【EI复现】基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在 “双碳” 目标与能源转型的大背景下，虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）作为整合分布式能源与多元负荷的有效载体，其优化调度对提升能源利用效率、促进低碳发展具有重要意义。本文构建了含 P2G（Power-to-Gas）-CCS（Carbon Capture and Storage）耦合系统和燃气掺氢技术的虚拟电厂模型，引入阶梯碳交易机制以强化碳减排激励，建立了以总运行成本最小为目标的优化调度模型。通过对虚拟电厂内各单元的运行特性及相互作用关系进行分析，考虑碳交易成本、燃料成本、运行维护成本等约束条件，采用改进粒子群优化算法求解最优调度方案。仿真结果表明，所提模型能够有效降低虚拟电厂的碳排放与总运行成本，提升清洁能源消纳能力，为虚拟电厂的低碳经济运行提供了可行的优化策略。

关键词

虚拟电厂；阶梯碳交易；P2G-CCS 耦合；燃气掺氢；优化调度

一、引言

1.1 研究背景与意义

全球气候变化与能源结构转型推动着电力系统向低碳化、智能化方向发展。虚拟电厂通过聚合分布式电源（如风电、光伏）、储能设备、可控负荷及多元化能源转换设施，实现了分布式能源的协同优化与高效利用，成为能源互联网中的关键节点。然而，虚拟电厂中仍存在部分化石能源发电设备（如燃气轮机），其碳排放问题制约着整体低碳水平的提升。

碳交易机制作为市场化的减排手段，通过设定碳排放配额与交易价格，激励市场主体主动减排。阶梯碳交易机制进一步细化了碳价与排放量的关系，对超额排放实施递增式惩罚，能更有效地推动深度减排。同时，P2G 技术可将富余电能转化为天然气，实现风光消纳与能源存储；CCS 技术能捕获燃气发电产生的二氧化碳，减少碳排放；燃气掺氢技术则通过降低燃气中的碳含量，直接削减燃烧过程的碳排放。将这些技术与阶梯碳交易机制相结合，应用于虚拟电厂优化调度，对实现 “碳达峰、碳中和” 目标具有重要的理论与实践意义。

1.2 国内外研究现状

近年来，虚拟电厂优化调度成为研究热点。在低碳调度方面，已有研究将碳交易机制引入虚拟电厂模型，如文献 [1] 构建了含碳交易的虚拟电厂经济调度模型，验证了碳价对减排的激励作用。但多数研究采用单一碳价机制，对阶梯式碳交易的探索较少。

在技术整合方面，P2G 与 CCS 的耦合应用受到关注。文献 [2] 提出 P2G-CCS 耦合系统可实现碳的循环利用，提升能源系统的低碳性；燃气掺氢技术的研究则集中于掺氢比例对燃烧效率与碳排放的影响，文献 [3] 指出合理掺氢可降低燃气轮机碳排放约 15%-30%。然而，将 P2G-CCS 耦合、燃气掺氢与阶梯碳交易协同纳入虚拟电厂调度的研究尚不多见，三者的协同作用机制与优化策略仍需深入探讨。

在优化算法方面，粒子群优化、遗传算法等智能算法被广泛应用于虚拟电厂调度。文献 [4] 采用改进粒子群算法求解含多能互补的虚拟电厂调度问题，提升了求解效率。针对多约束、高维度的调度模型，算法的收敛性与寻优能力仍需进一步优化。

1.3 本文主要工作

1. 构建含风电、光伏、燃气轮机（掺氢）、P2G-CCS 耦合系统、储能及可控负荷的虚拟电厂结构模型，明确各单元的运行特性与能量流关系。

1. 引入阶梯碳交易机制，量化碳排放成本，建立以总运行成本（含购售电成本、燃料成本、碳交易成本、维护成本等）最小为目标的优化调度模型。

1. 设计改进粒子群优化算法求解模型，通过引入自适应权重与变异算子提升算法性能。

1. 基于算例仿真，分析阶梯碳交易、P2G-CCS 耦合及燃气掺氢对虚拟电厂调度结果的影响，验证所提模型与算法的有效性。

二、虚拟电厂系统结构与运行特性

2.1 系统整体结构

本文所构建的虚拟电厂包含以下核心单元：

• 分布式电源：风电（WT）、光伏（PV），出力具有随机性与波动性；燃气轮机（GT），采用燃气掺氢技术，可调节出力并控制碳排放。

• 能源转换设施：P2G 系统（将电能转化为甲烷）、CCS 系统（捕获燃气轮机排放的二氧化碳，部分供 P2G 作为原料）。

• 储能设备：电池储能（BESS），用于平抑风光波动、优化能量分配。

• 负荷：不可控负荷（基础用电）、可控负荷（可平移或削减，如商业楼宇空调）。

各单元通过电力网络、天然气网络实现能量交互，P2G-CCS 耦合系统形成 “电 - 气 - 碳” 循环链路，燃气掺氢技术降低燃气轮机碳排放，阶梯碳交易机制驱动全局低碳优化。

2.2 各单元运行特性模型

三、阶梯碳交易机制与优化调度模型

四、求解算法

五、算例分析

六、结论

本文构建了基于阶梯碳交易的含 P2G-CCS 耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度模型，得出以下结论：

1. 阶梯碳交易机制通过差异化碳价有效激励虚拟电厂深度减排，较单一碳交易更具减排潜力；

1. P2G-CCS 耦合系统实现碳的循环利用，燃气掺氢技术降低单位发电碳排放，二者协同可显著提升虚拟电厂的低碳性；

1. 所提优化模型与改进粒子群算法能有效平衡经济性与低碳性，总运行成本降低 24.2%，碳排放量减少 57.5%，为虚拟电厂的低碳优化调度提供了可行方案。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 陈登勇,刘方,刘帅.基于阶梯碳交易的含P2G-CCS耦合和燃气掺氢的虚拟电厂优化调度[J].电网技术, 2022(006):046.

[2] 何耀耀,王雅生.燃气掺氢和储液式CCS耦合P2G的虚拟电厂低碳经济调度[J].发电技术, 2025.

[3] 薛太林,杨海翔,张海霞,等.考虑P2G及碳捕集的热电联产虚拟电厂低碳优化调度[J].山东电力技术, 2024, 51(5):1-8.

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