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计及需求响应和碳排放权的﹢源荷优化调度研究

文档作者：梁捷文档来源：广西电网有限责任公司电力科学研究院		点击数：	更新时间： 2024年07月25日
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计及需求响应和碳排放权的
源荷优化调度研究
梁捷
（广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁530023）
摘要：在传统电力系统日前发电调度模型的基础上考虑碳排放权交易机制和需求侧响应资源。文中分析了基于激励
的需求响应资源的激励和管理措施，以及碳排放初始配额和分级碳排放权交易模型，然后构建了以火电机组运行成本、碳
排放权交易费用和需求响应激励成本为目标函数的动态电源和负荷侧的协同调度模型。以某地10 机组为案例，研究碳减
排目标的高低对碳排放权交易费用和整体调度成本的影响，研究结果表明了本模型的可行性。
关键词：需求侧响应；综合调度成本；减排目标；碳排放权
中图分类号：TK01+8 文献标志码： B
文章编号：1001-5523（2018）03-0036-03
为了抑制CO2等温室气体排放对大气和环境的影
响，低碳化和降低污染物排放在电网公司运营决
策时受到日益关注[1]。作为减少CO2排放的实用
措施之一，碳排放权交易机制的原理是碳排放方可在初始配
额的基础上根据需要通过市场方式调整其碳排放权，由于这
部分交易费用影响电力生产成本，故可通过优化调度实现碳
减排[2]。
本文在碳交易市场条件下考虑基于激励的需求响应资
源参与源荷协调调度，分析激励型需求响应的特点，建立包
含碳排放权交易收支和需求响应的动态低碳调度模型，为控
制系统CO2排放量， 引入CO2减排目标约束和分级碳交易
定价模型。然后通过算例研究了CO2减排目标、分级碳排放
定价对降低调度系统的总运营费用和碳排放权交易费用的
作用。
1 需求响应模型
需求响应是指电力用户根据相关政策或项目要求，随系
统需求改变用电量和用电时间等用电方式，达到降低负荷曲
线的高峰和提高低谷， 从而降低系统的总运营费用的目的。
可参与互动调度的需求响应的资源包括电价型需求响应以
及激励型需求响应(incentive-based demand response，IDR)[3]。
IDR是指需求侧用户和电网以激励协议的形式，确立电网在
负荷高峰期等紧急时期拥有协议用户的负荷削减权力的方
式。在系统对用户下达削负荷控制命令的情况下，用户依约
进行用电负荷调降。调度IDR 时，将产生对参与负荷削减用
户的补偿费用如下：
式中，FIL为优化时段内IDR 响应补偿费用；NIL为IDR 用户
数；K1和K2为IDR 补偿费用系数；PILj,t 为IDR 用户j 的负荷
削减量；θj 为IDR 用户类型；vjt 为IDR 的响应状态，vjt 为1
表示用户j 在t 时刻为响应IDR 控制命令状态，vjt 为0 表示
不响应。
IDR 的约束条件主要考虑IDR 削减负荷约束、最小和
最大响应时间约束，响应次数约束[4]。
2 碳排放权交易机制分析
当前火电厂的CO2排放权配额确定原则通常为“无偿分
（1）
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配和有偿分配相结合，无偿分配为主”[5]。这里通过基准线法
确定该初始分配方案如下：
式中，Eq为火电厂无偿分配所得的初始CO2排放量；δ 为分
配因子；NG为该厂所辖发电机组数；PGi,t 为机组i 在t 时段的
计划发电量，T 为调度周期。
之前有过通过降低碳排放总量约束的上限值来强化减
排力度的研究[6]，但该上限值难以确定，易造成约束过紧使求
解过程发散。本文通过控制系统碳减排目标来抑制碳排放权
的补仓行为，即要求电厂初始分配所得碳排放权配额与通过
市场补充购入的量需小于碳减排目标。
在总碳排放量低于碳减排目标的情况下，可把多余的碳
排放权分配量以初始购入价通过市场卖出以得到利润，但在
碳排放量超标情况下，需对排放权的超出量通过市场补充买
入。碳排放权补充买入部分的价格随买入量逐级增加，具体
如式(4)～(5)。
式中，F C是碳交易费用；E p为调度期内系统CO2排放量；E u
是电厂碳减排目标；KE是碳排放权价格基值；KF是分级碳排
放权价格，σ 是惩罚因子，η 是分级定价的排量段的长度，
根据η 确定CO2排放总量超标部分所在的分级定价区段，
σK 是超标时对应于分级区段的碳排放权提价因子；αi，βi，
γi 是机组i 的碳排放系数[6]；uit 是机组i 在ｔ 时刻的运行/
停机状态。
3 低碳优化模型
3.1 目标函数
优化目标为最小化碳排放权交易、火力发电成本[7]和
IDR 的运营费用之和，即
3.2 约束条件
系统旋转备用约束如下：
式中，ＰGmaxi 是机组i 的静态出力上限；ＰGmaxit 是火电机组i 在
ｔ 时段的动态出力上限；r ui 是机组i 在时段t 的最大上爬坡
速率；PLt 是t 时段系统负荷的实际值，DR不参与调度的情况
下，PLt=PDt，PDt 为系统在t 时段的负荷预测值，DR 参与时PLt
如式（9）所示：
火电机组约束主要包括功率平衡约束， 出力上下限约
束，启停时间约束详见文献[7]。IDR约束见第1 节。
4 案例分析
本文以某地区电网系统[8]为案例，该系统包括10 台火电
机组，T 取为24 h，机组和负荷参数见文献[7]。碳交易基价KE
为18 $/tCO ， 分级碳排放权价格KF中σ 为0.25，η 为500；
设该系统的基准线分配因子δ 为0.639。电价和需求响应数
据见文献[3]，其中IDR补偿费用系数K1为0.4，K2为25。本
文模型的决策变量既包含表示火电机组出力值的连续变量，
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
E
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万方数据
也包含表示IDR 负荷响应与否的离散变量， 属于混合整数
非线性规划形式，这里通过GAMS 建模并调用CPLEX 进行
求解。
设模型1 和2 分别为不计及和计及需求响应资源的优
化调度模型，可参与DR 的负荷均占总负荷量的8%，场景1
和场景3 优化结果对比见表1。
从表1 的优化结果可见，当计及需求响应后，火电机组
发电成本减少了1.41 万美元，碳交易成本降低0.14 万美元，
虽然额外增加0.32 万美元的需求响应用户补偿支出，但整体
上看，系统的总运营费用减少了1.23 万美元。原因是需求响
应参与电网负荷经济调度可使该时期的负荷曲线变得平滑，
从而可以减少供电侧在峰荷时段经济性较低时调峰机组的
投入，以及谷荷时段承担基荷机组的反复退出和投运，实现
削峰填谷的效果。
碳排放权市场基价相等时，系统运营费用随碳减排目标
对优化结果的影响见图2。由图2 可见，当系统碳减排目标值
加大时，系统总运营成本F 随之降低，这是因为碳减排目标
的增大可以使电源侧的碳排放量不易超标，故碳排放权交易
费用减小，此时系统的碳排放量也会有所提升。在碳减排目
标增大至15 500 t 后， 系统的总运营成本和碳排放权交易成
本基本维持恒定，原因是此时系统的总碳排放量等于碳减排
目标，无需通过碳交易购买碳排放配额，故系统的碳减排目
标超过该值之后再增大，碳交易成本和总成本不随之增大。
5 结语
本文研究了电力系统碳减排目标和分级碳交易成本等
碳交易机制，并建立了计及激励型需求响应以及碳减排目标
的日前发电调度模型，通过算例仿真测试可知，激励型需求
响应资源参与日前源荷协同调度，可通过削峰填谷减少系统
总运营成本和碳排放量。当系统碳减排目标在一定范围内提
高时，可减少系统的总运营成本。所以制定恰当的系统碳减
排目标，有利于实现节能减排。
参考文献：
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收稿日期：2018-03-04
表1 场景1 和场景3 优化结果
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图2 碳减排目标对优化结果的影响

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