低碳导向的区域综合能源服务市场交易机制设计_李吉峰.pdf

年第 卷第 期东北电力技术 低碳导向的区域综合能源服务市场交易机制设计李吉峰，梁贤明，吴 俊，王延勃，潘 峰（国网大连供电公司，辽宁 大连）摘要：在当前世界各国不断倡导节能减排、低碳环保、深化电力体制改革并出台新型能源交易政策的背景下，针对当前多能源耦合的综合能源服务市场研究未考虑供给与需求侧的多能源替代特性以及碳排放因素等问题，提出了一种低碳导向的区域综合能源服务市场架构体系与交易机制。首先，以区域综合能源系统作为物理主体架构，并结合不同能源子系统的市场参与主体，构建了低碳导向的综合能源服务市场架构；其次，结合不同能源在运行环节的碳排放因子，分别构建了区域综合能源服务市场内电力、燃气、热力市场的具体模型，并提出了低碳导向的区域综合能源服务市场联合出清机制。通过算例仿真分析表明，构建的综合能源服务市场与相应提出的交易机制在对不同能源市场合理定价及降低碳排放等方面均具有良好的导向作用，进而助力碳达峰、碳中和目标的达成。关键词：区域综合能源系统；综合能源服务市场；碳排放因子；联合出清中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，）：，：；近几年，为有效应对能源需求增长、化石能源枯竭及环境污染等问题带来的多重挑战，世界各国先后提出“零碳”、“碳中和”等气候与排放目标，并出台了相应的政策与计划，以期推动能源的变革与转型。中国也于第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，将力争于 年前达到二氧化碳排放峰值，并努力于 年前实现碳中和。考虑到近几年中国能源消费产生二氧化碳排放总量的持续上升态势，能源电力行业的低碳转型对中国实现碳达峰目标和碳中和愿景至关重要。而随着以综合能源系统为代表的新型供能系统建设的不断深入，以及能源转换技术的不断发展，天然气系统、电力系统和供热系统等异构能源系统之间的相互依存关系日益突出，在为能源供给提供更多灵活性的同时，也在物理能量流和市场现金流等多个维度产生了相互依赖关系。例如，联合循环燃气等技术突破带来的天然气价格急剧下降以及电转气（，）东北电力技术 年第 卷第 期等新兴技术的发展，潜在的双向能流使得天然气系统和电力系统之间具有更强的相互依赖性，天然气价格与电力价格也将通过相关设备机组的运行成本产生更多的交互影响；另外，新型电锅炉和高性能热泵的发展，增加了电制热装置在降低运行成本和碳排放方面的竞争力，使得供热市场与电力市场之间的联系将变得越来越紧密。能量流架构的改变也势必会对当前电力乃至能源服务市场的独立结算模式提出新的要求与挑战。因此，构建碳导向的综合能源服务市场是提高能源利用效率、促进碳减排目标达成的重要基础与保障。目前对于构建区域多能耦合的综合能源服务市场主要采取 种研究思路，第 种是将多种能源的生产与销售权利集成到同一主体，即站在综合能源运营商的角度统一对不同类型的能源进行销售分配。例如，文献以燃气发电机组作为能源耦合点，构建了天然气与电力的联合市场，并通过分析燃气机组在不同市场内的预测与竞价行为，从而体现出联合市场在资源分配与负荷需求满足度方面的优势。这种研究思路虽然可以最大程度地保证多种能源的协调互补利用，然而，考虑到目前综合能源运营商的数量及示范应用相对较少，故该模式并不是本文研究的重点。第 种思路是各能源运营商之间相互独立，通过考虑不同能源之间的关联耦合关系，从而进行不同能源市场的联合出清。例如，文献构建了包含燃气、热力与电力的综合能源市场模型，提出了集中式与分布式 种典型出清模式，并对比分析了市场的竞争性与均衡性。文献构建了包含燃料电池汽车和储能设备的多能源能量管理框架，并提出了一种联合优化算法分析了电力、氢能、热力联合交易对系统运行经济性的影响。文献构建了包含电力与燃气的能源耦合市场，分析了不同能源市场考虑效益最大化的出清策略，并通过对角化算法得到不同能源市场价格出清的均衡点。文献构建了包含电力与热力的能源耦合市场，通过最优潮流方法计算不同能源市场的出清价格，并对比分析了用能行为以及市场竞争对不同能源市场出清价格的影响。上述成果为本文的研究奠定了一定的理论及模型基础，然而，现有的研究仍存在以下问题：第一，已有论文对电热、电气等能源耦合市场进行了研究，但研究的侧重点只是在供给侧的相对竞争以及负荷侧的能源价格跟随变化等方面，尚未对包含供给与需求替代特性的“电气热”多能源耦合市场进行研究；第二，目前能源耦合市场设定的出清机制大多是以经济性为导向，虽然能够保证不同运营商的经济效益，但未考虑碳排放因素对市场出清的影响，未能发挥出市场对低碳化用能的导向作用。针对上述问题，本文提出了一种低碳导向的区域综合能源服务市场架构体系与交易机制。首先，构建了区域综合能源服务市场的具体架构；其次，分别提出了区域综合能源服务市场内电力、燃气与热力不同能源市场及能源耦合市场的出清模型及联合出清机制；最后，通过实际仿真分析了综合能源服务市场对不同能源市场合理定价及降低碳排放的导向作用，从而为未来多种能源在市场层面的友好交互以及低碳市场的合理构建提供指导。区域综合能源服务市场架构本文构建的区域综合能源服务市场的架构如图 所示。市场的物理载体由区域电力系统、区域燃气系统和区域热力系统构成，各能源系统拥有各自的能源供给商和市场运营商。燃气系统在区域综合能源服务市场中扮演产销者的角色，既会通过市场出清的地区边际气价（，）为电力系统以及热力系统内的相关用户提供燃气，又会通过 设备从电力系统中购买燃气以满足系统内负荷的供给与调峰需求；电力系统在区域综合能源服务市场中同样扮演产销者的角色，既会通过市场出清的地区边际电价（图 区域综合能源服务市场架构 年第 卷第 期李吉峰，等：低碳导向的区域综合能源服务市场交易机制设计 ，）为燃气系统以及热力系统内的相关用户提供电力，又会从燃气系统中购买燃气以支持微型燃气轮机或热电联产等设备的生产，除此之外，电力系统内也会配置常规火电机组以及分布式电源，以避免燃气系统的燃料垄断；热力系统在区域耦合市场中是完全的消费者，系统会通过从电力系统及燃气系统内购买电力及燃气以支持电热泵、热电联产、燃气热泵等设备的热能生产。低碳导向的区域综合能源服务市场模型以电力市场为例，电力市场运营商对市场进行单时段出清的传统模型可表示为，（），（）：，：，（）（）：（）式中：为区域内电力能源供应商的数量；（）为电力能源供应商 的报价函数；为电力能源供应商 的中标出力；为区域内总负荷需求；，、，分别为电力能源供应商 可供给电力的下限和上限；函数（）为出清模型中的等式约束，例如系统的潮流计算等式等；函数（）为出清模型中的不等式约束，例如设备机组的爬坡功率约束、系统的潮流约束等；公式冒号后的变量为对偶变量，用于后续价格出清求解中使用。本文在传统市场出清模型的基础上进一步考虑电力能源供应商在电力生产过程中的碳排放因素，故电力市场运营商对市场进行出清时所采用的目标函数变为，（）（）式中：为电力能源供应商 所处系统节点的碳排放强度。.区域电力市场模型在区域电力市场中，电力能源供给商会以运营的经济性最优为目标制定发电计划以及电力批发价格；同时，所制定的电力批发价格又会受制于电力市场运营商基于运营商报价、区域内负荷需求以及其他能源价格等信息对地区边际电价实施的清算，即电力市场运营商所出清的地区边际电价会受到运营商所制定电力批发价格的影响，而电力市场运营商向运营商提出的购电需求又会反馈影响运营商的报价，上述交互关系使得区域电力系统市场的出清机制属于双层优化问题，其中，电力能源供应商以运营成本最优为目标，成本构成包括所管理燃气机组及其他可控机组的发电成本，以及供电收益，以电力能源供应商 为例，目标函数为，（，），（）式中：，与，分别为电力能源供应商 所管理燃气机组及其他可控机组在 时段内的出力；为其他可控机组的运行维护成本；，为电力能源供应商 的供电报价；，为 时段出清的地区边际气价。电力市场运营商以全社会成本最优为目标，成本的具体构成包括电力市场运营商所管理的燃气机组及其他机组的发电成本，以及从电力能源供应商购电的成本，具体目标函数为，(，（，）)，：，（）式中：为其他可控机组的运行维护成本；，与，分别为电力市场运营商 所管理燃气机组及其他可控机组在 时段内的出力；，分别为 时段出清的地区边际电价；为考虑碳排放成本后的发电折算成本。区域电力市场模型需要考虑以下约束条件。.电力供需功率平衡约束（，）（，），：，（）东北电力技术 年第 卷第 期式中：，与，分别为 时段内 设备及电热泵等电制热设备的出力；，为 时段内区域电力负荷的需求；与 分别为 设备与电制热设备的运行效率。.考虑碳排放成本后的发电折算成本，（）式中：为碳排放外部成本。.节点碳排放强度，（）式中：，为电力能源供应商 的生产碳排放强度；，为电力能源供应商 的碳排放系数；，为电力能源供应商 内不同发电燃料的热值。除此之外，市场模型中还考虑了系统潮流约束与设备机组的爬坡约束。.区域燃气市场模型同区域电力市场类似，区域燃气市场主要包含燃气能源供应商与燃气市场运营商 类市场参与主体。因此，区域燃气市场的出清机制同样属于双层优化问题，其中，燃气能源供应商以运营成本最优为目标，成本构成包括燃气能源供应商所管理气井的供气成本以及燃气能源供应商的供气收益，以燃气能源供应商 为例，目标函数为，()，（）式中：，为 时段内燃气能源供应商 所管理气井的输出功率；为所管理气井的运行维护成本；，为燃气能源供应商 的供气报价。燃气市场运营商以全社会成本最优为目标，成本的具体构成包括从燃气能源供应商的购气成本，燃气市场运营商所管理气井的供气成本，以及 设备的供气成本，目标函数为，(，)，：，（）式中：为气井的运行维护成本；，为 时段内燃气市场运营商所管理气井的输出功率；为考虑碳排放成本后的供气折算成本。区域燃气市场模型需要考虑以下约束条件。.供需功率平衡约束，：，（）式中：为不同设备的能源转换效率；，为 时段内燃气热泵、燃气三联供等燃气制热设备的出力；，为 时段内区域燃气负荷的需求。.考虑碳排放成本后的供气折算成本，（）.节点碳排放强度，（）式中：，为燃气能源供应商 的燃气生产碳排放强度；，为燃气能源供应商 的碳排放系数；，为燃气能源供应商 内不同供气燃料的热值。除此之外，市场模型中还考虑了系统潮流约束与设备机组的爬坡约束。.区域热力市场模型区域热力市场基于区域电力市场与区域燃气市场出清的价格信号，在满足区域内负荷需求的前提下，通过调整系统内不同热源可控机组的供热计划，以实现系统供热成本的最优。另外，考虑到本文的研究重点是市场交易问题，故本文选择在市场研究中热力系统常用的恒流变温运行方式，即在固定的循环水量情况下通过改变供水温度来满足用热的需求。热力市场运营商以全社会成本最优为目标，成本的具体构成包括从燃气能源供应商的购气成本，以及从电力能源供应商的购电成本，目标函数为，(，)，（）除此之外，市场模型中还考虑了管道末端出水温度与入水温度之间的关系等热力系统运行等约束。区域综合能源服务市场联合出清机制考虑到区域综合能源系统内不同能源市场之间的复杂耦合关系，本文采用顺序出清的模式实现综合能源服务市场的定价与交易，具体的出清交易流程、主要传递信息及算法伪代码如图 所示，图 中圆圈中的数字表示出清顺序。在这里需要说明的是，考虑到在实际的能源生产中，燃气发电与燃气制热技术已经相对成熟，并且得到了较大规模的应用与实践，因此，作为电 年第 卷第 期李吉峰，等：低碳导向的区域综合能源服务市场交易机制设计 图 区域综合能源服务市场联合出清与交易流程力、热力 种能源共同的供给点，本文以区域燃气市场出清得到地区边际气价作为综合能源服务市场联合出清的起点，具体的出清与交易流程为：燃气市场运营商首先会基于燃气能源供应商提供的供气报价以及区域电力系统与热力系统的历史负荷需求信息制定不同时段初始的地区边际气价，如图 中算法；热力市场运营商在收到地区边际气价初始报价后，进一步结合地区边际电价的历史数据，制定初始供热计划，并向电力市场运营商提出用电需求，如图 中算法；以燃气为燃料的电力能源供应商在接收到地区边际气价报价后会向电力市场运营商提供售电报价以及可供的电量；电力市场运营商基于电力能源供应商的报价、电量以及电力 热力需求以全社会效益大化为目标对电力价格进行出清，得到地区边际电价以及电力能源供应商对燃气的需求，如图 中算法；燃气能源供应商在收到地区边际电价后会结合供给成本向燃气市场运营商提供售气价格以及可供的气量；燃气市场运营商基于燃气能源供应商的报价、供气量以及区域内的燃气需求以全社会效益最大化为目标对燃气价格进行出清，更新不同时段的地区边际气价并提出系统内 设备的用电需求，完成一轮出清迭代。通过不同能源市场对于能源生产 使用计划以及出清价格的调整，从而得到最终地区边际电价以及地区边际气价的均衡解。在出清方法方面，本文采用基于最优潮流模型的 松弛化出清方法对地区边际电价以及地区边际气价进行清算。具体而言，算法基于强对偶原理，将以设备出力计划为控制变量的调度原问题转化为以 乘子，即对偶变量为控制变量的能源市场出清对偶问题，进而通过调整不同约束条件控制变量的对偶变量，并对市场出清模型的（）条件进行判断校验，通过不同能源市场的交替嵌套，以实现不同能源市场的联合出清。在优化算法方面，本文采用改进的次梯度迭代法对不同能源市场的出清价格以及供能计划进行求解。算例分析与对比.算例概况本文采用改进的 节点配电系统（）、节点燃气系统（）和 节点热力系统（）构建区域综合能源系统测试系统，系统具体架构如图 所示，其中，区域电力系统中 与 节点通过电热泵设备与区域热力系统中 与 节点进行耦合；区域燃气系统中 与 节点通过燃气热泵设备与区域热力系统中 与 节点进行耦合；区域电力系统中、与 节点通过燃气轮机与 设备与区域燃气系统中、与 节点进行耦合。区域电力系统内包含 个燃气驱动的电力能源供应商（、），燃气机组的具体参数 东北电力技术 年第 卷第 期如表 所示。区域燃气系统中 设定为.元。电制热设备和燃气制热设备的能源转换效率 和 设定为.，设备的能源转换效率为。不 同 设 备 的 碳 排 放 系 数 参 考 文 献，碳排放的外部成本 设定为 元。区域综合能源系统测试系统的其他参数参见文献。图 区域综合能源服务市场联合出清与交易流程表 燃气轮机运行参数电力能源供应商位置，（元）.，.，.区域电力市场模型基于算例设置，本文首先对综合能源服务市场不同能源的出清价格结果进行分析，其中，调度时间步长 ，收敛精度 设定为.。同时，设置如下 种出清机制进行对比分析，：采用如式（）所示的价格导向的出清模型；：采用本文提出的价格与碳排放共同导向的出清模型。不同出清机制下不同能源市场一天内逐时的出清均衡价格如图 所示，代表电力市场运营商（，），代表燃气市场运营商（，）。对图 所示的出清结果分析可知，在同一出清机制下，在出清的初始阶段（：），电力市场运营商与燃气市场运营商主要考虑各自能源供应商基于供能成本的批发报价，而随着时间的推进，系统的负荷用能需求成为了价格出清的主要影响因素。由于区域电力系统与区域燃气系统的相互耦合特性，使电力市场运营商与燃气市场运营商之间具有竞争关系，导致地区边际电价与地区边际气价的趋势大体相同，即使在用能需求的峰值时段（如：、：），电力市场运营商与燃气市场运营商在保证全社会成本效益的基础上，也会将电力与燃气的出清价格控制在合理可接受的范围内，进一步证明了构建综合能源服务市场在抑制能源市场垄断方面的作用。图 不同机制下不同能源出清价格对比而对于不同的出清机制，由于本文所提出的考虑碳排放的市场出清机制是将碳排放的外部成本进行市场内部化，因此，造成了不同能源出清价格在一定程度上的升高。其中，场景设置的区域电力市场由于除燃气驱动的供电设备外，还具有其他常规机组与新能源机组作为供能资源，因此，供能灵活性较大，造成价格的升高较小；而区域燃气市场出售的燃气在进行电能与热能生产中会造成较多的碳排放，因此，造成了需求的降低，在保障全社会效益最优的目标下，造成价格升高较大。进一步对不同出清机制下的碳减排情况进行分析，以热力市场运营商在满足区域内既定的供热需求作为前提，出清机制较 出清机制降低的碳排放量如图 所示。图 碳排放量降低分析 年第 卷第 期李吉峰，等：低碳导向的区域综合能源服务市场交易机制设计 对图 所示的结果分析可知，当区域热力系统的热负荷需求量较小时（：），由于热力市场运营商可选择的供能模式较多，因此，配合本文提出的低碳导向的区域综合能源服务市场出清机制可以降低碳排放量较多。而当区域热力系统的热负荷需求量较大时（：、：），由于系统潮流及管道线路传输容量等约束条件的限制，造成热力市场运营商可选择的供能模式较少，为了满足负荷需求而不得不选择一些较高碳排放的供能设备，造成碳排放量的降低并不明显。基于本文所设置的算例场景，采用低碳导向的区域综合能源服务市场模式一天可降低碳排放量约.。.碳排放影响因素分析进一步对碳排放量的影响因素进行分析，具体分析不同碳排放外部成本对不同市场成本、收益及碳排放量的影响，分析结果如图 所示，、和 分别代表电力、燃气以及热力市场运营商。图 碳排放外部成本影响分析对图 所示的结果分析可知，当碳排放外部成本较低时，将外部成本进行市场内部化会增加地区边际电价与地区边际气价的出清价格，进而增加电力市场运营商与燃气市场运营商的收入，同时，也会增加热力市场运营商的购能成本。然而，由于碳排放外部成本较低，对减排的导向性作用较弱，造成碳排放较高。随着碳排放外部成本的增长，当碳排放外部成本处于 元 时，由于燃气驱动的设备会造成一定的碳排放，故热力市场运营商会将购能需求逐步向较为清洁的电能进行转移，造成了电力市场运营商收益的增加与燃气市场运营商收益的降低，同时，市场开始发挥一定的低碳用能导向作用。而随着碳排放外部成本的进一步增长，热力市场运营商试图购买更多的电能以实现考虑碳排放情况下的购能经济性最优，然而，由于区域电力系统固有的潮流约束与能源生产设备的出力限制，导致热力市场运营商能够购买的电能有限，因此，热力市场运营商不得不购买一些高排放或高价的燃气以满足系统负荷需求，综合能源服务市场内不同参与者的成本、收益与碳排放逐渐趋于平衡。结论本文考虑了碳排放因素对市场交易产生的影响，以节点碳排放因子作为切入点，构建了低碳导向的区域综合能源服务市场架构体系，并提出了联合出清与交易机制，通过理论分析及实际算例仿真验证，得到的主要结论如下。.构建区域综合能源服务市场能够促进不同能源运营商合理地制定能源出清价格，促进不同能源供应商成本与收益的均衡，避免供应商能源垄断所造成的定价不合理问题。.将碳排放外部成本进行市场内部化可以在一定程度上发挥市场对低碳用能与节能减排的导向作用。在未来的研究中，会将日间市场模型融入到多能源耦合市场模型中，以解决分布式电源和负荷的不确定性问题；同时，会进一步考虑能量流、碳潮流、现金流之间的交互影响与协调优化；另外，也会进一步考虑用户灵活性对市场交易产生的影响。参考文献：李 响，牛 赛 双碳目标下源网荷多层评价体系研究 中国电机工程学报，（增刊）：崔杨，邓贵波，赵钰婷，等 考虑源荷低碳特性互补的含风电电力系统经济调度 中国电机工程学报，（）：王剑晓，夏清，李庚银，等 基于多市场均衡的综合能源市场 机 制 设 计 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，.，（）：，：，：，：，东北电力技术 年第 卷第 期 ，（）：，（）：张粒子，唐成鹏，刘方，等 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