考虑碳交易的区域综合能源系统经济调度研究

梁作放，潘 华，何 辉，尹茗晓

（1.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274012；2.上海电力大学经济与管理学院，上海 200090；3.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

近年来，化石能源日益匮乏，雾霾等环境污染问题愈发严峻，促进了风、光等可再生能源的迅速发展，新一轮能源革命悄然兴起。如何推动新一轮能源生产和消费革命、建立安全清洁高效可持续的能源系统亟待研究［1-4］。以电-气-热等多种能源组合而成的区域综合能源系统（Regional Integrated Energy System，RIES），能够实现多能源的相互转化与耦合互补，充分消纳可再生能源，提高能源利用效率，对构建清洁低碳高效的能源系统具有重要意义［5-7］。

文献［5］建立了以电为核心的区域综合能源系统调度模型，并采用粒子群优化算法进行求解，得到了具有经济性与环保性的调度方案。文献［8］以成本及污染气体量最小为目标，并考虑新能源与负荷不确定性带来的影响，采用NSGA-Ⅱ算法对区域综合能源系统内的配电、配气系统及能量中心进行经济调度。文献［9］构建了以电力与天然气系统为主的、包含风电等可再生能源的综合能源系统日前调度模型，并采用二阶锥规划与点估计法进行求解，在实际算例中的应用证明了算法与模型的正确性和有效性。文献［10］在满足客户多种能源需求的基础上，建立了以能源采购成本最小为目标建立了优化模型，并采用程序验证了模型的正确性。文献［11］基于机会约束规划，建立了以运行成本最小为目标的区域综合能源经济调度模型，为平衡在区域综合能源系统的经济性和可靠性提供了参考。文献［12］提出了一种微型热电联产经济优化模型，通过遗传算法进行求解分析，结果表明热电联产效益大于单独发电或单独供热效益。文献［13］在满足系统经济运行与用户体感舒适双重要求的基础上，构建了区域综合能源系统日前经济调度模型，并采用LINGO 求解。为了有效减少碳排放量，发展低碳经济的能源系统，有必要将碳排放引入到区域综合能源系统中。文献［14］在电-气互联的能源系统中引入了碳交易机制，将燃气轮机的碳排放量与碳排放额表示为与其有功功率成一定比例的量，对区域综合能源系统的碳交易具有一定的指导意义，但所构建的模型中仅包含天然气、燃气轮机与火电机组等，调度模型较为简单。文献［15］构建了以能源中心为基础含电力网络、热力网络及天然气网络在内的区域综合能源系统经济调度模型，并考虑了碳排放成本，但是未计及风电等可再生能源。国内外研究人员在区域综合能源系统经济调度上取得了一定的成绩，构建了多种模型，并尝试采用多种方法进行求解，也有学者在区域综合能源系统中考虑碳交易机制，但尚不完善，仍需进行相关研究。

以系统总成本最低为目标函数，在考虑碳交易的基础上，构建了含光伏、风电、微型燃气轮机、储能设备、配电网等联合供电、供热／冷的区域综合能源系统经济调度模型，并将光伏、风电及负荷预测的误差表示成均值为0 的正态分布，采用布谷鸟搜索算法对4 种情况进行求解分析。

1 建立区域综合能源运行成本

1.1 区域综合能源系统

区域综合能源系统作为能源互联网的重要载体，集电力、供热（冷）及天然气等多个系统为一体，其通过能源之间的耦合互补、阶梯利用以及先进的信息技术等，对多种能源进行统一管理、输送与经济调度，能够实现不同能源之间的转换，提高能源利用效率，促进可再生能源消纳，优化能源消费结构［16-18］。构建的区域综合能源系统包含微型燃气轮机、风力发电设备、光伏发电设备及余热回收系统等部分，并通过管道、变压器、输电线等与天然气管网、配电网相连，如图1 所示。其中区域综合能源系统中的余热回收系统能够实现对烟气等余热的有效回收，能够实现资源再利用，降低能耗，节约能源，具有良好的经济效益与环保效益［19］。

图1 区域综合能源系统

1.2 微型燃气轮机

微型燃气轮机的发电成本及其排烟所产生的余热与有功出力之间的关系，可以分别近似为一次函数、二次函数［20-21］：

1.3 吸收式制冷机

夏季时，采用吸收式制冷机供应冷负荷，其能量来源假设仅为微型燃气轮机的烟气余热，因此只计其运行维护费用为

式中：λx为吸收式制冷机输入单位功率的运维花费；为t 时段输入吸收式制冷机中烟气余热的功率。

式中：μx为吸收式制冷机的制冷能效比。

1.4 光伏、风电及负荷预测误差成本

国内外学者已经对光伏、风电及负荷预测做了一定的研究，目前一些文献通常将光伏、风电及负荷的预测误差e1、e2、e3表示为服从均值为0，标准差为σ 的正态分布［22-24］。光伏、风电及负荷预测的标准差分别为［25-27］：

则光伏、风电及负荷在t 时段的预测误差成本分别为：

1.5 碳交易模型

碳交易即为将碳排放量当作商品在市场上进行交易的行为。政府为了控制碳排放总量，向各排放含碳气体的单位分配排放额度，如果单位的碳排放量低于排放额度，则可将剩余额度进行出售；反之，当排放量大于排放额度时，需向其他单位进行购买排放额度，否则不予排放。

仅考虑微型燃气轮机发电时产生的碳排放，忽略天然气、储能设备、光伏电池板与风力发电机在生产、运输过程中的碳排放。微型燃气轮机的碳排放量与其有功出力存在函数关系［28-29］，为

式中：δ 为微型燃气轮机的碳排放强度。

发电机的碳排放额度与其有功出力成一定的比例，为

式中：η 为发电机单位功率的碳排放。

碳交易成本（收益）为

式中：λg为碳交易价格；当为正数时，表示该发电机需要购买额度，会增加发电成本；当为负数时，则增加收益，降低发电成本。

1.6 储能设备

区域综合能源系统中的储能装置不仅用来处理光伏、风电等出力的不确定性，还可以利用峰谷电价增加系统收益。储能设备的充放电成本为

式中：λs为储能设备的成本系数为储能设备的充放电功率。

2 区域综合能源系统经济调度模型及求解

2.1 目标函数

RIES 系统经济调度的目标是在满足约束条件的基础上，使系统运行总成本最小，为

式中：T 为调度周期。

2.2 约束条件

本文中的区域综合能源系统与配电网之间的交换功率远小于配电网容量，且认为二者之间的线路能够输送该功率，因此不考虑配电网与系统交换功率约束。

2.2.1 供用电平衡

RIES 系统从配电网购入（出售）的电能、系统各单元产生的电能与系统内用电功率保持平衡，为

2.2.2 供热约束

系统产生的热量与所需的热负荷应保持平衡，为

2.2.3 供冷约束

系统内的制冷量与冷负荷应保持平衡，为

2.2.4 微型燃气轮机出力约束

微型燃气轮机发电时要保持在一定区间范围内，或者不进行发电，为

2.2.5 储能设备约束

在RIES 系统中加入储能设备有利于系统的安全稳定。储能设备剩余电量计算公式为

式中：St为储能设备t 时段的电量；St-1为储能设备t-1 时段的电量；ηc、ηd分别为电池的充、放电效率；为t-1 时段储能设备与外部交换的功率。

储能设备过度充、放电对其使用有一定影响，因此储能设备的剩余电量需要维持在一定区间内。储能设备剩余电量的约束条件为

式中：Smax、Smin分别为储能电池电量的上下限。

为保障储能电池的使用寿命，储能电池的充放电功率需要保持在一定的范围内。储能电池的充放电功率约束为

2.3 布谷鸟搜索算法

区域综合能源系统的经济调度问题是一种高维、非线性且多约束的优化问题。布谷鸟搜索算法（Cuckoo Search，CS）简单灵活，具有良好的全局收敛性，全局搜索能力强，设置参数较少，通用性好，鲁棒性较强，不需要为特殊问题重新匹配参数，求解效果较好，目前已在求解电力系统经济调度问题中得到了一定的应用［30-31］，比较适合本文所建立的经济调度模型，因此选择布谷鸟搜索算法进行。布谷鸟搜索算法主要是通过模拟布谷鸟借巢产卵的生殖行为，并结合鸟类的莱维飞行来求解最优化问题，该算法模拟3 个理想条件：

1）对单目标最优化问题，每只布谷鸟每次只产一枚卵，并随机放置在其他鸟巢中；

2）最好的鸟巢将保留到下一代；

3）可以放置鸟蛋的鸟巢数量n 是固定不变的，巢主鸟发现布谷鸟蛋的概率是pa，且pa∈［0，1）。如果巢主鸟发现该枚卵，其会选择将该卵丢弃或抛弃整个鸟窝，在另一位置重新建立鸟巢，而布谷鸟则会重新鸟巢下蛋。

CS 算法流程如图2 所示。

图2 布谷鸟搜索算法流程

3 算例分析

3.1 算例数据

本文所采用的设备为：额定功率为60 kW、200 kW 的微型燃气轮机各1 台；额定功率为100 kW的风电机组1 台；额定功率为100 kW 的光伏机组1 组。各设备具体参数及微型燃气轮机的碳排放量计算系数［20，28，32-34］如表1—表3 所示。单位功率 碳排放份额取0.798 kg／kWh。碳交易价格取0.268 元／kg。当电网向区域综合能源系统送电时采用分时电价，如图3 所示。RIES 系统向配电网售电的电价为0.498 3 元／kWh。

表1 微型燃气轮机、风电机组及光伏机组设备参数

表2 微型燃气轮机余热函数与碳排放的参数

表4 储能电站参数信息

图3 分时电价

采用“以热定电”模式运行区域综合能源系统，且设置两种情形分别进行求解分析：情形Ⅰ为冬季，区域内的热负荷由余热回收系统供应，光伏、风电及负荷预测功率如图4 所示；情形Ⅱ为夏季，区域内的冷负荷由吸收式制冷机供应，光伏、风电及负荷预测功率如图5 所示。

3.2 优化调度结果

采用布谷鸟搜索算法对模型进行求解，算法中的鸟窝个数取n=25，而布谷鸟蛋被发现概率取pa=0.25。调度周期开始时，储能电池剩余电量取其下限。冬季供热时，微型燃气轮机及电网出力如图6 所示，储能电池出力及剩余电量如图7 所示。

图4 情形Ⅰ光伏、风电出力预测及热电负荷预测

图5 情形Ⅱ光伏、风电出力预测及冷电负荷

图6 冬季微型燃气轮机与电网出力

图7 供热时储能设备出力及剩余电量

夏季供冷时，微型燃气轮机及电网出力如图8所示，储能电池及剩余电量如图9 所示。

图8 冬季微型燃气轮机与电网出力

图9 供冷时储能设备出力及剩余电量

当不包含储能设备时，冬季与夏季微型燃气轮机及电网出力如图10—图11 所示。

图10 冬季微型燃气轮机与电网出力（不包含储能）

图11 夏季微型燃气轮机与电网出力（不包含储能）

由图6、图8、图10 与图11 可知，微型燃气轮机的出力波动相对较小，调节峰谷差的能力有限。区域综合能源系统中，在微型燃气轮机及储能设备出力大于系统内电负荷需求时，区域综合能源系统则将剩余有功功率向电网输送；当其出力小于系统内电负荷需求时，电网向系统输送电能；且可再生能源有功出力由于自然环境等因素容易发生波动，此时一般以电网出力进行调节为主，因此电网出力波动较大。储能装置除应对可再生能源波动性，还会根据调度周期内的不同电价进行充放电，以保证系统收益更大。

在文中约束条件等模型不变的情况下，去除目标函数中的碳交易成本，以系统其他成本最小为目标函数进行求解。两种情形下的调度结果如表5所示。

表5 运行结果对比

由表5 可知，将碳交易成本包含在目标函数与否对碳排放有着较大的影响，目标函数中包含碳交易成本时，系统的碳排放量较低。因此所建模型能够在降低碳排放量的同时，还能满足区域综合能源系统的经济性要求。

4 结语

以区域综合能源系统总成本最小为目标函数，电能平衡、热／冷能平衡及微型燃气轮机运行条件等为约束，构建了考虑碳交易的区域综合能源经济调度模型，并采用布谷鸟搜索算法进行求解。通过对比分析发现，所建模型在降低碳排放量同时，仍能满足区域综合能源系统的经济性要求。