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💥1 概述

文献来源：

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基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度研究

摘要：

摘要：“30*60”双碳背景下，为实现低碳排放，需从低碳政策和低碳技术两个路径进行协调。为此建立了含P2G-CCS(power to gas and carbon capture system,P2G-CCS)耦合和燃气掺氢的虚拟电厂(virtualpowerplant,VPP)，并提出了基于阶梯碳交易机制的VPP优化调度策略。首先，在低碳技术层面，针对P2G-CCS耦合和燃气掺氢子系统，建立了掺氢燃气轮机、掺氢燃气锅炉、两段式电转气(power to gas,P2G)和碳捕集系统(carboncapturesystem,CCS)的数学模型；其次，在低碳政策层面，建立了阶梯碳交易模型对系统碳排放进行约束；最后，在建模基础上，提出了以碳交易成本、购气和煤耗成本、碳封存成本、机组启停成本和弃风成本之和最低为目标函数的优化调度策略。对建立的模型线性化处理后，采用MATLAB调用CPLEX和粒子群算法进行求解，通过设置不同的情景进行对比，验证了所提模型的有效性，并分析了不同固定掺氢比、变掺氢比、不同的阶梯碳交易参数对VPP低碳性和经济性的影响。

关键词：阶梯碳交易；P2G-CCS耦合；燃气掺氢；虚拟电厂；优化调度

一、引言

1.1 研究背景与意义

在“双碳”目标背景下，虚拟电厂作为整合分布式能源的核心载体，其优化调度需兼顾经济收益与低碳目标。本文构建了含P2G-CCS耦合系统与燃气掺氢技术的虚拟电厂模型，引入阶梯碳交易机制约束碳排放，提出以总运行成本最小为目标的优化调度策略。通过数学建模与案例分析，验证了该模型在降低碳排放、提升经济性方面的有效性，为虚拟电厂低碳优化调度提供了理论支撑与实践参考。

碳捕集作为一种低碳化技术，利用碳捕集技术对火电厂低碳化改造，实现高碳火电机组低碳化，

在低碳电力趋势下具有重要的研究意义。文献[1]深入分析了碳捕集电厂内部的能量流，用数学模

型定量分析了碳捕集电厂的运行区间，说明了碳捕集电厂具有更深的调节范围和更快的响应速度。文献[2]从日前、日内、实时多时间尺度挖掘了碳捕集电厂的风电消纳能力。CCS 捕集的 CO2 可作为P2G 过程的优质碳原料，文献[3]将 P2G-碳捕集电厂作为整体，建立了 P2G-碳捕集电厂协调优化模型。燃气机组同样作为碳排放源，需要对含 CO2的烟气进行处理，文献[4]利用燃气热电厂捕获的 CO2送入电转气设备合成燃气供给燃气热电厂，降低了碳排放量、购气量以及弃风量。文献[5]在 CCS 与P2G 耦合基础上，同时利用 CCS 和垃圾焚烧电厂的烟气处理进行负荷转移以平抑可再生能源波动。文献[6]将 P2G 与 CCS 耦合，并将其扩展到能源复杂多样的综合能源系统中。文献[7-8]通过储碳设备连接 P2G 和 CCS，解除 CO2捕集与利用过程的耦合。文献[9-10]建立了配置储液设备的 CCS，利用储液设备解除碳吸收与再生过程的耦合，具有更大的净出力调节范围，利用其参与系统调峰时，能够提供的灵活性容量更为充裕。文献[11]针对碳捕集会产生较大捕获能耗成本的问题,采用灵活捕获运行模式调节碳捕集设备的捕获水平，以降低捕获能耗成本，同时利用储液罐实现捕获能耗时移。以上文献从 CCS 自身以及同其他单元的耦合充分挖掘了其调节的灵活性和低碳特性，但在 CCS 与 P2G耦合的系统中忽略了电转氢过程、氢气的其他利用途径和甲烷化低效率的特点，并且均未考虑与阶梯碳交易低碳机制结合。本文采用燃气掺氢提高氢的利用，对于掺氢燃气轮机的研究方面，文献[12]对氢能燃气轮机联合循环的模式进行了总结。献[13]对氢燃料化学链燃烧燃气轮机循环系统进行了能效分析,文献[14]对氢气燃气混合微型燃气轮机燃烧工况进行了 CFD 数值模拟，文献[15]提出一种新的氢储能耦合天然气燃气蒸汽联合循环系统并对其进行能量分析。但以上文献均集中在了燃气轮机的 CFD 模拟和能效计算，未从多能源系统宏观的角度考虑。

本文所提出的含 P2G-CCS 耦合和燃气掺氢的VPP 如图 1 所示，其中包括风电机组、燃气轮机、

燃煤机组、燃气锅炉、两段式 P2G 单元、电加热锅炉、储电和储热单元等。负荷包括电热负荷，由燃气轮机、燃煤机组和风电满足用电需求，热负荷由燃气轮机、燃气锅炉和电加热锅炉协调供应。

全球气候变化与能源结构转型推动电力系统向低碳化、智能化方向发展。虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）通过聚合分布式电源、储能设备、可控负荷及多元化能源转换设施，实现分布式能源的协同优化与高效利用，成为能源互联网中的关键节点。然而，虚拟电厂中仍存在化石能源发电设备（如燃气轮机），其碳排放问题制约整体低碳水平的提升。碳交易机制作为市场化的减排手段，通过设定碳排放配额与交易价格，激励市场主体主动减排。阶梯碳交易机制进一步细化了碳价与排放量的关系，对超额排放实施递增式惩罚，能更有效地推动深度减排。

P2G（Power-to-Gas）技术可将富余电能转化为天然气，实现风光消纳与能源存储；CCS（Carbon Capture and Storage）技术能捕获燃气发电产生的二氧化碳，减少碳排放；燃气掺氢技术则通过降低燃气中的碳含量，直接削减燃烧过程的碳排放。将P2G-CCS耦合、燃气掺氢技术与阶梯碳交易机制相结合，应用于虚拟电厂优化调度，对实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要的理论与实践意义。

1.2 国内外研究现状

在低碳调度方面，已有研究将碳交易机制引入虚拟电厂模型。例如，文献构建了含碳交易的虚拟电厂经济调度模型，验证了碳价对减排的激励作用。在技术整合方面，P2G与CCS的耦合应用受到关注。文献提出P2G-CCS耦合系统可实现碳的循环利用，提升能源系统的低碳性；燃气掺氢技术的研究集中于掺氢比例对燃烧效率与碳排放的影响，文献指出合理掺氢可降低燃气轮机碳排放约15%-30%。然而，将P2G-CCS耦合、燃气掺氢与阶梯碳交易协同纳入虚拟电厂调度的研究尚不多见，三者的协同作用机制与优化策略仍需深入探讨。

二、虚拟电厂系统结构与运行特性

2.1 系统整体结构

本文构建的虚拟电厂包含以下核心单元：

• 分布式电源：风电（WT）、光伏（PV），出力具有随机性与波动性；
• 燃气机组：燃气轮机（GT），采用燃气掺氢技术，可调节出力并控制碳排放；
• 能源转换设施：P2G系统（将电能转化为甲烷）、CCS系统（捕获燃气轮机排放的二氧化碳，部分供P2G作为原料）；
• 储能设备：电池储能（BESS），用于平抑风光波动、优化能量分配；
• 负荷：不可控负荷（基础用电）、可控负荷（可平移或削减，如商业楼宇空调）。

各单元通过电力网络、天然气网络实现能量交互，P2G-CCS耦合系统形成“电-气-碳”循环链路，燃气掺氢技术降低燃气轮机碳排放，阶梯碳交易机制驱动全局低碳优化。

2.2 各单元运行特性模型

2.2.1 掺氢燃气轮机与锅炉模型

掺氢燃气轮机与锅炉是虚拟电厂中的关键组成部分。在建模过程中，需考虑氢气与天然气的混合比例，以及不同工况下的运行效率。假设燃气轮机输出功率 Pgt 与输入的掺氢燃气量 Fgt 以及氢气比例 xh2 相关，其数学模型可表示为：

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2.2.2 P2G-CCS耦合模型

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2.2.3 阶梯碳交易模型

阶梯碳交易机制根据碳排放量的不同，设置不同的碳交易价格，从而对碳排放进行约束。假设碳价设计为：根据碳排放量划分阶梯区间，碳排放越低，单位碳价越低（如基准价200元/吨，每降低10%碳排放，碳价下降10%）。清算机制为按小时记录碳配额与实际排放，周期结束时按阶梯价格清算。约束条件为总碳排放 ≤ 初始配额 + 交易配额（购买/出售）。

三、基于阶梯碳交易的虚拟电厂优化调度模型

3.1 目标函数

本文提出的优化调度策略以总运行成本最小为目标函数，总成本包括碳交易成本、购气和煤耗成本、碳封存成本、机组启停成本和弃风成本之和。目标函数可表示为：

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3.2 约束条件

3.2.1 功率平衡约束

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3.2.2 设备运行约束

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3.2.3 碳排放约束

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四、案例分析

4.1 案例设置

构建含多元主体的虚拟电厂系统，核心构成如下：

• 能源生产单元：新能源机组为100MW风电 + 80MW光伏，出力数据采用历史实测数据与Weibull分布模拟；燃气掺氢机组额定功率60MW，掺氢比例可在15%-30%调节（掺氢量提升1%可降低碳排放2.3%）；储能系统为20MW/80MWh锂电池储能，充放电效率90%，SOC约束为20%-90%。
• 低碳转化单元：P2G系统电解槽功率30MW（耗电4.5kWh/Nm³），将电能转化为氢气，部分注入燃气机组掺烧，部分储存（储氢罐容量500Nm³）；CCS系统配套燃气掺氢机组，捕集效率90%（能耗占机组出力5%），液态二氧化碳外销价格为300元/吨。
• 外部交互单元：与电网交互采用峰谷分时电价（峰段1.2元/kWh，平段0.7元/kWh，谷段0.3元/kWh），购售电无容量限制；碳交易市场设置阶梯碳价（年配额2000吨，超配额0-500吨部分400元/吨，500吨以上部分600元/吨）。

4.2 结果分析

4.2.1 不同情景对比

设置三种情景进行对比分析：

• 情景1：考虑P2G-CCS耦合与燃气掺氢技术，并引入阶梯碳交易机制。
• 情景2：不考虑CCS，排放的 CO2 直接排入大气。
• 情景3：不考虑P2G-CCS耦合与燃气掺氢技术，仅采用统一碳交易机制。

结果表明，情景1的总运行成本最低，碳排放量最少。与情景2相比，情景1通过P2G-CCS耦合实现了 CO2 循环利用，减少了购气量，同时燃气掺氢技术降低了碳排放，总成本降低24.2%，碳排放量减少57.5%；与情景3相比，情景1的阶梯碳交易机制通过差异化碳价有效激励虚拟电厂深度减排，较统一碳交易更具减排潜力。

4.2.2 掺氢比与阶梯碳交易参数影响

分析不同固定掺氢比、变掺氢比、不同的阶梯碳交易参数对VPP低碳性和经济性的影响。结果表明，采用变掺氢比相对于固定掺氢，燃气机组出力和电解消耗功率分别降低了7.2%和18.52%，能够有效解除固定掺氢带来的机组强制出力问题；阶梯碳交易参数中，超配额碳价越高，减排激励效果越显著，当超配额部分碳价从400元/吨提高到600元/吨时，碳排放量进一步减少12.3%。

五、结论与展望

5.1 研究结论

本文构建了基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度模型，得出以下结论：

• P2G-CCS耦合系统与燃气掺氢技术的协同应用，可显著降低虚拟电厂碳排放（降幅超60%），同时提升经济收益（增幅近20%）；
• 阶梯碳交易机制通过差异化碳价有效激励虚拟电厂深度减排，较统一碳交易更具减排潜力；
• 变掺氢比策略相较于固定掺氢比，能更灵活地调整燃气机组出力，提高系统运行效率。

5.2 研究展望

未来研究可进一步拓展以下方向：

• 引入用户需求响应机制，提升虚拟电厂灵活性；
• 考虑多虚拟电厂协同调度，优化区域碳资源配置；
• 结合机器学习预测新能源出力与负荷，提升调度方案的鲁棒性。

📚2 运行结果

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🎉3 参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。

[1]陈登勇,刘方,刘帅.基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度[J].电网技术