碳交易机制下计及冷热电的虚拟电厂优化调度

周斌, 周静， 陈良亮

〔1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京 211106；3.国电南瑞南京控制系统有限公司,江苏 南京 211106〕

0 引 言

由于可再生能源出力的随机性以及成本缺少一定的竞争力，虚拟电厂在运营中存在弃风弃光的现象，造成可再生能源大量浪费。为此，有一些研究采取相关措施提高风光消纳。文献[1]通过建立弃风弃光相关约束条件来促进可再生能源的消纳。文献[2]基于碳交易建立电热优化调度模型，提高风电消纳率的同时减少碳排放量。文献[3]建立电-热-气的低碳优化调度模型，并研究碳交易价格和设备容量配置对调度的影响。文献[4]考虑不同的碳交易价格对碳排放量及风电消纳的影响。综上所述，考虑碳交易能够降低碳排放量，在一定程度上提高可再生能源的消纳，提高系统运行经济性。本文提出考虑冷热电的虚拟电厂低碳经济优化调度模型，模型考虑碳排放成本及运行成本，进而提高可再生能源的消纳率，降低虚拟电厂碳排放量，实现虚拟电厂收益最大化的目标。

1 碳交易市场环境下虚拟电厂模型架构

根据当前我国虚拟电厂和碳交易市场发展现状，本文所提出的虚拟电厂的系统构成如图1所示，其中包含燃气轮机、热电联产机组、风电、光伏、电锅炉、吸收式制冷机以及多能负荷。

当虚拟电厂的能源供应难以满足用户需求时，虚拟电厂通过实时购买相关能源，满足用户需求。此时虚拟电厂作为一个独立的整体，具有碳排放权且能参与碳排放权市场的交易[5]。

2 计及碳交易市场的虚拟电厂优化调度模型

以碳交易成本的虚拟电厂收益最大为优化目标，在满足虚拟电厂内各约束条件下，提高可再生能源的消纳，减小碳排放量。

2.1 碳交易成本

碳交易机制通过碳交易市场来控制地区的碳排放量。首先，通过由政府对碳排放量进行估量；其次，按照统一标准对碳排放

图1 虚拟电厂模型架构

量进行分配；最后，发电企业作为整体可以参与碳交易市场[6]。

本文采用基于发电量的免费初始碳排放权分配方式，单位电量碳排放分配系数可由国家发改委发布的“区域电网基准线排放因子”确定。虚拟电厂所分配到的碳排放配额为[7]：

(1)

热电联产机组出力包括电出力和热出力。在计算热电联产机组出力时，将热电联产机组热出力转换成纯凝工况下的电出力，计算公式为[8]：

PZ,i,t=PCHP,i,t+Cv,iHCHP,i,t

(2)

式中：PZ,i,t为t时段热电联产机组i在纯凝工况下的出力；PCHP,i,t和HCHP,i,t分别为热电联产机组i在t时段的电出力和热出力；Cv,i为热电联产机组热电转换系数，取值为0.165。单位电量碳排放分配系数为0.792 t/(MW·h)。

虚拟电厂碳排放量主要来源于热电联产机组和燃气轮机，其碳排放量为：

(3)

式中：Et为虚拟电厂碳排放量；λm为燃气轮机m单位出力碳排放强度；PGAS为t时段燃气轮机m发电功率；μn为热电联产机组n单位出力碳排放强度；PCHP为t时段热电联产机组n在纯凝工况下的电出力。

虚拟电厂在一个调度周期内的碳交易成本为：

I=PCO2(Et-Ct)

(4)

式中：I为虚拟电厂碳交易成本；PCO2为碳交易价格，元/t。

2.2 虚拟电厂运行成本及收益

(1) 虚拟电厂运行成本计算公式为：

F2=CCHP+CGAS+CW+CP

(5)

式中：F2为虚拟电厂的运行成本；CCHP为热电联产机组运行成本；CGAS为燃气轮机运行成本；CW为风电机组维护成本；CP为光伏维护成本。其中：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：T为时间常数，表示一个调度周期，本文中为24 h；ci(i=0,1,…，5)为CHP机组能耗系数；PCHP,t为t时段CHP机组输出电功率；HCHP,t为t时段CHP机组输出热功率;Cn为单位天然气价格，取值2.63 元/m3；PMT,t为t时段燃气轮机输出电功率；ηMT为燃气轮机发电效率；LHVH为单位天然气燃烧热值，取值9.91 kW·h/m3；k1为风电运行维护成本系数；k2为光伏运行维护成本系数；Pw,t、Pp,t分别为风电、光伏机组的实际出力。

(2) 虚拟电厂总收入计算公式为：

F1=Rload+Rheat+Rcool

(10)

式中：F1为虚拟电厂总收入；Rload、Rheat、Rcool分别为虚拟电厂的售电收入、售热收入及售冷收入。

综上所述，计及碳交易和虚拟电厂经济效益的优化调度目标函数为：

maxF=F1-F2-I

(11)

式中：F为虚拟电厂的净收益。

3 虚拟电厂运行约束条件

根据目标函数，计及碳交易的虚拟电厂运行需要满足各设备运行约束，以及电平衡、热平衡及冷平衡相关约束。

1) 电平衡约束

PCHP,t+PMT,t+Pw,t+Pp,t=PL+Peb

(12)

式中：Peb为电锅炉设备的电负荷；PL为电负荷。

2) 热平衡约束

HCHP,t+Heb,h=HL

(13)

式中：Heb,h为电锅炉产生的热功率；HL为热负荷。

3) 冷平衡约束

QGAS,cool=QL,cool

(14)

式中：QGAS,cool为燃气轮机通过吸收式制冷机产生的冷功率；QL,cool为冷负荷。

由于篇幅限制，对于CHP运行约束、分布式能源出力约束已有较多文章研究，因此不在文中赘述。

4 算例分析

4.1 算例描述

针对冬季某工业园区，该虚拟电厂由594 MW热电厂(包括2台抽凝式CHP机组)、200 MW风电场、80 MW光伏电站及80 MW燃气轮机组成。碳交易价格为150 元/t。

电负荷分时电价如表1所示，优化调度周期为24 h，单位调度时长为1 h。电负荷、热负荷、冷负荷及风光预测曲线如图2及图3所示。

表1 不同时刻电能价格

图2 电、热、冷负荷曲线

图3 风光功率预测曲线

4.2 算例结果及分析

为验证碳交易对虚拟电厂冷热电优化调度运行收益的影响，设置两种调度方式进行对比分析。

方式一：未考虑碳交易成本参与虚拟电厂优化调度方式。

方式二：考虑碳交易成本参与虚拟电厂优化调度方式。

图4为两种方式碳交易成本参与虚拟电厂优化调度下各电力设备电出力情况。

从图4可以看出，当考虑碳交易成本时，热电联产机组需要考虑碳交易价格，使热电联产机组运行成本增加，进而热电联产机组热出力降低，此时电锅炉出力增加，承担部分热负荷。

由于新能源在运行过程中不产生碳排放，在碳交易机制下新能源能够在碳交易中获得收益，其运行成本间接性降低，此时虚拟电厂优先安排新能源上网，提高新能源利用率，使虚拟电厂收益增加。图5为两种方式下风电实际的出力情况，在未考虑碳交易成本参与虚拟电厂优化调度时，在01∶00—06∶00及22∶00 —

图4 两种方式下电力调度情况

图5 两种方式下风电实际出力情况

24∶00时段，热电联产机组供热量较高，此时风电上网电量较少，弃风率相对较高。在考虑碳交易成本参与虚拟电厂优化调度方式时，由于热电联产机组运行需要考虑碳交易价格，其运行成本相对增加，新能源上网电量增加，新能源消纳率提高。

图6为两种方式下虚拟电厂不同时刻碳排放情况的对比曲线。从图6可以看出，在虚拟电厂优化调度周期内，方式一的碳排放量大于方式二，当虚拟电厂考虑碳交易后，热电联产机组供热量及发电量减小，虚拟电厂在调度周期内碳排放量减小。

图6 两种方式下碳排放量对比

两种优化调度方式结果对比分析如表2所示。

表2 优化调度方式结果对比

综上所述，本文所提出的虚拟电厂优化调度方式能够提高虚拟电厂获得的收益，不仅降低了虚拟电厂成本，还提高了新能源的消纳率，减少了碳排放量，对推进碳减排以及提高新能源消纳率具有重要意义。

5 结束语

本文建立了计及碳交易的冷热电虚拟电厂优化调度模型，以虚拟电厂收益最大为目标，通过对算例分析对比，可以得出结论：当考虑碳交易机制时，调度周期内热电联产机组的热出力和电出力明显下降，增加新能源的实际上网电量，同时减小虚拟电厂的碳排放量。在调度周期内，虚拟电厂收益增加了11.71万元，风光消纳率提高35.04%，碳排放量减小1 252.326 t，风光消纳率大幅提升，碳减排效果明显。