考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度
作者：焦昊東, 于艾清, 王育飛
單位：上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院
引用： 焦昊東, 于艾清, 王育飛. 考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(10): 3254-3264.
本文亮點：1 建立考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)? 2 建立了一種以獎勵系數(shù)進(jìn)行激勵的獎懲階梯型碳交易機(jī)制 3 分析換電站不同運行方式對系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)性的影響
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0437
摘 要 換電站作為分布式能源存儲以及需求響應(yīng)資源，能夠為綜合能源系統(tǒng)調(diào)度提供更大的靈活性，同時，碳交易是提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的有效手段。為此提出了考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。首先，建立考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)?。其次，引入獎懲階梯型碳交易機(jī)制，建立了以系統(tǒng)運行成本和碳交易成本最低為優(yōu)化目標(biāo)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，運用分段線性插值將原模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。使用Yalmip對模型進(jìn)行建模并利用Cplex求解器進(jìn)行求解，通過對比分析換電站不同運行方式，結(jié)果表明有序充放電方式的換電站在綜合能源系統(tǒng)中具備靈活調(diào)度優(yōu)勢，在低谷時段進(jìn)行電池充電，高峰時段靈活釋放電能，有效地減小了負(fù)荷峰值，縮小峰谷差。此外，獎懲階梯型碳交易機(jī)制為綜合能源系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)激勵，通過出售多余的碳配額獲得利潤，有助于降低碳交易成本，并且分析了碳交易價格參數(shù)，碳交易價格增長會促使綜合能源系統(tǒng)增加低碳能源比例，降低碳排放，保持系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
關(guān)鍵詞 換電站；B2G；獎懲階梯型碳交易；綜合能源系統(tǒng)；低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度
隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的不斷加劇，全球能源格局正面臨巨大挑戰(zhàn)。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)作為多能耦合的重要載體，集成了電能、天然氣、熱能和冷能等多種形式的能量。它是實現(xiàn)各種能源之間協(xié)調(diào)規(guī)劃和統(tǒng)一調(diào)度，促進(jìn)高效梯級利用，并降低污染排放量、增加資源利用率的有效途徑之一。因此在當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)背景下，有必要深入探究IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度。
電動汽車的發(fā)展是緩解能源和環(huán)境壓力的有效方式，電動汽車在行駛時能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”，因此電動汽車在減少碳排放方面具有巨大潛力。然而目前仍存在一些限制電動汽車發(fā)展的重要因素，例如高昂的電池購買費用、充電時間長、充電設(shè)施不足。為有效解決上述問題，換電站(battery swap station，BSS)作為一種為電動汽車充電的替代方式，不僅能夠解決電動汽車充電時間長的問題，同時電動汽車換電技術(shù)也為實現(xiàn)遠(yuǎn)程出行提供了理想的解決方案，并且BSS的閑置電池也可以實現(xiàn)電池到電網(wǎng)(battery to grid，B2G)的交互。與車到網(wǎng)(vehicle to grid，V2G)相比，B2G不受用戶車輛運行狀態(tài)的影響，更加便于集中控制，從而減少調(diào)度過程中的不確定性。到目前為止，對BSS的規(guī)劃、換電服務(wù)、充電策略以及削峰調(diào)頻任務(wù)已有了大量研究。對于BSS參與微電網(wǎng)優(yōu)化運行，文獻(xiàn)[16]提出了一種考慮電動汽車充換儲一體化站的微電網(wǎng)最優(yōu)運行模型，減小了電網(wǎng)峰谷差，降低了微電網(wǎng)日總運行成本。文獻(xiàn)[17]提出了雙層最優(yōu)調(diào)度模型，以協(xié)調(diào)微電網(wǎng)和電動汽車換電站之間的調(diào)度問題，所提模型能夠有效促進(jìn)BSS參與調(diào)節(jié)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行。對于BSS參與IES優(yōu)化運行，文獻(xiàn)[18]在IES中考慮將換電站、電動汽車和中央空調(diào)作為靈活性響應(yīng)資源來協(xié)同系統(tǒng)優(yōu)化運行，實現(xiàn)“削峰填谷”和降低綜合用能成本。文獻(xiàn)[19]提出IES雙層優(yōu)化模型，考慮將具有B2G功能的換電站作為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷參與綜合需求響應(yīng)。然而，上述文獻(xiàn)在強(qiáng)調(diào)獲得系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)效益的同時，卻忽視了低碳運行。碳交易作為一種綠色發(fā)展的手段，體現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)的理念。它旨在尋求環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的共存共贏，通過有效的方式解決多重危機(jī)，確保經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過碳交易機(jī)制，各方可以根據(jù)自身的碳排放情況進(jìn)行交易，以達(dá)到碳減排的目標(biāo)。這種市場化的方式能夠有效地引導(dǎo)企業(yè)采取低碳的行為。最終，碳交易的實施將推動經(jīng)濟(jì)的綠色轉(zhuǎn)型，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)。因此，碳交易作為一種低碳經(jīng)濟(jì)的手段，具有重要的意義和應(yīng)用價值。
目前研究主要分為傳統(tǒng)碳交易機(jī)制和階梯型碳交易機(jī)制。文獻(xiàn)[20]在IES中引入碳交易機(jī)制可以有效減少系統(tǒng)碳排放，降低系統(tǒng)運營成本。文獻(xiàn)[21]在階梯型碳交易機(jī)制下，建立了熱-電-氣綜合需求響應(yīng)的IES調(diào)度模型，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。文獻(xiàn)[22]與傳統(tǒng)碳交易機(jī)制相比，引入階梯型碳交易機(jī)制可有效減少碳排放，驗證了階梯型碳交易機(jī)制在減少碳排放方面的有效性，并且合理設(shè)置階梯碳交易價格和可交易碳排放比例可顯著減少碳排放，提高企業(yè)經(jīng)營利潤。上述研究為IES的低碳經(jīng)濟(jì)運行提供了一定的理論依據(jù)，對IES的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度具有重要意義。
現(xiàn)有研究已實現(xiàn)IES的經(jīng)濟(jì)運行，并驗證了換電站可以合理安排電池充放電時間，實現(xiàn)“削峰填谷”，提高運營利潤，但對于含換電站的綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與低碳性綜合分析較少，缺少換電站對系統(tǒng)低碳運行的關(guān)注?；诖?，本文首先提出了考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其次，建立了一種以獎勵系數(shù)進(jìn)行激勵的獎懲階梯型碳交易機(jī)制，并將其引入調(diào)度模型，綜合考慮了系統(tǒng)的運行成本、碳交易成本和換電站的電池?fù)p耗，建立了適用于含換電站的綜合能源系統(tǒng)(IES-BSS)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后，通過不同場景下的算例結(jié)果，驗證了所建模型的有效性。
1 IES-BSS結(jié)構(gòu)
IES-BSS可以實現(xiàn)能源的高效供應(yīng)和用戶的用能需求平衡，提高能源利用的效率和可靠性。本文給出了IES-BSS結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，其中電負(fù)荷由光伏、風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)和上級電網(wǎng)滿足；熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐滿足；冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)滿足。冷、熱、電儲能在能源需求低谷時將多余的能源儲存起來，以備高峰時使用，減輕系統(tǒng)的供能壓力。BSS為系統(tǒng)提供額外的儲能資源，通過電池儲存實現(xiàn)能源的儲存和平衡，將多余的電能儲存在電池中并在需要時釋放電能，提高系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。
圖1 IES-BSS結(jié)構(gòu)
1.1 IES設(shè)備模型
1.2 BSS模型
如圖2所示，在滿足用戶換電需求情況下，換電站內(nèi)滿電量的閑置電池可通過B2G，即電池到電網(wǎng)實現(xiàn)電動汽車換電站和綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，因此電動汽車換電站具有“源荷”兩種特性，協(xié)助系統(tǒng)“削峰填谷”，實現(xiàn)低碳性和經(jīng)濟(jì)性。
圖2 BSS運行方式
通過應(yīng)用Monte Carlo方法，可以模擬并計算電動汽車在每個時段的換電需求概率，從而得出準(zhǔn)確的換電需求量，由文獻(xiàn)[23]可求出各時段的換電需求量。
為此，本文對BSS模型假設(shè)如下：①不考慮電池更換時間，用戶的電池每次僅更換一塊電池；②換電電池容量相同，電池采用恒功率充放電，轉(zhuǎn)換效率為95%；③處于充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的電池不參與用戶換電，即只有滿電量電池可用于換電服務(wù)。換電站模型如下：
2 碳交易機(jī)制的數(shù)學(xué)模型
碳交易機(jī)制是一種市場化機(jī)制，將碳排放作為可交易商品。監(jiān)管部門制定排放規(guī)則并分配碳配額，激勵能源供應(yīng)商優(yōu)先采取節(jié)能減排措施，以減少總體碳排放。該機(jī)制旨在促使能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。通過引入市場機(jī)制和經(jīng)濟(jì)激勵，碳交易機(jī)制為企業(yè)提供獎勵和懲罰措施，推動減排和能效提升。企業(yè)需在規(guī)定碳配額內(nèi)運營，確?？刂铺寂欧?，推動低碳經(jīng)濟(jì)。
2.1 碳排放初始配額
在碳交易機(jī)制下，實際的碳排放量可以自由交易，其數(shù)量取決于政府分配的碳排放量和實際排放量之間的差異。本文采用基線法確定系統(tǒng)無償碳排放配額。IES的碳排放源包括購買的電力即上級煤電機(jī)組、燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C(jī)，其碳排放初始配額如下：
2.3 獎懲階梯型碳交易成本模型
基于獎懲階梯型碳交易機(jī)制，建立了碳交易價格體系。如圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)的實際碳排放量超過初始分配限額時，IES應(yīng)以階梯型碳交易價格購買相應(yīng)數(shù)量的碳排放權(quán)，從而增加其成本。反之，當(dāng)系統(tǒng)的實際碳排放量低于初始分配額度時，IES可以按照階梯型碳交易價格出售剩余的碳排放權(quán)，并獲得相應(yīng)收益。
圖3 獎懲階梯型碳交易成本模型
3 考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型
3.1 目標(biāo)函數(shù)
考慮BSS和獎懲階梯型碳交易的IES最優(yōu)運行模型的目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)約束條件下使系統(tǒng)總運行成本最小化。系統(tǒng)總運行成本包括碳交易成本、設(shè)備運行維護(hù)成本、購能成本和BSS電池折舊成本。目標(biāo)函數(shù)為：
3.2 約束條件
3.3 模型轉(zhuǎn)化及求解方法
本文建立了在獎懲階梯型碳交易機(jī)制下考慮BSS的IES優(yōu)化調(diào)度模型，是一個帶約束的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題。本文中，碳排放模型和約束條件為非線性約束，經(jīng)過線性化后的模型屬于混合整數(shù)線性規(guī)劃問題(mixed integer linear programming，MILP)。在MATLAB中可調(diào)用Cplex求解器對優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的運行結(jié)果。求解模型的標(biāo)準(zhǔn)形式為式(22)，求解過程如圖4所示。
其中，優(yōu)化變量圖片包括供能設(shè)備輸出、能量耦合設(shè)備輸出、儲能設(shè)備輸出、電網(wǎng)購電和換電站充放電計劃；等式約束包括系統(tǒng)能量平衡方程、儲能設(shè)備能量平衡方程和BSS電池約束。不等式約束包括系統(tǒng)中每個設(shè)備的運行約束和BSS運行約束。
圖4 IES-BSS優(yōu)化調(diào)度流程圖
4 算例分析
4.1 算例參數(shù)
為驗證本文所提模型及優(yōu)化策略的可行性，本文選取華北某地區(qū)典型的IES作為仿真對象。調(diào)度周期為每天24 h，以1 h為調(diào)度時長。IES中各種負(fù)荷和風(fēng)電、光伏出力的預(yù)測曲線如圖5所示。天然氣價取0.35元/(kW·h)，主網(wǎng)采用分時電價如表1所示，表2為儲能參數(shù)，IES中各能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的參數(shù)和換電站參數(shù)如表3、表4所示，碳排放參數(shù)和實際碳排放模型參數(shù)如表5、表6所示。
圖5 負(fù)荷及風(fēng)光出力預(yù)測曲線
表1 主網(wǎng)分時電價
表2 儲能參數(shù)
表3 設(shè)備參數(shù)
表4 BSS參數(shù)
表5 碳排放參數(shù)
表6 實際碳排放模型參數(shù)
4.2 算例結(jié)果分析
為了驗證所提在獎懲階梯型碳交易機(jī)制下考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的有效性，本文設(shè)置了4種典型場景進(jìn)行對比分析。
場景1：考慮換電站無序充電的IES經(jīng)濟(jì)運行模型。
場景2：在傳統(tǒng)碳交易機(jī)制下考慮換電站有序充電的IES低碳經(jīng)濟(jì)運行模型。
場景3：在階梯型碳交易機(jī)制下考慮換電站有序充電的IES低碳經(jīng)濟(jì)運行模型。
場景4：在獎懲階梯型碳交易機(jī)制下考慮換電站有序充放電的IES低碳經(jīng)濟(jì)運行模型。
表7 不同場景下系統(tǒng)的碳排量和成本
（1）場景1和場景2的對比分析
場景2相比于場景1，系統(tǒng)的碳排放量比場景1減少了7.22%，系統(tǒng)總成本降低了5.75%，這是因為在目標(biāo)函數(shù)中需要考慮碳交易成本，并且場景2換電站在低谷時刻充電相比于場景1無序充電在負(fù)荷高峰時段能夠減少系統(tǒng)的供電成本。
（2）場景2和場景3的對比分析
相較于傳統(tǒng)固定碳價的碳交易機(jī)制，階梯型碳交易機(jī)制通過設(shè)置階梯碳價，能夠進(jìn)一步限制系統(tǒng)的碳排放，階梯型碳交易機(jī)制的引入使碳排放量減少了848.6 kg，即減少了11.20%。碳交易成本減少了267.41元。
（3）場景3和場景4的對比分析
場景4相比于場景3，系統(tǒng)的碳排放量減少了618.7 kg，即減少了9.19%，碳交易成本為負(fù)，表明此時系統(tǒng)獲得碳收益，即碳排放成本可以盈利221.47元，并且系統(tǒng)的總成本減少了230元，即減少了2.21%。獎懲型碳交易機(jī)制通過獎勵措施鼓勵系統(tǒng)降低碳排放量，同時通過對高排放行為進(jìn)行處罰的方式來激勵系統(tǒng)減少碳排放，而換電站在負(fù)荷高峰期利用閑置滿電量電池放電為系統(tǒng)提供電能，減少系統(tǒng)購電，雖然BSS通過B2G使得電池折舊成本升高，但系統(tǒng)的購能成本的減少和碳交易的碳收益使得總運行成本降低。
4.3 系統(tǒng)供需平衡分析
以場景4的調(diào)度結(jié)果進(jìn)行具體供需平衡分析?？紤]BSS和獎懲階梯型碳交易機(jī)制下，IES的供能最優(yōu)運行結(jié)果如圖6～圖8所示。
圖6 電功率供需平衡
圖7 熱功率供需平衡
圖8 冷功率供需平衡
（1）在00∶00—07∶00時間段內(nèi)電價較低，主要由向上級電網(wǎng)購電和風(fēng)電以及光伏提供電能來滿足用戶的電負(fù)荷需求和BSS的電池充電需求，并且將多余的電能儲存在EES中，充分消納新能源。在12∶00—14∶00和19∶00—22∶00這2個負(fù)荷高峰時段內(nèi)，考慮到電價升高，MT增加出力，并且EES和BSS進(jìn)行放電，減少系統(tǒng)設(shè)備的供電壓力。BSS在參與IES優(yōu)化運行中充分利用了風(fēng)光資源，同時，與系統(tǒng)的耦合設(shè)備協(xié)同運行，減少了向上級電網(wǎng)的購電量和MT的輸出，相當(dāng)于實現(xiàn)了碳排放量的減少，從而實現(xiàn)運行成本的降低，使IES更加經(jīng)濟(jì)低碳運行。因此換電站參與系統(tǒng)運行可有效緩解供能設(shè)備在用能高峰期的供能壓力，增強(qiáng)系統(tǒng)的運行靈活性，在能源使用高峰期，它可以將充電電池轉(zhuǎn)移至低谷時段，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的運營成本。
（2）熱能供給主要由GB和RHB提供。在熱負(fù)荷需求較低時，主要由GB提供熱量，在滿足用戶熱負(fù)荷需求下，多余的熱能被HES收集起來，在熱負(fù)荷高峰期釋放熱能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（3）冷能供給主要由AC和EC提供。在電價低谷期，冷負(fù)荷主要由EC提供冷能滿足，在電價高峰期，AC增加出力，EC減少出力，以此來減少系統(tǒng)運行成本，并且在滿足系統(tǒng)冷負(fù)荷需求的同時，將多余的冷能存儲在CES中，CES在系統(tǒng)供冷高峰或供冷不足時釋放冷能，緩解系統(tǒng)中設(shè)備的供冷壓力，實現(xiàn)能量的梯級利用。
4.4 BSS運行方式分析
結(jié)合表8和圖9、圖10可知，當(dāng)換電站的運行方式是無序充電時，即在傳統(tǒng)的換電模式下，用戶到站即進(jìn)行換電和充電操作，而沒有考慮對換電負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。用戶換電需求的高峰期和基本電負(fù)荷高峰期相互疊加，BSS的充電時間主要集中在負(fù)荷的峰時段和平時段，增加了系統(tǒng)的電負(fù)荷峰值，即升高了14.58%。這種充電模式與電負(fù)荷的疊加進(jìn)一步增加了系統(tǒng)供電負(fù)擔(dān)。
表8 不同場景下系統(tǒng)的電負(fù)荷峰谷差情況
圖9 BSS不同運行方式下充放電功率
圖10 BSS不同運行方式下負(fù)荷曲線
當(dāng)換電站的運行方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虺潆姇r，換電站將合理安排站內(nèi)電池的充電計劃，在分時電價的激勵下，換電站將峰時段和平時段的充電電池轉(zhuǎn)移至谷時段進(jìn)行電池充電，降低系統(tǒng)在峰時段的供電壓力，實現(xiàn)“填谷”，即峰谷差減少了22.9%。
當(dāng)換電站的運行方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虺浞烹姇r，由圖10可以看出，基本電負(fù)荷在10∶00—12∶00、18∶00—22∶00時段出現(xiàn)峰值，為充分利用換電站內(nèi)閑置的滿電量電池，在滿足用戶換電需求下，換電站可以參與IES優(yōu)化運行，實現(xiàn)低價充電、高價放電的運行策略，降低系統(tǒng)中設(shè)備的供電壓力，從而減少系統(tǒng)的運行成本，并且系統(tǒng)在電力高峰期減少了電網(wǎng)的購電量，即減少了煤電機(jī)組產(chǎn)生的碳排放量，IES可以將多余的碳配額出售，提高環(huán)境效益，降低運營成本。因此換電站可以合理引導(dǎo)系統(tǒng)向低碳經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展，優(yōu)化設(shè)備出力。
4.5 碳交易價格參數(shù)分析
在系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，不同碳交易價格對IES的用能消耗和碳排放量有很大影響，如圖11所示，隨著碳交易價格的增加，IES優(yōu)化能源組合，增加低碳能源的比例，IES的購電量減少、購氣量增加，這是因為較高的碳交易價格會使系統(tǒng)向上級電網(wǎng)購電的成本增加，而系統(tǒng)為了降低碳排放量和運行成本，會減少高排放的火電機(jī)組的電能供應(yīng)，為了替代其出力，系統(tǒng)通過增加購氣量，即增加燃?xì)庠O(shè)備的出力以減少碳排放并提高環(huán)保性，當(dāng)碳交易價格超過250元/t時，繼續(xù)增加碳交易價格對系統(tǒng)的運行影響較小，這是因為系統(tǒng)已經(jīng)通過調(diào)整用能消耗和能源組合來實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的平衡，此時的設(shè)備功率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，購買電力和天然氣的成本相對穩(wěn)定。
圖11 碳交易價格對系統(tǒng)用能消耗和碳排放量的影響
5 結(jié)論
本文提出了一種在獎懲階梯型碳交易機(jī)制下考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，通過分析不同的場景及換電站運行方式，驗證了所提模型的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，主要得到以下結(jié)論。
（1）換電站的運行方式可以實現(xiàn)削峰填谷，不僅可以緩解系統(tǒng)的能源供應(yīng)壓力，還可以減少系統(tǒng)從外部電網(wǎng)購買的電力和系統(tǒng)的碳排放。
（2）采用獎懲階梯型碳交易機(jī)制，將其應(yīng)用于IES。通過激勵低排放、懲罰高排放的經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)機(jī)制，為IES的低碳經(jīng)濟(jì)運行提供了有效途徑。在其引導(dǎo)下，IES不僅能夠有效減少碳排放，還能夠通過碳交易在碳交易成本為負(fù)的情況下降低運行成本，展現(xiàn)出其優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。
（3）從碳減排背景來看，合理設(shè)置碳價，可以進(jìn)一步減少IES的碳排放，通過分析不同碳交易價格對IES的用能消耗和碳排放量的影響，合理引導(dǎo)系統(tǒng)向低碳經(jīng)濟(jì)方向發(fā)展。
