1、2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220595 考虑碳排权供求关系的多区域综合能源系统联合优化运行 刘英培 黄寅峰（华北电力大学电气与电子工程学院 保定 071003）摘要 随着全国碳排放权交易市场的开放，研究碳交易对于多区域综合能源系统的低碳经济运行具有重要意义。首先，针对目前碳交易成本计算既没有计及碳排权购买量约束，也没有考虑区域综合能源系统之间碳排权供求互
2、动的问题，提出一种考虑碳排权供求关系的碳交易成本联合计算方法；然后，计及区域综合能源系统之间的功率交互，建立了基于纳什谈判的多区域综合能源系统合作博弈模型；接着，将合作博弈问题分解成两个子问题分步求解，并采用控制变量法分析了碳交易成本联合计算与区域综合能源系统之间功率交互对系统的影响；最后，通过三区域综合能源系统仿真算例进行多场景对比分析，结果表明所提模型在显著降低经济成本的同时能够避免碳排放超标。关键词：碳排权供求关系 纳什谈判 多区域综合能源系统 功率交互 合作博弈 中图分类号：TM73 0 引言 2021 年 7 月 16 日全国碳排放权交易市场的正式开启加快了我国经济发展绿色低碳转型的
3、步伐，碳交易机制逐步成为了研究热点1。作为实施节能减排的重要载体，区域综合能源系统（Regional Integrated Energy System,RIES）结合碳交易能够良好地兼顾系统的经济性与低碳性2-3。目前，RIES 结合碳交易的方式是将碳交易成本纳入到 RIES 的经济成本当中。碳交易成本通常由碳价和碳交易量决定。已有的碳交易成本计算模型通常分为统一型与阶梯型两类。统一型碳交易成本计算模型中碳价与碳交易量无关4-6，计算过程相对简单；阶梯型碳交易成本计算模型中不同的碳交易量区间对应不同的碳价水平7，计算过程相对复杂，但由于阶梯型碳交易成本计算模型的减排效果更好，反而得到了更为广泛
4、的应用8-9。文献10借助阶梯型碳交易机制引导综合能源系统控制碳排放，验证了阶梯型碳交易比统一型碳交易具备更强的减排约束力。文献11将奖惩阶梯型碳交易成本计算模型应用于综合能源系统不确定性规划问题中，使得综合能源系统的优化规划更偏向碳排放水平较低的机组设备。文献12结合阶梯型碳交易机制与需求响应，提出一种综合能源系统优化运行策略，大大提高了系统的低碳性与经济性。上述文献都反映了阶梯型碳交易在减排方面的优越性。但是，阶梯型碳交易也存在不足。在碳交易市场中，碳排权的可交易数量存在上限，该上限约束了市场需求方的碳排权购买量。而阶梯型碳交易成本计算模型忽略了该上限，默认市场中的碳排权总是供过于求，没有
5、考虑碳排权供不应求时该如何计算碳交易成本。为了获得良好的减排效果，阶梯型碳交易还需合理设置基准碳价、碳价增量及碳交易量区间长度等参数。而如果研究对象为多个RIES，不同 RIES 所需合理设置的参数值往往不同。对监管部门而言，分别为每个系统合理地设置参数太过麻烦，而设置一组统一的参数值又不能保证每个系统都能良好地减排。因此，阶梯型碳交易不太适用于同时研究多个 RIES。此外，由于多区域综合能源系统具备多主体互动机制与多区域互联形态13，因此，研究多区域综合能源系统联合优化问题对于能源互联具有重要意义14-15。而多区域综合能源系统中各子系统之间又存在供求利益互动关系，所以联合优化问题大都 国家
6、自然科学基金资助项目（51607069）。收稿日期 2022-04-18 改稿日期 2022-06-25 3460 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 转换为多主体优化问题后采用博弈论方法16解决。文献17建立了以综合能源商为领导者、用户为跟随者的基于主从博弈的分布式协同优化模型，并通过仿真计算验证了该模型的可行性。文献18提出一种考虑综合需求响应的多微网主从博弈模型，该模型实现了冷、热负荷的削峰填谷，改善了多微电网系统的运行经济性。文献17-18虽然基于主从博弈方法得到了不同主体之间的纳什均衡解，但忽略了不同主体之间潜在合作带来的利益提升。文献19基于纳什谈判建立了多利益主体的多微
7、电网综合能源系统合作博弈模型，通过对比合作博弈与主从博弈的优化结果，发现合作博弈在表述供求互动关系时能够改善帕累托最优。文献20采用纳什谈判理论研究风-光-氢多主体能源系统的合作运行问题，并通过仿真验证了纳什谈判理论不仅能提高合作联盟的整体效益，还能降低各主体的运行成本。文献21采用纳什谈判的方法描述多微电网间的电能交易互动，在保证个体良好经济性的同时提高了多微电网系统的整体社会效益。以上文献都体现了纳什谈判方法在经济方面的优越性，但大多数文献都只注重研究能源交易。随着碳交易市场的不断发展，多区域综合能源系统内不仅存在能源供求互动，还会存在碳排权供求互动，而这一方面目前少有文献研究。综上所述，
8、本文首先考虑多区域综合能源系统中 RIES 之间的碳排权供求互动，并计及碳排权购买量约束，提出一种考虑碳排权供求关系的碳交易成本联合计算模型；然后，考虑 RIES 之间的热电功率交互，基于纳什谈判建立多区域综合能源系统合作博弈模型，将其分解成两个子问题后分步求解；最后，通过比较多场景下三区域综合能源系统仿真算例的优化结果，验证了所提模型能够有效提高系统的经济性和低碳性。1 多区域综合能源系统模型 本文基于能源集线器模型（Energy Hub,EH）构建的多区域综合能源系统结构如图 1 所示。各 RIES的能量来源于传统能源发电、新能源发电和天然气传输网络；耦合设备包括电转气设备（Power t
9、o Gas,P2G）、电锅炉（Electric Boiler,EB）、热电联产机组（Combined Heat and Power,CHP）、燃气锅炉（Gas Boiler,GB）；负荷包括电负荷、热负荷和气负荷；各 RIES 还配置储电装置（Electric Storage Device,ESD）、储热装置（Thermal Storage Device,TSD）、储气装置（Gas Storage Device,GSD）；RIES 之间存在热电功率交互，且都是碳市场参与者。图 1 多区域综合能源系统结构 Fig.1 Structure of a multi-region integrated
10、energy system 1.1 传统能源发电 本文中传统能源发电指燃煤机组发电或者碳捕 集机组发电，碳捕集机组可以由燃煤机组加装碳捕集系统改造而成。发电机组的通用模型为 第 38 卷第 13 期 刘英培等 考虑碳排权供求关系的多区域综合能源系统联合优化运行 3461 netrunfixG,G,GG,G,run24G,netGGG,1rG,G,minG,G,G,maxG,minG,G,1G,maxrunG,GrmaxGG,()0k tk tkk tk tk tkkk ttk tkk tk tkkk tk tkk tkkk tPPUPPPDPuPPuPaPPaPUP=+=（1）式中，k 为发电
11、机编号；t 为时段；G,k tP为燃煤机组功率；netG,k tP为碳捕集机组功率；runG,k tP和fixG,k tP分别为碳捕集机组的捕碳能耗功率和固定能耗功率；GkU为决定机组类型的 0-1 变量（0 表示燃煤机组，1 表示碳捕集机组）；netGkD为发电机k的碳排放量；Gk为碳排放系数；r为碳捕集机组的捕碳功耗系数，取0.269 MWh/t；G,k tu为 0-1 启停变量；G,minkP和G,maxkP分别为燃煤机组的功率下上限；G,minka和G,maxka分别为燃煤机组的爬坡下上限；max为碳捕集机组的最大捕碳效率。1.2 新能源发电 新能源发电包括风力发电和光伏发电，有 pr
12、ew,w,prepv,pv,00ttttPPPP（2）式中，w,tP和pv,tP分别为风电和光伏发电的输出功率；prew,tP和prepv,tP分别为风电和光伏发电的出力预测。1.3 天然气传输 天然气来源于天然气管道传输，模型为 g,ming,g,maxtPPP（3）式中，g,tP为购气功率；g,maxP和g,minP分别为天然气管道传输功率上、下限。1.4 储能装置 储能装置包括储电、储热和储气装置，能够提高系统运行的灵活性，模型为22 LCC,D,D(1)/ESD,TSD,GSDXXXXXXXtttttQQPtPtX=+（4）式中，XtQ为t时刻储能装置的存储量；LX、CX和DX分别为储
13、能装置的泄漏率、充能效率和放能效率；C,XtP和D,XtP分别为储能设备的充、放功率。1.5 耦合设备 耦合设备包括 P2G、EB、CHP 和 GB，使得电功率、热功率和气功率之间可以相互转换。为了方便计算，气功率和热功率的单位都已转换为 MW，模型为4 ()gP2G,P2GP2G,24P2GP2GP2G,1hEB,EBEB,eeCHP,CHPCHP,hhCHP,CHPCHP,24ehCHPCHPCHP,CHP,1hGB,GBGB,24hGBGBGB,1tttttttttttttttttPPDPPPPPPPDK PPPPDKP=+=（5）式中，P2G,tP和gP2G,tP分别为 P2G 的输入
14、功率和输出功率；P2G为 P2G 电转气效率；P2GD和P2G分别为P2G 的碳转换量和转换系数；EB,tP和hEB,tP分别为 EB的输入功率和输出功率；EB为 EB 电转热效率；CHP,tP为 CHP 的输入功率；eCHP,tP和hCHP,tP分别为 CHP输出的电功率和热功率；eCHP和hCHP分别为 CHP 的气转电效率和气转热效率；CHPD和CHP分别为 CHP的碳排放和排放系数；K为发电量转换成供热量的折算系数，取 6 MJ/(kWh)4；GB,tP和hGB,tP分别为 GB的输入和输出功率；GB为 GB 气转热效率；GBD和GB分别为 GB 的碳排放量和排放系数。2 考虑碳排权供
15、求关系的碳交易成本联合计算模型 2.1 碳排放与碳配额计算 碳交易是一种间接促进减排的市场机制。碳交易机制下，RIES 降低碳排放能够减少碳排权购买量或增大碳排权出售量以提高自身经济性。本文中，RIES 的碳排放来源于发电机、CHP 和 GB，其中一部分碳排放可以被 P2G 转换。因此，RIES 的碳排放计算公式为 GnetGP2GCHPGBkkDDDDD=+（6）式中，D为 RIES 的碳排放量；G为 RIES 中发电机的集合。国内电力行业一般采用无偿的方式分配初始碳排放额，这里采用基准线法4计算 RIES 的碳配额，即 eehhEWW=+（7）式中，E为 RIES 的碳配额；eW为 RIE
16、S 一天的发电 3462 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 量；hW为 RIES 一天的供热量；e为单位发电量的碳配额系数，取 0.728 t/(MWh)11；h为单位供热量的碳配额系数，取 0.102 t/GJ11。2.2 碳排权供求关系对碳交易的影响 最基本的统一型碳交易成本计算模型为 carcar()yCDE=（8）式中，cary为碳交易成本；carC为碳价。阶梯型碳交易成本计算是基于式（8）通过设置阶梯碳价改进而来。它们都是基于市场中碳排权供过于求进行的，没有考虑碳排权供不应求时如何计算，忽略了碳排权购买量的约束。一旦碳排权供不应求，RIES 会因购买不到足额的碳排权而无法达成排放要求，进而面临碳排放超标。此时 RIES 要么以高于碳价的处罚价格缴纳高额罚款；要么适当调整调度计划降低碳排放以减少碳排权购买需求，进而减少碳排放超标量或避免碳排放超标。因此，引入碳排权购买量和碳排权购买上限，改进式（8）得到区域综合能源系统 EHi的碳交易成本计算模型为 car,carcarv,v,b,b,c,()(1)max,00iiiiiiiiiiyCDEC DDDEDDD=+=（9
