狄开丽，李鹏，华浩瑞

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市 071003)

计及碳排放成本的
交直流混合微网优化运行

狄开丽，李鹏，华浩瑞

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市 071003)

交直流混合微网可综合发挥交流微网与直流微网的特点，碳交易机制符合低碳经济理念。根据交直流混合微网的特点，建立了计及碳排放成本的交直流混合微网优化运行模型，通过对比不同权重下的经济指标和碳排放指标，研究碳交易机制的引入对混合微网优化运行的影响。在此基础上，引入双向换流器损耗模型，研究双向换流器损耗对混合微网经济调度的影响。算例结果表明，等权重调度策略具有更优的经济性和环保性，双向换流器损耗模型的引入改变了交流区域和直流区域可控微源出力，更加贴合实际。

交直流混合微网；碳交易；双向换流器损耗；优化运行

0 引 言

碳排放是关乎国家可持续发展战略的重要问题。在哥本哈根会议上，中国提出到2020年使单位GDP的CO2排放量比2005年下降40%～45%的目标[1]。而电力行业作为碳排放的主要行业，承担着减少碳排放、发展低碳经济的重要责任[2]。

碳交易[3-4]是为了应对全球气候变化，有效促进全球温室气体减排，减少CO2排放所采用的市场机制。碳排放权交易机制[5]的引入，使得CO2排放不再只作为排放成本考虑，而且能够通过碳交易获得收入，利用市场调节手段促使发电企业主动进行节能减排。目前，国内外的相关研究大多是将碳交易机制引入含清洁能源的电力系统经济调度[6-10]，针对交直流混合微网的研究较为匮乏。

交直流混合微网[11-12]同时具有交流母线和直流母线，可综合发挥交流和直流的特点，拥有更广泛的适用领域，是微网[13]的一种全新形式。交直流混合微网可减少设备变频装置的使用，从而降低设备的制造成本，减少因AC/DC或DC/AC多级能量变换引起的损耗。另外，因其同时兼容交流与直流区域，可降低先有微网的改造难度，降低系统配置与建造的综合成本，提高微网的综合经济效益。交直流混合微网拥有诸多优势，是微网技术发展的必然趋势。然而目前对交直流混合微网的研究还处于初步探索阶段，国内外学者针对交直流混合微网结网方式、控制技术、保护技术等方面[14-17]展开了研究，但针对交直流混合微网优化运行的研究相对欠缺。

由于交直流混合微网的交流区和直流区通过双向换流器相连[18]，两区域之间会有功率的流动，而交互功率通过双向换流器会有一定的损耗，损耗的大小将影响2个区域是否进行功率交互以及交互功率的大小，对混合微网的优化运行具有一定的影响。而在现有的文献中，缺少双向换流器损耗对交直流混合微网优化调度结果影响的分析研究。因此，本文基于低碳经济理念，将碳交易机制引入交直流混合微网优化运行，建立考虑碳排放成本的交直流混合微网优化模型，通过对比3种不同权重的经济指标和碳排放指标，考察碳交易机制的引入对混合微网优化运行的影响；同时，在上述优化模型基础上引入双向换流器损耗模型，研究双向换流器损耗对微网优化运行的影响。算例结果表明：等权重调度策略具有更优的经济性和环保性，引入双向换流器损耗将对混合微网可控微源的出力大小及2个区域交互功率的大小产生影响，更加贴合实际。

1 碳排放成本的分析

本文根据《2014年中国区域电网基准线排放因子》[19]确定碳排放限额。交直流微网的总碳排放限额公式参照文献[7]。

本文的碳排放成本包含2种费用：碳减排费用与碳交易费用。

假设碳交易市场为完全竞争市场，且碳交易价格为P[20]。若交直流微网的碳排放量大于其限额，那么可以通过内部减排、购买碳排放权或者对超额部分的排放量上交罚金的方式来达到减排目标，由于单位碳超额罚金往往比碳交易价格高得多，因此本文不考虑罚金方式，超额的碳排放量全部以购买碳排放权的方式完成。若以购买碳排放权为正，售出碳排放权为负，则碳交易量Etra的计算公式为

(1)

式中：Ei为交直流微网碳排放量；QC为单位时间碳排放限额；Er为内部减排量。

若边际碳减排成本为Cr(Er)，则其碳排放成本CT根据以下公式确定：

CT=Cr(Er)+P(Ei-QC-Er)

(2)

当Etra﹥0，即需要购买碳排放权，将支付碳交易费用，式(2)是单调递增函数；当Etra﹤0，可将多余的碳排放量售出获取碳交易收益，式(2)是单调递减函数。为了碳排放成本最小，对式(2)进行一阶求导并令其等于0可得：

(3)

由式(3)可知，当边际减排成本小于交易价格时，将采取减排措施直至边际减排成本与碳交易价格相等，此时将产生最小碳排放费用或者获得最大碳排放收益。

根据文献[21]可知，边际碳减排成本和碳减排率的关系如式(4)所示：

(4)

式中：RE为发电单元的碳减排率，其表达式如式(5)；a、b为常数。

若发电单元的最大出力为P0，CO2排放因子为KCO2，可得发电单元的碳减排率为

(5)

将式(5)代入式(4)、(3)可得到碳排放成本最低时的最优内部碳减排量Erbest：

(6)

由式(6)可知，当碳价确定时，发电单元的最优内部碳减排量为定值，从而碳减排成本确定。因此本文在优化之前先将边际减排成本与碳价做比较，若前者较小，则先进行内部减排，而后开始交直流混合微网的优化过程，计算碳排放权的购(售)量，其流程如图1所示。

图1 碳交易量及购(售)电量计算流程图Fig.1 Calculation flowchart of carbon trading volume and power purchasing and selling quantity

2 碳交易机制下的交直流混合微网优化模型

2.1 交直流混合微网结构

交直流混合微网的直流区域与交流区域通过双向换流器相连，两区域均可有微型燃气轮机(micro turbine，MT)、燃料电池(fuel cell，FC)、光伏(photovoltaic， PV)、风电(wind turbine，WT)等分布式电源和储能装置(energy storage，ES)，并通过不同种类的换流器连接到交、直流母线。与普通微网一样，交直流混合微网通过公共耦合点(point of common coupling，PCC)与大电网相连通，可实现并网与孤岛运行2种形式，整体结构如图2所示。

交直流微网包括交流区域与直流区域，采用分区优化后，微网的运行状态会出现以下3种情况：(1)交、直流区域都存在功率缺额；(2)其中一个区域出现功率缺额；(3)2个区域均不存在功率缺额。当出现第1种情况时，功率缺额需要通过大电网补足；第2种情况时，功率缺额需要由另一个不存在功率缺额的区域和大电网共同补足，由此会产生交、直流2个区域之间的交互功率。由于微网交、直流2个区域是通过AC-DC双向换流器连接，当交互功率通过换流器时会产生损耗。若2个区域通过进行功率交互所节约的费用小于换流器损耗折算费用时，将不进行功率交互，其功率缺额由大电网补足。

2.2 目标函数

本文的计及碳排放成本的交直流混合微网优化问题，是综合考虑了经济成本、碳排放成本的多目标优化问题。

经济成本包括燃料费用、发电设备的运行维护费用、购(售)电费用、双向换流器损耗折算费用和污染折算费用，其计算公式如式(7)所示：

(7)

碳排放成本CT按式(2)计算。

综上，本文的目标函数是包括燃料费用、运行维护费用、购(售)电费用、换流器损耗折算费用、污染折算费用和碳排放成本的综合费用最低：

minF=CEc+CT

(8)

2.3 约束条件

(1)全系统能量平衡约束：

∑Pi+Pbs+Pbat=Pload+Ploss+Pinter(1-η)

(9)

图2 交直流混合微网结构图Fig.2 Structure of AC-DC hybrid microgrid

(2)交流区功率平衡约束：

(10)

(3)直流区功率平衡约束：

∑Pi,DC+Pbat,DC+Pinter,AC/DC=Pload,DC+Ploss,DC

(11)

(4)发电单元输出功率约束：

(12)

(5)并网联络线容量约束：

(13)

(6)碳排放配额约束：

Ei-QC=Er+Etra

(14)

(7)蓄电池电池容量和功率容量约束：

(15)

(8)蓄电池容量连续性约束：

(16)

3 算例

3.1 算例数据

算例结构如图3所示。风力发电只接入直流区域，光伏发电只接入交流区域。大电网通过PCC与交直流混合微网的交流母线相连，购(售)电功率的上限为100 kW，下限为-100 kW。直流区域配有微燃机1台，功率上限为65 kW，下限为5 kW；燃料电池1台，功率上限为120 kW，下限为10 kW；储能装置的最大、最小电量分别为150，20 kW·h，最大充放电功率为40 kW，充放电效率取92%。交流区域配有同型号的微燃机、燃料电池、储能装置各1台。直流区域与交流区域通过双向换流器相连，取由交流区向直流区输送功率为正，其交互功率的上限为100 kW，下限为-100 kW，双向换流器的效率取90%。假设所有的碳交易均通过清洁发展机制(clean development mechanism，CDM )进行，碳交易价格为150元/t[8]，碳交易限额为原碳排放量的90%，不考虑碳排放超额罚款和机组的启停。

图3 交直流混合微网算例结构Fig.3 Structure of AC-DC hybrid microgrid example

可控微源发电功率与燃料成本的关系曲线如图4所示，天然气的低热值为9.7 kW·h/m3，价格为2.8元/m3。

图4 可控微源发电功率与燃料成本的关系曲线Fig.4 Relationship curve of controllable micro source power and fuel cost

交直流混合微网向大电网购(售)电按分时电价计费，风力发电和光伏发电按照MPPT模式运行，采用日前预测数据，其功率全额收纳。交流区域与直流区域的负荷预测、风光输出功率预测及分时电价曲线如图5所示。

3.2 算例结果

3.2.1 优化结果分析

交直流混合微网在1天运行中，总成本为4 686.18元，其中交流区域微燃机生产电能1 107.75 kW，燃料电池生产电能2 015.1 kW；直流区域微燃机生产电能774.15 kW，燃料电池生产电能2 318.5 kW；总购电量为1 641.15 kW，总售电量为177.70 kW；购买碳排放量84.31 kg，售出碳排放量52.72 kg。

图5 风光、负荷预测和电价曲线Fig.5 Electric price and power predication curves of PV、WT and loads

直流混合微网的优化结果如图6—8所示。由图8可知，在0～7、23～24时段，微网中负荷较轻，电价较低，购电量以及各微源发出的多余电量给蓄电池充电；在11～15、19～20时段，微网的负荷达到最大，可控微源的发电成本小于电价，因此可控微源输出功率很大，蓄电池放电，并将多余电量售出获取售电收益；在8～10、16～18、21～22时段，电价处于平时段，各微源出力及购电量满足功率平衡，蓄电池既不充电也不放电。在0～7时段，微网负荷轻且电价低，可控微源的发电成本大于电价，为了获得最大收益，微网向大电网购电量达到上限，可控微源发电量处于发电下限，在满足功率平衡的同时，减少了CO2排放，将多余的碳排放限额售出获得碳交易收益；在8～24时段，负荷相对较大，可控微源的CO2排放量大于其限额，因此需要购买碳排放权。在整个时段对比购售电量曲线与碳交易曲线可知，两曲线的变化趋势完全相反，这是因为CO2的排放来自可控微源，当购电量增加，可控微源的出力减少，CO2的排放减少，若此时CO2排放量大于限额，则碳排放购买量减少；若此时CO2排放量小于限额，则碳排放售出量增大。

3.2.2 不同碳排放成本权重系数下优化结果比较

本文考察的指标为经济成本和碳排放成本，为探讨碳交易机制的引入对交直流混合微网经济调度的影响，本文采用了如表1所示的3种不同的指标权重系数进行仿真验证。其中情景1采用相同的权重系数(即等权重调度)，情景2采用较大的碳交易权重系数(即高碳排放权重调度)，情景3为未引入碳交易时的经济调度(即一般调度)。

图6 交流区域优化结果Fig.6 Optimization results of AC area

图7 直流区域优化结果Fig.7 Optimization results of DC area

图8 交直流混合微网整体优化结果Fig.8 Whole optimization results of AC-DC hybrid microgrid

情景1和情景2的碳交易量情况如图9所示。3种情景下的成本如表2所示。

图9 等权重调度和高碳排放权重调度下的碳交易量 元Fig.9 Carbon trading volume under equal weight dispatch and high carbon emission weight dispatch

从图9可以看出，相比于等权重调度，高碳排放权重调度在0～7时段售出的碳排放量增多，8～23时段购买的碳排放量减少，24时段由原来的购买碳排放权转为售出碳排放权，由此减少了碳交易成本。

从表2可以看出，等权重调度时，混合微网优化运行总成本最低，因为对于一般调度，CO2只能作为污染物付出排放费用，此费用较大，而当考虑碳交易时，碳排放量既可以购入付出费用也可以售出获取收益，因此等权重调度较一般调度更为经济环保；对于高碳排放权重调度，由于碳排放权重系数较大，微网通过增加电能的购买量和减少电能的售出量使得可控微源出力降低，进而减少CO2的排放，但此时购售电成本的增加量远远大于其他成本的减少量，因此高碳排放权重调度相比于等权重调度，其运行成本增加。

3.2.3 考虑换流器损耗对交直流混合微网优化运行的影响

不考虑换流器损耗和考虑换流器损耗时，交流区域和直流区域的可控微源总出力、总购售电量及总交互功率如表3所示，2个区域各时段的交互功率如图10所示。

表3 考虑/未考虑双向换流器损耗时可控微源的出力、购售电量和交互功率情况
Table 3 Controllable micro source output, power purchasing and selling quantity and interactive power with or without considering bidirectional converter loss kW

图10 2种情况下各时段的交互功率Fig.10 Interactive power at each time period under two cases

由表3可以看出，考虑双向换流器的损耗后，交流区域可控微源的总出力减少，直流区域可控微源的总出力增加，交互功率总量降低。这是因为交流区域与直流区域的单位发电成本不同，在未考虑换流器损耗时，单位电量成本低的交流区域尽可能多地发电，并将多余电量输送至直流区域，以减少经济成本；当考虑换流器损耗时，若换流器损耗折算成本大于2个区域单位电量成本的差价，将停止或者减少功率交互，而出现功率缺额的直流区域将会增加发电量来补足缺额的功率。

由图10可以看出，在电价较低时，交流区域尽可能地向外网购电，并将额外功率通过双向换流器传送至直流区域；在电价较高时，直流区域微源发电量增加，并将额外功率通过双向换流器传送至交流区域，交流区域将剩余功率售出获取利益。不考虑换流器损耗时，只要交流或直流一个区域出现功率缺额，并且大电网不能够补足缺额功率时，另一个不存在缺额的区域就会向其输送电能。当考虑换流器损耗时，整体来说2个区域之间的交互功率有所降低；在7、10、21时段，双向换流器没有流动功率，这是因为在这3个时段通过功率交互所节省的发电费用比换流器损耗折算费用高。

因此，在考虑双向换流器的损耗后，可控微源的出力情况发生改变，并且只有当通过功率交互所节约的成本大于换流器损耗折算费用时，交流区域和直流区域之间才会有功率流动，相比于不考虑换流器损耗的情况更加符合实际。

4 结 论

(1)本文将碳交易机制引入交直流混合微网的优化模型中，建立了碳排放成本模型，利用市场调节手段促使微网主动进行节能减排。算例结果显示，可控机组碳排放量和电价对碳交易的影响较大，且碳交易曲线与购(售)电量曲线变化趋势完全相反。

(2)本文对比了3种不同权重系数下的调度策略，优化结果显示，相比于一般调度策略和高碳排放权重调度策略，等权重调度策略具有更优的经济性和环保性。

(3)本文引入双向换流器损耗模型，研究双向换流器损耗对交直流混合微网优化运行的影响。算例结果表明，引入换流器损耗模型后，交流区域与直流区域的可控微源出力情况改变，2个区域的总交互功率降低，且只有当通过功率交互所节约的费用大于换流器损耗折算费用时，2个区域间才会有功率流动，相比于不考虑换流器损耗的情况更加贴近实际。

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(编辑 张媛媛)

Optimal Operation of AC-DC Hybrid Microgrid Considering Carbon Emission Cost

DI Kaili, LI Peng, HUA Haorui

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Baoding 071003, Hebei Province, China)

AC-DC hybrid microgrid can give full play to the complementary advantages of AC microgrid and DC microgrid, whose carbon trading mechanism conforms the concept of low-carbon economy. According to the characteristics of AC-DC hybrid microgrid, this paper constructs the optimization model of AC-DC hybrid microgrid with considering the cost of carbon emission. By comparing the different weights of the economic indicator and carbon emission indicator, this paper studies the influence of carbon trading mechanism on the optimal operation of hybrid microgrid. On this basis, this paper introduces a loss model of the bidirectional converter and studies the influence of the bidirectional converter loss on the economic dispatch of hybrid microgrid. The simulation result shows that the equal weight dispatch strategy has better economic and environmental protection, and the application of the bidirectional converter’s loss model changes the controllable micro source output in AC area and DC area, which is more applicable for the real needs.

AC-DC hybrid microgrid; carbon trading; bidirectional converter loss; optimal operation

国家自然科学基金项目(51577068)

TM 734

A

1000-7229(2016)07-0012-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.002

2016-03-28

狄开丽(1991)，女，硕士研究生，主要研究方向为新能源并网发电与微网技术；

李鹏(1965)，男，博士，教授，IEEE高级会员，主要研究方向为新能源并网发电与微网技术、电能质量分析与控制、电力电子技术在智能电网中的应用等；

华浩瑞(1992)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源并网发电与微网技术。

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (51577068)