2020年可再生能源電力消納責任權重的通知》，取可再生能源電力的最低消納責任權重和激勵型消納責任權重分別為12.5%和13.8%。
3.2優(yōu)化結果分析
為了驗證分析消納責任權重和綠證政策、碳排放成本對區(qū)域綜合能源系統的影響，將消納責任權重和綠證政策和碳排放成本作為場景設置變量，重點分析考慮消納責任權重和綠證政策下的系統運行經濟環(huán)境效益及政策影響，故設置以下3個典型場景。場景1：未考慮消納責任權重和綠證、碳排放成本;場景2：僅考慮碳排放成本;場景3：同時考慮消納責任權重和綠證、碳排放成本。
3.2.1不同場景下優(yōu)化調度結果對比
(1)場景1
場景1是未考慮消納責任權重和綠證、碳排放成本的基礎場景，該場景中的電、熱、冷系統的優(yōu)化調度結果。系統內大部分電負荷需求可以靠風機、光伏發(fā)電來滿足。由于風電出力在夜間處于較高水平，而此時電負荷需求較低，系統可將多余電量倒送至電網，或者通過余熱鍋爐和電制冷機消納部分剩余電力以滿足熱負荷和冷負荷需求。在12:00-16:00時段，光伏發(fā)電出力增多，且電負荷處于平時段，負荷需求可完全由風光、燃氣輪機出力滿足。在8:00-11:00和16:00-20:00時段，電負荷需求高峰時段，光伏出力減小，風光出力不足以滿足電負荷需求，電力缺口需依靠燃氣輪機出力增加甚至向外網購電來滿足。
在1:00-6:00和18:00-24:00，熱負荷處于高峰時段，系統由燃氣鍋爐和余熱鍋爐協同供熱，還可依靠儲熱裝置放熱彌補供熱不足以降低系統運維成本。熱負荷需求在7:00-17:00時段處于較低水平，由于燃氣輪機和余熱鍋爐的耦合作用，該時段以余熱鍋爐供熱為主，實現了能源間的互補、提高系統能效;此外，系統剩余產熱可為吸收式制冷機提供熱動力以滿足系統冷負荷需求，在供熱過剩時儲熱裝置可充熱以維持熱功率平衡。在未考慮消納責任權重、綠證和碳排放成本時，高峰時段的冷負荷需求以電制冷機出力為主，吸收式制冷機出力為輔，能夠在降低運維成本的同時提高系統能效。
3.3敏感性分析
為進一步探討不同因素對區(qū)域綜合能源系統運行的影響，本節(jié)針對可再生能源消納責任權重、綠色證書交易價格等因素開展敏感性分析。以55%的可再生能源消納責任權重約束，綠色證書交易價格0.1286元/kWh，單位碳排放成本0.023元/kg為原始場景。
電力論文范例：城鎮(zhèn)化率在電力需求預測中的應用分析
4結論
文章建立了考慮可再生能源消納責任權重的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型。具體結論如下：
(1)建立了計及可再生能源消納責任權重約束的區(qū)域綜合能源系統運行優(yōu)化模型，綜合考慮了綠色證書交易、碳排放等因素。該優(yōu)化模型在可再生能源消納責任權重約束下能夠滿足電熱冷等多種負荷需求，同時增加系統總收益。
(2)與未考慮可再生能源消納責任權重約束的場景對比，考慮可再生能源消納責任權重約束的場景可通過改變系統各機組出力比例、出售綠色證書等途徑明顯提高系統總收益。
(3)通過對可再生能源消納責任權重約束、綠色證書交易價格等因素開展敏感性分析，可以得出消納責任權重約束與系統總收益呈負相關，且其影響程度明顯大于綠色證書交易價格對系統總收益的影響。近年來，我國可再生能源實現了規(guī)?；l(fā)展，在國家碳達峰、碳中和以及構建新型電力系統等目標導向下，進一步提高風光等可再生能源發(fā)電的消納比例已成為我國能源系統清潔低碳轉型的關鍵舉措。在綜合能源系統規(guī)劃和運行調度時，引入對可再生能源消納責任權重、綠色證書交易以及碳排放等多因素的考慮，對于提升能源系統運行的經濟性和清潔化水平提供了有效的借鑒和參考。
參考文獻：
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作者：曹雨微，郭曉鵬，董厚琦，王俐英，曾鳴
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