基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法

摘要

本发明涉及一种基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法，包括以下步骤：考虑工业园区不同的供能体系，划定工业园区的控排范围，确定参与碳交易的交易主体；根据供能体系、控排范围和交易主体，确定对应的碳交易模式，计算工业园区初始碳配额；确定碳定价形式及碳配额交易成本模型，融入CCER交易机制，构建碳交易成本模型；将碳交易成本模型引入综合能源系统调度模型中，求解综合能源系统调度模型使得系统的总成本最小，得到最优综合能源系统优化调度方案。与现有技术相比，本发明具有避免了传统碳定价形式的单一性，提高工业园区用户参与碳交易积极性的同时，降低了工业园区低碳转型的成本等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统优化调度领域，尤其是涉及一种基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法。

背景技术

据统计，我国50％以上的工业企业集中在园区，70％的工业用能集中在园区，园区已成为重要的排放载体。

零碳园区将是我国园区升级的必然选择和最终目标，主要举措包括技术管理层面和市场层面。从园区级能源领域角度出发，目前大多数研究只考虑综合能源的应用。然而，围绕工业园区具体参与碳交易的方式仍然较少。

现有工业园区碳交易机制的研究主要集中在传统单层碳交易机制的设计，而忽视了现阶段工业园区多样性的特点以及园区供能体系的特点，且往往仅涉及碳配额的交易，未考虑作为碳配额交易的补充形式CCER在工业园区层面的交易情况，从而导致在进行综合能源系统优化调度时考虑不够全面，调度方案有待进一步优化。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法，一方面，考虑从交易形式和定价机制两个方向入手，结合不同的园区供能形式，建立可通用的工业园区分层碳交易机制，另一方面将CCER交易融入到园区碳交易机制中，进一步提高园区用户参与碳交易的积极性的同时，降低整体低碳转型的成本，从而实现基于降低运行成本的综合能源调度，避免能源浪费的同时保护环境。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法，为不同类型的典型工业园区提供不同、合适的分层碳交易机制，实现零碳园区低碳转型，从而实现更优的综合能源系统调度，具体包括以下步骤：

步骤1)考虑工业园区不同的供能体系，划定工业园区的控排范围，确定参与碳交易的交易主体；

步骤2)根据供能体系、控排范围和交易主体，确定对应的碳交易模式，计算工业园区初始碳配额；

步骤3)确定碳定价形式及碳配额交易成本模型，融入CCER交易机制，构建碳交易成本模型；

步骤4)将碳交易成本模型引入综合能源系统调度模型中，求解综合能源系统调度模型使得系统的总成本最小，得到最优综合能源系统优化调度方案。

所述步骤1)中，工业园区不同的供能体系包括集中式能源站供能体系和分布式产消者供能体系，其中，

所述集中式能源站供能体系为：园区能源由集中式能源站统一提供，工业用户不具备独立的供能设备，园区的碳排放由能源站产生；

所述分布式产消者供能体系为：各工业用户具备独立的供能设备，每个工业用户均为独立的能源产消者，园区的碳排放由各个工业用户产生的碳排放总和。

所述步骤1)中，划定工业园区的控排范围具体为：

对于集中式能源站供能体系：园区中各工业用户无本地分布式电源，不在控排范围中；园区能源供应由能源站提供，其属于控排范围；

对于分布式产消者供能体系：园区部分工业用户无本地分布式电源，不在控排范围中；部分用户有本地分布式电源，且纳入控排范围。

所述步骤1)中，确定参与碳交易的交易主体具体为：

对于集中式能源站供能体系，参与碳交易的交易主体为园区的能源站，另外园区的工业用户属于非控排范围，可以申报CCER项目并交易。

对于分布式产消者供能体系，参与碳交易的交易主体有三种情形：

第一种，工业园区中不具备能碳聚合商，参与碳交易的交易主体为工业用户本身；

第二种，工业园区中具备能碳聚合商，参与碳交易的交易主体为能碳聚合商；

第三种，工业园区中具备能碳聚合商，参与碳交易的交易主体为能碳聚合商和工业用户；

另外，在分布式产消者供能体系中，未被划分到控排范围内的工业用户均可申报CCER项目并进行交易。

所述步骤2)中，碳交易模式包括单层碳交易模式、双层集中式碳交易模式、双层自由式碳交易模式、多层碳交易模式。

所述步骤2)中，根据供能体系、控排范围和交易主体，确定对应的碳交易模式具体为：

对于集中式能源站供能体系，只有工业园区的能源站参与上级市场的交易，采用单层碳交易模式；

对于分布式产消者供能体系，若工业园区中不具备能碳聚合商，参与碳交易的交易主体为工业用户本身，则采用双层自由式碳交易模式；若工业园区中具备能碳聚合商，则判断参与碳交易的交易主体是否包括工业用户，若包括，则采用多层碳交易模式，若不包括则采用双层集中式碳交易模式。

所述步骤2)中，工业园区初始碳配额的计算方法具体为：

对于单层碳交易模式，对能源站进行配额的分配，按照设备的出力计算初始碳配额：

其中，D为工业园区初始配额；λ

对于双层或多层碳交易模式，对工业用户进行配额的分配，按照各工业用户的负荷计算初始碳配额：

其中，D

所述步骤3)中，碳定价形式包括固定碳价、阶梯式定价、供需比定价和议价定价，其中，

对于固定碳价的碳定价形式，即设定碳交易价格为某一确定值，其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，F

对于阶梯式定价，即在不同的碳排放量区间内设置不同的碳交易价格，类似于阶梯电价或气价，其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，

对于供需比定价，即根据市场供求关系实时改变的碳交易价格；根据供需关系，存在以下几种情形：

情形1：当需求与供给都为0时，园区内无可交易碳配额，内部碳价即为外部碳市场价格。

情形2：当需求与供给相等且不为0时，不考虑能碳聚合商中间获利，为体现公平，内部价格应按中间价制定。

情形3：当需求大于供给量时，优先内部交易，不足由外界购入。

情形4：当需求小于供给量时，优先内部交易，多余向外界出售。

其中，

因此根据供需比定价的碳配额交易成本模型为：

其中，

对于议价定价，即不同工业用户之间通过合作议价的方式获取碳交易量和交易价格；其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，C

所述步骤3)中，CCER交易成本模型为：

F

其中，F

所述碳交易成本模型为：

F＝F

其中，F表示工业园区总的碳交易成本。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在充分考虑工业园区现有供能体系的基础上，合理划分控排范围确定参与碳交易的主体进而确定了4种不同的分层碳交易模式，避免传统单层碳交易模式的应用局限性，适用范围广。

(2)本发明构建了4种碳定价形式并构建了相应的碳配额交易模型，在工业园区层面引入CCER交易机制，构建了完整的碳交易成本模型，避免传统碳定价形式的单一性，实现了CCER在工业园区层面的交易。

(3)本发明通过在综合能源系统调度中引入分层碳交易成本模型，在降低系统运行成本的同时，起到了保护环境的作用。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为两种工业园区供能体系示意图，其中，(a)为集中式能源站供能体系示意图，(b)为分布式产消者供能体系示意图；

图3为四种工业园区分层碳交易模式示意图，其中，(a)为单层碳交易模式示意图，(b)为双层集中式碳交易模式示意图，(c)为双层自由式碳交易模式示意图，(d)为多层碳交易模式示意图；

图4为一种实施例中典型工业园区定价形式组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种基于工业园区分层碳交易的综合能源系统优化调度方法，为不同类型的典型工业园区提供不同、合适的分层碳交易机制，实现零碳园区低碳转型，从而实现更优的综合能源系统调度，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1)考虑工业园区不同的供能体系，划定工业园区的控排范围，确定参与碳交易的交易主体。

步骤1-1)确定工业园区不同的供能体系

工业园区不同的供能体系包括集中式能源站供能体系和分布式产消者供能体系。

集中式能源站供能体系：如图2(a)所示，园区能源由集中式能源站统一提供，工业用户不具备独立的供能设备，园区的碳排放由能源站产生。

分布式产消者供能体系：如图2(b)所示，各工业用户具备独立的供能设备，每个工业用户均为独立的能源产消者，园区的碳排放由各个工业用户产生的碳排放总和。

步骤1-2)划定工业园区的控排范围

对于集中式能源站供能体系：园区中各工业用户无本地分布式电源，不在控排范围中；园区能源供应由能源站提供，其属于控排范围。

对于分布式产消者供能体系：园区部分工业用户无本地分布式电源，不在控排范围中；部分用户有本地分布式电源，且纳入控排范围。

步骤1-3)确定参与碳交易的交易主体

对于集中式能源站供能体系，只有工业园区的能源站参与上级市场的交易，参与碳交易的交易主体即为园区的能源站，另外园区的工业用户属于非控排范围，可以申报CCER项目并交易。

对于分布式产消者供能体系，根据工业园区是否具有能碳聚合商以及交易主体是否含有工业用户，可分为以下三种不同的情况：

第一种，工业园区中不具备能碳聚合商，碳交易由工业用户独立完成，参与碳交易的交易主体为工业用户本身；

第二种，工业园区中具备能碳聚合商，且工业用户不直接参与碳交易，参与碳交易的交易主体为能碳聚合商；

第三种，工业园区中具备能碳聚合商，但工业用户也直接参与碳交易中，参与碳交易的交易主体为能碳聚合商和工业用户；

另外，在分布式产消者供能体系中，未被划分到控排范围内的工业用户均可申报CCER项目并进行交易。

步骤2)根据供能体系、控排范围和交易主体，确定对应的碳交易模式，计算工业园区初始碳配额。

本实施例中，碳交易模式包括单层碳交易模式、双层集中式碳交易模式、双层自由式碳交易模式、多层碳交易模式。

单层碳交易模式：对于集中式能源站供能体系，只有工业园区的能源站参与上级市场的交易，采用单层碳交易模式，如图3(a)所示。

双层集中式碳交易模式：分布式产消者供能体系下，工业园区中具有能碳聚合商，碳交易包括工业用户与能碳聚合商以及能碳聚合商与上级市场；工业园区的碳交易通过能碳聚合商集中完成，工业用户间无直接交易形式，如图3(b)所示。

双层自由式碳交易模式：分布式产消者供能体系下，工业园区在不具有能碳聚合商，其中，既存在工业用户间的直接交易形式，又存在工业用户与上级市场的交易形式；工业园区的碳交易由工业用户独立完成，如图3(c)所示。

多层碳交易模式：分布式产消者体供能体系下，工业园区具有能碳聚合商，工业园区的碳交易既可以通过能碳聚合商完成，又可以由用户独立完成，具体的交易形式可由用户自行选择，如图3(d)所示。

通过以上分析，对于某一特定工业园区，可以根据其供能模式、控排范围以及交易主体确定其碳交易模式。

在完成交易模式的判定后，可根据判定结果对工业园区进行初始配额的分配，即对于单层碳交易模式，对能源站按照机组出力进行分初始配额的分配；对于双层或多层碳交易模式，对工业用户按照负荷进行初始配额的分配。具体的，

对于单层碳交易模式，对能源站进行配额的分配，按照设备的出力计算初始碳配额：

其中，D为工业园区初始配额；λ

对于双层或多层碳交易模式，对工业用户进行配额的分配，按照各工业用户的负荷计算初始碳配额：

其中，D

步骤3)确定碳定价形式及碳配额交易成本模型，融入CCER交易机制，构建碳交易成本模型。

本实施例中，碳定价形式包括：

(1)固定碳价，即设定碳交易价格为某一确定值；

(2)阶梯式定价，在不同的碳排放量区间内设置不同的碳交易价格，类似于阶梯电价或气价；

(3)供需比定价，根据市场供求关系实时改变的碳交易价格；

(4)议价定价，不同工业用户之间通过合作议价的方式获取碳交易量和交易价格。

工业园区可根据自身实际情况及需求，自行选择合适的定价形式或定价形式组合，如图4为典型工业园区定价形式组合。

对于固定碳价的碳定价形式，其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，F

对于阶梯式定价，其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，

对于供需比定价，根据供需关系，存在以下几种情形：

情形1：当需求与供给都为0时，园区内无可交易碳配额，内部碳价即为外部碳市场价格。

情形2：当需求与供给相等且不为0时，不考虑能碳聚合商中间获利，为体现公平，内部价格应按中间价制定。

情形3：当需求大于供给量时，优先内部交易，不足由外界购入。

情形4：当需求小于供给量时，优先内部交易，多余向外界出售。

其中，

因此根据供需比定价的碳配额交易成本模型为：

其中，

对于议价定价，其对应的碳配额交易成本模型为：

其中，C

通过上述对工业园区控排范围的划定，规定非控排范围内的工业用户可申报CCER项目且同配额交易形式参与碳市场交易；控排范围内的工业用户通过购买不超过一定比例的CCER来抵消碳排放量，构建CCER交易成本模型为：

F

其中，F

在考虑CCER交易与碳配额交易的工业园区中，碳交易的成本包括碳配额交易成本与CCER交易成本，则碳交易成本模型为：

F＝F

其中，F表示工业园区总的碳交易成本。

步骤4)将碳交易成本模型引入综合能源系统调度模型中，求解综合能源系统调度模型使得系统的总成本最小，得到最优综合能源系统优化调度方案。

综合能源系统调度模型的构建与求解过程具体属于本领域的常规设置，例如，采用公开号CN115907362A，CN114662330A等申请中所公开的方法，将其中的碳交易成本/机制替换为本实施例中的碳交易成本模型均可实现本发明的发明目的。本发明不对采用的综合能源系统调度模型进行限制，因此，为了避免本申请的目的模糊，在此不再赘述。

实际应用时，可根据工业园区的具体情况和需求按照以上方法，确定适合工业园区的分层碳交易机制，实用性和引导性强，有利于促进工业园区低碳转型，从而更好的实现综合能源系统优化调度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。