考虑阶梯式碳交易机制与电制氢的综合能源系统热电优化附Matlab代码

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🔥 内容介绍

摘要: 本文探讨在阶梯式碳交易机制下，电制氢技术融入综合能源系统（Integrated Energy System, IES）后，如何优化系统热电联产，以实现经济效益与环境效益的双赢。通过建立考虑碳排放成本和电制氢技术特性的综合能源系统优化模型，分析不同碳价水平下系统运行策略的变化，并评估阶梯式碳交易机制对系统结构和运行效率的影响。研究结果表明，阶梯式碳交易机制能够有效激励综合能源系统采用更清洁的能源和更优化的运行模式，促进电制氢技术的推广应用，最终实现系统的低碳化和高效化。

关键词: 综合能源系统；电制氢；阶梯式碳交易；热电联产；优化调度

引言:

全球气候变化日益严峻，减少碳排放已成为全球共识。碳交易机制作为一种有效的市场化减排手段，近年来受到广泛关注。阶梯式碳交易机制，相较于线性碳价机制，更能体现碳排放的非线性环境成本，并通过逐步提高碳价来激励企业持续减排。同时，氢能作为一种清洁能源载体，其制备和利用技术日益成熟，特别是电制氢技术，因其利用可再生能源发电制氢，具有显著的减碳潜力。将电制氢技术融入综合能源系统，构建以电制氢为核心的多能源互补系统，能够显著提升系统能源效率和环境效益。

然而，现有文献对阶梯式碳交易机制下，电制氢技术在综合能源系统中的优化调度研究相对较少。本文拟通过构建一个考虑阶梯式碳交易机制和电制氢技术的综合能源系统优化模型，分析不同碳价水平下系统的运行策略，并评估阶梯式碳交易机制对系统效率和减排效果的影响。

模型构建:

本文构建的综合能源系统优化模型包含多个能源生产单元，如燃煤机组、燃气机组、可再生能源发电（例如风电、光伏）、电解槽制氢单元和热电联产单元等。模型的目标函数为最小化系统的运行成本，包括燃料成本、碳排放成本、电解槽运行成本以及其他运行维护成本。约束条件包含：能源平衡约束、功率平衡约束、制氢量约束、设备运行约束等。

具体而言，碳排放成本计算考虑了阶梯式碳交易机制，即碳价随碳排放总量变化而变化，采用分段线性函数进行描述。 公式如下：

C_carbon = Σᵢ(Pᵢ * Eᵢ)

其中，C_carbon表示总碳排放成本；Pᵢ表示第i个碳排放量区间对应的碳价；Eᵢ表示第i个碳排放量区间内的碳排放量。

电解槽制氢单元的运行约束考虑了电解槽的效率、最大制氢能力以及氢气储存能力等因素。

模型采用混合整数线性规划（MILP）方法求解，利用商业求解器（例如CPLEX或Gurobi）进行优化计算。

情景分析与结果讨论:

本文设计了多个情景，分别研究不同碳价水平、不同可再生能源比例、不同电解槽容量等因素对系统运行策略的影响。通过对比分析，可以得出以下结论：

1. 碳价的影响: 随着碳价的提高，系统会优先调度低碳排放的能源，例如可再生能源和电制氢。高碳价水平下，电制氢的比例显著增加，燃煤机组的出力显著减少，实现系统的低碳化转型。

2. 可再生能源比例的影响: 可再生能源比例越高，系统对电制氢的依赖度越低，但电制氢仍然能够有效利用可再生能源的波动性，提高能源利用效率。

3. 电解槽容量的影响: 合适的电解槽容量能够充分发挥电制氢的减排潜力，但过大的容量会造成投资成本过高，需要根据实际需求进行合理规划。

阶梯式碳交易机制的有效性:

研究结果表明，阶梯式碳交易机制相较于线性碳价机制，能够更有效地激励系统采用更清洁的能源和更优化的运行模式。阶梯式碳价机制的递增特性促使企业持续减排，避免了线性碳价机制下可能出现的减排停滞现象。

结论与未来研究方向:

本文研究了阶梯式碳交易机制下电制氢技术在综合能源系统中的优化调度，构建了相应的优化模型，并进行了情景分析。研究结果表明，阶梯式碳交易机制能够有效促进综合能源系统低碳化转型，电制氢技术在其中发挥着重要作用。

未来研究可以进一步考虑以下方面：

1. 引入更复杂的能源存储技术，例如压缩空气储能、抽水蓄能等，提高系统灵活性和可靠性。

2. 考虑能源价格波动对系统运行策略的影响。

3. 将模型扩展到区域或国家层面，研究更大规模的综合能源系统优化调度问题。

4. 深入研究不同类型电解槽技术在综合能源系统中的应用，例如固体氧化物电解槽（SOEC）等。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1]陈锦鹏,胡志坚,陈颖光,等.考虑阶梯式碳交易机制与电制氢的综合能源系统热电优化[J].电力自动化设备, 2021.DOI:10.16081/j.epae.202109032.

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