基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度.pdf
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1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.35 No.7Jul.2023基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度徐韵1,徐耀杰2,杨嘉禹1,张国梁1,孙宁1,张浩3(1.国网上海市电力公司培训中心,上海 200438;2.上海送变电工程有限公司,上海 200235;3.上海电力大学电气工程学院,上海 200090)摘要:为兼顾虚拟电厂运营过程中的经济性和低碳性,提出一种基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度模型。首先,将碳交易机制引入虚拟电厂中,构建划分碳排放区间的阶梯型碳交易计算模
2、型;然后,考虑电转气接入后的吸碳特性,提出电转气参与碳市场交易的激励机制,从而完善实际的碳排放模型;接着,综合考虑运行成本、能源成本及碳交易成本,建立适用于虚拟电厂的低碳经济调度模型;最后,通过设置多个调度场景进行分析,验证了本文所提出的碳交易机制在虚拟电厂低碳经济运行方面的有效性。关键词:虚拟电厂;碳交易;电转气;低碳经济调度;激励机制中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号:1003-8930(2023)07-0118-11DOI:10.19635/ki.csu-epsa.001113Low Carbon Economic Dispatching for Power-to-gas Vir
3、tual Power Plant Based onStepped Carbon TradingXU Yun1,XU Yaojie2,YANG Jiayu1,ZHANG Guoliang1,SUN Ning1,ZHANG Hao3(1.Training Center,State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company,Shanghai 200438,China;2.Shanghai Power Transmission&Transformation Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200235,China;3.Col
4、lege ofElectrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Abstract:To strike a balance between the economy and low carbon in the operation of a virtual power plant(VPP),alow carbon economic dispatching model for power-to-gas(P2G)VPP based on stepped carbon trading is
5、proposed.First,the carbon trading mechanism is introduced into the VPP,and a stepped carbon trading calculation model is constructed to divide the carbon emission intervals.Second,the carbon absorption characteristics of P2G are considered,and an incentive mechanism for P2G to participate in carbon
6、market trading is proposed to improve the actual carbonemission model.Third,the operating cost,the cost of purchased energy and the carbon trading cost are considered comprehensively,and a low-carbon economic dispatching model is establishedfor the VPP.Finally,by setting up severaldispatching scenar
7、ios,the analysis result verifies the effectiveness of the formulated carbon trading mechanism in termsof low carbon economic operation of VPP.Keywords:virtual power plant(VPP);carbon trading;power-to-gas(P2G);low carbon economic dispatching;incentive mechanism随着国家“双碳”战略目标的提出1,从“源-荷-储”多环节挖掘节能减排的潜力成为研
8、究重点。虚拟电厂VPP(virtual power plant)作为整合可再生能源、可控负荷及储能ES(energy storage)的新一代智能控制技术2,被认为是统筹协调区域能源供给和实现碳减排目标的重要载体。为此,通过碳交易和碳税等机制引导电力行业在节能减排中发挥主力作用,成为促进低碳可持续发展的重要支撑。合理科学的碳交易机制是保障VPP发挥运营效能的重要前提,在VPP低碳经济调度中引入碳交易机制成为必然需求。现有针对VPP的调度模型往往只注重其经济效益3-5,忽略VPP内部机组发电及外购电量过程中产生的附加环境成本,在一定程度上抑制了VPP碳减排潜力的挖掘。现有文献针对VPP的低碳运行
9、进行了研究,文献6讨论了VPP中碳捕集机组在降低碳排放方面的效果并结合风电 WT(wind turbine)-光伏PV(photovoltaic)-水电机组制定低碳调度策略;文献7进一步定义碳捕集机组的双碳量模型,从而有效平抑VPP内WT的不确定性;文献8收稿日期:2022-06-28;修回日期:2022-08-31网络出版时间:2022-10-08 10:32:04基金项目:国家电网有限公司科技项目(B30970210002)徐韵等:基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度徐韵等:基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度119第 35 卷考虑碳排放约束对VPP参与电力市场竞标的影响,结果
10、证明碳排放约束会使 VPP 竞标策略发生变化。在上述研究中所建立的碳排放模型较为粗糙,且未关注碳交易市场对调度策略的影响。目前,我国已在上海、山东和广东等地试行碳交易市场9,这一举措被认为是控制碳减排的有效手段。文献10提出引入碳交易机制的核-火-VPP三阶段联合调峰模型,降低系统运行成本与碳排放;文献11-13均把碳交易机制引入到VPP调度中,在进行碳交易成本计算时均采用统一型碳价。上述研究成果虽然在一定程度上兼顾了VPP调度过程中的低碳性与经济性,然而对碳交易市场的实际运行情况考虑过于简单,且对总排放量的控制较为宽松,无法对能源利用效率不同的生产单位进行显著区分,难以鼓励VPP运营商自主节
11、能减排。为解决上述问题,可借鉴大电网对居民用户制定的阶梯电价机制,提出根据碳排放量区间划分的阶梯型碳交易价格机制,在严格控制碳排放量的同时,兼顾生产单位的运行经济性。随着可再生能源占比逐渐提高,具有碳中和技术和消纳新能源发电的电转气P2G(power-to-gas)技术在电力系统调度中开始扮演重要角色。因此,在VPP中引入P2G设备,对于降低碳排放强度、落实“双碳”战略目标提供了可行路径。文献14提出P2G与碳捕集机组耦合的VPP低碳调度策略;文献15考虑光热电站与P2G的灵活调节能力,从而缓解VPP调峰压力;文献16基于P2G构建天然气生产和消费体系,实现多区域VPP能源互联与共享。上述研究
12、仅考虑了P2G设备在消纳可再生能源及碳减排方面的收益,尚未关注P2G碳捕集效应在碳交易市场的额外收益,从而忽视了该效应所带来的激励空间。当前碳交易机制允许WT、PV机组获得额外的碳排放收益,而作为具有碳减排效益的P2G设备理应同样具备相应激励作用。因此,有必要考虑P2G设备参与碳交易市场,利用其碳捕集效应来消纳弃风、弃光且降低碳排放成本,从而增强VPP对碳排放的中和效应。总之,在已有研究或工程实践中,对碳交易机制的设计往往仅考虑固定基准价格,忽略对P2G设备碳减排激励空间的挖掘,从而削弱了VPP调度过程对碳排放的中和效应。随着全国碳交易体系的启动,政府对VPP的碳约束将更为严格,使开展针对VP
13、P运营的碳交易机制设计尤显重要和迫切。综上,本文提出一种基于阶梯碳交易P2G 的VPP低碳运行策略。首先,构建含有WT、PV、燃气轮机GT(gas turbine)、ES及可控负荷的VPP运行架构,并在 P2G 设备中引入储气罐 GST(gas storagetank),进一步挖掘VPP内可调度单元互补调节潜力;然后,搭建适用于该VPP的阶梯碳交易模型,且考虑P2G参与碳交易的激励机制,完善现有实际碳排放模型;接着,建立以碳交易成本、外购电成本及机组运行成本之和最小的VPP低碳经济调度模型,并将问题转化为混合整数线性模型;最后,通过算例设置多个运行场景,验证所提策略的有效性。1含 P2G 设备
14、的 VPP 低碳经济调度结构VPP内部聚合多类型灵活性分布式资源,本文建立含P2G设备的VPP运行结构如图1所示。图1中包含了各种能源流的流向,其中的表示将WT、PV和GT发出的电能进行汇聚,从而为电力负荷供电。VPP 通过能量管理中心 EMC(energy management center)进行信息传递和能量管理,VPP将内部各机组参数、可再生能源机组出力和负荷预测数据等信息通过通信网络提交给EMC,EMC再结合电价和外部天气等信息制定合理的发、用电计划,从而协调整个系统运行。在EMC调度下,P2G和ES设备在分时电价的引导下进行“低储高发”,即在电价低谷时进行电能转换或存储,在电价高峰时
15、放出电能和天然气从而赚取差价。引入P2G设备后,VPP内GT机组发电产生的CO2直接参与“P2G”过程,且生成天然气可在GST内进行存储。GST中的天然气可对比外部气网的价格,选择将天然气出售或直接供给VPP内GT机组发电供能,在能量管理中心调度下进行最优决策。此外,为避免因为产生大量碳排放造成的高额碳交易成本,EMC可以选择在碳市场继续购买碳原料,从而维持P2G过程,合成低价的天然气,在维持内部GT机组运作的同时,进一步提升自身经图 1VPP 结构Fig.1Structure of VPP电力负荷碳市场ES天然气网GSTP2GCO2流信息流天然气流电力流EMCWTPV天然气电 力 系 统 及
16、 其 自 动 化 学 报120第 7 期济收益。因此,本文结合 GST 和 P2G 技术,构建VPP低碳经济调度运行模式。2P2G 的 VPP 碳交易机制模型碳交易作为当前低碳减排最有效的措施之一,其交易机制的核心是监管部门通过评估生产单位的用能情况,制定合法的碳排放权。运营商参与市场交易可对碳排放权进行买卖,对于VPP,其自身的碳排放量将成为可以交易的商品。该机制在一定程度上可以激励运营商积极使用新能源,尽量减少对GT的使用,以便在碳交易市场获得更多收益。2.1VPP 阶梯型碳交易成本计算监管部门首先会对每个碳排放源分配一定的免费碳排放额,并保证其总额逐年降低,各VPP根据分配到的额度有计划
17、地制定和调整调度和竞标计划。因此在各VPP参与碳交易市场过程中存在两种情况,一种情况是VPP在实际调度过程中产生的碳排放量高于监管部门分配的无偿额度,则需要运营商依据碳交易价格在市场购买超额部分的配额;另一种情况是VPP实际的碳排放量低于给定的免费额度,生产商可将该部分剩余配额在碳交易市场出售,根据当前的碳交易价格获得相应收益。本文所提的阶梯型碳交易主要包括初始碳排放权配额、运营商实际碳排放和碳交易成本。2.1.1初始碳排放权配额模型一般VPP从外部网络购得的电能来自于火电机组,使VPP运行过程中存在两大碳排放源,即GT和外部网络购电。目前,我国碳交易政策主要根据生产商实际发电量确定无偿配额1
18、7,因此监管部门对VPP运营商制定的碳排放权由两大碳排放源决定,其表达式为EF=t=1T()Pb,tt+Pgt,tt(1)式中:EF为监管部门为VPP运营商制定的无偿碳排放配额;为生产单位电功率的碳排放权配额;Pb,t、Pgt,t分别为在t时刻的外购电量及GT出力值;T为整个调度周期,本文取24 h。2.1.2运营商实际碳排放模型参考文献18中的电力网络碳排放计算方法,VPP在调度过程中产生的实际碳排放量可表示为EA=t=1T()a1+b1Pb,t+c1P2b,t+t=1T()a2+b2Pgt,t+c2P2gt,t(2)式中:EA为VPP内机组实际产生的碳排放量;a1、b1和c1为火电机组的实
19、际碳排放系数;a2、b2和c2为GT的实际碳排放系数。2.1.3阶梯型碳交易成本模型相较于传统碳交易模型中的统一定价机制,为达到进一步控制碳减排的目标,本文采用阶梯型碳交易定价模型。在该机制下,以各VPP运营商分配到的无偿碳排放配额为基准,将碳排放量划分为多个区间,对于碳排放量越高的区间,制定的单位碳排放价也越高,所需碳补偿成本将越高。具体计算公式可表示为CS=()EA-EF,EAEF+ll+(1+)()EA-EF-l,EF+lEAEF+2l(2+)l+(1+2)()EA-EF-2l,EF+2lEAEF+3l(3+3)l+(1+3)()EA-EF-3l,EF+3lEAEF+4l(4+6)l+(
20、1+4)()EA-EF-4l,EAEF+4l(3)式中:CS为VPP运营商需要支付的碳交易费用;为碳排放市场基准价格;l为每个碳排放量的区间长度;为阶梯碳交易价格增长率,碳排放量每上升一个区间,碳交易价格就会增长。当EAEF时,表示VPP运营商实际碳排放量低于免费碳排放额,可对超出碳排放量的部门,按照碳市场基准价格进行出售获利。2.2考虑 P2G 的碳排放成本模型在 VPP 实际运行过程中,内部的 P2G 机组在P2G过程中可以吸收一部分的CO2,该过程中的吸碳量也可在碳交易市场出售。然而,现有文献中往往忽略了这一部分对成本的影响,因此本文对现有模型进行一定的完善,提出P2G参与碳交易市场的激
21、励机制,这部分的收益可表示为CP=t=1T()rn,p2g+re,p2gPp2g,t(4)式中:Cp为VPP运营商出售碳排放权收益;rn,p2g为P2G单元消耗单位电量所需的CO2质量;re,p2g为监管机构对P2G单元分配的碳排放配额,由于P2G不属于碳排放机组,因而该值为0;Pp2g,t为P2G单元在t时刻消耗的电量。在考虑P2G的激励机制后,VPP运营商完整的碳交易成本Ctotal可表示为Ctotal=CS-CP(5)徐韵等:基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度121第 35 卷3P2G 的 VPP 低碳经济调度模型3.1目标函数本文对含P2G的VPP提出的调度模型,综合考虑经济性
22、与低碳性目标。其目标函数中包含了VPP运营商外购电成本,内部各机组运行成本、碳交易总成本、需求响应DR(demand response)补偿成本、新能源机组出力成本及P2G设备的CO2原料购买成本,即F=mint=1T(Pb,tgb,t+Cgt,t+Cp2g,t+CES,t+)CGST,t+CDR,t+CDG,t+Ctotal(6)式中:gb,t为VPP在t时刻的外购电价格;Cgt,t为 GT在t时刻的发电成本,包含机组燃料成本和启停成本两部分;Cp2g,t、CES,t、CGST,t和CDR,t分别为P2G设备、ES、GST、可控负荷在t时刻的运行成本;CDG,t为风、光发电成本。1)GT机组
23、运行成本Cgt,t=agt()Pgt,t2+bgtPgt,t+cgt+utCugt+dtCdgt(7)式中:agt、bgt和cgt为GT机组的成本系数;ut、dt为 0-1 变量,分别表示 GT 在 t 时段的启、停状态;Cugt、Cdgt分别为GT机组的启动和停止成本。2)P2G设备运营成本考虑到P2G设备所用电量来自于内部新能源机组弃风、弃光电量及外部购电,在目标函数中已经涉及该部分费用,因而P2G设备的主要费用为CO2原料成本,即Cp2g,t=rn,p2ggCO2Pp2g,t(8)式中,gCO2为购买CO2原料的成本价格。3)ES运行维护成本CES,t=ES()Pchat+Pdist(9
24、)式中:ES为ES运行维护单价;Pchat、Pdist分别为VPP中的ES在t时段的充、放电功率。4)GST运行维护成本CGST,t=GST()Qp2gGST,t+QGSTgt,t+QGSTSD,t(10)式中:GST为GST运行维护成本的单价;Qp2gGST,t为t时刻P2G过程输进GST的天然气量;QGSTgt,t、QGSTSD,t分别为t时刻GST供给GT的天然气量和出售给天然气网的气量。5)DR成本DR 成本表示为当 VPP 调整一部分可控负荷时,需支付一定的补偿费用,可控负荷分为上调负荷与下调负荷两种,具体表达式为CDR,t=ILCPILCtCt+ILSPILStSt(11)式中:I
25、LC、ILS分别为可控负荷在t时段下调和上调补偿费用;PILCt、PILSt分别为VPP在t时段下调负荷和上调负荷量;Ct、St分别为下调负荷和上调负荷的调用状态,其值为0表示在t时段不调用,其值为1表示在t时段被调用。6)新能源机组运行成本CDG,t=WTPWTt+PVPPVt(12)式中:WT、PV分别为WT和PV单位功率成本;PWTt、PPVt分别为 VPP 在 t 时刻使用的 WT 功率和PV功率。3.2约束条件1)VPP内部功率平衡约束PWT,t+PPV,t+Pb,t+Pgt,t+Pdist+PILt=Pp2g,t+Pchat+Ploadt(13)式中:PWT,t、PPV,t分别为V
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