考虑双端碳交易的含CCUS新能源电力系统主从博弈低碳经济调度

《电力自动化设备》网络首发论文 题目：作者：收稿日期：网络首发日期：引用格式： 考虑双端碳交易的含CCUS新能源电力系统主从博弈低碳经济调度邓旭，冯劼然，南君培，龚贤夫，周浩，唐文虎2024-09-182025-07-08邓旭，冯劼然，南君培，龚贤夫，周浩，唐文虎．考虑双端碳交易的含CCUS新能源电力系统主从博弈低碳经济调度[J/OL]．电力自动化设备.https://link.cnki.net/urlid/32.1318.TM.20250707.1441.003 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。 考虑双端碳交易的含CCUS新能源电力系统 主从博弈低碳经济调度 邓旭1，冯劼然2，南君培3，龚贤夫4，周浩3，唐文虎1 （1.华南理工大学电力学院，广东广州510641；2．国家电网有限公司西北分部，陕西西安710048； 摘要：为进一步提升电力系统的低碳经济运行水平，建立源端考虑碳捕集、利用与封存（carbon capture，utilization and storage, CCUS）和负荷端考虑低碳需求响应的新能源系统主从博弈低碳经济调度模型。上层以系统调度层作为博弈主体，构建以发电成本、碳交易成本以及CCUS碳存储成本为目标函数的低碳经济调度模型；下层以负荷聚合商作为博弈从体，构建以购电成本、碳交易成本与可削减负荷补偿成本作为目标函数的低碳响应模型，上下层之间通过碳排放流建立碳势约束，进而构建主从博弈调度策略。最后，以IEEE24节点电网进行仿真研究。结果表明：采用双端碳交易的主从博弈低碳调度策略，减排效果优于单端碳交易，碳减排量从10.96%提高至21.81%；CCUS装置的容量在一定范围内越大其减排效果越好；在不同节点机组加装CCUS的降碳效果也不同。 关键词：双端碳交易；CCUS；新能源系统；碳排放；主从博弈；经济调度；负荷聚合商 文献[6-7]虽然在负荷侧构建了包含可平移、可转移、可削减、可替代等柔性负荷需求响应模型，但没有从碳排放流的视角将碳排放引入到负荷侧，从而没有考虑负荷侧的低碳响应，因此未能实现对负荷的碳排放激励。 0引言 在我国，能源系统的碳排放量占全社会CO2排放量的比重达87%，占温室气体总排放量的73%，而电力系统的碳排放量约占能源系统碳排放总量的40%[1-2]，并且随着未来电动汽车、智慧家居的快速发展，通过电力系统排放的CO2占能源系统总碳排放的比重将更高，为此电力行业的碳减排研究对整个能源系统乃至整个社会的碳减排都具有重要意义。 随着碳排放流理论的深入发展，借助碳排放流在源荷两端建立负荷和电源之间的碳排放关系，从而可以将火电机组的碳排放责任分摊到负荷侧引导负荷参与碳交易机制，充分发挥源荷两侧的碳减排潜力。近来相关文献借助碳排放理论构建供需双响应的低碳经济调度模型，文献[8-9]建立了综合能源系统的碳排放流模型，将碳排放引入到需求侧，从而建立需求响应模型，并在此基础上提出系统低碳经济优化调度策略。但上述研究主要聚焦在将热电联产机组、燃气锅炉、储能装置等能源转换设备建模形成能源运营商的优化模型，没有基于实际电力系统网络进行研究，并且在电源端也没有考虑碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization andstorage, CCUS）装置对系统碳排放的影响。而CCUS技术作为目前能够实现化石能源低碳利用的关键技术[10]，日益受到广泛关注并逐步在发电机组中得到运用，特别是对传统煤电机组、气电机组来说， 电力系统低碳经济调度是电力系统碳减排研究的重要课题，与传统以经济性为目标的调度方式相比，增加了碳排放等指标作为目标，是典型的多目标优化问题[3]。目前针对电力系统低碳经济调度的研究主要聚焦在解决引入环保指标后综合能源系统的多目标优化问题，如文献[3-5]综合考虑经济、低碳、鲁棒性等指标，并考虑负荷需求响应，构建了多目标低碳经济调度方法；文献[6-7]分析了绿证交易和碳交易之间的协调机理，提出了基于碳-绿证互认和电热柔性负荷的多能系统的源荷低碳经济调度方法，以综合成本最小为目标构建低碳经济调度模型。上述文献均将碳排放归结在源端，在源端建立了包含碳排放成本的低碳经济调度目标函数， 加装CCUS可以显著降低系统的碳排放，随着CCUS技术的日益成熟，在电源侧对部分有条件的机组加装CCUS将会越来越多。为此，对包含CCUS的综合能源系统的低碳经济调度问题进行研究具有重要现实意义。 Fig.1Schematic diagram of system currents and carbon flow changes with CCUS included 1）电力潮流变化：由于CCUS装置需要消耗一定电能，因此t时刻火电机组向系统注入的功率变为： 文献[11-12]考虑了CCUS装置的影响，建立了包含CCUS的综合能源系统优化调度模型。但上述文献仅分析了火电机组加装CCUS后的成本影响，没有从潮流和碳流视角分析加装CCUS后对系统的影响，没有将碳排放引入到负荷侧参与碳交易激励，也没有考虑负荷侧的需求响应，因此难以充分挖掘负荷侧的降碳潜力。 式中：tP,net为火电机组注入电网系统的净功率；tP,Gen为火电机组的发电功率；tPCCUS,为CCUS的消耗功率。 2）碳排放流变化：由于CCUS装置可以捕集大量CO2，因此t时刻火电机组向电网输出的碳排放为机组燃烧煤炭产生的CO2减去CCUS捕集的CO2，具体如下： 为弥补上述研究不足，本文建立了基于供需双响应的含CCUS新能源系统主从博弈低碳经济调度模型。首先，基于碳排放流理论，从潮流和碳流视角分析了燃煤电厂加装CCUS装置后的潮流和碳排放流变化情况。其次，通过碳排放流建立源、荷之间的碳势约束，并构建源、荷双侧的碳交易激励机制，实现负荷侧的低碳需求响应。然后，考虑到发电侧和负荷侧属于不同的决策主体，并且双方决策存在“主从”关系的特点，提出了基于供需双响应的主从博弈低碳经济调度模型，通过电碳流动建立供需之间的联系，实现两端的电碳协同。最后，以IEEE24节点系统进行算例分析，验证了所提方法的有效性，并比较分析了双端碳排放激励与单端碳排放激励的优势，以及CCUS装置容量及布置对系统运行成本、碳排放量的影响。 式中：tM,net为火电机组注入系统节点的净碳排放量，即经过CCUS捕集后排出的CO2量；tM,ems为火电机组的初始碳排放量；t,c为t时刻CCUS设备的碳捕集率；Ge为火电机组的碳排放系数。 对于传统未改造机组，则仍按传统碳排放流建模考虑。对于风电等清洁能源发电机组，由于没有产生CO2，因此机组向电网输出的碳排放为0，在系统中只产生电力流，没有碳排放流。 1.2 CCUS的碳排放流数学模型 本文对发电机组中的传统火电厂，分析安装CCUS的减排效果时，采用的是燃烧后捕获法，具体工作原理见文献[14-15]，其原理示意图如图2所示。 1考虑CCUS的双端碳排放流模型 1.1加装CCUS后系统的潮流和碳流变化 CCUS技术可以将CO2从发电机组排放的烟气中直接捕集分离，是目前实现煤电机组低碳排放的关键技术，可以显著降低发电厂的整体碳排放水平。根据碳排放流理论[13]，碳排放流与潮流之间存在依附关系，可以认为碳排放流从电厂出发，随着电厂上网功率进入电力系统，并且随着系统中的潮流在电网中流动，最终进入用户侧。机组加装CCUS后，电力系统的潮流和碳排放流将发生变化，其具体变化情况如图1所示，分析如下： Fig.2 Schematic diagram of CO2 capture principle of CCUS 具体数学建模如下： 1）t时刻贫富液存储器中的二氧化碳含量为： 式中：tM为t时刻贫富液存储器中的二氧化碳含量；1tM为前一时刻贫富液存储器中的二氧化碳含量；1,intM为前一时刻的进碳量，可以通过式(5)得到；1,outtM为前一时刻的出碳量；t为时间间隔。 通用的情况，即发电侧承担100%碳排放责任、负荷侧不承担碳排放责任，作为对比算例进行比较分析。后续研究可进一步深入探讨源荷两侧不同分摊比例对调度结果的影响。 文献[18-20]虽然也提出了双端碳交易机制，但上述研究在发电侧没有考虑CCUS。根据1.1节分析可知，发电机组加装CCUS后，其潮流和碳排放流也会 发生相应变化，因 此有必须要分析 加装CCUS后的双端碳交易激励机制。具体如下： 2）t时刻CCUS装置消耗功率： 式中：1、2为系数；baseCCUS,P为CCUS的基础能耗，本文取为5MW。该式表示CCUS消耗的功率与某一时刻进、出碳量有关系。 发电机组的碳排放责任计算如下: 式中：GR为发电机组的碳排放责任，等于发电机组实际碳排放量的一半；Ge为火电机组的碳排放系数；GP为火电机组的发电出力。 1.3基于碳排放流理论的双端碳交易激励机制 碳交易机制主要将碳排放权视为一种有限资源，以此激励系统中各主体减少碳排放来实现总体的碳减排目标。传统的电力系统碳排放研究侧重在发电侧，认为碳排放都由发电侧产生。但是，电力系统发电的目的是为了满足负荷侧的电能消费需求，用户在消费电能时，虽然不产生二氧化碳排放，但是其能源消费行为是二氧化碳排放的真正来源，因此对用户来说应该承担间接的碳排放责任。所以，在设计碳交易激励机制时，对负荷侧用户的间接碳排放责任的合理分摊也十分关键。 对于安装了CCUS设备的机组，电厂注入系统的功率和碳排放流发生了变化，其注入系统功率如公式(1)所示，即机组出力减去CCUS装置消耗功率，故CCUS电厂的碳排放责任计算如下： 根据碳排放流理论，发电机组碳流率和负荷碳流率之间存在一一对应关系，通过计算得到源端各发电机组的碳排放责任后，即可得到负荷端各负荷所分摊的碳排放责任，具体如下： 仅在发电侧进行碳交易不会对负荷产生激励作用，而仅在负荷侧进行碳交易不会对发电机组产生激励作用，但是在实际电力系统中，发电机组和负荷都具有碳减排的潜力，仅在单侧设计碳交易激励机制，无法充分发挥两侧的减排效果。因此发电侧和负荷侧双方都应该承担碳排放责任，至于双方应该各自承担多少比例的碳排放责任，目前暂没有统一定论，仍处于探索研究阶段。传统研究认为电力系统碳排放主要由发电侧承担，即发电侧承担100%碳排放责任。近年来，越来越多研究认为发电侧、负荷端都应该承担碳排放责任，文献[16-17]分析了双侧碳责任分担机制的有效性和合理性，并采用将发电侧和负荷侧各承担一半系统碳责任的原则，文献[18-20]提出了双端碳交易机制，将碳排放责任在发电侧和负荷侧进行共同分摊