計及碳交易和需求響應的虛擬電廠低碳經濟調度

徐慧慧，田云飛，繆 猛，梁 寧，彭 婧，柴 宜

（1.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅蘭州 730050；2.昆明理工大學電力工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

分布式資源向著規(guī)?；?、高聚合、深度互動方向發(fā)展，是構建清潔高效的現代能源體系、實現能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑之一[1-4]。虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）可將不同的能源有機整合到一起，形成多能互補的能源系統(tǒng)，促進解決不同電源因運行特性而產生的調度問題，能夠有效提高能源利用效率，助力“雙碳”目標實現[5-7]。隨著碳交易機制的建立，以及新能源滲透率的逐步提高，如何提升新能源利用率、充分挖掘需求側靈活運行能力已成為VPP 實現低碳經濟調度亟需解決的關鍵問題。

VPP 中利用碳捕集和電轉氣（Power to Gas，P2G）技術能夠有效減少系統(tǒng)碳排放，促進新能源消納，對促進虛擬電廠低碳轉型具有重要意義[8-10]。文獻[11]研究了P2G 對綜合能源系統(tǒng)的可調節(jié)能力與碳減排的影響。文獻[12-13]建立了碳捕集電廠與電轉氣設備的協(xié)調運行模型，有效減少了系統(tǒng)的碳交易成本。文獻[11-13]引入了碳捕集和電轉氣技術，兼顧了系統(tǒng)運行經濟性和碳減排，但并未對電轉氣的兩階段精細運行進行深入研究，降低了電轉氣過程中氫能的利用率。

隨著需求側資源增長，通過需求響應機制調用負荷靈活運行能力，成為提升VPP 靈活低碳運行能力的重要手段之一[14-18]。文獻[19]提出了一種考慮需求側響應的VPP 優(yōu)化調度方法，通過調度需求側資源，從而促進了新能源的消納，實現了負荷曲線削峰填谷。文獻[20-21]建立了負荷側滿意度模型，在調動需求側資源、減少系統(tǒng)運行成本的同時，兼顧了用戶用能的滿意度。文獻[19-21]對需求響應的研究多著眼于改善系統(tǒng)經濟性，缺乏考慮需求側資源對系統(tǒng)運行低碳性的影響。

碳交易機制是通過市場化手段推動碳排放責任主體響應節(jié)能減排政策的有效手段[22-24]。文獻[25]在綜合能源系統(tǒng)調度中考慮了碳交易機制，并分析了碳交易對碳排放和經濟性產生的影響。文獻[26-27]構建了考慮碳交易機制的綜合能源系統(tǒng)調度模型，通過優(yōu)化能源結構在改善運行經濟性的同時降低了碳排放量。然而，文獻[25-27]雖然在調度模型中考慮了碳交易機制，但研究工作仍停留在傳統(tǒng)的統(tǒng)一型碳交易，在需求側挖掘方面仍舊比較匱乏，鮮有以VPP 參與碳交易、充分挖掘系統(tǒng)低碳運行潛力的研究工作。

綜上所述，在研究階梯碳交易機制基礎上，本文構建了計及P2G 和需求響應的VPP 優(yōu)化調度模型。為挖掘需求側低碳潛力，研究電、熱負荷的運行特性，建立了電、熱負荷的需求響應模型；為降低系統(tǒng)運行過程中的碳排放，減少風光發(fā)電的棄電量，引入了碳捕集-P2G 聯合運行模式，并對P2G 的兩階段運行過程進行建模；將階梯式碳交易機制引入VPP 系統(tǒng)，建立了VPP 優(yōu)化調度模型，從而充分挖掘新型綜合電力系統(tǒng)的低碳經濟運行潛力。

1 VPP運行架構

1.1 VPP運行模式

VPP 結構如圖1 所示，其中包括光伏機組、風電機組、熱電聯產機組、氫燃料電池、P2G 設備、碳捕集裝置和儲能單元等。VPP 可向上級能源網絡購買電、氣能源，并整合系統(tǒng)內部的風光發(fā)電資源，通過能源耦合設備實現能源轉換，滿足電、熱負荷需求。

圖1 VPP結構圖Fig.1 VPP structure diagram

1.2 碳捕集與P2G運行模型

在碳交易機制下，為減少VPP 系統(tǒng)運行的碳排放，在熱電聯產機組的基礎上加裝碳捕集設備，將其改造為碳捕集電廠。在碳捕集電廠運行階段，碳捕集設備會從熱電聯產機組產生的煙氣中捕獲部分的CO2，其中一部分封存處理，另外一部分作為P2G 設備甲烷化的原料。當風光消納受限時，為提高能源利用率，將P2G 過程分為電解制氫和甲烷化兩個過程，電解槽電解制取氫氣，其中一部分為燃料電池提供原料，另一部分作為甲烷化階段的原料，供應系統(tǒng)內部的燃氣機組。

碳捕集運行模型為：

式中：PCCS,t為碳捕集裝置t時段的運行功率；PCCSF,t，PCCSO,t分別為t時段碳捕集裝置的固定能耗與運行能耗；λc為捕集單位CO2的耗電量；Qc,t為t時段捕獲的CO2總量；ηC為CO2的捕集率；QCHP，t為熱電聯產機組t時段消耗的天然氣量；eg為碳排放強度；QP2G,c,t和QF,c,t分別為t時段P2G 設備進行甲烷化反應時消耗CO2的量和封存CO2的量。

電轉氣兩階段運行模型為：

式中：QP2G,g,t為P2G 設備t時段合成的甲烷量；PP2G,t為P2G 設備t時段的運行功率；QMR,hy,t為t時段甲烷化階段所消耗的氫氣量；υ為甲烷化反應時消耗CO2的系數；φhy為電解制氫的效率；φg為甲烷化效率；QP2G,hy,t為P2G 設備t時段制取的氫氣量。

1.3 碳交易機制

碳交易機制是解決碳減排問題的有效途徑。將碳排放權作為商品，并在碳交易市場進行交易，從而推動相關碳排放責任主體主動降低碳排放量。當實際碳排放量多于碳排放配額時，VPP 需要在碳交易市場購買碳排放權；當實際碳排放量低于碳排放配額時，VPP 則可出售剩余的碳排放配額獲利。

當前我國分配碳排放配額的主要方式分為有償分配和無償分配2 種，本文采用無償分配方式確定VPP 的碳排放配額，其模型為：

式中：Dq,t，Do,t，DVPP,t分別為t時段VPP 的碳配額、碳排放量和碳排放權交易量；γe為外購單位購電量的碳排放權配額；γh為燃氣機組單位熱量的碳排放權配額；Pe,buy,t為t時段VPP 的購電功率；HGB，t為t時段燃氣鍋爐輸出的熱能；PCHP,t，HCHP,t分別為t時段熱電聯產機組的發(fā)電功率和制熱功率；λe為向上級電網購電的實際碳排放強度；λCHP為熱電聯產機組單位能量的碳排放強度；λGB為燃氣鍋爐運行時的碳排放強度。

在傳統(tǒng)碳交易基礎上，本文采用的階梯式碳交易機制，將碳排放量進行分段化，設置碳排放區(qū)間長度，隨著購買的碳排放配額增加，對應碳排放區(qū)間的碳交易價格也就越高。碳交易成本的計算模型為：

式中：λ為碳交易基準價格；l為碳排放區(qū)間長度；α為價格增長幅度；δ為碳減排補償系數；Cct,t為VPP在t時段的碳交易成本，其值為正代表購買，其值為負代表售出。

1.4 VPP需求響應建模

在負荷側電需求響應中聯合熱需求響應，可充分挖掘VPP 熱負荷的調節(jié)能力，平滑電熱負荷曲線，調用需求側運行靈活性，從而達到降低運行成本和碳排放的目的。

1.4.1 電負荷需求響應模型

按電負荷的運行特性，將電負荷分為基礎負荷、可平移負荷、可削減負荷和可轉移負荷4 類[10]。

式中：PDR，t為需求響應后t時段的電負荷；Pload，t為t時段的基礎電負荷；Pshift，t為t時段進行平移的負荷；Ptran，t為t時段轉移的電負荷；Pcut，t為t時段削減的電負荷；CP，DR，t為t時段電負荷需求響應成本；CP，shift，t為t時段可平移負荷的補償成本；CP，tran，t為t時段可轉移負荷的補償成本；CP，cut，t為t時段電負荷削減補償成本。

可平移電負荷、可削減電負荷和可轉移電負荷的調控約束參考文獻[28]。

1.4.2 熱負荷需求響應模型

在一定范圍內對熱負荷進行調整不會對生產經營活動產生不利影響，因此將熱負荷分為基礎熱負荷、可轉移熱負荷和可削減熱負荷。即：

式中：HDR，t為t時段需求響應后的熱負荷；Hload，t為t時段基礎熱負荷；Htran，t為t時段轉移熱負荷量；Hcut，t為t時段削減熱負荷量；Ch，DR，t為t時段熱負荷需求響應成本；Ch，tran，t為t時段可轉移負荷的補償成本；Ch，cut，t為t時段熱負荷的削減成本。

可削減熱負荷和可轉移熱負荷的調控約束參考文獻[28]。

2 VPP優(yōu)化模型

2.1 目標函數

在本文中，以運行成本最小為目標，構建了考慮碳交易及需求響應的VPP 經濟調度模型。VPP綜合運行成本包括購能成本、碳交易成本和需求響應成本。即：

式中：CVPP為綜合運行成本；Cbuy，t為向上級系統(tǒng)購能成本；T為調度周期。

式中：Qg,buy,t為t時段購氣量；pe,t和pg,t分別為t時段上級系統(tǒng)的售電、售氣價格。

2.2 約束條件

功率平衡約束為：

式中：PFC,t，HFC,t分別為t時段氫燃料電池輸出的電功率和熱功率；QFC,hy,t為t時段輸入氫燃料電池的氫氣功率；QGB,t為t時段輸入燃氣鍋爐的天然氣功率；PWT,t，PPV,t分別為t時段風電和光伏的實際出力值；PESS,ch,t，PTES,ch,t，PGSD,ch,t和PHS,ch,t分別為t時段電儲能、熱儲能、氫儲能和儲氣罐的蓄能功率；PESS,dis,t，PTES,dis,t，PGSD,dis,t和PHS,dis,t分別為t時段電儲能、熱儲能、氫儲能和儲氣罐的釋能功率。

其余設備運行約束（熱電聯產機組、燃氣鍋爐、燃料電池、儲能、風電、光伏、）和聯絡線及管道約束詳見文獻[19]。

3 算例分析

3.1 算例基礎數據

為了驗證本文模型的有效性和適用性，以24 h為周期，以1 h 為步長，利用Gurobi 進行求解。系統(tǒng)電、熱負荷及新能源預測出力情況如圖2，設備參數見文獻[19]，分時電價見文獻[22]；碳交易基礎價格為100 元/t，階梯碳交易區(qū)間長度l為20 t，階梯區(qū)間價格漲幅α為20%，碳減排補償系數δ為10%。

圖2 電、熱負荷及風光機組預測出力曲線Fig.2 Predicted power curve of electricity，heat loads and wind power，photovoltaic units

為分析本文模型對VPP 碳排放及經濟效益的影響，本文設置5 個場景進行對比分析，各場景信息如表1 所示。其中，“√”表示考慮，“×”表示不考慮。

表1 各場景信息Table 1 Each scenario information

針對這5 種場景，對VPP 的調度結果進行分析，得到的VPP 日運行成本如表2 所示。

表2 不同場景下VPP的運行成本及碳排放量Table 2 Operation costs and carbon emissions of VPP in different scenarios

3.2 調度結果分析

由表2 的運行結果可知，與不考慮碳交易機制的場景1 相比，場景2 的運行成本增加了3.54 萬元，但在系統(tǒng)碳排放總量方面，由于場景1 中未考慮碳交易，因此場景2 下碳排放量相比場景1 減少了484.99 t。場景3 相較于場景2 引入了電-熱綜合需求響應機制，更好地挖掘了電、熱能源之間的運行靈活性，促進了對風光發(fā)電的消納，降低了系統(tǒng)的購能成本及碳排放量，運行總成本和碳排放總量分別減少4.83 萬元、54.00 t。場景4 相較于場景2，在碳捕集與P2G 聯合運行下，碳捕集設備從燃氣機組產生的煙氣中捕集部分CO2，然后一部分封存處理，另一部分作為甲烷化的原料，在避免從外界購買CO2的同時，降低了系統(tǒng)的碳排放量，系統(tǒng)運行成本和碳排放減少了3.20 萬元、84.03 t。場景5 相較于場景3 和場景4，同時考慮了綜合需求響應和碳捕集與P2G 設備聯合運行，在進一步降低碳排放量的同時，兼顧了運行經濟性。

場景5 下電負荷優(yōu)化結果如圖3 所示。與場景3 相比，系統(tǒng)的供能方式更加靈活，在引入需求響應機制后，負荷曲線隨新能源出力變化更加顯著。而P2G 裝置在電價較低時運行，產生氫氣和天然氣分別供應氫燃料電池和燃氣機組，降低了系統(tǒng)的購能成本。

場景5 下熱負荷優(yōu)化結果如圖4 所示。熱能主要由熱電聯產機組、燃氣鍋爐生產供應，儲熱裝置和氫燃料電池參與熱能供應調節(jié)。由于電熱能源間的耦合關系，系統(tǒng)將15：00—22：00 時段的部分負荷進行了轉移，降低了系統(tǒng)的購能成本。

3.3 碳交易機制敏感性分析

對于場景5，本文對不同碳交易基準價格下的調度結果進行了對比，結果如表3 所示。

表3 不同碳交易基準價格下的調度結果Table 3 Scheduling results under different carbon benchmark prices

隨著碳交易基準價格的增加，系統(tǒng)產生的碳排放量呈下降趨勢。當碳交易價格從50 元/t 上漲到100 元/t 時，碳排放量減少11.56 t，碳交易機制對碳減排的效果較明顯。但隨著碳交易基準價格進一步上漲，由于系統(tǒng)的低碳調節(jié)潛力減弱，減排效果出現明顯下滑，反而使得系統(tǒng)的碳交易成本出現明顯增加，對系統(tǒng)運行產生明顯的負擔。

表4 給出了碳交易基準價格為100 元時，不同增長率對系統(tǒng)調度結果的影響。在實際碳排放大于碳排放配額時，價格增長率才會起作用。當增長率從0.1 增長到0.2 時，系統(tǒng)碳排放量減少3.56 t。但當增長率達到0.2 后，由于設備的運行狀態(tài)趨于穩(wěn)定，碳排放量不再改變。當各時段的碳排放與碳排放配額的差值小于區(qū)間長度時，增長率的變化將不再起作用，所以還需要與基準價格配合，才能充分激發(fā)系統(tǒng)的碳減排活力。

表4 不同增長率下的調度結果Table 4 Scheduling results under different growth rates

不同區(qū)間長度下的調度結果如表5 所示。盡管區(qū)間長度不斷縮小，碳交易成本呈現下降趨勢，但碳排放量不再變化。這是由于區(qū)間長度變化帶來的碳減排壓力不足以促使系統(tǒng)進一步降低碳排放。

表5 不同碳區(qū)間長度下的調度結果Table 5 Scheduling results under different carbon interval length

不同補償系數下的調度結果如表6 所示。當實際碳排放量小于碳排放配額時，系統(tǒng)可出售碳排放配額獲利，此時補償系數成為調度周期內碳交易成本計算的重要參數。當補償系數小于0.2 時，碳排放量幾乎保持不變；當補償系數大于0.2 時，碳排放量出現小幅度降低，同時機組出力趨于穩(wěn)定，但補償系數繼續(xù)增加致使碳交易成本和總成本持續(xù)下降。

綜上分析可知，當碳交易基價達到一定值時，系統(tǒng)運行趨于穩(wěn)定，但系統(tǒng)的碳交易成本升高；隨著增長率升高，系統(tǒng)的碳排放量減少然后趨于穩(wěn)定；對于區(qū)間長度而言，過小的長度不僅沒有促進碳減排，反而加重了運行成本壓力；補償系數只有在出售碳排放權時才發(fā)揮作用，能夠有效激勵系統(tǒng)減少碳排放，兼顧經濟性和碳減排，且在碳排放量穩(wěn)定后，補償系數增加將進一步使系統(tǒng)的運行成本降低。

4 結論

本文針對VPP 低碳經濟調度問題，為提高能源利用率，在系統(tǒng)中引入了碳捕集-P2G 設備，建立了考慮階梯碳交易和需求響應的VPP 低碳經濟調度模型，得到以下結論：

1）在階梯碳交易機制下，考慮VPP 參加碳交易，在有效減少碳排放的同時，兼顧了系統(tǒng)運行的經濟性。同時碳捕集-P2G 技術的引入，可進一步降低系統(tǒng)的碳交易成本和購能成本。

2）需求響應機制能夠有效挖掘VPP 中負荷側的靈活和低碳運行潛力，促進風光發(fā)電消納，降低系統(tǒng)的購能成本，且對系統(tǒng)碳減排具有積極影響。

3）本文所提考慮階梯式碳交易和需求響應的VPP 低碳經濟調度模型，可以充分調動源側和荷側的運行靈活性，實現VPP 綜合運行成本和碳減排效果最優(yōu)。