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4. 2 不同调度模型对比分析
为说明所建低碳经济调度模型的合理性,本文首先对比分析三种模型的调度结果: ① 考虑阶梯型碳交易成本的低碳经济调度模型; ② 考虑统一型碳交易成本的低碳经济调度模型,统一型碳交易成本不对碳排放 量进行区间 划分,由统一 公式 F C =0 12018 , 42 ( 14 )˙能源转型与电力支撑˙http :// www.aeps-info. com
λ ( E P - E L )[ 12 ] 得出;
③ 在阶梯型碳交易模式下,仅以外购能源成本 F E 最小为目标函数的传统经济调度模型。三种模型的调度结果见表 1 和表 2 。
由表 1 可知,两种低碳模型与传统经济调度模型相比,碳排放量均大幅度减少,碳交易成本下降到传统调度的 40% 以下,能源成本虽略有提升,但系统运行总成本得到减少。模型 1 的碳排放量较模型2 下降了 19. 7t ,但付出的碳交易成本仅比模型 2 高出 0.06 万美元,运行总成本增加 0. 08 万美元,仍比模型 3 低 0.93 万美元。由此可见,低碳经济调度可减少系统碳排放量,其中阶梯型碳交易成本模型对碳排放量具有最严格的约束,并且仍可保证 IES 的经济性。
表 2 给出了三种模型调度结果的外购能源数据。结合表 1 、表 2 ,当加大对系统碳排放量的控制时,系统的外购能源将会从电力转向天然气,同时造成能源成本增加。模型 1 对碳排放量的控制最为严格,因此 IES 外购电力最少、天然气最多,与之对应,模型 1 的调度结 果碳排放量 最少、能源成本最高。
4. 3 碳交易价格对低碳经济调度的影响图 2 所示为阶梯型低碳经济调度各成本在不同碳交易价格下的变化趋势。随着碳交易价格的上升,碳交易成本在总成本中占比提高,系统逐渐加强对碳排放量的约束,外购能源由电力逐渐向天然气转移,能源成本增加;当系统与天然气网络交换功率达到上限时,能源成本稳定。
碳交易价格上升,系统外购电力减少使碳排放量减少,但同时单位碳交易成本增加。碳交易价格为 0~20 美元/ t 时,后者为主导因素,碳交易成本逐渐上升达 20 美元/ t 后,前者成为主导因素使得碳交易成本逐渐下降。当碳交易价格约为 44 美元/ t时,IES 实际碳排放量与无偿碳排放额达到平衡,继续提高碳交易价格使实际碳排放量低于无偿碳排放额,系统开始获得碳交易收益。当碳交易价格约为52 美元/ t 时,外购天然气量无法继续增长,实际碳排放量不再减少,碳交易成本基本随碳交易价格成正比下降。
系统运行总成本为两种成本之和,当碳交易价格低于 38 美元/ t 时,能源成本为主导因素,总成本逐渐上升;当碳交易价格高于 38 美元/ t 时,碳交易成本的变化量大于能源成本,总成本随碳交易成本的减少而下降。
4. 4 耦合元件容量对低碳经济调度的影响本文 IES 的耦合系统由 P2G 和燃气轮机构成。
耦合元件通过转换 IES 内部能量属性对低碳经济调度结果产生影响:
P2G 将时段内的多余电力转化为天然气,燃气轮机将天然气转化为“清洁电力”和热能。为了分析 P2G 和燃气轮机容量对低碳经济调度的影响,本文分三种场景进行讨论: ① 仅 P2G容量变化; ② 仅燃气轮机容量变化; ③P2G 和燃气轮机容量同时变化。图 3 给出了三种场景下 IES 碳交易成本的变化曲线,图 4 给出了三种场景下 IES能源成本和总成本的变化曲线。
由图 3 可知, P2G 容量对系统碳交易成本没有影响,燃气轮机容量对碳交易成本影响较大。风力发电具有反调峰性,在负荷低谷时风电自然出力较大,P2G 主要将负荷低谷时段的多余风电进行能量转化。风电既不参与无偿碳排放额的分配也不产生碳排放量,因此 P2G 容量不影响系统碳交易成本。
燃气轮机的容量增大,碳交易成本快速下降后趋于稳定。燃气轮机容量增大,IES 可获得由天然气提供的清洁电力,一方面增加了无偿碳排放额,另一方面单位电能的碳排放量也大大减少,所以碳交易成本下降。当容量变为原系统的 1.5 倍时,受与天然气网络交换功率上限的限制,燃气轮机不会增加功率输出,因此碳交易成本趋于不变。场景 3 的碳交易成本变化与场景 2 基本吻合。
由图 4 可知, P2G 和燃气轮机的容量在一定范围内增加可降低 IES 的能源成本和运行总成本。
P2G 将负荷低谷时段的风电转化为天然气,提高了系统对风电的消纳,减少了天然气的外购量,使能源成本随着 P2G 容量的增加线性下降;当 P2G 容量增加到可使弃风量为 0 时,则能源成本不再下降。
不同于电力网络中的燃气轮机,IES 中的燃气轮机能源利用率被大幅提高,其一方面为电能系统提供了清洁电力(减少外购电力),另一方面为热能系统提供了热能(减少锅炉消耗天然气),因此当其容量增加时,系统的能源成本下降;受与天然气网络交换功率上限的影响,后趋于稳定。场景 3 中,系统耦合元件容量变化量最大,因此其变化幅度最大,同时由于 P2G 也为燃气轮机提供一定的天然气量,因此场景 3 的能源成本和总成本稳定值为最低。
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