计及全过程碳足迹和灵活输出模型的综合能源系统低碳经济运行

2023-12-07钱俊杰徐懂理袁乐李广华高瑞阳徐北硕

广东电力 2023年10期

钱俊杰，徐懂理，袁乐，李广华，3，高瑞阳，徐北硕

(1. 南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167；2. 国网泰州供电公司，江苏泰州 225300；3. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102)

社会经济的高速发展使得环境污染、化石能源短缺和全球气候变暖等问题日益突出，在此背景下，我国提出了力争在2030年前实现碳达峰、在2060年前实现碳中和的“双碳”目标[1]。国家发展改革委和国家能源局也在“十四五”规划和2035远景目标中明确指出要建设清洁低碳、安全高效的能源体系，加强源网荷储衔接，提升清洁能源消纳能力[2-3]。综合能源系统(integrated energy system，IES)内部将多种形式的能源进行耦合并联合供应，打破了电、热、气等传统能源体系独立运营的壁垒[4]，使各能源在生产、传输、分配、转换、存储、消费等环节有机协调[5]，有利于提高能源利用效率，降低能源使用成本，促进新能源消纳，对推动能源可持续发展具有重要意义。

氢能是一种具有高热值、低污染、易储存、转换形式多样等特点的清洁能源[6]，其可以与电能、天然气、热能等多种能源耦合互补，以此提高IES的能源利用灵活性，对实现IES低碳运行和“双碳”目标具有重要意义。目前对IES中氢能流的研究主要集中在制氢、氢转气、氢转电热和储氢等方面。文献[7-8]构建了含电转气(power-to-gas，P2G)技术的IES，促进了风光消纳；文献[9]在考虑P2G的基础上细化了P2G的两阶段模型，引入电解槽、甲烷反应器、氢燃料电池等设备，提高了IES的低碳经济性；文献[10-11]对P2G设备中的制氢环节进行精细化建模，细致分析了氢能利用机理和氢能利用环节的能量转换形式。上述文献大多从能流分析与优化的角度出发，研究氢能在IES中的运用，但多数建模过程将氢能设备能量流转换效率视为常数，忽略了实际运行过程中负载功率等外在因素的影响，无法正确反映氢能各环节设备实际运行情况。

热电联产(combined heat and power，CHP)机组因具有低成本、高能源利用率、低污染、高安全性等优点，在IES中被广泛利用。然而CHP机组运行模式大多为“以热定电”或“以电定热”，其恒定热电比往往很难实现电、热负荷的最优供给配置，难以同时满足IES的电、热需求，因此，现有研究提出了多种CHP解耦方式[12-13]。文献[14]在传统CHP机组中引入了有机朗肯循环(organic Rank cycle，ORC)来打破热电耦合，将用电高峰时的部分余热用于发电，从而灵活调节CHP热电比；文献[15]在电解制氢环节引入了储氢罐，通过燃料电池和ORC余热发电系统的耦合来改善热电耦合性能。上述文献大多对CHP机组中过剩的低温余热进行回收利用，然而燃气轮机所生产的热多为中高温余热，具有变温蒸发特性的卡琳娜循环(Kalina cycle system，KCS)在中高温余热回收方面有着更高的利用效率[16]。

碳排放权交易(carbon emission trading，CET)机制能够优化IES资源配置并促进节能减排。文献[17]在IES的优化调度中考虑了CET机制，计及CET成本，通过优化调度过程减少IES碳排放；文献[15，18]提出了阶梯式CET机制，进一步减少IES碳排放；文献[19-20]运用生命周期评价(life cycle assessment，LCA)法分析IES中各能源流在生产、运输和使用等环节的碳排放并纳入优化目标。上述文献所建立的IES碳排放模型大多不计及外部购能所包含的碳排放，或是采用宏观统计法，利用固定的平均碳排放因子来计量外部购能的碳排放，无法准确核算IES的碳足迹。

本文在已有研究的基础上，提出一种计及全过程碳足迹和灵活输出模型的IES低碳经济运行模型。首先，考虑系统中氢能设备的实际运行特性，对氢能设备进行精细化建模，在传统CHP机组中引入KCS和电锅炉，建立氢能和CHP设备的灵活输出模型；然后，为对IES中全过程碳足迹进行核算，引入碳排放流理论，通过基于碳排放流理论的节点碳势对系统中外生碳足迹进行核算，利用生命周期评价法计量系统中内生碳足迹，并计算出阶梯型碳交易机制下的碳交易成本；最后，以系统运行总成本和碳交易成本最小为目标，构建IES低碳经济运行模型。以一个典型的IES为算例进行仿真分析，来验证本文所提的计及全过程碳足迹和灵活输出模型的IES低碳经济运行模型的有效性和实用性。

1 计及灵活输出模型的IES架构

本文构建的计及灵活输出模型的IES架构如图1所示。IES涉及电、气、热、氢4种能源形式，系统与外部电网及气网相连接，通过各多能耦合设备将各形式能源供应给负荷，内部主要包含风电机组(wind turbine，WT)、光伏(photovoltaic，PV)、蓄电池(battery，BT)、电解槽(electrolytic，EL)、甲烷反应器(methane reactor，MR)、氢燃料电池(hydrogen fuel cell，HFC)、储氢罐(hydrogen tank，HT)、CHP、燃气锅炉(gas boiler，GB)、蓄热槽(heat storage，HS)、储气罐(gas storage，GS)，CHP主要由燃气轮机(gas turbine，GT)、余热锅炉(waste heat boiler，WHB)、KCS和电锅炉(electric boiler，EB)构成。

图1 计及灵活输出模型的IES架构Fig.1 IES architecture with flexible output models

1.1 氢能设备灵活输出模型

氢能具有高效、低碳、清洁等特性，且可以有效促进风光消纳，是实现IES低碳经济运行的重要组成部分。在IES中氢能流主要包含电解制氢环节、氢制甲烷环节、氢转电-热环节及储氢环节。

1.1.1 电解制氢环节

EL是IES的主要产氢设备，EL的产氢效率可用其消耗电功率的标幺值的二次函数来近似表示[21]，其模型为：

(1)

1.1.2 氢制甲烷环节

MR是氢制甲烷环节的主要设备，其利用EL产出的氢气与CO2反应生成甲烷注入天然气管道供应给气负荷，模型为：

(2)

1.1.3 氢转电-热环节

HFC将氢气与氧气的化学能转化为电能及热能分别供应给电、热负荷，其可以直接消耗氢能，减少能量转换过程中的损耗，同时可发挥氢能燃烧不产生碳排放且燃烧效率高于天然气的优势。HFC的发电效率和产热效率可用其输出电功率标幺值的五次函数来近似表示[22]，其模型为：

(3)

1.1.4 储氢环节

HT在IES中主要为氢能设备提供氢能并储存多余的氢能，其模型如下：

(4)

1.2 CHP热电灵活输出模型

传统的CHP机组有“以热定电”和“以电定热”2种运行模式。CHP机组中GT以恒定的热电比输出，在产生热(电)的同时必然会产生电(热)，而CHP的恒定热电比难以匹配电、热负荷的变化，只能以发热(电)量的大小来确定发电(热)量[23]。为此，本文在CHP机组中引入KCS和EB，将其与GT和WHB相结合，建立CHP灵活输出模型，打破热电耦合，从而实现IES电、热灵活响应。

1.2.1 GT模型

(5)

1.2.2 WHB模型

(6)

1.2.3 KCS模型

(7)

1.2.4 EB模型

(8)

1.2.5 GT电、热功率传输模型

GT电功率流向EB及系统电负荷，GT热功率流向WHB及KCS。

(9)

式中：Pnet，t为t时段GT流向系统电负荷的功率。

1.2.6 CHP电、热输出模型

(10)

2 计及全过程碳足迹的碳交易机制模型

IES的全过程碳足迹包括外生碳足迹和内生碳足迹2个部分[24]。外生碳足迹即IES汲取自外部电网或气网的能流对应的碳足迹；内生碳足迹是指IES内部设备运行过程中所产生的碳排放足迹，主要碳排放源包括CHP机组、风光机组、氢能设备和储能装置等。

2.1 外生碳足迹

在当前研究中，大多不计及外购能源所蕴含的碳排放，或是采用宏观统计法，利用固定的平均碳排放因子来计量外部购能的碳排放，无法准确核算IES的碳足迹。因此，本文引入碳排放流理论，通过基于碳排放流理论的节点碳势对系统中外生碳足迹进行核算。

根据碳排放流相关定义[25-27]，IES外购的电能和天然气的碳排放量为：

(11)

2.2 内生碳足迹

IES除向外部电网、气网购能产生外生碳排放外，还有内部机组日常运行时会产生内生碳排放，本文采用LCA法对IES中燃气机组、风电光伏机组、氢能设备和储能装置在生产建设、运输、运维等整个生命周期所产生的碳足迹进行核算。

a)风光机组。由于风电、光伏等新能源机组在运行过程中所产生的碳排放极少，可以忽略不计[19]，故风光机组的LCA能量循环碳排放可分为生产建设和运输2个阶段。关于风电光伏机组的LCA能量循环碳排放已有较多文献研究，本文参考文献[28]，风、光机组的LCA碳排放系数δWT、δPV分别取9.5 g/kWh、86 g/kWh。

b)氢能设备机组。IES中氢能设备主要由EL、MR和HFC组成，设备的生产建设和出厂运输环节是LCA能量循环碳排放的主要来源。

EL的LCA碳排放特性为：

(12)

式中：δEL为EL每单位产氢量的实际总碳排放系数；δpEL、δtEL分别为EL在生产建设、运输过程中每单位产氢量的碳排放系数；ηEL为在LCA统计中EL单位标准产氢量与能耗的换算系数；φpELi为EL生产建设过程中第i种材料的损耗系数；QpELi、VpELi分别为EL生产建设过程中第i种材料的碳排放强度、内能值；QtELi、VtELi分别为EL运输环节中第i种燃料的碳排放强度、运输损耗值。

MR在IES中可吸收一部分CO2与氢气反应生成甲烷，同时参考文献[29]，MR的LCA碳排放系数δMR为-136.4 g/kWh；HFC的LCA碳排放特性与EL类似，根据欧盟委员会报告[30]，HFC碳排放系数δHFC为29 g/kWh。

c)储能设备。当前暂无针对热能、天然气和氢能的LCA碳排放计量的研究，故本文仅考虑电储能的LCA碳排放。BT的LCA能量循环碳排放可分为生产建设和运输2个阶段，即：

(13)

式中：δBT为BT的实际总碳排放系数；δpBT、δtBT为BT在生产建设、运输过程中的碳排放系数；ηBT为在LCA统计中BT单位标准电量与能耗的换算系数；VpBTij、QpBTij分别为BT在生产建设过程中第i个阶段第j种材料的能耗、碳排放强度；αj为生产建设过程中第j种材料的单位损耗系数；VtBTij、QtBTij分别为运输过程中第i种运输方式第j种燃料的能耗、碳排放强度。

采用LCA法对IES中内生碳足迹进行计量，得到IES内生碳排放量

(14)

式中：Ω为IES内设备集合；δi为IES中第i个设备的碳排放系数；Pi为IES中第i个设备的出力。

2.3 阶梯式碳交易机制

碳排放配额系数参考国家有关部门下达的碳排放配额分配方案。当前碳交易市场并未对储能设备和氢能设备设置碳排放配额，故本文储能设备和氢能设备无碳排放配额。

阶梯式碳交易成本模型为：

(15)

式中：fc为IES碳交易成本；λc为碳交易基价；Er为实际总碳排放量；Ec为碳排放配额；d为碳排放区间长度；αc为碳交易价格增长因子。

3 IES低碳经济运行优化模型

3.1 目标函数

本文所提的计及全过程碳足迹和灵活输出模型的IES低碳经济运行模型以24 h为调度区间、1 h为步长进行优化调度，以IES总成本F最小构建目标函数，其中总成本包括碳交易成本、系统运维成本和购能成本，碳交易成本见式(15)。

minF=fbuy+fom+fc，

(16)

(17)

(18)

式(16)—(18)中：fbuy、fom分别为IES购能成本、运维成本；λi为系统中第i个设备的运维成本；Pi，t为t时段第i个设备的功率；λe，t、λg，t分别为t时段的电价、天然气价。

3.2 约束条件

3.2.1 设备运行约束

氢能设备灵活输出模型约束条件见式(1)—(4)，CHP灵活输出模型约束条件见式(5)—(10)。IES内其他能源转换设备及储能设备同样需满足包括输出功率上、下限约束、爬坡率约束和储能约束，具体为：

(19)

(20)

3.2.2 功率平衡约束

(21)

3.3 模型求解

本文所建立的计及全过程碳足迹和灵活输出模型的IES低碳经济运行模型属于混合整数非线性优化模型，因此，本文在MATLAB环境下在Yalmip平台建立优化模型，并通过Yalmip工具箱调用IPOPT求解器进行求解。

4 算例分析

4.1 仿真参数设置

为验证本文所提的计及全过程碳足迹和灵活输出模型的IES低碳经济运行模型的有效性和实用性，以1个典型的IES为例进行仿真分析。对IES中1日24 h内风光出力和电、热、气负荷分别进行预测并绘制新能源出力与负荷预测曲线，如图2所示。能源价格中，电价采用分时电价计价方式，天然气价取4.5元/m3，折算到元/kWh，按0.45元/kWh计算，具体价格见表1。

表1 分时电价与天然气价Tab.1 Time-of-use electricity and gas prices

图2 新能源出力与负荷预测曲线Fig.2 New energy output and load forecast curves

IES中各设备参数见表2。外购电能的碳排放密度如图3所示，外购天然气的碳排放密度不随时间而变化，取560 g/kWh。采用LCA法对系统中各设备的碳排放系数整理归一化至统一参数单位，IES各环节碳排放系数见表3。

表2 设备参数Tab.2 Equipment parameters

表3 系统内各设备LCA碳排放系数Tab.3 LCA carbon emission coefficient of each device in the system

图3 外购电能的碳排放密度曲线Fig.3 Carbon emission intensity of external input power

4.2 氢能设备灵活输出模型分析

氢能运行结果如图4所示。由图4可知，系统氢能全部来自于EL，耗氢设备主要为HFC和MR。氢能设备均在00：00—09：00和18：00—24：00时段运行，而其他时间氢能设备处于停机状态，这是由于在00：00—04：00和24：00时段系统电负荷较低，热负荷较高且电价处于低谷时段，EL全功率产出氢气输入到MR和HFC供应气负荷、电负荷和热负荷；在05：00—9：00和18：00—23：00时段，氢能设备的出力随着系统负荷和风光出力的变化而减少或增加；HT在03：00—07：00和24：00处于充能状态并在00：00—02：00、08：00—09：00和18：00—19：00时段放氢以满足HFC的用氢需求。

图4 氢功率平衡图Fig.4 Diagram of hydrogen power balance

4.3 热电联产设备灵活输出模型分析

本文在传统CHP机组的基础上引入KCS和EB，建立热电联产设备灵活输出模型，电、热功率运行结果如图5、6所示。

图5 电功率平衡图Fig.5 Diagram of electric power balance

由图5、6可知，IES电负荷需求主要由外部购电、风光出力和CHP机组共同满足，IES热负荷需求主要由HFC、CHP和GB共同供给。CHP机组主要在热负荷高的夜间时段提供热出力，在电负荷高的白天时段提供电出力，打破了“以热定电”或“以电定热”的限制，实现了热、电灵活输出。

CHP机组热电出力情况如图7所示，GT输出的电、热功率流向如图8、9所示。结合图7、8、9可知，在10：00—19：00时段，由于热负荷较低且电负荷和电价较高，CHP机组完全充当一个发电设备，GT生产的电能全部流向IES，GT生产的热能全部输入KCS供给系统电负荷；在00：00—07：00和23：00—24：00时段，由于电负荷较低且热负荷较高，同时风电出力充足，CHP机组完全充当产热设备，GT产生的热能全部输入WHB，GT产生的电能输入EB供应系统热负荷；在08：00—09：00和20：00—22：00时段，CHP机组根据电、热负荷情况，灵活调整电、热输出情况。

图7 CHP机组出力情况Fig.7 Output of CHP unit

图8 GT输出的电功率流向Fig.8 Electric power flow direction of GT output

图9 GT输出的热功率流向Fig.9 Thermal power flow direction of GT output

4.4 计及全过程碳足迹的碳交易机制模型分析

本文引入碳排放流理论，通过基于碳排放流理论的节点碳势对IES中外生碳足迹进行核算，利用LCA法对系统中氢能等设备建立能量循环碳排放模型，计算内生碳排放量。IES碳排放比例和外生碳排放量分别如图10、11所示。

图10 IES碳排放比例Fig.10 Diagram of carbon emission ratio in IES

图11 IES外生碳排放量Fig.11 Diagram of carbon emission in IES

由图10、11可以看出，系统主要碳排放源自向外部购能的外生碳排放量，其中外购的天然气中所蕴含的碳排放量是外购电能的2.9倍。当配电网碳势较低时，IES向外网中购入高比例清洁能源电能，将其存储或输入氢能设备，此时IES中燃气机组的发电量全部输入EB以供给热负荷；当配电网中碳势较高时，系统减少向外网购电，KCS将燃气机组所生产的热能转化为电能，BT将碳势低时所存储的高比例清洁能源电能放出以满足系统电负荷。