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0 概述

社会经济发展给环境带来了巨大的负担，温室 气体的大量排放进一步导致全球气候变暖。在此大背景下，我国表示力争在 2030 年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。电力行业作为能源消耗的主体，其碳排放量在碳排放总量中占了很大的比重， 实现低碳电力将有望加速实现碳减排的目标。

综合能源系统IES（Integrated Energy System）内部耦合了多种能源进行联合供应，能满足终端多能 负荷需求，进一步优化了多能系统的低碳经济性。 目前多数文献着重考虑IES的经济性，忽略了IES实现碳减排的巨大潜力。也有些文献针对IES的低碳运行进行了研究，如：文献建立了微网与配电网的重复博弈模型，结合等效碳排放系数将 CO2 排放成本纳入经济成本中；

摘要："双碳"背景下,为提高能源利用率,优化设备的运行灵活性,进一步降低综合能源系统（IES）的碳排放水平,提出一种IES低碳经济运行策略。首先考虑IES参与到碳交易市场,引入阶梯式碳交易机制引导IES控制碳排放;接着细化电转气（P2G）的两阶段运行过程,引入电解槽、甲烷反应器、氢燃料电池（HFC）替换传统的P2G,研究氢能的多方面效益;最后提出热电比可调的热电联产、HFC运行策略,进一步提高IES的低碳性与经济性。基于此,构建以购能成本、碳排放成本、弃风成本最小的低碳经济运行目标,将原问题转化为混合整数线性问题,运用CPLEX商业求解器进行求解,通过设置多个运行情景,对比验证了所提策略的有效性。

1 含阶梯式碳交易机制与电制氢的IES运行框架

集合多种能源形式的 IES通过多种能源与供能设备满足内部的能源需求。本文在传统模型的基础

上，引入阶梯式碳交易机制，同时细化考虑了P2G装置两阶段运行过程中氢能的高效利用以及 CHP 设备热电比可调特性，具体框架如图1所示。

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由图1可知，本文建立的IES低碳经济调度框架主要包含5个单元：上级能源供给单元、耦合设备单

元、储能设备单元、终端用能单元、碳交易市场单元。分布式电源为 IES 提供可再生的清洁能源；电解槽 EL（ELectrolyzer）将电能转化为氢能，氢能经由甲烷反应器 MR（Methane Reactor）进一步转化为天然气，也可直接供给 HFC 进行氢能的热电生产，减少能源的梯级消耗，提高能源的利用率；燃气锅炉 GB （Gas Boiler）燃烧天然气提供热能，满足热负荷需求；CHP 燃烧天然气同时满足电、热负荷需求；气负荷需求由上级天然气网以及 MR 联合供应；此外，  

IES内还包含电、气、热、氢储能设备进行能量存储，可实现能量的时移；各设备运行过程涉及

的 CO2吸收或排放最终通过碳交易市场进行交易。

1.1 可调热电比模型

CHP 通过燃烧天然气进行发电，并将发电过程产生的余热对热负荷进行供应。热电比可调的CHP

能够根据实时的电、热用能需求进行电、热出力调整，进一步优化运行效益，其工作模型为：

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1.2 P2G两阶段运行过程

氢能作为纯净、高效的能源，在一些领域有着较大的应用潜力，如氢能源汽车、HFC等。P2G两阶段运行过程如图2所示。

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                                            图2 P2G两阶段过程

EL首先将电能转化为氢能,氢能一部分输入MR与CO,合成为天然气,供应给气负荷、GB、CHP,一部分直接输送到HFC转换为电、热能,还有一部分经由储氢罐进行存储。氢能经由HFC直接转化为电、热能相比于先转化为天然气后再经由GB或CHP燃烧供应,减少了一个能量转换的环节,可减少能量的梯级损耗,另外氢能的能效高于天然气，且不会产生CO,。可见氢能直接供给HFC具有多方面效益。

剩下部分详细文章见第4部分。

1.3 阶梯式碳交易机制模型

2 考虑阶梯式碳交易机制与电制氢的IES优化运行模型

2.1 目标函数

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2.2 约束条件

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2.3 模型线性化处理

本文构建的考虑电制氢与口同热MEB将.E碳经济调度模型为混合整数非线性模型,因此需将上 述模型转化为混合整数线性模型,采用Yalmip调用CPLEX商业求解器进行求解。式(6)包含平方项，可进行分段线性化处理,具体线性化过程见第四部分。

3 算例分析及运行结果

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4 结论

本文从IES参与到阶梯式碳交易市场、细化P2G两阶段运行过程以及考虑CHP、HFC热电比可调特性,构建了IES低碳经济优化调度模型,通过研究分析,得出以下结论。 1)考虑IES参与到碳交易市场能够在保证较低运行成本的同时,减少碳排放。阶梯式碳交易机制相较于传统碳交易定价模型对碳排放的约束力更强,能够起到更好地引导碳排放减排的效果,设置合理的碳交易参数可以起到引导系统碳排放的作用。 2)将P2G替换为EL、MR、 HFC组合运行设备细化考虑P2G两阶段运行过程,在促进风电消纳的同时,能够发挥氢能高能效的优势,同时能够减少能量的梯级损耗;并且由于HFC可以分担一部分 CHP、CB的供能需求,能够降低GB、CHP的碳排放水平，进一步减少碳排放。

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