第 39 卷 第 6 期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.39 No.6 Mar. 20, 2019 1614 2019 年 3 月 20 日 Proceedings of the CSEE 2019 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI 10.13334/j.0258-8013.pcsee.180754 文章编号0258-8013 2019 06-1614-13 中图分类号TM 743 考虑 LCA 能源链与碳交易机制的综合能源系统 低碳经济运行及能效分析 王泽森 1 ，石岩 1 ，唐艳梅 2 ，门向阳 1 ，曹军 1 ，王海风 11．华北电力大学电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206； 2．中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192 Low Carbon Economy Operation and Energy Efficiency Analysis of Integrated Energy Systems Considering LCA Energy Chain and Carbon Trading Mechanism WANG Zesen 1 , SHI Yan 1 , TANG Yanmei 2 , MEN Xiangyang 1 , CAO Jun 1 , WANG Haifeng 11. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute , Haidian District, Beijing 100192, China ABSTRACT With the continuous advancement of new energy utilization technologies, in order to give full play to the economic-environmental benefits of integrated energy systems IES, the low-carbon development concept can lead IES to lower-emission energy consumption. However, due to the complexity of IESs energy diversity and different energy chain migration and transation processes, it is impossible to accurately analyze the total carbon emissions of IES, which makes it difficult for IES to participate in the carbon trading market. In this study, the IES of gas-containing electric heating load demand was analyzed by life cycle assessment LCA to analyze the carbon emissions generated by the energy conversion process of different energy chains EC in IES, and the carbon emission coefficients after normalized measurement were obtained for IES with gas-electric-heat loads. It is combined with the carbon trading mechanism model into the decision indicators of the IES economic operation. While ensuring the system load demand, the IES is divided into two scenarios off-grid type and grid-connected type. The effects of different carbon transaction prices on system operation status, operating cost and carbon emission were discussed, and the energy efficiency analysis was improved. Quantitative analysis of IES energy efficiency and comprehensive energy utilization in two scenarios were examined. The results show that a reasonable planning of the carbon market can effectively promote the development of IES low carbonization. This thesis also provides an analytical for IES low carbonization modeling and carbon emission measurement. KEY WORDS integrated energy systems; carbon trading; life cycle assessment; energy chain; economical operation; energy efficiency analysis 摘要 随着新能源利用技术的不断推进， 为充分发挥综合能 源系统integrated energy systems ， IES 的经济–环境效益， 低 碳发 展理念可以引导 IES 由高排放能源消耗转向低排放能 源消耗。 但是由于 IES 具有能 源多样性和不同能源链迁移转 化过程的复杂性， 无法准确分析 IES 的总碳 排放， 进而难以 使 IES 参与碳交易市场。 研究针对含气电热负荷需求的 IES ， 运用生命周期分析life cycle assessment ，LCA 方法，分析 IES 中不同能源链energy chain ， EC 迁移转化 过程产生的碳 排放， 求得归一计量后的碳排放系数。 将其与碳交易机制模 型联合引入 IES 经济运行的决 策指标中。 在保证系统负荷需 求的同时， 将 IES 分为离网型 与并网型 2 种 场景， 对比讨论 不同碳交易价格对系统运行状态、 运行成本、 碳排放量的影 响， 并通过改进能效分析方法对 2 种场景下 IES 的节能情况 和综合能源利用率进行定量分析。 结果表明， 合理的规划碳 市场可以有效促进 IES 低碳 化发展。 该文也为 IES 低碳化 建 模以及碳排放计量提供了分析方法。 关键词综合能源系统；碳交易；生命周期评价；能源链； 经济运行；能效分析 0 引言 伴随新能源技术的发展， 多种能源互耦合、 综 合利用已经成为能源发展的重要方向 [1-2] 。 综合 能源 系统integrated energy systems ，IES 概 念的提出， 使不同能源的生产、 传输、 分配、 转化、 存储、 消 费等环节在多时空之尺度下可以有机协调 [3] ，有助 于降低能源使用成本， 提高能源利用效率， 促进清 洁能源大规模消纳 [4-5] 。在低碳发展的时代背景下， 伴随着对 IES 研究的不断深入，如何发展低碳 IES第 6 期 王泽森等考虑 LCA 能源链 与碳交易机制的综合能源系统低碳经济运行及能效分析 1615 已经成为当前研究的热点问题。 文献[6-7] 以 面向冷热电终端负荷的 IES 为研究 对象， 提出了包含一次能源减排量与减排总量的碳 评价指标体系。 文献[8] 对比分析单一能源系统与含 有 CHP 、CCHP 系统的碳排放数据， 证明了 IES 可 实现 1050 的碳减排量。 文献[9] 计算 了 CHP 的 一次能源生命周期能源消耗与碳排放量。 以上研究 说明 IES 可以有效降低化石能源消耗量， 减少碳排 放。 也有研究将低碳要素引入 IES 运行模型的目标 函数或约束条件中， 文献[10-11] 将 温室气体排放量 最小引入目标函数， 建立了多目标模型， 研究了考 虑环境因素的 CHP 机组 经济调度； 文献[12] 在冷热 电联供系统优化调度模型引入碳交易成本， 采用模 糊自修正粒子群算法求解。 文献[13] 在气– 电 IES 经 济优化模型中引入交易成本， 分析了碳交易价格和 天然气价格对系统运行的影响。文献[14] 构建了考 虑碳交易成本的多区域 IES 分散调度模型， 解决了 信息不完全情况下系统优化运行问题， 分析了分散 优化算法在 IES 分散调度中的计算性能。 并分析了 碳交易成本对系统运行的影响。 以上研究验证了在 IES 运行环 节考虑低碳要素因素，对原有调度方式 进行修正，对不同碳排放机组出力进行重新分配。 尽管国内外学者已经展开了一些关于 IES 低碳 运行的研究， 但是对能源耦合与转化过程中碳排放 转移， 以及从低碳角度促进 IES 优化运行等问题还 有待进一步研究 [15] 。 针 对当前 IES 低碳经济运行主 要存在以下 3 点问题 1 ） IES 具有能源种类多样性， 且各种能源相互 耦合。 虽然存在物理属性与空间的差异， 但不同能 源引起的碳排放却没有清晰的界限。 在针对 IES 的 建模中缺少区分不同能源碳排放的方法。 2 ） IES 中各种能量的迁移转化行为复杂， 低碳引 入 IES 后，碳排放体现在 IES 的各个环节中，能源的 生产、传输、储存等行为都对总碳排放有影响。而当 前对 IES 所包含的所有环节碳排放计量的研究较少。 3） 随着碳交易市场在国内的兴起， 市场机制也 会影响 IES 中能源的局部竞争。合理的利用能源市 场机制才能促进 IES 的低碳发展，然而当前讨论碳 交易价格对 IES 系统运行与能效影响的研究较少。 生命周期评价方法可以记录从能源生产、 运输 到使用的各个阶段的碳排放轨迹 [16] ， 作为一种成熟 的评价方式， 已经分别在电力能源链中有了相关研 究 [17-18] 。 对包含由源、 网、 换、 储、 荷 5 部分的 IES 而言， 对系统内部包含的所有能源链进行分类， 运 用 LCA 方 法充分考虑每条能源链从生产源头到负 荷需求侧的碳轨迹， 可以更加精确地判断系统的总 碳排放量， 对分析碳交易机制下 IES 的经济运行有 重要意义。 本文在针对含气电热负荷需求的典型集成终 端， 综合考虑系统内部各单元的工作特性， 构建典 型气电热微网型 IES 。并运用生命周期评价life cycle assessment ，LCA 方法， 分析 IES 中不同能源 链迁移转化过程产生的碳排放， 求得归一计量后的 碳排放系数。将其与碳交易机制模型联合引入 IES 经济运行的决策指标中。 在保证系统负荷需求的同 时， 将 IES 分为离网型与并网型两种场景， 对比讨 论不同碳交易价格对系统运行状态、 运行成本、 碳 排放量的影响， 并通过改进能效分析方法对两种场 景下 IES 的节能情况和综合能源利用率定量分析。 1 典型 IES 结构建模 IES 系统的结构具有灵活性，可以根据不同场 景的资源与需求， 设计出相应的系统结构， 最大程 度地提高能源的使用效率。 本文以具有气电热负荷需求的典型 IES 做为研 究对象， 其中能源供给侧包含气源点、 新能源发电 机 光伏、风机 以及主网；能源转化存储部分包含 微型燃气轮机、 电锅炉、 燃气锅炉以及储能设备 电 储能、热储能、气储能 ；需求侧包含气电热负荷。 IES 结构如图 1 所示。 燃气锅 炉 电锅炉 溴冷机 微燃机 气源 光伏 风机 气负 荷 热负荷 电负荷 储气 变压器 中压 配电网 储电 储热 气网 电网 热网 供给侧 转化与存储 需求侧图 1 典型综合能源系统结构图 Fig. 1 Framework of integrated energy systems 针对具有气电热负荷需求的 IES 模 型已有大量 研究文献， 因此 IES 系统内部各单元功能介绍及数 学模型在此不赘述，具体内容参见附录 A 所示。 2 IES 中 LCA 能源链碳排放分析 2.1 LCA 能源链分析方法 LCA 能源链分析作为评价能源活动整个生命1616 中 国 电 机 工 程 学 报 第 39 卷 周期环境后果的分析方法，当前 STTAC 国际环境 毒理学与化学学会 和 EPA 美国环境保护署 均把 LCA 能源链分成 3 个实施步骤 分类classification 、 特征化characterization 和量 化valuation [19-21] 。 1 ）分类对目标系统能源种类与能源活动分 类，设置污染物清单及边界范围。 2 ）特征化将目标系统能源活动过程进行简 化、归类，可根据污染物主要排放途径设置。 3 ）量化对已经特征化的能源活动产生的污 染物进行计量。 为实现 IES 的低碳运行， 需将碳排 放因素考虑 在经济运行中。IES 供 能过程中能量的生产和传输 过程均会产生碳排放，若仅考虑发电机的碳排放， 无法充分表征 IES 的总 碳排放。为此，采用 LCA 能源链碳排放分析方法， 该方法旨在对系统进行分 析时， 不仅要评价系统活动本身或投入物料直接产 生的温室气体排放问题， 还要考虑系统运行或物料 有关的转化的伴随效应， 即 IES 每提供 1kW h 能量 所产生的总碳排放量。 LCA 能源链碳排放计量范围 是从能源链的能源开采端至能源消耗终止端， 但不 包括二次能源的输配环节， 主要是因为该环节与能 源链没有直接关系。 根据 LCA 能 源链的 “三步法” ， 首先 本文研究 按照能源设备所对应的能源进行能源链分类， 设置 污染物 为温 室气体包括 SO 2 ，NO x ，CO 2 ，并 根 据单位产能各气体的排放量折算成 CO 2 [12,22] ；其 次 将每条能源链特征化分为生产、 运输、 使用 3 部分 ， 其中使用环节包含直接使用和间接使用； 最后， 由 于能源使用设备、物料选择、制作工艺等的差异， 量化难度很大， 本研究通过参考文献[23-31] 的方 法 选取合适的参数进行量化。 2.2 考虑 LCA 能源链的 IES 碳排放计量方法 IES 由源、网、换、储、荷 5 部分构 成，其中 涉及多种能源相互耦合， 能源之间转化和传输界限 模糊。根据 2.1 节提供的 方法，首先，确定 IES 排 放的温室气体作为计量污染物， 将 IES 内每种能源 按照能源活动顺序划分能源链； 之后将每条能源链 的传递环节进行归纳简化， 最后根据各个环节内能 源活动所产生的碳排放系数进行计量， 具体计量过 程如下 1 ）煤电 主网 。 煤电 LCA 能源链的温室气体排放主要来自煤 炭生产 开采和洗选 、电煤运输、燃烧 3 个环节 。 tettt t gg pgs P d ep tgs 1 ggs s s e 1 nm i IJ jjj ikiii ij k E U ener U EU U r Q M EU U                 1 式中E pgs 电 煤生产环节碳排放系数，g/kW h ；U P 为煤炭生产过程的单位能耗，t/t ；ener d 为原煤转 化 效率 认为其完全转化 ；U ep 煤炭生产的排放系数， g/kW h ；  为原煤生产过程中因自然导致的单位电 量原煤损失率；  表示原煤洗选过程中发生的单位 电量原煤损失率。 E tgs 为 电煤运输环节碳排放系数， g/kW h ；I n 为各种煤炭运输方式的集合，主要为铁 路运输、 水路运输、 公路运输； J m 为各种燃料集合 ， 主要给汽油、柴油、电 能； t j i U 为第 i 类运输方式 使用的第 j 种燃料的能耗强度，t/t km ； e t i j k U 为第 i 类运输方式使用的第 j 种燃料产生的第 k 类温室气 体的碳当量排放系数，g/kW h ； t j i r 为使用第 j 种燃 料的第 i 类运输方式总运输里程占总运输里程的比 重； t i Q 为第 i 类运输方式运煤总量，t ；Q i 为所有 运输方式的总运量，t ； t i M 第 i 类运输 方式的平均 运输里程，km 。E ggs 为燃 煤发电环节碳排放系数， g/kWh ； g s U 为单位电量的供电标准煤耗，g/kW h ； g se k U 为燃煤机组发电单位顿标煤的第 k 中 温室气体 的碳排放当量排放系数，g/tce 。 2 ）新能源机 组 风、光 。 新能源 LCA 能源链温 室气体排放可以分为生 产建设、 运输两个环节。 运行环节的温室气体排放 主要来自耗材生产与替换时运输耗能和设备检修 耗能。 大量研究文献研究表明新能源机组运行阶段 产生的碳排放极少，可以忽略不计。 p, cc t peg g 1 cc tp , teg t t 1 1 [] e n j i ii i j i iij i n iij g i m um m Ec ee Em e c               2 式中E peg 为新能源机组生产环节的碳排放系数， g/kW h ；u i 为生产机组施工所需要第 i 种材料 的损 耗系数；c jg 单位标准电量与能耗的折算系数， MJ/kW h ；n 为生产所需材料的种类数量；m ci 为施 工所用的第 i 种材料的碳排放强度，g/t ；e ci 为施工 所用的第 i 种 材料的内含能量强度值，GJ/t ；m cti 为 生产环节第 i 种材料的碳排放强度，g/t ；e cti 生产环 节材料运输耗费能量强度， GJ/t ； m pj,i 为第 j 个施 工第 6 期 王泽森等考虑 LCA 能源链 与碳交易机制的综合能源系统低碳经济运行及能效分析 1617 过程第 i 种材 料的碳排放强度，g/t ；e pj,i 为第 j 个施 工过程第 i 中 材料的内含能量强度值，GJ/t ；E teg 为 新能源机组组件运输环节的碳排放系数，g/kW h ； m ti 为第 i 种材料运输所用的碳排放强度，g/t ；e ti 为第 i 种组件 运输耗费能量强度，GJ/t 。 3 ）天然气。 天然气 LCA 能源链温 室气体排放主要包括开 采、运输、使用 3 个环 节，可表示为 pgas pgas pGAS 1 gas tGAS tLNG ggas 1 1 eh 2 1 n i i i t EUU Ee e Ec                 3 式中E pgas为天然气开采阶段的碳排放系数， g/kW h ；  i 为第 i 种温室气 体与碳排放的折算系数； pgas i U 为第 i 种温室气体的排放强度，g/kW h ；  为 天然气开采过程中的自逸率；U pGAS为天然气的碳 排放强度，g/kW h ；e tGAS 、e tLNG 分别为选择管道运 输和液化运输的碳排放系数，g/kW h ；  为管道运 输量在总运输量的比重；  1 为 CHP 单位供电量碳 排放系数，g/kW h ； c eh 为发热折算 成供电量的 折 算系数，即发 1kW h 电所需的热量，本文取 6MJ/kW h [14] ；  2 为燃气锅炉单位供热量碳排放系 数，g/kW h 。 LCA 能源链理论计量范围不包括二次能源的 输配环节，但是文献[32] 表明，电储能设备全生命 周期间接使用过程存在较大的碳排放， 且废弃物处 理难度大， 所以对于 IES 来说该部分碳排放也应计 量在总碳排放中。由于电储能原理与构造的差异， 目前没有统一的计量方法， 本文以电储能平均碳排 放为基准，同时参考文献[31] 中提供的数据，综合 确定电储能设备的间接碳排放系数为 91.33g/kW h 。 此外，当前针对气热储能 LCA 碳 排放计量的研究 为空白， 暂按照电储能间接排放系数计量。 电锅炉 实现电能向热能的转变， 其电能来源由主网和新能 源机组联合提供， 使用阶段不产生碳排放， 并且电 锅炉使用寿命长，废弃物易处理。因此计电锅炉 LCA 碳排放系数为零。 3 IES 低碳经济运行模型 3.1 IES 经济模型 1 ）目标函数 。 由于引入电、 气、 热的储能环节， 联产系统无 需时刻跟踪负荷的变化， 可自由参与调度， 提高了 IES 对负荷 的跟踪能力。在部分单元约束已定的条 件下，IES 通过合理安排各单元的出力，使总系统 运行成本最低。 IES GAS GEX MC ST 1 m i n [ ] T t f CtCtCtCtt   4 其中 GAS gas,MT gas,GSF CtCtCt  5 GEX BE BGEX SE SGEX CtCt PtCt Pt  6 MC MT MT PV PV WT WT EB EB GSF gas,GSF EES h,store ele,store ele,release TES h,release GES gas,store gas,release CtCPtCPtCPt CPtCP tC Pt PtPtC Pt CP tP t       7 ST MT MT ST,MT EB EB ST,EB GSF GSF ST,GSF m a x { 0 , 1 } max{0, 1} max{0, 1} Ct UtUt C UtUtC UtUtC     8 式中T 为调度时段总数；C GAS t 、C GEX t 、C MC t 和 C ST t 分别为时段 t 天 然气成本、与主网交互成 本、 各单元维 护成本和可控机组启停成本； C gas,MT t 和 C gas,GSF t 为微燃机和燃气锅炉耗气成本； P BGEX t 、P SGEX t 、C BE t 、C SE t 分别表示时段 t 微电网系统从主网购电和向主网售电功率及购售 电成本；C MT 、C PV 、C WT 、C EB 、C GSF 、C EES 、C TES 、 C GES 分别为微燃机、 光伏、 风机、 电锅炉、 燃气锅 炉、 储电设备、 储热设备、 储气设备单位维护成本； C ST,MT 、C ST,EB 、C ST,GSF 分别为微燃机、 电锅炉、 燃 气锅炉启动成本；U MT t 、U EB t 、U GSF t 分别为微 燃机、电锅炉、燃气锅炉的启停状态。 2 ）约束条件 。 IES 的约束条件包括系统能量平衡约束、能源 存储设备约束、 与主网交互功率限制、 可控单元限 制和爬坡约束及气源点限制。 针对该部分约束条件 已有大量研究， 此处不赘述， 具体公式及含义参见 附录 B 。 3.2 含 LCA 能源链与碳交易的 IES 低碳经济模型 1 ）碳交易机 制模型。 碳交易机制是将碳排放作为商品的一种机制， 政府部门为了有效控制碳排放总量， 对每个碳排放 源分配一定碳排放额度。 如果碳排放源的实际碳排 放量大于配额， 则需要到碳交易市场购买超出的额 度； 反之， 当碳排放源的实际碳排放量小于分配额 则， 剩余的碳排放量可以作为商品去市场出售。 在 碳排放交易机制下， 碳排放企业出于自身利益最大1618 中 国 电 机 工 程 学 报 第 39 卷 化的考虑， 会自发地寻找碳排放更低的生产或运作 方式。 不仅促进了企业的节能减排， 同时也使碳排 放具有经济价值。 因此， 考虑碳排放权配额分配时 碳交易机制成本模型可以表示为 2 CO t all rate fS EE  9 式中 f CO 2 为 交易成本， 当 f CO 2 为负值 时， 表示卖出， 获得收益，为正值时，表示买进，付出成本；S t 为 某日碳市场交易价格；E all 为实际运行时二氧化 碳 的总排放量；E rate 为给定 碳排放配额。 2 ）LCA 能源 链分析方法。 IES 的 LCA 能源链包含了不同的能源生产环 节、 能源运输环节及能源使用环节， 各阶段相应运 行设备的碳排放。 通过公式对系统主要环节碳排放 系数的计量表征，即 ptg iiii EEEE  10 式中E i 表 示能源设备 i 相应能源种 类的能源链碳 排放系数总量，g/kW h ；E pi 为能源设 备 i 相应能源 种类生产环节的碳排放系数总量；E ti 为能源设备 i 相应能源种类存储环节的碳排放系数总量， g/kW h ； E gi 为能源设备 i 相应能源种类使用环节的 碳排放系数总量，g/kW h 。 由于 IES 中 部分能源设备在运行期间存在直接 或间接的碳排放， 因此能源设备的碳排放量与设备 运行出力相关。可以表示如下 all ii i EE P    11 式中 为能源供应与存储设备集合；E i 为能源 供 应与存储设备 i 的碳排放 系数；E all 为 总碳排放量。 将考虑能源链碳交易成本加入 IES 运行成本， 得到含 LCA 能源链碳交易机制的 IES 低碳经济模 型，目标函数如下所示 2 IES CO min ff  12 4 能效分析方法及模型求解 为研究含能源链碳交易机制的 IES 能效， 本研 究改进文献[33] 的方法，从节能率和综合能源利用 率两个方面对系统进行分析。 IES 的节能率计算方法 at sys a 100 EE E    13 式中  sys 为 IES 的节能率；E a 为 IES 的校准能耗， 千克标准煤kgce ；E t 为 IES 的报告期能耗，千克 标准煤kgce 。 改进 IES 校准能耗计算方法 a load SGEX ref ,p load ref ,h load ref ,q EPP eHeQe  14 t BGEX ref ,p source ref ,q EP e Q e  15 式中e ref,p 为供电能耗参照值，kgce/ kW h ；e ref,h 为供热能耗参考值，kgce/ kWh ；e ref,q 为供气能耗 参考值，kgce/ kW h 。e ref,p 、e ref,h 和 e ref,q 数值参考附 录 A IES 的综合能源利用率 load SGEX load source load BGEX 100 PPH QQP    16 式中 为 IES 的综合能源利用率。 本文所建立的含 LCA 能源链碳交易 IES 经济 模型为混合 线性整数优 化问题。通 过 CPLEX [34] 可 以快速、稳定地对模型进行求解。 5 算例分析 5.1 参数设置 本研究算例所构建的 IES 是在文献[35-36] 的基 础上改进得到，具体结构图及所含元件参考图 1 。 综合考虑了气电热负荷的需求、 能源链环节、 碳交 易成本、 主网分时电价等因素， 选取我国北方冬季 典型日进行研究， 典型日风光出力和气电热负荷预 测值，如表 1 所示。 表 1 主网分时电价 Tab. 1 Mainframe timeshare price 时段 购电/ 元/kWh 售电/ 元/kWh 峰时段 0.84 0.65 平时段 0.62 0.47 谷时段 0.42 0.33 IES 与主网购售电价按照峰平谷三段划分，峰 时段为 1000 1500 ，1800 2100 ；平时段为 0700 1000 ， 1500 1800 及 2100 2300；谷 时 段为 0000 0700 ，2300 2400。如 图 2 所示。 0 40 80 120 0481 21 62 02 4 功率/kW 电负 荷 热负 荷 时刻 气负 荷 光伏出 力 风机 出力图 2 日负荷及风光出力预测曲线 Fig. 2 Predicted curves of load and PV/wind power output 按照 2 节提 供的 LCA 源 链碳计量方法对 IES第 6 期 王泽森等考虑 LCA 能源链 与碳交易机制的综合能源系统低碳经济运行及能效分析 1619 所涉及的能源链进行分类， 并对各个环节的计量范 围予以说明， 之后对计量范围内各能源链中各环节 的碳排放系数进行归一化处理，最后按照式10 求 得能源量总碳排放系数。 计量范围及总碳排放系数 如表 2 所示 。 由于碳排放计量过程所需数据量较大， 因此在本文附表 B1 中会 详细说明数据来源。 表 2 不同能源链碳排放环节表 Tab. 2 Carbon emission links in different energy chain 能源链类型 生产 运输 使用 碳排放系数 天然气 √ √ √ 564.7 风能 √ √ 43 太阳能 √ √ 154.5 煤电 主网 √ √ √ 1303 储能装置 √ √ 91.33 注 其中标记√ 为该 环节存在碳排放， 标记– 为该环节不 存在碳排放。 本研究碳排放配额的选取， 参考上海市发改委、 深圳发改委 、广东省发 改委等地区 出台的有关 碳 排 放配额分配方案。由于天然气在 IES 中消耗途径不 同，因此相 应的配额有 所不同。当 前碳交易市 场 没 有对储能设 备设置碳排 放配额，所 以该值取 0 克/ kWh。各能源类型单位碳排放分配额如表 3 所示。 表 3 单位有功碳配额系数 Tab. 3 Carbon quote coefficient of unity active power 能源类型 配额/g/kWh 煤电 主网 798 热电联产CHP 424 新能源发电 风光 78 气热 气炉 152 储能 0 系统相关运行参数参考附表 B2、附 表 B3 以及 附表 B4 。 天 然气价格取 2.55 元/m 3 ， 按照天然气热 值 GHV 为 35.54MJ/m 3 相当于 9.87 kW h/m 3 ， 折合 成单位热值价格为 0.258 元/kW h 。 5.2 结果分析 为研究 LCA 能源链碳 排放下，碳交易机制对 IES 经济运行 与能效的影响。本算例将 IES 设置 为 并网型与离网型两种场景， 对其日前经济调度结果 进行对比分析。 第一种场景下，IES 为并网型，运行期间每一 时刻与主网保持耦合状态， 系统随时可以与主网进 行功率交换。 从主网购电和售电的价格按时段均分 成峰、 平、 谷 3 种价格 。 系统与主网耦合， 有利于 系统选择调峰电能来源， 且能够在低价 “谷电” 时 刻买入网电充入储能设备， 在高价 “峰电” 时刻释 放储能设备中的电力，实现既节约用户电费花销， 又能削峰填谷、 平滑用电负荷， 在一定程度可缓解 电网调节压力。 第二种场景下，IES 与主网无功率交换，系统 能量由风/ 光/CHP 提供，其中储能设备可以保证对 气、 热、 电 3 种能源的供 需时间解耦， 有利于新能 源 光伏、风能 电能平滑输出，也可参与调峰提高 系统利用率。 1 ）碳交易价 格对系统运行状态影响分析。 在图 3 中， CHP 热功率、 电炉产热功率及气炉 产热功率曲线为实线，采用主轴值；电储能充电、 热储能充热及气储能充气曲线为虚线，采用次轴 值。 分析主轴值可知， 碳交易价格增长， 系统热出 力向价格较高但更为清洁的 CHP 及电锅炉转移， 气炉出力快速减小，当碳交易价格达到 29 元/t 时， 气炉出力与电炉出力相等； 随着碳交易价格进一步 增加， 电炉由于没有碳排放， 系统倾向于电炉出力； 与此同时， 新能源出力增加， 使系统在提供相同热 能时耗电碳排放远低于好气碳排放， 所以电炉出力 明显增加而气炉出力明显下降。 当碳交易价格达到 68 元/t 时， 气炉不再启动，热负荷完全由 CHP 及 电炉承担； 当碳交易价格继续增加时， CHP 与电炉 出力逐渐稳定在 760kW h ；当碳交易价格达到 84 元/t 时， 部分热出力由 CHP 开始向电炉转移。 因为在系统总负荷未改变的条件下， 系统采取 “以 电定热” 决策， 所以当新能源出力快速增加时， 系 统对于 CHP 电功率的需求下降；CHP 与电炉出力 在碳交易价格为 114 元/t 时相等。 分析次轴值可知， 储能设备利用率下降，气储能在碳交易价格为 24 元/t 时停 止运行。 当气 储能设备完全停止运行后， 天然气在气储能设备中储放能耗为零， 使得系统对 天然气的利用率提高。当碳交易价格处于 14 元/t 到 56 元/t 的 区间时， 由于低碳目标的权重小且储能 成本相对较大，3 种储能设备均停止运行。对于储 能系统， 如果要实现经济效益最大化， 需要在一天 0 40 80 120 0 20 40 60 80 100 120 140 0 400 800 1200 功率/kW 功率/kW CHP 电炉 价格/ 元 气炉 电储 能 热储能 气储 能 并网 型图 3 碳交易机制下并网型 IES 运行状态 Fig. 3 Operational status of grid-connected integrated energy systems under carbon trading mechanism 1620 中 国 电 机 工 程 学 报 第 39 卷 售电价格较高时将储存的电能释放， 以获得较大的 电能差价收益。 只有当储能系统收益大于储能设备 运行的能源成本与碳交易成本的总和时， 系统才会 选择储能设备开始运行。 当碳交易价格达到 60 元/t 时， 电储能开始迅速增加， 将系统电能供需进行时 间解耦； 随着碳交易价格的持续增加， 储能成本所 占权重减小， 系统储能利用率增加， 碳交易价格在 98 元/t 时， 热储能设备开始运行。 由图 4 可知 ， 随着碳交易价格的增加， 系统热 出力向 CHP 及电锅炉转移，与并网型相比，气炉 出力减小速度更快， 在碳交易价格为 12 元/t 时， 气 炉出力与 CHP 热出力相 等；当碳交易价格达到 18 元/t 时，气炉与电炉输出功率相等。随着碳交易价 格进一步增加， 当碳交易价格达到 58 元/t 时， 气炉 停止工作，热负荷完全由 CHP 及 电炉承担，并且 此时的 CHP 热出力达到最大。当碳交易价格继续 增加时，CHP 及电炉出力稳定在 760k