郭 凱,阿敏夫,雅斯太,劉紫琦
(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)新型電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010020)
全球氣候環(huán)境危機(jī)正在加速發(fā)展,已給人類的健康和安全造成威脅,為促進(jìn)各行各業(yè)綠色轉(zhuǎn)型,我國(guó)于2020 年9 月第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)[1]。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),減少碳排放,促進(jìn)電力行業(yè)碳減排,減少污染物的排放,在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中同時(shí)引入碳交易-綠色證書(shū)(以下簡(jiǎn)稱綠證)交易機(jī)制和儲(chǔ)能系統(tǒng),對(duì)電力行業(yè)的節(jié)能減排和綠色發(fā)展具有十分重要的意義[2-3]。
圍繞碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究[4-6]。文獻(xiàn)[7]提出含有碳交易-綠證交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,可有效提高新能源消納率,減少系統(tǒng)碳排放量。文獻(xiàn)[8]將碳交易機(jī)制和綠證交易機(jī)制引入電力系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度中,建立以經(jīng)濟(jì)成本最小和污染物排放量最小的多目標(biāo)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[9]建立了基于碳交易成本和綠證交易成本的源-荷互動(dòng)優(yōu)化調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)資源和多種柔性負(fù)荷資源的優(yōu)化分配。文獻(xiàn)[10]建立綜合考慮碳交易機(jī)制與綠證交易機(jī)制的含風(fēng)電電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,并采用機(jī)會(huì)約束理論處理風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的不確定性,提高了新能源消納能力,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)度。
為提升系統(tǒng)靈活性、促進(jìn)新能源消納能力,針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)方面的應(yīng)用已經(jīng)做了大量的研究。文獻(xiàn)[11-12]建立了含有儲(chǔ)能模型的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了調(diào)度模型的有效性。文獻(xiàn)[13]提出了考慮含有碳交易成本和儲(chǔ)能成本的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略,深入分析了碳交易機(jī)制的引入對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)的影響以及儲(chǔ)能促進(jìn)風(fēng)電消納的機(jī)理。文獻(xiàn)[14]通過(guò)充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)與需求響應(yīng)之間的有效配合,提出了一種計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)與需求響應(yīng)的風(fēng)水火聯(lián)合電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15]為提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力,建立了碳交易、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及兩者共同參與下的電力系統(tǒng)風(fēng)電消納優(yōu)化模型,得出儲(chǔ)能參與系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié),有利于抑制風(fēng)電功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[16]詳細(xì)分析了新能源所接的電儲(chǔ)能、熱電聯(lián)產(chǎn)所接的熱儲(chǔ)能、電制熱設(shè)備所接的熱儲(chǔ)能三類儲(chǔ)能在消納新能源棄電和電負(fù)荷削峰場(chǎng)景下的互補(bǔ)協(xié)調(diào)關(guān)系,建立了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,驗(yàn)證了電儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行能有效降低新能源棄電量。
上述研究對(duì)碳交易機(jī)制、綠證交易機(jī)制的數(shù)學(xué)模型和求解算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究,但研究中未考慮儲(chǔ)能的引入對(duì)碳交易-綠證交易機(jī)制下調(diào)度結(jié)果的影響。本文同時(shí)考慮將碳交易-綠證機(jī)制和儲(chǔ)能系統(tǒng)引入電力系統(tǒng),建立計(jì)及碳交易-綠證和儲(chǔ)能成本的含風(fēng)光發(fā)電的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。通過(guò)仿真算例分析,驗(yàn)證了碳交易-綠證機(jī)制和儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入可有效優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),減少系統(tǒng)碳排放。
1.1.1 碳排放配額
目前,我國(guó)碳交易市場(chǎng)尚處于起步階段,電力行業(yè)碳排放配額主要以免費(fèi)分配和有償購(gòu)買為主,免費(fèi)分配部分本文選擇基準(zhǔn)線法,即按照各火力發(fā)電廠的發(fā)電量按比例進(jìn)行免費(fèi)碳排放配額分配[17],單位電量碳排放分配系數(shù)可根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)發(fā)布的區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子確定[18]。當(dāng)火電廠的碳排放量大于免費(fèi)碳排放配額時(shí),需要在碳交易市場(chǎng)中購(gòu)買碳排放配額;反之,可以在碳交易市場(chǎng)中出售多余的免費(fèi)碳排放配額來(lái)獲取一定的利益。
由于風(fēng)電和光伏具有隨機(jī)性,當(dāng)風(fēng)電和光伏接入電網(wǎng)后,為保證電網(wǎng)安全,需要增加火電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)備用容量,提高了火電機(jī)組運(yùn)行成本,所以本文考慮從實(shí)際出發(fā),對(duì)火電機(jī)組的碳排放配額進(jìn)行補(bǔ)償。
火電機(jī)組免費(fèi)碳排放配額為:
式中:Eq1為火電機(jī)組免費(fèi)碳排放配額;T 為優(yōu)化時(shí)段數(shù);δ為區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子;PGi,t為t時(shí)刻火電機(jī)組i的出力;NG為常規(guī)火電機(jī)組總數(shù);Pw,t為t時(shí)刻風(fēng)電出力;α為風(fēng)電出力的備用系數(shù);Pk,t為t時(shí)刻光伏出力;β為光伏出力的備用系數(shù);λ為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電碳配額修正系數(shù)。
風(fēng)電場(chǎng)免費(fèi)碳排放配額為:
式中:Eq2為風(fēng)電場(chǎng)免費(fèi)碳排放配額。
光伏電站免費(fèi)碳排放配額為:
式中:Eq3為光伏電站免費(fèi)碳排放配額。
1.1.2 碳排放成本
由于風(fēng)電和光伏為清潔能源,不產(chǎn)生CO2,所以本文考慮CO2的排放均來(lái)自于火電機(jī)組,火電機(jī)組的碳排放量與有功出力成比例,可表示為:
式中:EC為火電機(jī)組碳排放量;ηi為第i 臺(tái)火電機(jī)組碳排放系數(shù)。
根據(jù)碳交易機(jī)制原理,可得出系統(tǒng)碳交易成本為:
式中:FC為系統(tǒng)碳交易成本;PCO2為碳交易價(jià)格。
綠證是可再生能源電量綠色屬性的證明,也是認(rèn)定可再生能源生產(chǎn)、消費(fèi)的唯一憑證[19-20]。自2021年起我國(guó)實(shí)行配額制下的綠證交易,綠證作為一項(xiàng)輔助手段進(jìn)入了消納的考核范疇。2022-09-15,國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)電力交易機(jī)構(gòu)開(kāi)展綠色電力證書(shū)交易的通知》,提到要積極穩(wěn)妥擴(kuò)大綠電和綠證交易范圍,更好體現(xiàn)可再生能源的環(huán)境價(jià)值,推動(dòng)電力交易機(jī)構(gòu)開(kāi)展綠證交易。從綠證類型看,目前我國(guó)綠證主要包括補(bǔ)貼綠證和無(wú)補(bǔ)貼綠證兩類。其中補(bǔ)貼綠證核發(fā)范圍為納入國(guó)家補(bǔ)貼清單的陸上風(fēng)電、光伏電站項(xiàng)目;無(wú)補(bǔ)貼綠證核發(fā)范圍為平價(jià)(低價(jià))陸上風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目。
綠證交易機(jī)制是保證可再生能源配額制度有效貫徹的配套措施,由政府機(jī)構(gòu)對(duì)特定的可再生能源發(fā)電量進(jìn)行認(rèn)證,發(fā)放具有可再生能源電量標(biāo)識(shí)的可交易的證書(shū)[21]。當(dāng)實(shí)際可再生能源消納量大于綠證配額比例時(shí),可以出售多余可再生能源發(fā)電量產(chǎn)生的綠證來(lái)獲得利益;當(dāng)實(shí)際可再生能源消納量小于綠證配額比例時(shí),則對(duì)不足可再生能源消納量需要購(gòu)買綠證。其綠證交易成本模型如下:
式中:FS為系統(tǒng)綠證交易成本;k 為可再生能源發(fā)電量占上網(wǎng)電量的配額比;PD,t為系統(tǒng)t 時(shí)刻的負(fù)荷;PTCG為綠證交易價(jià)格。
電儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)一定介質(zhì)存儲(chǔ)電能,在需要時(shí)將所存能量釋放發(fā)電[22-24]。電儲(chǔ)能技術(shù)的引入將有效削減負(fù)荷峰谷差,降低供電成本,有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理。同時(shí),儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用將大大增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模可再生能源的接納能力,實(shí)現(xiàn)間歇式可再生能源發(fā)電的可預(yù)測(cè)、可控制、可調(diào)度,促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)與變革,實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電之間在時(shí)間和空間上的解耦,徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式。由于電儲(chǔ)能系統(tǒng)并不是電源,僅作為電力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移裝置,可根據(jù)其他電源的出力情況解耦電能的生產(chǎn)和消耗。
電儲(chǔ)能裝置作為靈活調(diào)控裝置可利用其自身對(duì)時(shí)間的遷移能力,從而在時(shí)間上解耦電能的生產(chǎn)和消費(fèi)來(lái)達(dá)到增加新能源并網(wǎng)空間的目的。同時(shí)電儲(chǔ)能裝置具備響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。本文考慮的電儲(chǔ)能裝置采用電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,其運(yùn)行成本表示為:
式中:Fn—儲(chǔ)能裝置運(yùn)行成本;
Pchu—儲(chǔ)能裝置運(yùn)行成本系數(shù);
Pc,t—儲(chǔ)能裝置t時(shí)刻充放電功率。
常規(guī)火電機(jī)組的發(fā)電成本通常表示為其發(fā)電功率的二次函數(shù):
式中:FG為火電機(jī)組的發(fā)電成本;ai,bi和ci為機(jī)組i的燃料成本系數(shù)。
風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電設(shè)備在發(fā)電過(guò)程中會(huì)存在一定的運(yùn)行維護(hù)成本,風(fēng)電和光伏出力成本可以分別表示為:
式中:FW—風(fēng)電出力成本;
Fk—光伏出力成本;
μW—風(fēng)電出力成本系數(shù);
μk—光伏出力成本系數(shù)。
綜上所述,建立系統(tǒng)運(yùn)行成本最小的目標(biāo)函數(shù)為:
3.2.1 功率平衡約束
3.2.2 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量約束
考慮為了應(yīng)對(duì)新能源出力不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)需要預(yù)留一定的備用容量[24-25]:
式中:PGi,tmax為第i 臺(tái)火電機(jī)組t 時(shí)刻最大出力;PGi,tmin為第i臺(tái)火電機(jī)組t時(shí)刻最小出力;Ru,t、Rd,t為t時(shí)刻系統(tǒng)的上、下備用容量;uf、df分別為負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用率;uw、dw分別為風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用率;uk、dk分別為光伏出力預(yù)測(cè)誤差增加的上、下旋轉(zhuǎn)備用率。
3.2.3 火電機(jī)組出力約束
式中:PGi,max、PGi,min分別為常規(guī)火電機(jī)組出力上、下限;ΔPui、ΔPdi為機(jī)組i 的最大上、下爬坡出力;PGi,t-1為t-1時(shí)刻火電機(jī)組i的出力。
3.2.4 風(fēng)電和光伏出力約束
風(fēng)電和光伏的出力應(yīng)在預(yù)測(cè)范圍之內(nèi):
式中:Pwf,t、Pkf,t為t時(shí)刻風(fēng)電機(jī)光伏預(yù)測(cè)出力值。
3.2.5 電儲(chǔ)能運(yùn)行功率約束
本文中電儲(chǔ)能裝置主要考慮充放電功率上下限約束以及充放電工作狀態(tài)裝束[13]。
本文所建的優(yōu)化模型在Matlab軟件平臺(tái)上調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行仿真求解。仿真系統(tǒng)由6臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組、1 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和1 個(gè)光伏電站構(gòu)成,選取調(diào)度周期為24 h,單位調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為1 h?;痣姍C(jī)組參數(shù)如表1 所示。系統(tǒng)負(fù)荷、風(fēng)電和光伏的預(yù)測(cè)功率見(jiàn)圖1 和圖2;碳交易價(jià)格為15 美元/t,可再生能源配額系數(shù)取0.19,綠證交易價(jià)格取20 美元/MWh,δ為0.90,λ為0.15,風(fēng)電、光伏以及負(fù)荷備用系數(shù)均取0.10。儲(chǔ)能裝置的容量為200 MWh,充放電最大功率均為50 MW/h,初始荷電狀態(tài)為0.2,運(yùn)行成本系數(shù)為5美元/MWh,充放電效率取0.95。風(fēng)電運(yùn)維成本系數(shù)取18 美元/MW,光伏運(yùn)維成本系數(shù)為10 美元/MW。
圖1 負(fù)荷預(yù)測(cè)功率Fig.1 Load forecasting power
圖2 風(fēng)電和光伏預(yù)測(cè)功率Fig.2 Predicting power of wind power and photovoltaic
表1 火電機(jī)組參數(shù)Tab.1 Parameters of thermal power unit
為驗(yàn)證碳交易-綠證機(jī)制對(duì)含風(fēng)光發(fā)電的電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的積極作用以及引入儲(chǔ)能裝置對(duì)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的優(yōu)勢(shì),對(duì)以下3 種調(diào)度方式進(jìn)行仿真對(duì)比分析。
方式1:不考慮碳交易-綠證機(jī)制和儲(chǔ)能裝置;
方式2:不考慮碳交易-綠證機(jī)制;
方式3:考慮本文所提及碳交易-綠證機(jī)制和儲(chǔ)能裝置。
三種調(diào)度方式下系統(tǒng)運(yùn)行成本、碳交易成本、綠證交易成本、儲(chǔ)能運(yùn)行成本和碳排放量對(duì)比結(jié)果如表2 所示。由表2 可知,方式2 的系統(tǒng)運(yùn)行成本最低,因?yàn)榉绞? 是在方式1 的基礎(chǔ)上引入了儲(chǔ)能裝置,儲(chǔ)能裝置促進(jìn)了夜間風(fēng)電的消納,減少了負(fù)荷高峰期間火電機(jī)組出力,機(jī)組的發(fā)電成本相對(duì)減小,同時(shí)減少了系統(tǒng)碳排放量。
表2 三種調(diào)度方式下優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析Tab.2 Comparative analysis of optimization results under three dispatching modes
方式3 在方式2 的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了碳交易-綠證機(jī)制,系統(tǒng)火電機(jī)組多出的碳排放配額需要購(gòu)買,但風(fēng)電和光伏作為清潔能源,能夠在碳交易市場(chǎng)中獲益,同時(shí)綠證機(jī)制的引入也可進(jìn)一步促進(jìn)清潔能源的消納,減少系統(tǒng)碳排放量。由上述結(jié)果可知,碳交易-綠證機(jī)制在減少系統(tǒng)碳排放、促進(jìn)新能源出力等方面具有良好的效果。同時(shí)考慮了碳交易成本和綠證交易成本的方式3與方式1和2相比,其經(jīng)濟(jì)成本會(huì)有所上升,但碳排放量會(huì)進(jìn)一步減少,因此建立有序的碳交易市場(chǎng)和綠證交易市場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)節(jié)能減排、促進(jìn)新能源消納具有很重要的作用。
碳交易價(jià)格的大小對(duì)系統(tǒng)碳排放量影響較大,為實(shí)際驗(yàn)證碳交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)碳排放量的影響效果,本文以方式3為例,分析系統(tǒng)碳交易價(jià)格與系統(tǒng)碳排放量、系統(tǒng)總成本的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。由圖3 可知,系統(tǒng)碳排放量隨著碳交易價(jià)格的升高而降低,但系統(tǒng)總成本隨著碳交易價(jià)格的升高而升高,當(dāng)碳交易價(jià)格升高至18 美元/t 時(shí),系統(tǒng)的碳排放量基本保持不變,系統(tǒng)碳減排能力達(dá)到上限。
圖3 碳交易價(jià)格對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響Fig.3 The influence of carbon trading price on optimization results
本文考慮了不同可再生能源配額系數(shù)下對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放量的影響。本文設(shè)定了3種運(yùn)行方式,可再生能源配額系數(shù)分別為0.18、0.19、0.20。表3 為調(diào)度方式3 下,不同可再生能源配額系數(shù)的結(jié)果分析。
表3 方式3在不同可再生能源配額系數(shù)下調(diào)度結(jié)果Tab.3 Dispatching results of mode 3 under different renewable energy quota coefficients
由表3可知,隨著可再生能源配額比例的提高,綠證交易成本會(huì)加大,這是由于系統(tǒng)為完成配額任務(wù),會(huì)提高部分風(fēng)電和光伏消納量,但仍無(wú)法滿足系統(tǒng)配額任務(wù),因此在可再生能源配額系數(shù)為0.20時(shí),會(huì)加大系統(tǒng)綠證交易成本,從而進(jìn)一步加大系統(tǒng)運(yùn)行成本。但是,由于風(fēng)電和光伏消納量有所增加,導(dǎo)致系統(tǒng)碳排放量會(huì)有所減少。由上述分析可知,綠證交易機(jī)制在電力行業(yè)的應(yīng)用將對(duì)于促進(jìn)新能源消納和低碳電力的發(fā)展有重要作用。本文設(shè)定可再生能源配額系數(shù)為0.18時(shí),綠證交易價(jià)格分別為19 美元、20 美元和21 美元的3 種運(yùn)行方式(見(jiàn)表4)。
表4 不同綠證交易價(jià)格時(shí)的調(diào)度結(jié)果Tab.4 Dispatching results under different trading prices of green certificates
由表4可知,隨著綠證交易價(jià)格增加,系統(tǒng)運(yùn)行成本逐步增加,綠證交易成本也會(huì)進(jìn)一步增加,但是系統(tǒng)碳排放量會(huì)有所減少,這是由于綠證交易價(jià)格提高,導(dǎo)致系統(tǒng)需要花費(fèi)更多成本完成配額任務(wù),為減少系統(tǒng)運(yùn)行成本,會(huì)提高部分風(fēng)電和光伏消納量,進(jìn)一步促進(jìn)新能源消納量。
本文將碳交易機(jī)制、綠證交易機(jī)制以及電儲(chǔ)能同時(shí)引入電力系統(tǒng)中,構(gòu)建綜合考慮碳交易機(jī)制成本、綠證交易機(jī)制成本、儲(chǔ)能運(yùn)行成本、常規(guī)火電機(jī)組運(yùn)行成本、風(fēng)電運(yùn)行成本以及光伏運(yùn)行成本的含風(fēng)光電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,得到如下結(jié)論。
(1)首先提出將電儲(chǔ)能系統(tǒng)引入電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中,儲(chǔ)能裝置可進(jìn)一步促進(jìn)夜間風(fēng)電消納,減少了負(fù)荷高峰期間常規(guī)火電機(jī)組出力,導(dǎo)致火電機(jī)組的發(fā)電成本相對(duì)減小,雖然儲(chǔ)能裝置充放電會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行成本,但系統(tǒng)總成本有所減小,同時(shí)系統(tǒng)碳排放量進(jìn)一步減少。
(2)將綠證交易機(jī)制、碳交易機(jī)制同時(shí)引入電力系統(tǒng)中,在保證電力系統(tǒng)一定比例可再生能源出力時(shí),考慮常規(guī)火電機(jī)組的碳排放量,有效提高了系統(tǒng)的環(huán)境效益,促進(jìn)可再生能源消納。
(3)分析了不同碳交易價(jià)格、不同可再生能源配額系數(shù)和綠證交易價(jià)格對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響。結(jié)果表明:系統(tǒng)碳排放量隨著碳交易價(jià)格的升高而降低,但系統(tǒng)總成本隨著碳交易價(jià)格的升高而升高,當(dāng)碳交易價(jià)格升至一定時(shí),系統(tǒng)的碳排放量基本保持不變??稍偕茉磁漕~系數(shù)越高,系統(tǒng)中會(huì)購(gòu)買更多的綠證數(shù)量,導(dǎo)致可再生能源出力增加,從而減少系統(tǒng)碳排放量。