考虑碳交易和绿证交易的配电网优化运行策略

邓淑斌, 李嵘, 梁志飞, 凡鹏飞, 贾旭东, 李梓仟

(1.广州电力交易中心有限责任公司,广州市510663;2. 电力规划总院有限公司,北京市100120)

0 引 言

为助力实现“碳达峰,碳中和”战略目标,我国正建设以新能源为主体的新型电力系统。同时,为了促进新能源消纳和降低碳排放,我国正逐步实施绿色证书交易机制和碳排放交易机制,通过市场机制手段调整能源结构和约束碳排放,进一步推动能源结构转型和实现绿色低碳发展[1]。

随着分布式能源的快速发展以及近年来我国以天然气为核心能源的综合能源社区的大力建设,目前配网侧同样面临着新能源消纳和降低碳排放的双重压力[2-3]。因此,如何实现配电网的低碳经济运行并促进分布式新能源的消纳是配电网运行面对的重要挑战之一。

由于碳排放交易机制将碳排放权视为商品进行交易,通过市场手段实现对碳排放量的有效控制,因此通过引入碳交易可实现能源系统的低碳经济运行。在配网侧,目前研究大多关注综合能源微网或虚拟电厂的低碳经济运行或规划问题。如文献[4]提出了一种考虑需求响应和碳交易机制的综合能源系统优化运行模型,仿真结果表明通过制定合理的碳交易价格可以实现系统的低碳经济运行。文献[5]考虑碳交易机制建立了考虑购能成本、碳排放成本和弃风成本的电氢综合能源系统低碳经济运行策略,实现了系统的低碳运行。文献[6]提出了考虑碳交易成本的多区域综合能源系统分布式调度方法,实现了不完全信息下综合能源系统的优化调度。文献[7]则考虑碳交易影响,提出了电网的优化规划运行方法,实现了电网的低碳规划运行。文献[8]以包含电动汽车、燃气轮机、风光分布式电源组成的虚拟电厂为研究对象,建立考虑碳交易的虚拟电厂优化调度模型,实现了虚拟电厂低碳经济调度。文献[9]引入碳交易机制提出了虚拟电厂竞标策略,实现了虚拟电厂的低碳经济运行。文献[10]提出了考虑碳交易机制的含风电电力系统日前优化调度方法,文献[11]则提出一种考虑风险和碳交易机制的微电网分布鲁棒优化调度模型。文献[12]实现了低碳工艺与流程控制的钢铁工业园区综合能源系统低碳运行。而文献[13] 提出了基于碳交易机制和需求响应的配电网重构方法,文献[14]提出了计及碳排放成本的输电网与风电分布鲁棒协同扩展规划方法,文献[15]则提出了低碳背景下基于自适应鲁棒优化的含源配电系统规划方法。

随着大量分布式能源并网,新能源的消纳也是配网侧急需解决的问题之一。配额制和绿证交易机制,通过规定新能源消纳比例,明确消纳责任,倒逼发电商或电力用户出售或消纳绿色电力,可有效缓解新能源补贴资金压力,促进新能源可持续发展。文献[16]同时考虑碳交易和绿证交易提出了虚拟电厂的优化调度运行策略,实现了虚拟电厂的低碳运行,并促进了新能源消纳。文献[17]考虑碳交易-绿证成本,以及柔性负荷调度成本,提出一种“源-荷”互动优化调度策略,实现了发电侧资源与多种柔性负荷资源的优化调度。文献[18]提出一种融合绿证-碳排放等价交互机制的区域综合能源系统优化运行方法,提高了系统绿电占比和经济性。文献[19]以绿证为基础,考虑碳排放权的交易和需求侧响应,建立了虚拟电厂优化调度模型,促进了风电的消纳,并降低了碳排放量。文献[20]则考虑绿证交易和等待补贴,提出一种绿证定价动态模型,实现了新能源发电企业的绿证报价策略优化,提高了其市场价格优势。文献[21]考虑碳交易和绿证交易制度,提出一种电力批发市场能源优化模型,降低了碳排放,并优化了碳配额和绿证比例。文献[22]提出一种绿证和碳联合交易模型,通过全局优化方法实现了绿证和碳排放权资源的优化配置,促进了新能源发电消纳,降低了化石燃料机组的碳排放量。文献[23]讨论了区块链技术在绿电追溯、绿证交易、碳交易、绿证与碳资产联合市场4个方向的适用性,并分析了目前我国分布式绿色能源碳交易机制及碳数据管理所面临的一些挑战。文献[24]则介绍了世界主要碳市场的建设历程和发展现状,总结讨论了主要国家的碳市场机制,并分析了中国碳市场发展面临的挑战,给出了中国碳市场未来的发展建议。文献[25]提出了基于区块链的绿证交易撮合及流通模型。文献[26]对基于卖方灵活合同的绿电与绿证中长期联合交易机制及其均衡进行了深入分析。文献[27]提出了发电联盟参与电-碳-绿证市场的协同优化策略。文献[28]提出了计及绿证-碳交易与氢能的综合能源系统多时间尺度优化调度方法。

综上所述,通过考虑碳交易和绿证交易可有效降低碳排放和促进新能源消纳,然而目前的相关研究多以综合能源微网和虚拟电厂为研究对象,忽略了配电网层面的碳交易和绿证交易机制的实施以及系统运行问题。而配电网作为分布式能源消纳的重要载体,实现配电网的低碳经济运行和新能源的高比例消纳对于促进分布式能源发展和降低碳排放具有重要意义。

基于以上讨论分析,本文同时将碳交易和绿证交易机制引入到配电网优化运行当中,以配电网综合运行成本为目标,考虑配电网潮流约束,分布式能源运行约束等,建立了配电网低碳经济优化运行模型;通过改进的IEEE 15节点配电网算例对所提配电网优化运行模型进行验证,并针对碳交易和绿证交易机制对配电网优化运行的影响进行讨论分析,以期为满足配电网低碳经济运行的发展需求提供方法参考。

1 碳交易和绿证交易机制

1.1 碳交易机制

目前我国主要采用基准线法免费给企业碳排放源分配碳排放配额。当企业碳排放总量大于其碳排放配额总量时,需要从碳交易市场购买不足的碳排放量,并付出额外的成本;当企业碳排放总量小于其碳排放配额总量时,可在碳交易市场中出售剩余的碳排放量,并获得相应的收益。碳交易成本可表示为[6]:

Cct=Pc(Ece-Ecq)

(1)

式中:Cct为碳交易成本;Pc为碳交易价格,Ece为实际碳排放总量;Ecq为碳配额总量。

1)碳配额总量Ecq。

(2)

(3)

燃气锅炉为用户供热,其碳排放配额可认为与其供热量成正比,可表示为:

(4)

2)实际碳排放总量Ece。

系统实际碳排放总量为燃机轮机和燃气锅炉实际碳排放总量之和,表示为:

(5)

(6)

1.2 绿证交易机制

目前我国主要采用基于配额制的绿证交易机制,通过规定新能源电力在负荷中的比例明确各发电企业或用户的新能源消纳责任,以促进新能源消纳。当绿证交易参与主体获得的绿证数量多于其配额数量时,可以出售多余的绿证以获得收益;反之,需要购买缺少的绿证以满足考核要求。本文配电网绿证交易成本Cgc可表示为[18]:

Cgc=Pgc(Ggc,o-Ggc,q)

(7)

式中:Ggc,o为配电网获得的绿证数量,本;Ggc,q表示绿证配额数量,本;Pgc为绿证交易价格,元/本。

(8)

(9)

由以上碳交易和绿证交易模型可知,配电网优化运行决策中,通过优化燃气轮机、燃气锅炉出力直接影响系统的碳排放量和配额;同时通过优化新能源消纳量直接影响绿证获得数量,进而优化碳交易成本和绿证交易成本。从碳交易和绿证交易机制模型来看,前者主要调控传统碳排放机组的出力,后者主要调控新能源机组的消纳,二者模型之间并未有显性的耦合关系。碳交易和绿证交易的耦合机理和协调作用机制本质上是多种市场机制的均衡问题,也是研究的热点、难点和亟需解决的重要科学问题。本文暂不考虑该问题,重点探讨配电网参与碳交易和绿证交易场景下的低碳经济优化运行问题。

2 考虑碳交易和绿证交易的配电网优化运行模型

配电网以最小化综合运行成本为目标优化其运行策略,目标函数为:

(10)

式中:Cbuy为配电网从上级电网购电的成本;Cgas为天然气成本;Cge为从新能源购电的成本;Cct为碳交易成本;Cgc为绿证交易成本;最后一项为网损成本,λloss为网损成本系数,取0.5元/kWh。

(11)

(12)

(13)

燃气轮机和新能源发电(风电光伏)均并网运行,同时燃气轮机和锅炉协调运行,共同为当地供热,燃气轮机需满足约束[30]:

(14)

燃气锅炉需满足下面运行约束[30]:

(15)

热负荷需求节点需满足热功率平衡约束:

(16)

新能源上网功率不超过其最大预测输出功率:

(17)

辐射状配电网的二阶锥形式的潮流约束可表示为[31]:

(18)

3 算例分析

3.1 算例配置

如图1所示,以改进的IEEE 15节点配电网为例,对所提考虑碳交易和绿证交易配电网优化运行方法进行验证。分布式新能源电站通过节点3、5、6并网运行,其中节点3、6为风电,节点5为光伏。风电和光伏的预测功率见图2。燃气轮机通过节点4、10、12并网运行,节点4、10、12有热负荷需求,由图3给出,通过燃气轮机和锅炉来满足其热需求。配电网根节点电压标幺值取为1.0 pu,其他节点电压标幺值波动范围取0.9～1.1 pu;各节点有功功率设置为原系统数据的10倍,一天各时刻的波动规律见图4。碳交易价格为80元/t,绿证交易价格为100元/本,新能源上网电价为0.38元/kWh,新能源配额比例取0.3。燃气轮机和锅炉的容量及运行参数见表1。算例考虑4种场景,如表2所示,其中“√”和“×”分别表示考虑和不考虑该要素,场景1为参考场景,不考虑碳交易和绿证交易机制;场景2仅考虑碳交易机制;场景3仅考虑绿证交易机制;场景4同时考虑碳交易和绿证交易机制。

表1 燃气轮机和锅炉参数Table 1 The parameters for gas turbines and boilers

表2 场景划分Table 2 The case settings

图1 改进的IEEE 15节点配电网Fig.1 The improved IEEE 15 node distribution network

图2 新能源预测功率Fig.2 The predicted output power of new energies

图3 热负荷需求Fig.3 The heating demands

图4 电负荷变化曲线Fig.4 The change curve of power load

3.2 不同场景仿真结果对比分析

表3给出了系统碳排放和绿电比例仿真结果,对比仿真结果可以看出,相比场景1,场景2、场景3和场景4的碳排放量分别下降了28.57%,24.11%和29.72%,说明碳交易机制和绿证交易机制均有显著的碳减排作用,同时考虑碳交易机制和绿证交易机制的碳减排效果最明显。与场景1相比,场景2、场景3和场景4的绿电占比均有显著的提高,说明碳交易机制和绿证交易机制均可以促进新能源的消纳。比较场景2和场景3可以看出,碳交易机制的减排作用大于绿证交易机制,而绿证交易机制在促进新能源消纳方面的作用要优于碳排放交易机制。

表3 碳排放和绿电比例结果Table 3 The results of carbon emission and the ratio of green power

表4给出了系统运行成本,从表4可以看出,相比场景1,场景2、场景3和场景4系统的碳交易成本或绿证交易成本均为负值,表明系统通过参与碳交易和绿证交易获得了较为客观的收益,由表3中新能源的占比可知由于系统消纳了较多的新能源,使得系统实际碳排放量小于碳配额,且获得的绿证数量大于绿证配额,因此通过碳交易和绿证交易获得了收益,降低了系统总运行成本,有效提高了系统运行的经济性。场景4说明同时考虑碳交易机制和绿证交易,不仅可以实现较好的减排和促进新能源消纳效果,同时可以有效提升系统运行的经济性。

表4 运行成本结果Table 4 The results of operation cost

表5给出了新能源消纳情况,从表5可以看出,场景1有较大的弃风弃光率,约为40.29%,场景2考虑了碳交易机制后,为降低碳排放,系统大幅提高了新能源的消纳,弃风弃光率下降为14.83%;说明碳交易机制的实施可有效促进新能源消纳,而场景3和场景4的新能源被完全消纳,可见绿证交易机制在促进新能源消纳方面具有明显的效果和优势。

表5 新能源消纳结果Table 5 The results of consumption of new energies

因此,通过上述讨论可知,在配网实际运行当中,分别仅参与碳排放权交易或绿证交易,均可有效降低碳排放和提高绿电占比,并取得较为明显的运行效益;而同时参与碳排放权和绿证交易,在碳减排、绿电占比和运行收益方面的作用最为明显,效果最好。配网实际运行过程中,可根据当地碳市场和绿证市场的具体建设情况,并结合运行目标需求选择参与交易的市场类型。

图5给出了场景4考虑碳交易和绿证交易机制下配电网的优化运行结果,可以看出系统的电负荷主要通过消纳新能源来满足,不足的部分通过从上级电网购电以及燃气轮机发电来提供,通过优化供电策略保证了系统的电功率供需平衡,同时实现了配电系统的低碳经济运行。

图5 系统电功率平衡优化结果Fig.5 The optimal operation results of power balance

3.3 碳交易价格和绿证价格灵敏度分析

为进一步分析碳交易价格对系统碳排放量的影响,在仅考虑碳排放交易机制的场景2的基础上,改变碳交易价格,得到了图6所示不同碳交易价格时系统的碳排放量。可以发现,随着碳交易价格的升高,系统的碳排放量逐渐降低。在碳交易价格递增的初始阶段碳交易价格对系统碳排放量的影响较大,当碳交易价格增大到一定程度,碳交易价格对系统碳排放量的影响变小。这是因为随着碳交易价格的升高,为降低运行成本,系统通过优化运行策略降低碳排放量,通过碳交易获得收益,从而降低运行成本。碳交易价格升高到一定程度后,受新能源容量限制等,碳减排效果逐渐降低。

图6 不同碳交易价格下系统碳排放量Fig.6 The carbon emission at different carbon trading prices

为进一步分析绿证交易价格对新能源消纳情况的影响,在仅考虑绿证交易机制的场景3的基础上,改变绿证交易价格,得到了图7所示不同绿证交易价格时系统的绿电的占比和弃风弃光率结果。可以看出,随着绿证价格的升高,绿电占比逐步升高,弃风弃光率逐步降低,直到新能源被完全消纳,绿电占比达到最大,弃风弃光率变为0。可见绿证交易机制可显著促进新能源消纳,通过设定合理的绿证交易价格可实现新能源的完全消纳。

图7 不同绿证交易价格下系统绿电占比Fig.7 The green power ration at different green certificate prices

4 结 论

针对配电网低碳经济运行及新能源高比例消纳问题,本文提出了考虑碳交易和绿证交易机制的配电网优化运行模型,仿真结果表明:

1)碳交易机制和绿证交易机制均有显著的碳减排作用,碳交易机制的减排作用大于绿证交易机制,而同时考虑碳交易机制和绿证交易机制的碳减排效果最明显。

2)碳交易机制和绿证交易机制均可以促进新能源的消纳,而绿证交易机制在促进新能源消纳方面的效果优于碳排放交易机制。

3)所提优化运行方法可以优化供电策略,保证系统的电功率供需平衡,实现配电系统的低碳经济运行。

4)随着碳交易价格的升高,系统的碳排放量逐渐降低;而随着绿证价格的升高,绿电占比逐步升高,弃风弃光率逐步降低,直到新能源被完全消纳,绿电占比达到最大,弃风弃光率变为零。

碳交易和绿证交易机制在降低碳排放和促进新能源消纳方面具有显著的效果,然而两种机制的耦合机理和相互作用机制复杂,如何协调二者机制的运行,实现优势互补,是今后需要重点关注的研究内容。