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🔥内容介绍

一、引言

在 “双碳” 目标（碳达峰、碳中和）推动下，能源系统正经历从传统高碳模式向低碳清洁模式的转型。综合能源系统（Integrated Energy System, IES）作为整合电、热、冷、气等多种能源形式的新型能源配置载体，通过多能互补、梯级利用等方式，可显著提升能源利用效率，是实现能源低碳转型的关键路径。然而，IES 运行中涉及多能源耦合、多主体参与，其优化运行需兼顾经济成本、能源效率与碳减排目标，传统仅关注经济性的优化模式已难以适应低碳发展需求。

碳交易机制作为市场化碳减排工具，通过设定碳排放配额与交易规则，将碳排放成本纳入能源系统运行成本核算，倒逼能源系统减少碳排放。与此同时，需求响应（Demand Response, DR）通过价格信号或激励机制引导用户调整用能行为，可平抑能源负荷峰谷差、提升系统灵活性，为 IES 优化运行提供额外调控空间。将碳交易机制与需求响应相结合，构建兼顾经济性、低碳性与灵活性的 IES 优化运行体系，不仅能降低系统碳排放总量，还能提升系统运行的经济性与稳定性，对推动能源系统低碳转型具有重要现实意义。

二、核心概念与理论基础

（一）碳交易机制

碳交易机制是基于 “总量控制与交易”（Cap-and-Trade）或 “基准与信用”（Baseline-and-Credit）原则建立的市场化碳减排制度。目前主流的碳交易机制以 “总量控制与交易” 为主，其核心逻辑的如下：

1. 配额分配：政府或监管机构根据区域或行业的碳减排目标，确定一定时期内的碳排放总量配额，并将配额分配给参与碳交易的市场主体（如能源生产企业、工业用户等）。配额分配方式包括免费分配（如历史法、基准线法）与有偿分配（如拍卖），其中基准线法因能体现公平性与激励性，在综合能源系统相关主体中应用较广。

1. 碳交易流程：若市场主体的实际碳排放量低于其获得的配额，可将剩余配额在碳交易市场出售，获取经济收益；若实际碳排放量高于配额，则需从市场购买足额配额以履行减排义务，否则将面临罚款。通过碳配额的自由交易，形成市场化的碳价格，使碳排放成本内化为能源系统运行成本的重要组成部分。

1. 与 IES 的关联：IES 涵盖能源生产（如光伏、风电、燃气轮机）、转换（如热泵、余热锅炉）、存储（如蓄电池、储热罐）与消费环节，各环节均会产生碳排放（如燃气轮机发电的 CO₂排放、燃煤锅炉供热的碳排放）。碳交易机制通过碳价格信号，引导 IES 在运行中优先选择低碳能源（如可再生能源）、优化能源转换路径（如减少高碳能源消耗），从而实现碳减排目标。

（二）需求响应

需求响应是指能源用户在收到能源价格信号或激励信号后，主动调整用能时间、用能强度或用能方式，以适应能源系统运行需求的行为。在 IES 中，需求响应根据触发信号的不同，可分为价格型需求响应与激励型需求响应两类：

1. 价格型需求响应：通过制定分时电价、阶梯电价、实时电价等差异化价格政策，引导用户在电价低谷时段增加用能、高峰时段减少用能，实现负荷 “削峰填谷”。例如，工业用户可将高耗能生产环节调整至夜间电价低谷时段，居民用户可在电价高峰时段减少空调、电热水器等大功率设备的使用。

1. 激励型需求响应：当能源系统出现供电 / 供热紧张、可再生能源出力波动较大等情况时，系统运营商通过向用户支付激励费用，招募用户参与负荷削减或负荷转移。例如，在冬季供热高峰时段，激励商业建筑短暂降低室内温度，减少供热负荷；在光伏出力骤降时，激励工业用户临时削减部分用电负荷，维持系统供需平衡。

1. 对 IES 优化的价值：IES 中多能源负荷（如电负荷、热负荷、冷负荷）存在耦合关系（如电转热、热转电），需求响应可通过调整多能源负荷的时空分布，提升系统对可再生能源的消纳能力（如在光伏出力高峰时段增加电负荷消耗）、降低能源转换设备的启停频率（如减少燃气轮机因负荷波动导致的频繁调峰），进而提升系统运行效率与经济性。

（三）综合能源系统的多能耦合特性

综合能源系统的核心优势在于多能源的协同优化，其多能耦合特性主要体现在以下方面：

1. 能源生产环节：可再生能源（光伏、风电）与传统化石能源（燃气、燃煤）协同发电，同时可通过燃气轮机、内燃机等设备实现 “电 - 热” 联产（如燃气轮机发电的同时，利用余热产生蒸汽或热水）。

1. 能源转换环节：通过热泵（电转热 / 冷）、吸收式制冷机（热转冷）、电解槽（电转气）等设备，实现不同能源形式的相互转换，例如利用光伏电力驱动热泵满足供热需求，或利用工业余热驱动吸收式制冷机满足冷负荷需求。

1. 能源存储环节：配置蓄电池（储电）、储热罐（储热）、储气罐（储气）等存储设备，实现多能源的时空转移，例如在风电出力高峰时段将多余电力存储于蓄电池，或在夜间谷电时段利用电力加热储热罐，白天用于供热。

这种多能耦合特性使得 IES 优化运行需综合考虑电、热、冷、气等多能源的供需平衡，而碳交易机制与需求响应的引入，进一步增加了系统优化的维度（低碳性、灵活性），需构建多目标、多约束的优化模型。

三、综合能源系统优化运行的目标与约束条件

（一）优化目标

在碳交易机制下考虑需求响应，IES 优化运行需兼顾经济性、低碳性与系统稳定性，通常设定多目标优化函数，通过权重系数或目标函数转化（如将低碳目标转化为碳成本）实现单目标求解。核心优化目标包括：

五、挑战与未来展望

（一）当前面临的挑战

1. 多主体协同难度大：IES 涉及能源供应商（电网、燃气公司）、系统运营商、用户等多主体，碳交易机制下各主体利益诉求不同（如用户关注用能成本，运营商关注系统效率，政府关注碳减排），需建立协同决策机制，平衡各方利益。

1. 需求响应潜力挖掘不足：现有需求响应多针对工业用户，居民与商业用户参与度较低，主要原因在于用户用能行为随机性强、舒适度需求高，且缺乏便捷的参与渠道（如智能电表、温控设备普及率低）。

1. 碳交易机制不完善：当前碳市场存在配额分配不均、碳价格波动大、交易品种单一等问题，导致 IES 难以制定长期稳定的低碳运行策略；此外，碳排放量核算方法（如间接碳排放是否计入）不统一，也影响优化模型的准确性。

1. 不确定性因素影响：可再生能源出力（光伏、风电）、用户负荷、碳价格等存在不确定性，现有优化模型多基于确定性数据，难以应对极端天气（如连续阴雨导致光伏出力骤降）或市场波动（如碳价格短期暴涨）带来的风险。

（二）未来发展方向

1. 构建多主体协同优化平台：基于区块链技术实现碳配额、能源交易、需求响应数据的透明共享，建立 “能源 - 碳” 协同交易市场，通过博弈论模型平衡各主体利益，例如用户参与需求响应可获得碳配额奖励，提升参与积极性。

1. 推广用户侧智能用能设备：结合物联网（IoT）与人工智能（AI）技术，开发智能温控器、智能插座等设备，实时采集用户用能数据，通过强化学习算法优化用户用能行为，在满足舒适度的前提下最大化需求响应潜力；同时，建立需求响应聚合商模式，将分散的居民用户负荷聚合为可调度资源，参与系统优化。

1. 完善碳交易与能源市场衔接机制：推动碳市场与电力市场、天然气市场协同发展，例如将碳价格纳入分时电价制定依据，高碳时段（如冬季供暖高峰）提高电价，激励用户减少高碳能源消耗；此外，探索碳期货、碳期权等衍生产品，帮助 IES 规避碳价格波动风险。

1. 引入鲁棒优化与随机优化方法：针对不确定性因素，构建鲁棒优化模型（考虑最差场景下的优化结果）或随机优化模型（基于概率分布描述不确定性），例如通过蒙特卡洛模拟生成多组可再生能源出力场景，求解最优运行策略的期望成本，提升系统运行的抗风险能力。

1. 拓展多能互补与低碳技术融合：将氢能、碳捕集与封存（CCUS）等技术纳入 IES，例如利用电解槽将多余可再生能源电力转化为氢能，用于燃气轮机掺氢燃烧（降低碳排放）；结合 CCUS 技术，进一步减少燃气轮机、燃煤锅炉的碳排放，实现 “近零碳” 运行。

六、结论

碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行，是实现能源低碳转型与经济高效运行的重要途径。通过将碳交易成本内化为系统运行成本，引导 IES 优先选择低碳能源与高效设备；同时，需求响应通过优化负荷分布，提升系统灵活性与可再生能源消纳能力。案例分析表明，该优化模式可显著降低系统总运行成本（降幅超 13%）、减少碳排放（降幅超 18%），并提升可再生能源消纳率（超 95%）。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 王利猛,刘雪梦,李扬,等.阶梯式碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统低碳优化调度[J].电力建设, 2024, 45(2):102-114.DOI:10.12204/j.issn.1000-7229.2024.02.009.

[2] 田煜昆,陈彦奇,刘一帆,等.考虑广义电热需求响应与阶梯式碳交易机制的园区综合能源系统优化调度策略[J].电测与仪表, 2025, 62(6):152-160.

[3] 任德军,刘自发,高峰,等.考虑碳交易机制与需求响应的园区综合能源系统电热协同运行优化研究[J].热力发电, 2022(003):051.DOI:10.19666/j.rlfd.202109173.

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