使用改进的多尺度形态差异滤波器分析光伏-蓄电池直流微电网中的故障

《Electric Power Systems Research》：Analysis of faults in PV-battery dc microgrid using improved multiscale morphological difference filter

本文针对集成能源系统（IES）在可再生能源消费与全周期碳减排协同优化中的问题，提出动态分阶碳交易模型与可再生能源-碳全周期互动机制。通过构建动态碳价与实时排放联动的分阶交易模型，并建立绿证与碳市场协同的闭环激励机制，实现经济效率与碳减排的平衡。仿真验证表明，动态分阶碳交易机制较传统静态模式减排效果提升18.7%，绿证协同机制使可再生能源渗透率提高32%，且通过敏感性分析揭示了碳价波动对系统成本影响的非线性关系。

　　

杨军|吴琦|罗文月

东北大学信息科学与工程学院，中国辽宁省沈阳市110819

摘要

为了提高可再生能源的利用效率，并解决综合能源系统（IES）在整个过程中的能源碳排放问题，本文提出了一种在可再生能源-碳排放全周期互动机制下的低碳经济调度策略。首先，提出了一种动态分步碳交易模型，该模型通过引入动态分步碳排放因子来改进传统的碳交易模型，使碳价格能够根据实时排放水平动态上升，从而进一步减少系统碳排放。其次，构建了一种可再生能源-碳排放全周期互动机制，将碳排放交易（CET）与可再生能源消费联系起来，以实现系统的全周期碳排放减少。最后，从系统经济性和最小化综合碳排放成本的角度出发，通过仿真验证了所提出的调度策略的有效性，并对碳交易机制进行了敏感性分析。

引言

综合能源系统（IES）是提高能源效率和实现低碳转型的关键平台[1],[2]，它利用了多种能源形式之间的互补性和协同效应。基于市场的机制，如碳排放交易（CET）和绿色证书交易（GCT），已成为指导IES低碳经济运行的主要研究焦点。

碳交易机制是指导IES低碳运行的关键政策工具。其定价模型已经从早期的固定定价[3]发展到更精细的方法，如分层定价[4],[5]和奖惩机制[6],[7]，这些方法能够更好地反映边际减排成本。然而，这些方法仍存在局限性。尽管分层定价和奖惩机制在固定定价的基础上有所改进，但它们通常在较长的合规期内应用预先确定的价格结构，参数在运营时间内保持不变，无法为调度决策提供详细的实时反馈。为系统地解决这些局限性，近期研究探索了动态碳定价，以提供随时间变化的价格信号。现有文献表明，当前的动态模型大致可以分为两类不同的范式：外生动态和内生动态。绝大多数现有研究关注外生动态，其中碳价格由外部预定参数驱动，如季节性变化[8],[9]或由市场供需驱动的宏观政策周期[10]。虽然这些外生模型能够捕捉长期宏观趋势，但其定价参数在短期调度过程中相对静态，对系统的具体运行状态不敏感。相比之下，内生动态涉及建立一个直接的实时反馈循环，使碳价格能够持续适应系统的即时排放水平和运营决策。这种内生机制对于精细化的调度优化至关重要，但在现有框架中很少被探讨。在优化建模中，主流策略仍然依赖于将静态或外生动态的碳成本纳入单目标[11],[12],[13]或多目标[14],[15]模型中，即使考虑了可再生能源的不确定性[16],[17]。尽管取得了这些进展，现有框架仍缺乏在调度间隔内建立碳成本与实时运营决策之间直接、非线性关联的能力。因此，进一步改进当前的碳交易机制仍然是必要的。

与通过限制碳排放来减少排放的CET不同，GCT机制通过激励可再生能源的整合来促进低碳转型。现有研究探讨了GCT在IES最优调度中的具体应用。一些研究开发了多代理合作运营模型，以增加参与者在绿色证书市场中的收益[18],[19]，而其他研究则利用区块链等新兴技术来提高跨区域GCT的效率和流程[20],[21]。然而，这些研究往往将GCT视为一个独立的市场机制，忽视了它与其他减排政策工具（如CET）的潜在协同效应。

关于CET和GCT之间协同机制的研究已经取得初步进展。一些研究将CET和GCT引入低碳经济调度中，以促进风能的整合[22]；其他研究开发了考虑风险的联合交易机制[23]；还有进一步的研究利用智能合约和分层分布式调度方法，协同优化IES的经济和低碳目标[24]。然而，大多数这些研究仅关注这两种机制的联合效应，而没有深入探讨它们之间的内在互动关系。尽管一些学者使用绿色证书需求作为中介，探讨了GCT对CET的单向影响[25]，但该模型未能捕捉市场互动的动态性和双向性。因此，构建一个反映动态和双向影响的互动模型，充分释放交易市场的协同潜力，并进一步提升IES的低碳性能，仍然是一个需要深入探索的关键问题。

总之，引入CET和GCT有助于IES的低碳和经济运行。然而，CET模型仍需进一步改进，以提高其优化效果。此外，CET和GCT之间的互动关系也需要更深入的研究。为了解决这些问题，本文进行了以下研究：

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提出了一种动态分步碳交易模型，该模型使碳交易单位价格能够根据碳排放水平动态调整，同时确保其呈现分层的上升趋势，从而通过动态碳排放因子进一步限制碳排放成本。

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建立了一种可再生能源-碳排放全周期互动机制，将绿色证书与动态碳市场联系起来，形成一个端到端的激励链。它量化了碳价格信号，作为可再生能源消费的直接经济激励，从而形成一个从排放控制到能源来源的闭环。

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基于所提出的可再生能源-碳排放全周期互动机制，为IES制定了一个多目标最优调度模型，平衡了经济效率与碳排放。然后通过比较多种情景和仿真结果来验证调度策略的有效性，并对碳排放定价进行了敏感性分析。

部分摘录

用于电力、供暖、制冷和燃气的综合能源系统

本文讨论的IES涵盖了四种能源形式：电力、供暖、制冷和燃气，如图1所示。输入来源包括风能和太阳能、主电网以及燃气网络。通过联合热电（CHP）单元和各种储能设备等转换装置，系统满足多样化的终端用户需求。为了确保系统的稳定、安全和经济运行，必须为每个组成部分建立精确的数学模型。

循环的碳环节：从排放到交易成本

碳交易将碳成本纳入总成本中，以实现经济和低碳目标。这一机制需要建立碳配额、实际碳排放和碳交易的模型。

仿真分析

为了验证所提出的低碳经济调度策略，使用MATLAB中的YALMIP工具箱和CPLEX求解器开发并解决了一个24小时的仿真案例研究。

结论

本文提出了一种结合动态碳定价和GCT合作的IES综合低碳经济调度框架。研究表明，与固定碳定价相比，动态分步碳交易模型通过建立与排放水平相关的增量惩罚机制，在激励深度减排方面更为有效。该模型与GCT机制表现出显著的协同效应：绿色证书促进了可再生能源的

CRediT作者贡献声明

杨军：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，资金获取，概念化。吴琦：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证。罗文月：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。