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💥1 概述
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综合能源系统是实现"双碳"目标的有效途径,为进一步挖掘其需求侧可调节潜力对碳减排的作用,提出了一种碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行模型。首先,根据负荷响应特性将需求响应分为价格型和替代型2类,分别建立了基于价格弹性矩阵的价格型需求响应模型,及考虑用能侧电能和热能相互转换的替代型需求响应模型;其次,采用基准线法为系统无偿分配碳排放配额,并考虑燃气轮机和燃气锅炉的实际碳排放量,构建一种面向综合能源系统的碳交易机制;最后,以购能成本、碳交易成本及运维成本之和最小为目标函数,建立综合能源系统低碳优化运行模型,并通过4类典型场景对所提模型的有效性进行了验证。通过对需求响应灵敏度、燃气轮机热分配比例和不同碳交易价格下系统的运行状态分析发现,合理分配价格型和替代型需求响应及燃气轮机产热比例有利于提高系统运行经济性,制定合理的碳交易价格可以实现系统经济性和低碳性协同。
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碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行研究
一、研究背景与意义
随着全球气候变化的加剧和可持续发展的迫切需求，低碳、环保、可持续的能源系统发展已成为全球共识。综合能源系统（Integrated Energy System, IES）作为一种集成多种能源供应、传输和使用方式的复杂系统，能够有效提高能源利用效率，降低碳排放，是实现能源可持续发展的关键手段。碳交易机制作为一种基于市场机制的减排工具，通过设定碳排放总量控制目标并分配给不同排放主体，激励企业主动降低碳排放。将碳交易机制引入到综合能源系统的优化运行中，并结合需求响应（Demand Response, DR）技术，可以进一步提升能源系统的经济性和环保性，是实现电力系统低碳转型的关键方向。
二、综合能源系统概述
综合能源系统是指在特定区域内，以电、气、热等多种形式，利用先进的能量转换技术，对各类能源进行统一规划、管理和优化运行的能源系统。该系统具有多种优势，如提高能源利用效率、降低碳排放、增强能源安全等。综合能源系统通常包括多种能源供给设备（如光伏板、燃气轮机、余热锅炉等）、能源转换设备（如热电联产机组、冰蓄冷空调等）和储能设备（如电储能、蓄热罐、储气罐等），并满足用户多样化的能源需求（如电负荷、气负荷、热负荷和冷负荷）。
三、碳交易机制对综合能源系统的影响
碳交易机制对综合能源系统的影响主要体现在以下几个方面：
- 促进清洁能源发展：碳交易市场为清洁能源提供了经济激励，使得清洁能源项目更具投资价值，从而推动清洁能源的发展。
- 优化能源结构：碳交易市场通过价格机制引导企业调整能源结构，减少高碳排放的化石能源使用，增加清洁能源的比重。
- 增强能源系统灵活性：碳交易市场有助于推动综合能源系统的灵活性建设，提高系统应对不同能源供需状况的能力。
四、需求响应在综合能源系统中的作用
需求响应是指通过改变用户需求行为来应对电力供需失衡的一种策略。在综合能源系统中，需求响应具有以下作用：
- 平衡供需：需求响应可以在电力负荷高峰时降低负荷需求，从而平衡电力供需。
- 提高能效：通过调整用户用电行为，提高能效，降低能源浪费。
- 促进可再生能源消纳：需求响应可以与可再生能源发电相结合，实现电网的稳定运行。
五、碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行模型
1. 模型构建要素
- 碳交易因素：在模型中，碳交易因素主要体现在碳排放权的交易成本和清洁能源项目的投资回报上。通过引入碳价信号，反映企业碳排放的成本，从而引导企业减少碳排放，增加清洁能源的投资。
- 需求响应因素：需求响应因素主要体现在用户的用电行为上。模型中应考虑到用户在电力负荷高峰时的响应行为，以及这种行为对电力供需平衡的影响。同时，也要考虑到需求响应对提高能效和促进可再生能源消纳的积极作用。
2. 模型运行策略
- 能源结构优化策略：通过碳交易市场的价格信号，引导企业调整能源结构，减少高碳排放的化石能源使用，增加清洁能源的比重。同时，结合需求响应策略，平衡电力供需，降低能源浪费。
- 系统灵活性提升策略：通过引入储能技术、智能电网等手段，提高综合能源系统的灵活性。在面对不同能源供需状况时，系统能够快速响应，保持稳定运行。
- 可再生能源消纳策略：通过需求响应与可再生能源发电相结合，实现电网的稳定运行。同时，利用碳交易市场的激励作用，推动可再生能源项目的发展，提高可再生能源的消纳率。
3. 优化模型与求解方法
以购能成本、碳交易成本及运维成本之和最小为目标函数，建立综合能源系统低碳优化运行模型。该模型可以通过线性规划、非线性规划、混合整数规划等方法求解。为了提高求解效率，可以采用分解算法、启发式算法等。
六、案例分析
以某工业园区能源供给系统为例，该园区配备光伏电站、微型燃机、余热锅炉、空调机组等设备，覆盖电力、蒸汽、冷能三类负荷需求。在碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行策略实施后，通过合理分配价格型和替代型需求响应及燃气轮机产热比例，园区实现了以下效果：
- 经济性提升：系统运行成本显著降低，购电成本、碳交易成本及运维成本之和达到最小。
- 能效提高：通过调整设备运行策略，如在电价高峰时段减少用电设备功率、增加储能放电等，提高了能源利用效率。
- 碳排放降低：在碳交易机制下，园区为了降低碳交易成本，会优先采用可再生能源发电，提高能源利用效率，从而减少了化石能源的使用，使得碳排放量明显降低。
七、未来发展趋势与政策建议
1. 未来发展趋势
- 智能化：利用人工智能、大数据等技术，实现对综合能源系统运行状态的实时监测和预测，提高优化运行的精度和效率。
- 协同化：实现不同类型的能源系统之间的协同运行，例如电力系统与热力系统、燃气系统之间的协同，提高能源利用效率和系统稳定性。
- 分散化：随着分布式能源的普及，综合能源系统将更加分散化，更加灵活，更加适应用户的个性化需求。
2. 政策建议
- 完善碳交易机制：完善碳排放配额的分配机制，提高碳价的合理性，激励企业主动降低碳排放。
- 支持可再生能源发展：加大对可再生能源发电的补贴力度，降低其发电成本，提高其竞争力。
- 推广需求响应技术：制定需求响应的激励政策，鼓励用户参与需求响应，提高电力系统的灵活性。
- 加强技术研发：加强对综合能源系统优化运行、需求响应技术等领域的研究，推动相关技术的创新和应用。
- 制定相关标准：制定综合能源系统建设和运行的标准，规范市场秩序，保障用户权益。
📚2 运行结果
为验证所提模型的合理性，本文对以下 4 种场景
进行对比分析。
场景 1: 仅考虑碳交易机制;
场景 2: 碳交易机制下考虑需求响应;
场景 3: 仅考虑需求响应;
场景 4: 不考虑碳交易机制且不考虑需求响应。
2.1 场景 2:碳交易机制下考虑需求响应
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由于篇幅，本文仅展现2.1部分结果图，其他详情见第3部分。比2.1 都要简单。
2.2 场景 1: 仅考虑碳交易机制
2.3 场景 3: 仅考虑需求响应
2.4 场景 4: 不考虑碳交易机制且不考虑需求响应
场景 2 电负荷构成如图 3 所示。从图 3 可以看出，相比原始负荷明显的峰平谷分布，
CL 响应峰平谷电价，在高电价时段( 09: 00—12: 00、19: 00—22: 00) 削减部分负荷; SL 将部分高电价时段负荷( 09: 00— 12: 00、19: 00—22: 00) 转移到低电价时段( 00: 00—
08: 00) ，减少了高电价时段负荷，增加了低电价时段负荷，负荷曲线较为平 滑; ＲL 在 高 电 价 时 段 ( 09: 00—12: 00、19: 00—22: 00) 将部分电负荷转化为热负荷，低电价时段( 12: 00—19: 00、22: 00—09: 00) 将部分热负荷转化为电负荷。价格型需求响应和替代型需求响应协同作用，使负荷曲线平滑，实现了削峰填谷。
场景 2 各设备电、热出力分别如图 4、5 所示。从 图 4、5 可以看出系统设备运行情况及原因，具体分析见表 2。此外，ES 在低电价时段充电，在高电价时段放电，HS 反之，提高了系统的灵活性。
🎉3 参考文献
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[1]魏震波,马新如,郭毅,魏平桉,卢炳文,张海涛.碳交易机制下考虑需求响应的综合能源
