基于阶梯碳交易成本的含电转气-碳捕集（P2G-CCS）耦合的综合能源系统低碳经济优化调度，采用（Matlab+Yalmip+Cplex） 考虑P2G设备、碳捕集电厂、风电机组、光伏机组、CHP机组、燃气锅炉、电储能、热储能、烟气存储罐。

概述

本文介绍一套面向“双碳”目标的综合能源系统（Integrated Energy System, IES）低碳经济调度模型，其核心创新在于将电转气（Power-to-Gas, P2G）与碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术深度耦合，并引入阶梯式碳交易成本机制，以实现系统在满足电、热负荷需求的同时，兼顾运行经济性与碳排放控制。该系统基于 MATLAB 平台，采用 YALMIP 建模语言与 CPLEX 优化求解器实现，具备完整的多能流协同优化能力。

系统架构与核心组件

该综合能源系统包含以下关键子系统：

1. 碳捕集电厂（CCPP-CCS）：作为主力电源，具备碳捕集能力，可动态调节出力与碳捕集能耗；
2. 电转气（P2G）：利用弃风、弃光电能将 CO₂ 转化为合成天然气（SNG），实现碳资源再利用；
3. 可再生能源单元：包括风电与光伏，其预测出力作为系统输入；
4. 热电联产（CHP）与燃气锅炉（GB）：提供热能，CHP 同时输出电能；
5. 电/热储能系统：平抑负荷波动，提升系统灵活性；
6. 外部电网交互：支持购电以平衡功率缺额；
7. 烟气存储与调度单元：协调碳捕集烟气在时间维度上的分配，增强运行弹性。

核心功能模块详解

1. 多能流协同建模

系统通过统一的能量平衡约束，实现电、热、气、碳四维耦合：

• 电力平衡：涵盖碳捕集电厂净出力、CHP 电出力、风光上网功率、储能充放电、外购电与电负荷；
• 热力平衡：整合 CHP、燃气锅炉、热储能与热负荷；
• 碳流管理：追踪碳捕集量、P2G 消耗量、封存量及净排放量；
• 气流协调：P2G 生成的合成天然气可部分替代外购天然气，降低燃料成本。

2. 碳捕集-电转气耦合机制

系统创新性地将碳捕集与 P2G 联动：

• 碳捕集系统捕获的 CO₂ 一部分用于 P2G 反应，转化为可储存、可调度的天然气；
• 未被 P2G 利用的 CO₂ 进入封存环节，产生封存成本；
• P2G 的电力输入优先消纳弃风、弃光，提升可再生能源利用率；
• 烟气处理能耗由风电、光伏、碳捕集电厂共同承担，体现多源协同。

3. 阶梯式碳交易成本模型

为更真实反映碳市场机制，系统采用分段线性化的阶梯碳价结构：

• 将系统实际碳排放量划分为多个区间（如每 2000 吨为一段）；
• 每段对应不同碳价，随排放量增加而递增（基价 + 阶梯溢价）；
• 该机制激励系统主动控排，避免高成本区间，引导低碳调度策略。

4. 动态运行约束与灵活性保障

模型嵌入大量工程实际约束，确保调度方案可执行：

• 爬坡率限制：对碳捕集电厂、CHP、燃气锅炉的出力变化速率进行约束；
• 储能状态管理：电/热储能考虑自损耗、充放电效率、容量边界及互斥操作（不能同时充放）；
• 设备出力边界：所有设备均设上下限，如 P2G 功率不超过 200 MW；
• 烟气储罐动态平衡：通过流入/流出变量控制储气量，维持系统碳流连续性。

5. 经济性目标函数

目标函数综合考虑以下成本项：

• 碳捕集电厂燃料成本（含非线性项）；
• CHP 与燃气锅炉的天然气成本（扣除 P2G 产气收益）；
• P2G 运行成本（含 CO₂ 购买成本与电耗成本）；
• 碳封存成本；
• 可再生能源运维成本；
• 外购电成本；
• 碳交易收益/成本（核心调节项）：若实际排放低于配额，可获得碳交易收益；反之则支付阶梯碳成本。

优化求解与结果可视化

系统采用混合整数线性规划（MILP）框架建模（部分非线性项通过近似线性化处理），调用 CPLEX 求解器进行高效优化。求解成功后，自动生成多维度可视化图表，包括：

• 碳捕集能耗来源分解（风电、光伏、火电）；
• CO₂ 排放与捕集量时序对比；
• 电厂出力、购电与净上网功率；
• 热负荷与各供热单元出力堆叠图；
• 电/热储能的充放状态与容量变化。

这些图表直观展示系统在 24 小时调度周期内的低碳运行策略，为运营决策提供数据支撑。

应用价值与扩展性

本系统不仅适用于含 P2G 与 CCS 的综合能源园区、工业园区或区域电网，其模块化设计也便于扩展：

• 可接入氢能子系统，构建“电-气-氢”多能网络；
• 可引入需求响应机制，提升负荷侧灵活性；
• 可结合不确定性建模（如鲁棒优化、随机规划），应对风光出力波动。

通过将碳成本内生化、碳资源循环化、多能流协同化，该系统为构建高比例可再生能源、近零碳排放的新型电力系统提供了切实可行的技术路径与优化范式。

基于阶梯碳交易成本的含电转气-碳捕集（P2G-CCS）耦合的综合能源系统低碳经济优化调度，采用（Matlab+Yalmip+Cplex） 考虑P2G设备、碳捕集电厂、风电机组、光伏机组、CHP机组、燃气锅炉、电储能、热储能、烟气存储罐。