双碳”目标下基于合作博弈的“源-荷”低碳经济调度

摘要：面对当前电力系统低碳性与经济性难以同时兼顾的问题，考虑“源-荷”双方协调合作，将“荷”侧可供调度的灵活响应资源引入到系统中共同参与低碳经济调度。文章构建“源-荷”合作低碳经济系统并阐述其交互机理；以合作联盟总成本最小为目标，建立基于合作博弈理论的“源-荷”合作低碳经济调度模型，并且采用Shapley值法对合作收益进行分配；通过算例，对比源荷合作与不合作两种情况下，以及“荷”侧不同可转移负荷比例下系统总运行成本及碳排放量，验证了“源-荷”合作对兼顾系统低碳性与经济性的可行性及有效性。结果表明，“源-荷”双方协调合作对提升系统低碳经济性有积极作用。关键词：“双碳”目标；低碳经济调度；“源-荷”合作；储碳装置；可转移负荷

为减少CO2排放，响应全球节能减排号召，我国在“十四五”规划中明确2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的“双碳”目标[1]。电力工业作为能源结构低碳化转型的排头兵，是我国“双碳”路上的重点攻坚对象。而促使电力工业低碳化转型的技术关键点主要在两个方面：一是大力发展新能源，提高可再生能源渗透率；二是碳捕集、电转气等多种低碳技术手段的联合使用[2-3]。为此，我国提出构建以新能源为主体的新型电力系统，到2030年，新能源占化石能源消费比重达25%左右[4]。未来，我国燃煤机组发电比例将降低，而可再生能源发电比例将不断提高，以风电、光伏为代表的可再生能源消纳将面临严峻挑战[5]。电转气(Power to Gas, P2G)技术借由其灵活的响应及调节特性，为新能源消纳提供了重要解决途径[6-7]。而碳捕集设备可将传统机组烟气排放中的CO2进行捕集与封存，在降低系统碳排放量的同时，为电转气提供甲烷化反应所需的CO2原料，文献[8]建立了P2G与碳捕集电厂的协调优化模型，在提高风电消纳率的同时，减少了系统碳排放水平，并降低了P2G运行成本；文献[9]同时将运行成本及碳排放量作为优化目标，研究了碳捕集下系统经济性与低碳性所存在的矛盾；文献[10]对储液式碳捕集电厂进行了研究，通过与不含储液罐的碳捕集电厂对比，得出了储液式碳捕集电厂可进一步降低系统成本及碳排放量的结论。上述文献主要考虑“源”侧单一方机组的合理调度，从而实现系统的低碳经济调度，随着需求响应的提出，及“荷”侧分布式装置装机容量的提高，“源-荷”协同的低碳经济调度逐渐受到了众多学者的关注。针对“源-荷”协同的低碳经济调度研究，文献[11-12]通过在“源”侧加入电锅实现热电联供(Combined Heat and Power , CHP)机组“热电解耦”，并同时调度“荷”侧的柔性负荷，同时兼顾了系统的经济性与低碳性；文献[13]将电价型需求响应引入含碳捕集技术的综合能源系统中，研究了电价型需求响应对系统低碳经济性的影响；文献[14]建立了基于分时能源价格的综合需求响应机制，研究对比了纵向、横向等不同需求响应类型对系统低碳经济性的影响。由此可见，面向“荷”侧的协调优化同样会对系统的低碳经济运行起到积极作用。在上述背景下，文中提出“源-荷”合作的低碳经济系统结构，协调“荷”侧的分布式装置及可调节柔性负荷共同参与到系统的低碳经济调度中，建立“源-荷”合作的低碳经济调度模型；并通过Shapley值法对“源-荷”合作的收益进行分配；最后，通过算例验证所提模型的有效性。1 “源-荷”合作低碳经济系统结构及交互本文构建的“源-荷”合作低碳经济系统结构如图1所示。其中综合能源服务商(Integrated Energy Service Provider, IESP)代表“源”侧，其能源供应设备主要包括火电、风电、CHP机组；低碳技术设备主要包括碳捕集、储碳、P2G设备。而负荷聚合商代表“荷”侧，其负荷主要考虑刚性电负荷、可转移柔性电负荷、刚性热负荷；分布式装置主要考虑光伏发电装置及电储能装置。

在夜晚，火电与风电机组联合出力负责满足用户的夜间用电需求，而CHP机组工作于“以热定电”模式，在满足用户热负荷需求的同时，提供一定发电量。由于夜晚风电高发且负荷较低，外加受限于CHP机组强迫电出力及火电机组下调峰能力的影响，系统将存在一定的弃风量。为了系统运行的低碳经济性，IESP将根据当前系统运行状况，向负荷聚合商发布调度指令，调节其可转移柔性电负荷及电储能充电功率，增加夜间负荷用电量；同时合理安排自身碳捕集、P2G的能量分配，以及储碳装置的充碳量，在最小化系统运行成本的同时，增加风电上网功率，减少系统净碳排放量。在白天，用户电负荷较高，而风电出力较低，系统将不存在弃风光功率。此时IESP将根据当前系统运行状况，向负荷聚合商发布调度指令，调节其可转移柔性电负荷及电储能放电功率，削减日间负荷用电量，从而降低火电机组出力，减少系统净碳排放量。2 “源-荷”合作的低碳经济调度模型2.1 目标函数“源-荷”合作的低碳经济调度是以最小化合作联盟总成本为目标的，主要由IESP的运营成本和负荷聚合商的用能成本构成，其中，IESP的运营成本主要由外网购电成本、购气成本、机组运行成本、碳排放成本及弃风成本组成；而负荷聚合商的用能成本主要由购电成本、购热成本及弃光成本组成。所以，“源-荷”低碳经济调度的总目标函数可表示为：

5 结束语文中为同时兼顾系统低碳性及经济性，考虑“荷”侧为“源”侧提供可调度的灵活响应资源，从而让“荷”侧共同参与到系统的低碳经济调度中，提出了一种“源-荷”合作低碳经济调度模型，通过算例仿真得出如下结论：（1）通过“源-荷”协调合作，即可降低系统运行成本，又可减少系统的净碳排放总量，有助于提升系统低碳经济性；（2）当系统存在过剩风电时，用户提供可调节柔性负荷有助于实现系统的低碳经济调度。但当“源”侧提供的可调节负荷比例超过系统消纳风电的比例需求时，其可调节负荷比例的继续增加对提高系统低碳经济性的影响将显著降低。

全文………�…………

剩余内容已隐藏，扫码关注微信公众号，发送【验证码】获取验证码，免费获取全部内容！