摘要 針對(duì)微電網(wǎng)中缺乏對(duì)碳排放流特性的精確刻畫(huà)，導(dǎo)致運(yùn)行層面中微電網(wǎng)的低碳運(yùn)行方式和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式之間矛盾凸顯，低碳和經(jīng)濟(jì)難以兼顧的問(wèn)題，構(gòu)建了計(jì)及綠電制氫和多能耦合的電-氫一體化運(yùn)行框架，提出了綜合考慮碳排放流和低碳需求響應(yīng)的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同雙層優(yōu)化調(diào)度模型。上層優(yōu)化調(diào)度模型中，以風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化工業(yè)園區(qū)為典型微電網(wǎng)場(chǎng)景，以低碳性和經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)最優(yōu)為目標(biāo)，將源側(cè)碳交易機(jī)制融入調(diào)度決策目標(biāo)中，充分挖掘微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同運(yùn)行方式，以此制定微電網(wǎng)最優(yōu)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略；下層低碳需求響應(yīng)模型中，以微電網(wǎng)用戶碳減排所節(jié)約的碳排放成本為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)建立微電網(wǎng)能量流與碳排放流的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)碳排放責(zé)任的轉(zhuǎn)移和分?jǐn)傄约皩?duì)微電網(wǎng)運(yùn)行中的碳排放特性精細(xì)化評(píng)估，進(jìn)而建立由負(fù)荷碳排放強(qiáng)度時(shí)空差異性引導(dǎo)用戶參與碳減排策略的低碳需求響應(yīng)（demond response，DR）模型，深入挖掘微電網(wǎng)源-荷間的低碳性和經(jīng)濟(jì)性間的協(xié)同性。以某工業(yè)園區(qū)微電網(wǎng)為例，驗(yàn)證了所提模型能有效兼顧系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。
1 電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳運(yùn)行框架
1.1 電-氫耦合微電網(wǎng)低碳運(yùn)行框架
本文所研究的電-氫耦合微電網(wǎng)低碳運(yùn)行框架如圖1所示。微電網(wǎng)主要配置包括以燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine，GT）、光伏、風(fēng)電、氫燃料電池為主的電源，電化學(xué)儲(chǔ)能以及以電解水制氫裝置、工業(yè)負(fù)荷為主的用電負(fù)荷。
如圖1所示，電解槽將空氣中的水蒸氣經(jīng)電解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣。其產(chǎn)生的氫氣經(jīng)變壓吸附提純，一部分通過(guò)HFC進(jìn)行氫能產(chǎn)電以代替燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，降低了外部購(gòu)電成本和購(gòu)氣成本，提高了微電網(wǎng)運(yùn)行的低碳性；另一部分存于儲(chǔ)氫罐中，在氫能供應(yīng)不足時(shí)及時(shí)提供氫氣，提高了氫能的利用效率。另外，電解槽產(chǎn)生的氧氣可通過(guò)儲(chǔ)氧罐收集，以備園區(qū)或其他場(chǎng)景供應(yīng)不足時(shí)使用。
1.2 電-氫一體化相關(guān)設(shè)備模型
綠氫是指通過(guò)可再生能源電解水制氫或生物質(zhì)等其他環(huán)保方式制氫，與基于碳基原料生產(chǎn)的灰氫、藍(lán)氫相比，綠氫在制氫端實(shí)現(xiàn)了低碳甚至零碳排放。
2 微電網(wǎng)碳交易模型
碳交易機(jī)制是一種在碳交易市場(chǎng)上進(jìn)行合法碳排放權(quán)買賣的交易機(jī)制。本文微電網(wǎng)系統(tǒng)的碳排放源主要包括GT和外購(gòu)電產(chǎn)生的碳排放量，根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特性，建立相應(yīng)的碳排放表達(dá)式為
3 考慮電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同雙層優(yōu)化調(diào)度模型
本文構(gòu)建考慮電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同雙層優(yōu)化調(diào)度模型。上層優(yōu)化調(diào)度模型以微電網(wǎng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，在電-氫聯(lián)合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，引入碳交易機(jī)制構(gòu)建低碳調(diào)度策略，并將運(yùn)行結(jié)果向下層傳遞。下層低碳DR模型基于多元負(fù)荷曲線，以負(fù)荷碳排放成本最小為目標(biāo)，引導(dǎo)多元用戶改變用能行為，并將調(diào)整后的負(fù)荷曲線傳遞給上層。上下層根據(jù)反饋條件反復(fù)迭代，直至收斂。
3.1 上層優(yōu)化調(diào)度模型
3.1.1 目標(biāo)函數(shù)
考慮電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型是以總運(yùn)行成本CTC最小為目標(biāo)，包括機(jī)組運(yùn)行成本COP、碳交易成本圖片棄風(fēng)棄光成本CN、購(gòu)能成本CBUY和電-氫一體化運(yùn)行成本CH，即
3.1.2 約束條件
3.2 下層低碳需求響應(yīng)模型
3.2.1 目標(biāo)函數(shù)
3.3 收斂條件
用戶碳排放成本直接受低碳DR的影響。理想情況下，隨著迭代次數(shù)增加，DR前后的碳排放成本之差逐漸減少，負(fù)荷轉(zhuǎn)移量也逐漸減少，當(dāng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移量減少至0時(shí)，得到兼顧低碳性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化調(diào)度方案。因此，本文以式（43）作為收斂條件，當(dāng)相鄰2次迭代的負(fù)荷調(diào)節(jié)值之差小于終止容差時(shí)，模型收斂。
式中：k為迭代次數(shù)；?為迭代終止容差。
3.4 模型求解步驟
本文所提微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同優(yōu)化模型經(jīng)二階錐松弛處理后，轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear program，MILP）問(wèn)題，可在GAMS平臺(tái)上利用CPLEX求解器對(duì)模型進(jìn)行求解，計(jì)算流程如圖2所示，主要步驟如下。
1）輸入數(shù)據(jù)。輸入負(fù)荷曲線、風(fēng)光日預(yù)測(cè)出力曲線、電-氫一體化設(shè)備參數(shù)和電源參數(shù)等數(shù)據(jù)。
2）求解上層優(yōu)化調(diào)度模型。通過(guò)求解上層優(yōu)化調(diào)度模型得到各電源出力和線路潮流結(jié)果，將其作為碳勢(shì)計(jì)算的已知量。
3）計(jì)算節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)。根據(jù)步驟2）得到的運(yùn)行結(jié)果，計(jì)算微電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的碳勢(shì)。
4）求解下層低碳DR模型。以多元負(fù)荷節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)時(shí)空分布特征為立足點(diǎn)，以用戶碳減排所節(jié)約的碳排放成本為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)建立用戶用電行為與碳勢(shì)的關(guān)系，進(jìn)而求解下層低碳DR模型，得到響應(yīng)后的負(fù)荷曲線。
5）判斷收斂條件。根據(jù)式（43）判斷是否滿足收斂條件。若收斂，轉(zhuǎn)步驟6）；若不收斂將優(yōu)化后的負(fù)荷數(shù)據(jù)傳至步驟2），重復(fù)上述步驟，直至收斂。
6）計(jì)算制氫量。根據(jù)最優(yōu)調(diào)度方案，計(jì)算制氫量，并分析不同場(chǎng)景的制氫效率。
7）輸出結(jié)果。輸出運(yùn)行結(jié)果、調(diào)度成本、碳排放量和制氫量等數(shù)據(jù)。
4 算例分析
4.1 系統(tǒng)參數(shù)
本文以某工業(yè)園區(qū)微電網(wǎng)冬季典型日的實(shí)際數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 h，調(diào)度周期為24 h，所構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。電負(fù)荷需求、風(fēng)光預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，地區(qū)分時(shí)電價(jià)如圖5所示，電-氫一體化環(huán)節(jié)中相關(guān)設(shè)備參數(shù)如表1所示，GT、儲(chǔ)能等設(shè)備相關(guān)系數(shù)如表2所示。基準(zhǔn)碳價(jià)為110元/t，棄風(fēng)、棄光成本取0.3元/kW，碳排放成本為120元/t，負(fù)荷調(diào)節(jié)比例取20%，單位購(gòu)氣成本取2元/m3，節(jié)點(diǎn)電壓幅值范圍為0.93 p.u.~1.07 p.u.，無(wú)功補(bǔ)償范圍為–200 kV·A~200 kV·A。
為驗(yàn)證本文所提微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同優(yōu)化模型的有效性，設(shè)置如下3種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。1）不考慮電-氫一體化環(huán)節(jié)和低碳DR機(jī)制；2）考慮電-氫一體化環(huán)節(jié)，不考慮低碳DR機(jī)制；3）同時(shí)考慮電-氫一體化環(huán)節(jié)和低碳DR機(jī)制。
4.2 各場(chǎng)景的成本對(duì)比分析
為驗(yàn)證本文所提模型的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比了3種場(chǎng)景下的成本計(jì)算結(jié)果，如表3所示。
由表3可知，相比場(chǎng)景1，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的總成本分別降低了41.1%和44.8%，微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到了提升。這是因?yàn)閳?chǎng)景2在引入電-氫一體化環(huán)節(jié)后，將新能源出力高峰時(shí)富余的電量經(jīng)電解槽轉(zhuǎn)換為氫能，并存入儲(chǔ)氫罐中，在新能源出力低谷時(shí)，將儲(chǔ)氫罐中的氫氣通過(guò)HFC產(chǎn)電以代替GT發(fā)電，降低了系統(tǒng)棄風(fēng)棄光成本、運(yùn)行成本和外購(gòu)電成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和氫能利用率。而場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上，通過(guò)低碳DR調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線，將高碳勢(shì)時(shí)段的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低碳勢(shì)時(shí)段，使源側(cè)在“源隨荷動(dòng)”條件下，進(jìn)一步降低GT運(yùn)行成本、外購(gòu)電成本和棄風(fēng)棄光成本。GT發(fā)電的氣源主要來(lái)自外部購(gòu)氣，因此購(gòu)氣成本與GT運(yùn)行成本成正比，故場(chǎng)景3購(gòu)氣成本最低，場(chǎng)景1購(gòu)氣成本最高。此外，從電-氫一體化成本可看出，場(chǎng)景3的電-氫一體化成本略低于場(chǎng)景2，這是因?yàn)榫G電制氫過(guò)程中的電能主要來(lái)自富余的風(fēng)能和太陽(yáng)能，而場(chǎng)景3通過(guò)低碳DR提高了新能源消納，從而降低了電-氫一體化成本。綜上，本文所提模型能夠優(yōu)化系統(tǒng)各項(xiàng)成本，進(jìn)而提高微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
4.3 系統(tǒng)碳排放量分析
為驗(yàn)證本文所提模型的低碳性，圖6對(duì)比了3種場(chǎng)景在不同時(shí)段的碳排放量。
由圖6可知，場(chǎng)景1~3系統(tǒng)總碳排放量依次為44.845 t、27.705 t和25.353 t，相比場(chǎng)景1，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的碳排放量依次降低38.2%和43.5%。這是因?yàn)閳?chǎng)景2在場(chǎng)景1的基礎(chǔ)上引入電-氫一體化環(huán)節(jié)，通過(guò)HFC發(fā)電代替GT發(fā)電以降低系統(tǒng)碳排放量。而場(chǎng)景3在用戶側(cè)進(jìn)一步引入DR策略，在新能源出力高峰時(shí)段，激勵(lì)用戶多用電；反之，在新能源出力低谷時(shí)段，引導(dǎo)用戶少用電，使系統(tǒng)在保證新能源消納的同時(shí)減少火電機(jī)組出力和外購(gòu)電量，進(jìn)而降低系統(tǒng)整體碳排放量，故場(chǎng)景3系統(tǒng)碳排放量最低。綜上，本文所提模型能有效提高系統(tǒng)低碳性。
4.4 電-氫一體化運(yùn)行結(jié)果分析
1）制氫量計(jì)算結(jié)果。
為分析制氫量的影響因素，以場(chǎng)景1和場(chǎng)景2為例，比較引入電-氫一體化環(huán)節(jié)前后系統(tǒng)的新能源出力，結(jié)果如圖7所示。
由圖7可知，場(chǎng)景2在引入電-氫一體化環(huán)節(jié)后顯著降低了棄風(fēng)棄光量，整體提高了新能源出力。這是因?yàn)閳?chǎng)景2引入電-氫一體化環(huán)節(jié)后，將富余的風(fēng)電和光伏經(jīng)電解槽生成綠氫，有效提高了新能源消納水平，降低了整個(gè)制氫過(guò)程中的碳排放量。根據(jù)圖4負(fù)荷曲線可知，在08:00—17:00，新能源占負(fù)荷比值較低，為滿足負(fù)荷需求，場(chǎng)景2的新能源出力大都用于滿足供需平衡，相比其他時(shí)段，整體上減少了新能源向電解槽的供電量，使系統(tǒng)在降低棄風(fēng)棄光的同時(shí)，也降低了整體的制氫量。
以場(chǎng)景2和場(chǎng)景3為例，分析不同棄風(fēng)棄光成本下的制氫情況，結(jié)果如表4所示。
由表4可知，不同場(chǎng)景的制氫量與單位棄風(fēng)棄光成本成正比，當(dāng)單位棄風(fēng)棄光成本較低時(shí)，新能源消納能力降低，導(dǎo)致制氫量下降。當(dāng)棄風(fēng)棄光成本較高時(shí)，為避免棄風(fēng)棄光，富余的新能源出力可用于電解槽制氫，提高了新能源消納能力和制氫量。
2）HFC調(diào)度結(jié)果。
為分析電-氫一體化環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)低碳性和經(jīng)濟(jì)性的影響，圖8展示了DR前后負(fù)荷變化情況，圖9對(duì)比了不同場(chǎng)景下GT與HFC的出力情況。
由結(jié)果可知，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3在引入電-氫一體化環(huán)節(jié)后，顯著提高了新能源消納，降低了GT出力。而場(chǎng)景3在場(chǎng)景2的基礎(chǔ)上通過(guò)低碳DR實(shí)現(xiàn)削峰填谷，一方面，在01:00—04:00和20:00—24:00新能源占負(fù)荷比值高峰時(shí)期，場(chǎng)景3的平均負(fù)荷水平高于場(chǎng)景2，以消納更多的新能源；另一方面，在14:00—19:00新能源占負(fù)荷比值低谷時(shí)期，場(chǎng)景3的平均負(fù)荷水平低于場(chǎng)景2，在保證供需平衡的前提下進(jìn)一步降低GT出力，最大程度挖掘了微電網(wǎng)低碳運(yùn)行的潛力。從HFC整體發(fā)電情況可知，HFC發(fā)電量直接受GT出力的影響，相比場(chǎng)景1的GT出力，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3在引入電-氫一體化環(huán)節(jié)后，HFC通過(guò)氫能產(chǎn)電代替GT發(fā)電，降低了GT的運(yùn)行成本和購(gòu)能成本，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。從HFC各時(shí)段發(fā)電結(jié)果可看出，在01:00—06:00，場(chǎng)景1~3的GT出力不變且處于最低水平，對(duì)應(yīng)的HFC出力水平也較低。在07:00—12:00，GT機(jī)組出力增加伴隨著HFC輸出功率增大，但10:00—12:00時(shí)新能源功率漲幅大于負(fù)荷漲幅，故需要減少場(chǎng)景2和場(chǎng)景3該時(shí)段的HFC發(fā)電以滿足供需平衡。
在13:00—17:00，新能源發(fā)電占負(fù)荷的比值降低，場(chǎng)景3通過(guò)低碳DR降低了負(fù)荷水平，同時(shí)也減少了HFC發(fā)電。在18:00—24:00，由于GT的整體出力較高，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3在該時(shí)段顯著提高了HFC輸出功率，以限制GT出力，提高系統(tǒng)低碳性。且該時(shí)段場(chǎng)景3的負(fù)荷值較大，在降低GT出力的同時(shí)進(jìn)一步激勵(lì)低成本、低碳的HFC發(fā)電以滿足供需平衡，從總體上兼顧了系統(tǒng)低碳性和經(jīng)濟(jì)性。
4.5 低碳需求響應(yīng)結(jié)果
為分析所提模型對(duì)微電網(wǎng)用戶側(cè)碳排放的影響，基于場(chǎng)景2和場(chǎng)景3，以新能源占負(fù)荷比值低谷時(shí)刻（18:00）為例，得到各節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)和需求響應(yīng)結(jié)果如圖10所示，以及各節(jié)點(diǎn)GT和新能源出力如圖11所示。
由圖10和圖11可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍GT機(jī)組出力較高且新能源出力較低時(shí)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的碳勢(shì)相對(duì)較高，反之，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)相對(duì)較低，因此節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)18和節(jié)點(diǎn)19的碳勢(shì)較高。節(jié)點(diǎn)6由于周圍節(jié)點(diǎn)火電機(jī)組出力和碳勢(shì)較高，使得節(jié)點(diǎn)6的碳勢(shì)較高，而其他節(jié)點(diǎn)的碳勢(shì)相對(duì)較低。從響應(yīng)結(jié)果來(lái)看，場(chǎng)景3在考慮低碳DR后，造成系統(tǒng)負(fù)荷分布發(fā)生變化，使得碳勢(shì)高的節(jié)點(diǎn)處負(fù)荷值降低、碳勢(shì)低的節(jié)點(diǎn)處部分負(fù)荷值升高，具體表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10、節(jié)點(diǎn)18和節(jié)點(diǎn)19的負(fù)荷值降低，而節(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)22的負(fù)荷值上升，這將有利于實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納，降低系統(tǒng)總體碳排放量。另外，從各節(jié)點(diǎn)火電機(jī)組出力進(jìn)一步驗(yàn)證了場(chǎng)景3的低碳性，具體表現(xiàn)為場(chǎng)景3通過(guò)低碳DR降低了高碳勢(shì)節(jié)點(diǎn)火電機(jī)組出力，使得高碳勢(shì)節(jié)點(diǎn)的碳排放量下降。因此，本文所提模型可通過(guò)對(duì)負(fù)荷分布進(jìn)行合理優(yōu)化，挖掘微電網(wǎng)源-荷側(cè)低碳運(yùn)行潛力。
4.6 收斂性分析
為在算例中驗(yàn)證本文所提雙層模型的收斂性，分別計(jì)算不同迭代次數(shù)下最大負(fù)荷調(diào)節(jié)差值和用戶碳排放成本，結(jié)果如圖12所示。
由圖12可知，隨著迭代次數(shù)增加，最大負(fù)荷調(diào)節(jié)差值和用戶碳排放成本逐漸減少，當(dāng)?shù)降?次時(shí)，最大負(fù)荷調(diào)節(jié)差值降為0，系統(tǒng)DR前后的負(fù)荷曲線相同，達(dá)到收斂條件，得到最優(yōu)低碳調(diào)度方案。
5 結(jié)論
本文綜合考慮碳排放流和低碳DR，建立了計(jì)及電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同雙層優(yōu)化模型，通過(guò)算例分析，得到如下結(jié)論。
1）提出的電-氫一體化微電網(wǎng)低碳運(yùn)行框架，一方面，將剩余的風(fēng)電和光伏經(jīng)電解槽生成綠氫，降低了整個(gè)制氫過(guò)程中的碳排放與棄風(fēng)棄光量；另一方面，在新能源出力低谷時(shí)段將儲(chǔ)氫罐中的氫氣通過(guò)HFC產(chǎn)電以代替GT發(fā)電，減少GT出力的同時(shí)降低了系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光成本、運(yùn)行成本和外購(gòu)電成本，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。
2）提出的考慮電-氫一體化的微電網(wǎng)低碳-經(jīng)濟(jì)協(xié)同雙層優(yōu)化調(diào)度模型綜合考慮了源側(cè)碳交易機(jī)制和荷側(cè)低碳響應(yīng)資源，通過(guò)對(duì)負(fù)荷分布進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)整，降低了新能源出力低谷時(shí)的GT出力，并提高了新能源出力高峰時(shí)的新能源消納水平，充分挖掘了多元負(fù)荷的碳減排潛力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微電網(wǎng)全調(diào)度周期的碳排放過(guò)程的有效追蹤。
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