基于阶梯碳交易的碳捕集电厂-电转气虚拟电厂低碳经济调度

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23089

摘要/Abstract

摘要：

在能源互补和低碳经济的背景下，虚拟电厂(virtual power plant，VPP)是实现区域资源优化配置和新能源消纳的有效载体。在技术层面，通过碳捕集电厂(carbon capture power plant，CCPP)和电转气(power-to-gas，P2G)装置来实现CO₂的循环利用，建立碳捕集电厂-电转气耦合模型，并在负荷侧引入考虑用户满意度的价格型需求响应模型；在低碳政策方面，将阶梯型碳交易机制引入VPP，对碳排放进行约束。然后以总成本最小为目标，建立VPP低碳经济调度模型。通过设置不同调度场景进行对比，验证所建模型在VPP低碳经济运行方面的有效性，并通过敏感性分析探究阶梯碳交易参数对VPP碳排放量与成本的影响，结果表明所建模型对VPP进行低碳经济调度具有指导意义。

关键词: 虚拟电厂(VPP), 碳捕集电厂(CCPP), 电转气(P2G), 阶梯型碳交易, 优化调度

Abstract:

Under the background of energy complementarity and low-carbon economy, virtual power plant (VPP) is an effective carrier for achieving optimal allocation of regional resources and new energy consumption. At the technical level,the CO₂ recycling through carbon capture power plant (CCPP) and power-to-gas (P2G) conversion devices was realized, a CCPP-P2G coupling model was established, and a price based demand response model considering user satisfaction on the load side was introduced. In terms of low-carbon policy, the ladder carbon trading mechanism was introduced into VPP to constrain carbon emissions. Then, with the goal of minimizing the total cost, a low-carbon economic dispatch model for VPP was established. By setting different scheduling scenarios for comparison, the effectiveness of the model in low-carbon economy operation of VPP was verified, and the impact of carbon trading parameters on the carbon emissions and costs of VPP was explored through sensitivity analysis. The results show that the model has guiding significance for VPP low-carbon economic scheduling.

Key words: virtual power plant (VPP), carbon capture power plant (CCPP), power-to-gas (P2G), ladder carbon trading, optimized dispatching

中图分类号:

TK 01

赵振宇, 李炘薪. 基于阶梯碳交易的碳捕集电厂-电转气虚拟电厂低碳经济调度[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 769-780.

Zhenyu ZHAO, Xinxin LI. Low-Carbon Economic Dispatch Based on Ladder Carbon Trading Virtual Power Plant Considering Carbon Capture Power Plant and Power-to-Gas[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(6): 769-780.

图/表 16

图1 虚拟电厂运行结构

Fig. 1 Operation structure of VPP

图2 CCPP-P2G设备运行原理

Fig. 2 Operating principle of CCPP-P2G equipment

图3 模型求解流程图

Fig. 3 Model solving flow chart

表 1 CCPP-P2G设备参数

Tab. 1 CCPP-P2G equipment parameters

类别	参数	数值
火电机组	最大输出功率/MW	55
	最小输出功率/MW	10
	煤耗系数	a=0.01
		b=172
		c=4 167
	实际碳排放强度/(t/MW)	1.06
碳捕集单元	碳捕集效率	0.6
	固定能耗/MW	0.015
	最大功率/MW	2
P2G设备	最大运行功率/MW	3
	CO₂消耗量/(t/MW)	0.2
	运行成本/元	137
	设备转换效率	0.6
碳存储设备	最小容量/t	0
	最大容量/t	100
	损耗系数	0.3
	单位碳存储价格/(元/t)	33

表 2 分时电价

Tab. 2 Time-of-use price

类型	电价/[元/(MW·h)]	时段
谷时段	0.197	01：00—05：00
平时段	0.512	05：00—10：00；16：00—19：00；23：00—24：00
峰时段	0.930	11：00—15：00；20：00—22：00

图4 风光出力预测

Fig. 4 Wind and photovoltaic output prediction

表 3 不同场景下运营成本对比分析 (元)

Tab. 3 Comparative analysis of operating costs under different scenarios

场景	外购电	CCPP发电	碳存储	P2G	风光发电	弃风弃光	碳交易	总成本
1	0	10 814	—	—	17 285	7 379	11 618	47 011
2	3 270	10 665	7 380	-241	19 750	3 915	1 622	46 361
3	3 218	10 347	7 056	-251	19 967	3 548	1 412	45 297
4	2 984	10 411	6 951	-263	20 089	3 315	1 493	44 980

表 4 不同场景下环境影响因素对比

Tab. 4 Comparison of environmental impact factors under different scenarios

场景	碳捕集功率/MW	碳捕集量/t	碳存储量/t	P2G消耗CO₂量/t	碳排放量/t	弃风弃光功率/MW
1	0	0	0	0	20.47	14.76
2	14.25	39.59	24.31	0.92	8.78	7.71
3	12.62	33.54	20.53	0.85	6.47	7.20
4	13.22	35.77	21.95	1.06	4.69	7.05

图5 场景1各单元输出功率

Fig. 5 Output power of each unit in scenario 1

图6 场景2各单元输出功率

Fig. 6 Output power of each unit in scenario 2

图7 场景3各单元输出功率

Fig. 7 Output power of each unit in scenario 3

图8 需求响应实施前后负荷量对比

Fig. 8 Load comparison before and after the implementation of demand response

图9 场景4各单元输出功率

Fig. 9 Output power of each unit in scenario 4

图10 碳排放区间长度分析

Fig. 10 Analysis of carbon emission interval length

图11 碳交易价格增长率分析

Fig. 11 Analysis of carbon trading price growth rate

图12 碳交易基准价格分析

Fig. 12 Analysis of carbon trading benchmark price

参考文献 34

1	赵振宇，马旭．可再生能源电力对碳排放的作用路径及影响：基于省际数据的中介效应检验[J]．华东经济管理，2022，36(7)：65-72．
	ZHAO Z Y， MA X ．The path and impact of renewable energy power on carbon emissions：mediating effect test based on interprovincial data[J]．East China Economic Management，2022，36(7)：65-72．
2	陈逸文，赵晋斌，李军舟，等．电力低碳转型背景下氢储能的挑战与展望[J]．发电技术，2023，44(3)：296-304． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23022
	CHEN Y W， ZHAO J B， LI J Z，et al ．Challenges and prospects of hydrogen energy storage under the background of low-carbon transformation of power industry[J]．Power Generation Technology，2023，44(3)：296-304． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23022
3	李旭东，艾欣，胡俊杰，等．计及碳交易机制的核-火-虚拟电厂三阶段联合调峰策略研究[J]．电网技术，2019，43(7)：2460-2470． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.2133
	LI X D， AI X， HU J J，et al ．Three-stage combined peak regulation strategy for nuclear-thermal-virtual power plant considering carbon trading mechanism[J]．Power System Technology，2019，43(7)：2460-2470． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.2133
4	杨秀，杜楠楠，孙改平，等．考虑需求响应的虚拟电厂双层优化调度[J]．电力科学与技术学报，2022，37(2)：137-146．
	YANG X， DU N N， SUN G P，et al ．Bi-level optimization dispatch of virtual power plants considering the demand response[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2022，37(2)：137-146．
5	闫鹏，曾四鸣，李铁成，等．基于改进量子遗传算法的虚拟电厂在多时间尺度下参与AGC优化调度[J]．电网与清洁能源，2023，39(3)：23-32． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2023.03.004
	YAN P， ZENG S M， LI T C，et al ．Optimal scheduling of virtual power plant participating in AGC based on improved quantum genetic algorithm on multi-time scale[J]．Power System and Clean Energy，2023，39(3)：23-32． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2023.03.004
6	闫庆友，刘达，李金孟，等．基于场景生成与IGDT的风光-碳捕集-P2G虚拟电厂经济调度[J]．智慧电力，2023，51(2)：1-7． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.02.002
	YAN Q Y， LIU D， LI J M，et al ．Economic dispatching of wind power-PV-carbon capture-P2G virtual power plant based on scenario generating and IGDT[J]．Smart Power，2023，51(2)：1-7． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.02.002
7	胥洪远，龙太聪，赵启道，等．考虑电转气消纳水电的水-电-气系统低碳鲁棒优化调度[J]．中国电力，2022，55(11)：163-174．
	XU H Y， LONG T C， ZHAO Q D，et al ．Day-ahead coordinated low carbon robust scheduling of hydro-electricity-natural gas system considering power-to-gas to accommodate excessive hydro generation[J]．Electric Power，2022，55(11)：163-174．
8	寇洋，武家辉，张华，等．考虑碳捕集与CVaR的电力系统低碳经济调度[J]．电力系统保护与控制，2023，51(11)：131-140．
	KOU Y， WU J H， ZHANG H，et al ．Low carbon economic dispatch for a power system considering carbon capture and CVaR[J]．Power System Protection and Control，2023，51(11)：131-140．
9	胡道成，王睿，赵瑞，等．二氧化碳捕集技术及适用场景分析[J]．发电技术，2023，44(4)：502-513． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22056
	HU D C， WANG R， ZHAO R，et al ．Research on carbon dioxide capture technology and suitable scenarios[J]．Power Generation Technology，2023，44(4)：502-513． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22056
10	杨宇玄，高栋梁，陈一鸣，等．考虑碳捕集和气网混氢的气电耦合系统低碳经济调度[J]．中国电力，2023，56(10)：1-10．
	YANG Y X， GAO D L， CHEN Y M，et al ．Low carbon economic dispatch of gas electricity coupling system considering carbon capture and hydrogen mixing in gas grid[J]．Electric Power，2023，56(10)：1-10．
11	龚烈锋，徐箭，廖思阳，等．基于分布鲁棒优化的含碳捕集电厂与电转气装置协同的日前低碳经济调度[J]．武汉大学学报(工学版)，2022，55(9)：865-875．
	GONG L F， XU J， LIAO S Y，et al ．Day-ahead low-carbon economic dispatch of carbon capture power plant and power-to-gas unit based on distributed robust optimization[J]．Engineering Journal of Wuhan University，2022，55(9)：865-875．
12	SONG X， WANG Y， ZHANG Z，et al ．Economic-environmental equilibrium-based bi-level dispatch strategy towards integrated electricity and natural gas systems[J]．Applied Energy，2021，281：116142． doi:10.1016/j.apenergy.2020.116142
13	龚晓琴，王进，王珑，等．含电转气的电-气互联综合能源系统低碳经济运行[J]．电力科学与技术学报，2020，35(2)：76-83．
	GONG X Q， WANG J， WANG L，et al ．Low-carbon economic operation for integrated electricity and natural-gas energy system with power-to-gas[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2020，35(2)：76-83．
14	卫志农，张思德，孙国强，等．计及电转气的电-气互联综合能源系统削峰填谷研究[J]．中国电机工程学报，2017，37(16)：4601-4609． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.161361
	WEI Z N， ZHANG S D， SUN G Q，et al ．Power-to-gas considered peak load shifting research for integrated electricity and natural-gas energy systems[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37(16)：4601-4609． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.161361
15	董瑞，高林，何松，等．CCUS技术对我国电力行业低碳转型的意义与挑战[J]．发电技术，2022，43(4)：523-532． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22053
	DONG R， GAO L， HE S，et al ．Significance and challenges of CCUS technology for low-carbon transformation of China’s power industry[J]．Power Generation Technology，2022，43(4)：523-532． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22053
16	崔杨，张聪，张璐，等．基于风电-碳捕集电力系统的灵活性调峰策略[J]．电力自动化设备，2023，43(6)：10-17．
	CUI Y， ZHANG C， ZHANG L，et al ．Flexible peak shaving strategy of power system based on wind power-carbon capture[J]．Electric Power Automation Equipment，2023，43(6)：10-17．
17	ZHANG Z， DU J， ZHU K，et al ．RETRACTED：optimization scheduling of virtual power plant with carbon capture and waste incineration considering P2G coordination[J]．Energy Reports，2022，8：7200-7218． doi:10.1016/j.egyr.2022.05.027
18	CHEN M， LU H， CHANG X，et al ．An optimization on an integrated energy system of combined heat and power，carbon capture system and power to gas by considering flexible load[J]．Energy，2023，273：127203． doi:10.1016/j.energy.2023.127203
19	张立辉，戴谷禹，聂青云，等．碳交易机制下计及用电行为的虚拟电厂经济调度模型[J]．电力系统保护与控制，2020，48(24)：154-163． doi:10.19783/j.cnki.pspc.200126
	ZHANG L H， DAI G Y， NIE Q Y，et al ．Economic dispatch model of virtual power plant considering electricity consumption under a carbon trading mechanism[J]．Power System Protection and Control，2020，48(24)：154-163． doi:10.19783/j.cnki.pspc.200126
20	陈俐，彭道鑫，张翔宇，等．计及碳排放权交易与需求响应的风电并网调度优化模型[J]．华北电力大学学报(自然科学版)，2016，43(1)：104-110．
	CHEN L， PENG D X， ZHANG X Y，et al ．Scheduling optimization model of wind farm integrated system with demand respond and carbon emission trading[J]．Journal of North China Electric Power University (Natural Science Edition)，2016，43(1)：104-110．
21	王力，希望·阿不都瓦依提，程静，等．碳交易机制下含碳捕集设备虚拟电厂经济调度[J]．现代电子技术，2023，46(5)：126-131．
	WANG L， XIWANG A， CHENG J，et al ．VPP economic dispatching of carbon capture equipment under carbon trading mechanism[J]．Modern Electronics Technique，2023，46(5)：126-131．
22	崔杨，曾鹏，仲悟之，等．考虑富氧燃烧技术的电-气-热综合能源系统低碳经济调度[J]．中国电机工程学报，2021，41(2)：592-608． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.191708
	CUI Y， ZENG P， ZHONG W Z，et al ．Low-carbon economic dispatch of electro-gas-thermal integrated energy system based on oxy-combustion technology[J]．Proceedings of the CSEE，2021，41(2)：592-608． doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.191708
23	ZHANG X， ZHANG Y ．Environment-friendly and economical scheduling optimization for integrated energy system considering power-to-gas technology and carbon capture power plant[J]．Journal of Cleaner Production，2020，276：123348． doi:10.1016/j.jclepro.2020.123348
24	白雪岩，樊艳芳，刘雨佳，等．考虑可靠性及灵活性的风光储虚拟电厂分层容量配置[J]．电力系统保护与控制，2022，50(8)：11-24．
	BAI X Y， FAN Y F， LIU Y J，et al ．Wind power storage virtual power plant considering reliability and flexibility tiered capacity configuration[J]．Power System Protection and Control，2022，50(8)：11-24．
25	杨欢红，谢明洋，黄文焘，等．含废物处理的城市综合能源系统低碳经济运行策略[J]．电网技术，2021，45(9)：3545-3552．
	YANG H H， XIE M Y， HUANG W T，et al ．Low-carbon economic operation of urban integrated energy system including waste treatment[J]．Power System Technology，2021，45(9)：3545-3552．
26	徐韵，徐耀杰，杨嘉禹，等．基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度[J]．电力系统及其自动化学报，2023，35(7)：118-128．
	XU Y， XU Y J， YANG J Y，et al ．Low carbon economic dispatching for power-to-gas virtual power plant based on stepped carbon trading[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2023，35(7)：118-128．
27	赵振宇，郝宇霞．基于火电灵活性改造的可再生能源消纳系统成本优化[J/OL]．现代电力：1-9[2023-10-31]. ．
	ZHAO Z Y， HAO Y X ．Cost optimization of renewable energy accomodation system based on flexibility renovation of thermal power units[J/OL]．Modern Electric Power：1-9[2023-10-31]．．
28	周任军，肖钧文，唐夏菲，等．电转气消纳新能源与碳捕集电厂碳利用的协调优化[J]．电力自动化设备，2018，38(7)：61-67．
	ZHOU R J， XIAO J W， TANG X F，et al ．Coordinated optimization of carbon utilization between power-to-gas renewable energy accommodation and carbon capture power plant[J]．Electric Power Automation Equipment，2018，38(7)：61-67．
29	陈锦鹏，胡志坚，陈嘉滨，等．考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应的综合能源系统优化调度[J]．高电压技术，2021，47(9)：3094-3106．
	CHEN J P， HU Z J， CHEN J B，et al ．Optimal dispatch of integrated energy system considering ladder-type carbon trading and flexible double response of supply and demand[J]．High Voltage Engineering，2021，47(9)：3094-3106．
30	田丰，贾燕冰，任海泉，等．考虑碳捕集系统的综合能源系统“源-荷”低碳经济调度[J]．电网技术，2020，44(9)：3346-3355．
	TIAN F， JIA Y B， REN H Q，et al ．“source-load” low-carbon economic dispatch of integrated energy system considering carbon capture system[J]．Power System Technology，2020，44(9)：3346-3355．
31	张军六，樊伟，谭忠富，等．计及需求响应的气电互联虚拟电厂多目标调度优化模型[J]．电力建设，2020，41(2)：1-10．
	ZHANG J L， FAN W， TAN Z F，et al ．Multi-objective optimization model of gas-electricity interconnected virtual power plant considering demand response[J]．Electric Power Construction，2020，41(2)：1-10．
32	孙惠娟，刘昀，彭春华，等．计及电转气协同的含碳捕集与垃圾焚烧虚拟电厂优化调度[J]．电网技术，2021，45(9)：3534-3545．
	SUN H J， LIU Y， PENG C H，et al ．Optimization scheduling of virtual power plant with carbon capture and waste incineration considering power-to-gas coordination[J]．Power System Technology，2021，45(9)：3534-3545．
33	冯凌杰，翟融融，郭一村，等．耦合碳捕集系统的燃气蒸汽联合循环综合性能研究[J]．发电技术，2022，43(4)：584-592． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22077
	FENG L J， ZHAI R R， GUO Y C，et al ．Study on the comprehensive performance of natural gas combined cycle plant integrated with carbon capture system[J]．Power Generation Technology，2022，43(4)：584-592． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22077
34	罗伟民，孙钦，周蔚南，等．计及峰谷分时电价与需求响应的互联网数据中心储能经济性分析[J]．供用电，2022，39(7)：40-45．
	LUO W M， SUN Q， ZHOU W N，et al ．Economic analysis of IDC with energy storage system considering peak valley time-of-use price[J]．Distribution & Utilization，2022，39(7)：40-45．

[1]	张叶青, 陈文彬, 徐律军, 江兴稳. 面向多虚拟电厂的分层分区多层互补动态聚合调控策略[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 162-169.
[2]	黄河, 王燕, 姜念, 吴强, 张雅静, 杨秀媛. 考虑用户诉求差异的居民可控负荷资源优化控制[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 896-908.
[3]	贾晓强, 杨永标, 杜姣, 甘海庆, 杨楠. 气候变化条件下基于智能预测模型的虚拟电厂不确定性运行优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 790-799.
[4]	许星原, 陈皓勇, 黄宇翔, 吴晓彬, 王宇绅, 廉俊豪, 张健彬. 虚拟电厂市场化交易中的挑战、策略与关键技术[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 745-757.
[5]	石梦舒, 许小峰, 张继广, 李忆, 周保中, 乐鹰, 毕圣. 考虑电-氢市场的虚拟电厂两阶段优化策略研究[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 645-655.
[6]	郁海彬, 张煜晨, 刘扬洋, 陆增洁, 翁锦德. 碳交易机制下多主体虚拟电厂参与电力市场的优化调度竞标策略[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 634-644.
[7]	张宁, 朱昊, 杨凌霄, 胡存刚. 考虑可再生能源消纳的多能互补虚拟电厂优化调度策略[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 625-633.
[8]	陈皓勇, 黄宇翔, 张扬, 王斐, 周亮, 汤君博, 吴晓彬. 基于“三流分离-汇聚”的虚拟电厂架构设计[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 616-624.
[9]	彭道刚, 税纪钧, 王丹豪, 赵慧荣. “双碳”背景下虚拟电厂研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 602-615.
[10]	董文博,顾秀芳,陈艳宁. 风电并网价值分析[J]. 发电技术, 2020, 41(3): 320-327.
[11]	蒋猛,黄宇,廖伟涵,张简炼,张又文,郭创新. 基于改进NSGA-Ⅱ算法的电-气-热综合能源系统多目标优化[J]. 发电技术, 2020, 41(2): 131-136.
[12]	施云辉,郭创新. 考虑运行风险的含储能综合能源系统优化调度[J]. 发电技术, 2020, 41(1): 56-63.
[13]	李姚旺,苗世洪,尹斌鑫,张世旭,张松岩. 计及先进绝热压缩空气储能多能联供特性的微型综合能源系统优化调度模型[J]. 发电技术, 2020, 41(1): 41-49.
[14]	朱辉,吕红芳,阳晓明. 基于多代理系统的微电网多目标优化调度[J]. 发电技术, 2019, 40(6): 527-534.
[15]	何力,吕红芳. 考虑经济性的多微电网优化调度研究[J]. 发电技术, 2018, 39(5): 397-404.