考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經濟調度
作者：焦昊東, 于艾清, 王育飛
單位：上海電力大學電氣工程學院
引用： 焦昊東, 于艾清, 王育飛. 考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經濟調度[J]. 儲能科學與技術, 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)拓撲. 2 建立了一種以獎勵系數進行激勵的獎懲階梯型碳交易機制 3 分析換電站不同運行方式對系統(tǒng)低碳經濟性的影響
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資源，能夠為綜合能源系統(tǒng)調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)低碳經濟調度模型。首先，建立考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)拓撲。其次，引入獎懲階梯型碳交易機制，建立了以系統(tǒng)運行成本和碳交易成本最低為優(yōu)化目標的低碳經濟調度模型，運用分段線性插值將原模型轉化為混合整數線性規(guī)劃問題。使用Yalmip對模型進行建模并利用Cplex求解器進行求解，通過對比分析換電站不同運行方式，結果表明有序充放電方式的換電站在綜合能源系統(tǒng)中具備靈活調度優(yōu)勢，在低谷時段進行電池充電，高峰時段靈活釋放電能，有效地減小了負荷峰值，縮小峰谷差。此外，獎懲階梯型碳交易機制為綜合能源系統(tǒng)提供了經濟激勵，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，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)的經濟性和環(huán)保性。
關鍵詞 換電站；B2G；獎懲階梯型碳交易；綜合能源系統(tǒng)；低碳經濟調度
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。它是實現各種能源之間協(xié)調規(guī)劃和統(tǒng)一調度，促進高效梯級利用，并降低污染排放量、增加資源利用率的有效途徑之一。因此在當前“雙碳”目標背景下，有必要深入探究IES低碳經濟調度。
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實現“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也為實現遠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電池到電網(battery to grid，B2G)的交互。與車到網(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，從而減少調度過程中的不確定性。到目前為止，對BSS的規(guī)劃、換電服務、充電策略以及削峰調頻任務已有了大量研究。對于BSS參與微電網優(yōu)化運行，文獻[16]提出了一種考慮電動汽車充換儲一體化站的微電網最優(yōu)運行模型，減小了電網峰谷差，降低了微電網日總運行成本。文獻[17]提出了雙層最優(yōu)調度模型，以協(xié)調微電網和電動汽車換電站之間的調度問題，所提模型能夠有效促進BSS參與調節(jié)微電網經濟運行。對于BSS參與IES優(yōu)化運行，文獻[18]在IES中考慮將換電站、電動汽車和中央空調作為靈活性響應資源來協(xié)同系統(tǒng)優(yōu)化運行，實現“削峰填谷”和降低綜合用能成本。文獻[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移負荷參與綜合需求響應。然而，上述文獻在強調獲得系統(tǒng)運行經濟效益的同時，卻忽視了低碳運行。碳交易作為一種綠色發(fā)展的手段，體現了低碳經濟的理念。它旨在尋求環(huán)境與經濟的共存共贏，通過有效的方式解決多重危機，確保經濟的可持續(xù)發(fā)展。通過碳交易機制，各方可以根據自身的碳排放情況進行交易，以達到碳減排的目標。這種市場化的方式能夠有效地引導企業(yè)采取低碳的行為。最終，碳交易的實施將推動經濟的綠色轉型，促進可持續(xù)發(fā)展的實現。因此，碳交易作為一種低碳經濟的手段，具有重要的意義和應用價值。
目前研究主要分為傳統(tǒng)碳交易機制和階梯型碳交易機制。文獻[20]在IES中引入碳交易機制可以有效減少系統(tǒng)碳排放，降低系統(tǒng)運營成本。文獻[21]在階梯型碳交易機制下，建立了熱-電-氣綜合需求響應的IES調度模型，提高了系統(tǒng)的經濟效益和環(huán)境效益。文獻[22]與傳統(tǒng)碳交易機制相比，引入階梯型碳交易機制可有效減少碳排放，驗證了階梯型碳交易機制在減少碳排放方面的有效性，并且合理設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)經營利潤。上述研究為IES的低碳經濟運行提供了一定的理論依據，對IES的低碳經濟調度具有重要意義。
現有研究已實現IES的經濟運行，并驗證了換電站可以合理安排電池充放電時間，實現“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)的經濟性與低碳性綜合分析較少，缺少換電站對系統(tǒng)低碳運行的關注?；诖耍疚氖紫忍岢隽丝紤]換電站的綜合能源系統(tǒng)拓撲結構；其次，建立了一種以獎勵系數進行激勵的獎懲階梯型碳交易機制，并將其引入調度模型，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損耗，建立了適用于含換電站的綜合能源系統(tǒng)(IES-BSS)低碳經濟調度模型；最后，通過不同場景下的算例結果，驗證了所建模型的有效性。
1 IES-BSS結構
IES-BSS可以實現能源的高效供應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結構圖，如圖1所示，其中電負荷由光伏、風電、燃氣輪機和上級電網滿足；熱負荷由燃氣輪機、燃氣鍋爐和余熱鍋爐滿足；冷負荷由吸收式制冷機和電制冷機滿足。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結構
1.1 IES設備模型
1.2 BSS模型
如圖2所示，在滿足用戶換電需求情況下，換電站內滿電量的閑置電池可通過B2G，即電池到電網實現電動汽車換電站和綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調運行，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”，實現低碳性和經濟性。
圖2 BSS運行方式
通過應用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，從而得出準確的換電需求量，由文獻[23]可求出各時段的換電需求量。
為此，本文對BSS模型假設如下：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。換電站模型如下：
2 碳交易機制的數學模型
碳交易機制是一種市場化機制，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，激勵能源供應商優(yōu)先采取節(jié)能減排措施，以減少總體碳排放。該機制旨在促使能源產業(yè)轉型，實現環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。通過引入市場機制和經濟激勵，碳交易機制為企業(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)定碳配額內運營，確?？刂铺寂欧?，推動低碳經濟。
2.1 碳排放初始配額
在碳交易機制下，實際的碳排放量可以自由交易，其數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組、燃氣鍋爐和燃氣輪機，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制，建立了碳交易價格體系。如圖3所示，當系統(tǒng)的實際碳排放量超過初始分配限額時，IES應以階梯型碳交易價格購買相應數量的碳排放權，從而增加其成本。反之，當系統(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，并獲得相應收益。
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)低碳經濟調度模型
3.1 目標函數
考慮BSS和獎懲階梯型碳交易的IES最優(yōu)運行模型的目標是在滿足系統(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、設備運行維護成本、購能成本和BSS電池折舊成本。目標函數為：
3.2 約束條件
3.3 模型轉化及求解方法
本文建立了在獎懲階梯型碳交易機制下考慮BSS的IES優(yōu)化調度模型，是一個帶約束的非線性數學規(guī)劃問題。本文中，碳排放模型和約束條件為非線性約束，經過線性化后的模型屬于混合整數線性規(guī)劃問題(mixed integer linear programming，MILP)。在MATLAB中可調用Cplex求解器對優(yōu)化模型進行求解，得到最優(yōu)的運行結果。求解模型的標準形式為式(22)，求解過程如圖4所示。
其中，優(yōu)化變量圖片包括供能設備輸出、能量耦合設備輸出、儲能設備輸出、電網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)中每個設備的運行約束和BSS運行約束。
圖4 IES-BSS優(yōu)化調度流程圖
4 算例分析
4.1 算例參數
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。調度周期為每天24 h，以1 h為調度時長。IES中各種負荷和風電、光伏出力的預測曲線如圖5所示。天然氣價取0.35元/(kW·h)，主網采用分時電價如表1所示，表2為儲能參數，IES中各能量轉換設備的參數和換電站參數如表3、表4所示，碳排放參數和實際碳排放模型參數如表5、表6所示。
圖5 負荷及風光出力預測曲線
表1 主網分時電價
表2 儲能參數
表3 設備參數
表4 BSS參數
表5 碳排放參數
表6 實際碳排放模型參數
4.2 算例結果分析
為了驗證所提在獎懲階梯型碳交易機制下考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)低碳經濟調度模型的有效性，本文設置了4種典型場景進行對比分析。
場景1：考慮換電站無序充電的IES經濟運行模型。
場景2：在傳統(tǒng)碳交易機制下考慮換電站有序充電的IES低碳經濟運行模型。
場景3：在階梯型碳交易機制下考慮換電站有序充電的IES低碳經濟運行模型。
場景4：在獎懲階梯型碳交易機制下考慮換電站有序充放電的IES低碳經濟運行模型。
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%，這是因為在目標函數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制，階梯型碳交易機制通過設置階梯碳價，能夠進一步限制系統(tǒng)的碳排放，階梯型碳交易機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，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行處罰的方式來激勵系統(tǒng)減少碳排放，而換電站在負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的調度結果進行具體供需平衡分析?？紤]BSS和獎懲階梯型碳交易機制下，IES的供能最優(yōu)運行結果如圖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時間段內電價較低，主要由向上級電網購電和風電以及光伏提供電能來滿足用戶的電負荷需求和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個負荷高峰時段內，考慮到電價升高，MT增加出力，并且EES和BSS進行放電，減少系統(tǒng)設備的供電壓力。BSS在參與IES優(yōu)化運行中充分利用了風光資源，同時，與系統(tǒng)的耦合設備協(xié)同運行，減少了向上級電網的購電量和MT的輸出，相當于實現了碳排放量的減少，從而實現運行成本的降低，使IES更加經濟低碳運行。因此換電站參與系統(tǒng)運行可有效緩解供能設備在用能高峰期的供能壓力，增強系統(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。在熱負荷需求較低時，主要由GB提供熱量，在滿足用戶熱負荷需求下，多余的熱能被HES收集起來，在熱負荷高峰期釋放熱能，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)中設備的供冷壓力，實現能量的梯級利用。
4.4 BSS運行方式分析
結合表8和圖9、圖10可知，當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，用戶到站即進行換電和充電操作，而沒有考慮對換電負荷進行優(yōu)化調度。用戶換電需求的高峰期和基本電負荷高峰期相互疊加，BSS的充電時間主要集中在負荷的峰時段和平時段，增加了系統(tǒng)的電負荷峰值，即升高了14.58%。這種充電模式與電負荷的疊加進一步增加了系統(tǒng)供電負擔。
表8 不同場景下系統(tǒng)的電負荷峰谷差情況
圖9 BSS不同運行方式下充放電功率
圖10 BSS不同運行方式下負荷曲線
當換電站的運行方式轉變?yōu)橛行虺潆姇r，換電站將合理安排站內電池的充電計劃，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移至谷時段進行電池充電，降低系統(tǒng)在峰時段的供電壓力，實現“填谷”，即峰谷差減少了22.9%。
當換電站的運行方式轉變?yōu)橛行虺浞烹姇r，由圖10可以看出，基本電負荷在10∶00—12∶00、18∶00—22∶00時段出現峰值，為充分利用換電站內閑置的滿電量電池，在滿足用戶換電需求下，換電站可以參與IES優(yōu)化運行，實現低價充電、高價放電的運行策略，降低系統(tǒng)中設備的供電壓力，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的購電量，即減少了煤電機組產生的碳排放量，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系統(tǒng)向低碳經濟方向發(fā)展，優(yōu)化設備出力。
4.5 碳交易價格參數分析
在系統(tǒng)的低碳經濟調度中，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組的電能供應，為了替代其出力，系統(tǒng)通過增加購氣量，即增加燃氣設備的出力以減少碳排放并提高環(huán)保性，當碳交易價格超過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)已經通過調整用能消耗和能源組合來實現經濟性和環(huán)保性的平衡，此時的設備功率已經趨于穩(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 結論
本文提出了一種在獎懲階梯型碳交易機制下考慮換電站的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度模型，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濟性和環(huán)保性，主要得到以下結論。
（1）換電站的運行方式可以實現削峰填谷，不僅可以緩解系統(tǒng)的能源供應壓力，還可以減少系統(tǒng)從外部電網購買的電力和系統(tǒng)的碳排放。
（2）采用獎懲階梯型碳交易機制，將其應用于IES。通過激勵低排放、懲罰高排放的經濟調節(jié)機制，為IES的低碳經濟運行提供了有效途徑。在其引導下，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的情況下降低運行成本，展現出其優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。
（3）從碳減排背景來看，合理設置碳價，可以進一步減少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，合理引導系統(tǒng)向低碳經濟方向發(fā)展。
