摘要
全球能源体系正在从化石能源绝对主导向低碳多能融合方向转变，我国能源系统形态加速变革，分散化、扁平化、去中心化的趋势特征日益明显。在碳达峰、碳中和背景下，能源行业是碳减排主战场，电力行业是碳减排主力军。综合能源系统作为分布式能源发展重要形式，以及新型电力系统的重要组成部分，实现了多种能源清洁供应、互补互济、高效利用，是顺应能源发展趋势的必然选择。然而，综合能源系统在发展过程中仍有一些问题有待研究。第一，随着碳捕集技术在综合能源系统中推广应用，除了电热冷气具有协同关系外，电碳协同关系逐渐浮现。第二，综合能源系统应用场景呈现出多样化特征、功能结构呈现出差异化特征，不同运行模式的侧重方向及强调内容不同。第三，综合能源系统往往涉及多个运营主体，设计各方均衡的效益分配方案是维持系统稳定运行的关键。因此，本文考虑电碳协同关系，重点围绕综合能源系统自治平衡、集群协作、外衍响应三种模式展开优化运行及效益均衡研究，主要研究内容及研究发现如下: (1)分析了综合能源系统电碳协同机理并提出分层运行模式。首先，分析了综合能源系统内涵，归纳出综合性、就近性、互动性、友好性以及多元化、智能化、低碳化、市场化的“四性四化”特征，并沿着市场规模、相关政策、试点项目、项目总结的脉络梳理综合能源发展现状。然后，从定性角度分析综合能源系统中电碳在宏观层面的协同机理，包括政策下、技术下和市场下协同。最后，根据应用场景及运行需要的不同，提出综合能源系统三种运行模式，为后续研究开展奠定基础。 (2)构建了考虑电碳协同的综合能源系统多期容量优化配置模型。首先，建立了能源供给、转换、储存设备通用模型，作为后续研究基础。然后，在综合能源系统中配置碳捕集、封存系统，并将碳排放约束作为规划边界条件，考虑建设时序和季节差异构建综合能源系统全寿命多期容量优化配置模型。为了提高系统抵御电源和负荷不确定性的能力，根据置信水平找出极限场景，并运用改进的鲁棒优化模型增强系统的安全性。最后，以绿色生态园区为例进行算例分析，结果表明:所提出模型能合理确定不同规划期各类设备配置容量规模，降低规划成本，减少系统碳排放，实现了不确定性的双重防控。 (3)构建了考虑碳捕集的综合能源系统自治平衡优化运行模型。首先，设计综合能源系统自治平衡优化运行框架，分析电碳内部联动关系，明确内部自治平衡运行系统结构。然后，为了应对风电和光伏的不确定性，构建了基于数据驱动的超平面不确定集优化模型，在此基础上构建两阶段鲁棒优化模型，第一阶段以启停成本最小为目标，第二阶段以最坏场景下运行成本最小为目标，并将碳足迹约束添加到模型中，采用列和约束生成算法对双层模型进行迭代求解。最后，以某个电热综合能源系统为例进行算例分析，结果表明:超平面不确定集与盒式不确定集相比在降低保守性方面优势显著，所提出模型实现了经济性和鲁棒性的均衡，碳捕集技术使电碳产生内部联动效应，降低了碳排放。 (4)构建了考虑碳转移的综合能源系统集群协作优化运行模型。首先，设计综合能源系统集群协作优化运行框架，分析电碳共享转移关系，明确集群互联协作运行系统结构。然后，为实现电能共享和功能融合，基于合作博弈构建多主体纳什谈判模型和个体利益测算模型，并设计P2P交易的非对称议价机制，将纳什谈判模型分解为联盟合作协同运行模型、个体均衡效益分配模型两个子问题，采用自适应步长的交替方向乘子算法依次对两个子问题进行分布式求解。最后，以三个地理位置相近的系统为例进行算例分析，结果表明:多主体实现了互联互通、互济互保、互供互备、多方共赢、隐私保护，电碳具有很强协同性，模型和算法能够准确地求解出共享电量和谈判电价，电量伴随着碳排放转移，电价隐含着碳成本传导。 (5)构建了考虑碳交易的综合能源系统外衍响应优化运行模型。首先，设计综合能源系统外衍响应优化运行框架，分析电碳市场交易关系，明确参与外衍响应运行系统结构。然后，为提高外衍响应稳定性，基于模型预测控制理论构建了参与外衍响应的多时间尺度动态优化模型，考虑电能交易和奖惩阶梯碳交易，在日前执行静态调度，在日内执行滚动调度，在实时执行反馈校正，并将响应速度不同的需求侧资源在不同时间尺度中引入，对模型逐层求解。最后，以能源管控实验中心的综合能源系统为例进行算例分析，结果表明:多时间尺度优化方法提高了调度的前瞻性、精确性、经济性，奖惩阶梯碳交易机制减排激励效果显著，电碳的协同交易策略使得经济、高效、低碳、安全等内生效益外衍。 (6)构建了考虑电碳协同的综合能源系统运行效益评价及均衡模型。首先，考虑电碳协同关系设计了运行效益评价及均衡框架。其次，为评估不同运行模式下综合效益，从经济性、环保性、安全性、协同性四个维度设计了指标体系，构建了基于合作博弈和云模型的运行效益评价模型。再次，为对多合作主体运行效益进行合理分配，构建了基于改进Shapley值的运行效益均衡分配模型。最后，对前文三种模式的运行效益进行评估和分配。结果表明:效益评价模型兼顾了综合能源系统本身的模糊性和随机性，效益均衡模型考虑了安全性、环保性，实现了真正均衡。
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