计及消纳责任权重的区域综合能源系统运行优化研究

　　摘要：在“2030碳达峰、2060碳中和”双碳目标的政策背景下，社会进一步推动可再生能源电力消纳责任权重的实行。作为可以有效支撑清洁低碳能源体系的区域综合系统，需要在考虑可再生能源电力消纳责任权重情况下保证系统经济低碳运行。结合绿色证书交易机制，提出了一种计及可再生能源电力消纳责任权重的区域综合能源系统运行优化模型。以系统总收益最大化为目标，综合考虑可再生能源消纳责任权重、绿色证书交易、碳排放等因素，构建了包含电、热、冷负荷的区域综合能源系统运行优化模型。通过设置不同场景进行算例分析，结果表明考虑了可再生能源电力消纳责任权重和绿证交易的区域综合能源系统优化模型可有效提高系统总收益且兼顾了环境效益，为系统的经济低碳运行提供了有效借鉴。

　　关键词：区域综合能源系统;可再生能源电力;消纳责任权重;绿色证书;碳排放

　　0引言

　　碳达峰、碳中和背景下，构建清洁低碳、安全高效、去中心化的能源体系成为我国未来能源体系建设的发展方向[1-2]。一方面，高比例可再生能源发展成为实现低碳目标的必然选择，而可再生能源电力消纳保障机制和绿色证书交易机制则成为助力该目标实现的关键途径[3]。

　　另一方面，清洁能源发展需从综合能源系统全局角度进行统筹规划，通过多能互补、源网荷储协调支撑清洁能源消纳[4-5]。因此，研究建立综合考虑可再生能源电力消纳责任权重、绿色证书交易机制和碳排放等因素的区域综合能源系统运行优化模型对服务“双碳”目标具有重要意义。针对区域综合能源系统(RegionalIntegratedEnergySystem，RIES)运行优化，国内外学者通过建立不同优化模型对RIES开展能源调度策略研究，并分析不同设备的出力运行状况。

　　文献[6]以调度周期内运行成本最小为目标，构建了电动汽车与地源热泵协同作用促进风电消纳的RIES经济调度模型。文献[7]考虑风电出力的不确定性，以综合运行成本最少、碳排放量最小、能效利用率最高为优化目标建立了计及电气热综合需求响应的RIES优化调度模型，在保证系统环保经济运行的同时能够提高系统能源利用效率。文献[8]以电、氢为能源载体，提出了考虑氢在可再生能源利用率和季节互补方面作用的双层混合整数规划模型，该模型通过合理利用风光、地热能等资源能够实现设备配置优化和降低氢供应价格的双重目标。

　　文献[9]针对风光等大规模可再生能源并网后电力系统调峰能力不足的问题，提出了一种考虑火电机组调峰主动性约束的风光水火储多能系统互补协调优化调度策略，该策略能有效提升系统可再生能源的消纳能力和系统运行的经济性。上述文献在RIES的运行经济性、可靠性、环保性以及可再生能源消纳等方面展开了详细研究，但考虑可再生能源消纳责任权重制度约束的RIES运行优化研究还相对较少。对于可再生能源电力消纳责任权重和绿色证书(GreenCertificates，GC)交易机制的研究，文献[10]建立了考虑非水可再生能源随机性的配额制绿证中长期二次交易模型，并通过算例展示了在配额制下非水可再生能源的流动方向。

　　文献[11]在分析我国GC市场与电力市场联动特性和我国GC市场反身性特征的基础上，构建了适应我国国情的GC价格机制模型，并提出了推动构建多层级协调运作的GC市场交易的政策建议。文献[12]引入“省间可再生能源交易商”的概念，代理省内消纳责任主体参与省间可再生能源市场向省外绿电商购电，建立省间可再生能源市场和省内电力市场的两级电力市场运营模式，并建立了基于配额制的两级电力市场优化运行模型，对于完成省内消纳责任和市场运行发挥了重要作用。

　　上述文献多在交易模型、价格机制、政策建议、两级市场优化运行模型等方面对可再生能源电力消纳责任权重和绿色证书交易机制展开研究，但关于其对RIES运行优化结果影响的研究还十分欠缺。针对RIES的低碳运行研究，文献[13]计及碳交易机制和天然气动态管存，同时考虑气潮流仿真的实时修正，建立了考虑风电和负荷不确定性的低碳电-气联合系统快速动态鲁棒优化调度模型，该模型在改善系统运行经济性、低碳效益、鲁棒性以及风电消纳能力等方面具有明显优势。

　　文献[14]以减少弃风和二氧化碳排放量为优化目标，提出了一种考虑引入碳捕集系统和需求响应机制的风电发电系统随机日前调度优化模型，该模型验证了碳捕集系统在限制系统总体碳排放和减轻风力发电不确定性方面的有效性。文献[15]增加对碳配额交易量约束的考虑，建立了RIES的双阶段鲁棒优化模型，并分析了碳配额交易量、碳交易价格以及风荷不确定因素对调度结果的影响。上述文献研究了碳交易机制、碳捕集技术对RIES的调度结果和低碳效益的影响，但鲜有综合考虑碳排放成本和可再生能源电力消纳责任权重的RIES优化调度的相关研究。

　　综上，现有研究中鲜有综合考虑可再生能源电力消纳责任权重、绿色证书交易以及碳排放成本等因素对RIES优化运行影响。鉴于此，本文构建了计及可再生能源电力消纳责任权重约束的区域综合能源系统运行优化模型，综合考虑可再生能源消纳责任权重约束、绿色证书交易、碳排放等因素对系统运行的影响。通过构建不同场景进行算例分析，结果表明考虑可再生能源电力消纳责任权重约束和绿色证书交易的优化模型能显著提高系统总收益，且可再生能源电力消纳责任权重约束相较于绿证价格对系统总收益具有更大的影响程度，验证了模型的有效性。

　　1区域综合能源系统设备元件模型

　　在RIES中，能源集线器(EnergyHub，EH)能够实现电、热、冷、气等多种能源的输入、供应、转化及存储，以满足不同能源需求[16]。其由供电系统、供热系统和供冷系统3部分构成，可满足电、热、冷3种负荷需求。其中，RIES通过外部电网、可再生能源以及燃气轮机发电为用户提供电负荷;通过燃气锅炉、余热锅炉满足热负荷需求;通过吸收式制冷机和电制冷机提供冷负荷。同时，储能装置(储电装置、储热装置)实现了能源的充放过程。基于EH，可以便捷分析RIES结构以及各设备之间的能量流动情况。

　　2计及消纳责任权重的区域综合能源系统运行优化模型

　　2.1目标函数

　　计及可再生能源电力消纳责任权重的RIES运行优化模型以系统总收益最小为目标函数，包含系统运维成本、燃料成本、购售电收益/成本、碳排放成本和绿证交易收益/成本五部分构成。

　　3算例分析

　　3.1基础数据

　　本文选取某一园区综合能源系统为例，取时间步长为1h，调度周期为24h，在MATLAB环境下调用CPLEX求解器求解。该综合能源系统主要包括电、热、冷负荷需求。基于绿色证书认购交易平台的历史交易数据，考虑风电绿证的购售，取绿证价格为0.1286元/kWh(即128.6元/个)。此外，依据国家发改委、国家能源局联合印发的《关于各省级行政区域2020年可再生能源电力消纳责任权重的通知》，取可再生能源电力的最低消纳责任权重和激励型消纳责任权重分别为12.5%和13.8%。

　　3.2优化结果分析

　　为了验证分析消纳责任权重和绿证政策、碳排放成本对区域综合能源系统的影响，将消纳责任权重和绿证政策和碳排放成本作为场景设置变量，重点分析考虑消纳责任权重和绿证政策下的系统运行经济环境效益及政策影响，故设置以下3个典型场景。场景1：未考虑消纳责任权重和绿证、碳排放成本;场景2：仅考虑碳排放成本;场景3：同时考虑消纳责任权重和绿证、碳排放成本。

　　3.2.1不同场景下优化调度结果对比

　　(1)场景1

　　场景1是未考虑消纳责任权重和绿证、碳排放成本的基础场景，该场景中的电、热、冷系统的优化调度结果。系统内大部分电负荷需求可以靠风机、光伏发电来满足。由于风电出力在夜间处于较高水平，而此时电负荷需求较低，系统可将多余电量倒送至电网，或者通过余热锅炉和电制冷机消纳部分剩余电力以满足热负荷和冷负荷需求。在12:00-16:00时段，光伏发电出力增多，且电负荷处于平时段，负荷需求可完全由风光、燃气轮机出力满足。在8:00-11:00和16:00-20:00时段，电负荷需求高峰时段，光伏出力减小，风光出力不足以满足电负荷需求，电力缺口需依靠燃气轮机出力增加甚至向外网购电来满足。

　　在1:00-6:00和18:00-24:00，热负荷处于高峰时段，系统由燃气锅炉和余热锅炉协同供热，还可依靠储热装置放热弥补供热不足以降低系统运维成本。热负荷需求在7:00-17:00时段处于较低水平，由于燃气轮机和余热锅炉的耦合作用，该时段以余热锅炉供热为主，实现了能源间的互补、提高系统能效;此外，系统剩余产热可为吸收式制冷机提供热动力以满足系统冷负荷需求，在供热过剩时储热装置可充热以维持热功率平衡。在未考虑消纳责任权重、绿证和碳排放成本时，高峰时段的冷负荷需求以电制冷机出力为主，吸收式制冷机出力为辅，能够在降低运维成本的同时提高系统能效。

　　3.3敏感性分析

　　为进一步探讨不同因素对区域综合能源系统运行的影响，本节针对可再生能源消纳责任权重、绿色证书交易价格等因素开展敏感性分析。以55%的可再生能源消纳责任权重约束，绿色证书交易价格0.1286元/kWh，单位碳排放成本0.023元/kg为原始场景。

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　　4结论

　　文章建立了考虑可再生能源消纳责任权重的区域综合能源系统运行优化模型。具体结论如下：

　　(1)建立了计及可再生能源消纳责任权重约束的区域综合能源系统运行优化模型，综合考虑了绿色证书交易、碳排放等因素。该优化模型在可再生能源消纳责任权重约束下能够满足电热冷等多种负荷需求，同时增加系统总收益。

　　(2)与未考虑可再生能源消纳责任权重约束的场景对比，考虑可再生能源消纳责任权重约束的场景可通过改变系统各机组出力比例、出售绿色证书等途径明显提高系统总收益。

　　(3)通过对可再生能源消纳责任权重约束、绿色证书交易价格等因素开展敏感性分析，可以得出消纳责任权重约束与系统总收益呈负相关，且其影响程度明显大于绿色证书交易价格对系统总收益的影响。近年来，我国可再生能源实现了规模化发展，在国家碳达峰、碳中和以及构建新型电力系统等目标导向下，进一步提高风光等可再生能源发电的消纳比例已成为我国能源系统清洁低碳转型的关键举措。在综合能源系统规划和运行调度时，引入对可再生能源消纳责任权重、绿色证书交易以及碳排放等多因素的考虑，对于提升能源系统运行的经济性和清洁化水平提供了有效的借鉴和参考。

　　参考文献：

　　[1]谭显东,刘俊,徐志成,等.“双碳”目标下“十四五”电力供需形势[J/OL].中国电力,1-5[2021-04-21].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3265.TM.20210408.1657.006.html.TANXiandong,LIUJun,XUZhicheng,etal.Powersupplyanddemandbalanceduringthe14thFive-YearPlanPeriodundertheGoalofPeakingCarbonDioxide EmissionsandAchievingCarbonNeutrality[J/OL].ElectricPower,1-5[2021-04-21].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3265.TM.20210408.1657.006.html.(inChinese).

　　[2]刘晓龙,崔磊磊,李彬,等.碳中和目标下中国能源高质量发展路径研究[J/OL].北京理工大学学报(社会科学版),1-10[2021-04-21].https://doi.org/10.15918/j.jbitss1009-3370.2021.7522.LIUXiaolong,CUILeilei,LIBin,etal.Researchonthehigh-qualitydevelopmentpathofChina'senergyindustryundertheTargetofCarbonNeutralization[J/OL].JournalofBeijingInstituteofTechnology(SocialSciencesEdition),1-10[2021-04-21].https://doi.org/10.15918/j.jbitss1009-3370.2021.7522.(inChinese).

　　[3]姜曼,司马琪,鲍玉昆,等.考虑可再生能源消纳责任权重的年度合同电量月度分解方法[J/OL].电力系统自动化,1-20[2021-04-21].

　　作者：曹雨微，郭晓鹏，董厚琦，王俐英，曾鸣