一种基于碳减排贡献的气电耦合配网低碳调度方法

本发明涉及新能源、综合能源系统，尤其涉及综合能源系统优化运行技术，具体涉及一种基于碳减排贡献的气电耦合配网低碳调度方法。

背景技术：

1、目前，气电耦合配网系统（integrated electrical-gas distribution system,iegds）低碳调度主要通过电转气（power-to-gas, p2g）、燃气轮机（gasturbine, gt）等设备的协同运行，实现电力系统与天然气系统之间的能量互补，并降低系统运行能耗和碳排放；随着风电等可再生能源装机规模与渗透率不断提高，其出力的随机性、波动性和间歇性对系统灵活调节能力提出了更高要求。现有技术通常利用p2g将富余风电转化为氢气或合成天然气，并通过gt将天然气或氢气转换为电能，以促进可再生能源消纳和多能源协同运行。

2、论文《考虑多维联动碳减排策略的多微网配电系统分层分布式调度》提出一种考虑多维联动碳减排策略的多微网配电系统分层分布式调度模型，通过在p2g与碳捕集(carbon capture system, ccs)协同运行中配置co2储存设备，实现碳捕集与甲烷化环节的时序解耦，从而提高捕集co2的调度灵活性。论文《考虑两阶段p2g和燃气掺氢的综合能源系统双层优化调度》提出一种含两阶段p2g和掺氢gt的综合能源系统双层优化调度模型，构建两阶段p2g、ccs与掺氢gt协同运行框架，有效提高了系统的低碳运行水平和可再生能源消纳能力。然而，上述论文主要关注单一环节的优化或局部设备间的协同，未充分考虑储碳、储氢、甲烷化与掺氢发电等环节在统一调度框架下的时序协调关系，因而难以实现氢、碳资源的协同分配与充分利用。

3、需求侧资源的主动调节也是提升iegds低碳运行水平的重要途径。论文《基于动态碳熵的主动配电网低碳能量管理策略》提出一种基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳能量管理策略，构建以碳价为引导信号的两阶段低碳优化调度模型，引导柔性负荷参与低碳需求响应。然而，该论文主要面向电力系统的柔性负荷响应，对iegds中电、气用能碳排放强度差异的刻画以及如何利用该差异引导柔性负荷时序转移与跨能替代的研究仍相对有限。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有气电耦合配网低碳调度方法中，电解制氢与用氢过程、碳捕集与用碳过程存在时序不匹配，储氢设备、储碳设备、甲烷反应器及掺氢燃气轮机之间协同运行不足，导致氢气和捕集二氧化碳难以在不同利用路径之间灵活分配的问题；以及现有碳信号受网络节点位置和负荷变化影响，存在的缺少稳定、统一的碳责任核算基准的问题，从而导致气电耦合配网低碳调度方法存在难以准确量化用户碳减排贡献，且用户侧低碳响应与供能侧设备运行缺少有效协同的技术问题，而提出得到本发明。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于碳减排贡献的气电耦合配网低碳调度方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取气电耦合配网拓扑结构、设备参数、风电预测出力、原始电负荷、原始气负荷、上级购能折算能耗参数及用户分时用能损耗参数；建立两阶段电转气环节、储氢设备、碳捕集设备、储碳设备和掺氢燃气轮机的协同运行关系；通过构建包含储碳、储氢设备的协同运行关系，实现电解制氢与用氢过程、碳捕集与用碳过程的时序解耦，从而缓解制氢、捕碳与甲烷化过程的时序不匹配问题；

5、步骤2：基于步骤1建立的两阶段电转气环节、储氢设备、碳捕集设备、储碳设备和掺氢燃气轮机的协同运行关系，建立以气电耦合配网系统综合运行能耗最小为目标的供能侧优化调度模型；对供能侧优化调度模型进行求解，获得各时段电力潮流、天然气潮流、多能设备出力、储氢状态及储碳状态；通过调整各设备出力及储氢设备、储碳设备充放状态，提高气电耦合配网的能源利用效率并降低系统碳排放；

6、步骤3：根据由步骤2获得的各时段电力潮流、天然气潮流、多能设备出力、储氢状态及储碳状态，追踪碳排放在气电耦合配网内的流动过程以分别计算配电网节点碳势与配气网节点碳势；采用当前迭代开始时的电负荷和气负荷，分别对配电网节点碳势和配气网节点碳势进行空间加权，形成电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子，以降低物理网络中节点位置差异对用户激励的影响，为需求响应前后的碳责任量提供一致的核算基准；

7、步骤4：将由步骤3获得的电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子结合原始电负荷、原始气负荷计算响应后对应负荷碳责任量差额，确定用户碳减排贡献；综合考虑用户分时用能损耗、用户碳减排贡献及用户满意度，建立用户侧需求响应模型；利用碳责任量差额表征减排贡献，使正碳减排贡献形成激励、负碳减排贡献形成附加能耗，有效引导可转移负荷向低碳时段迁移、可替代负荷向低碳能源转换；

8、步骤5：对由步骤4建立的用户侧需求响应模型进行求解，得到响应后电负荷和响应后气负荷；将响应后电负荷和响应后气负荷返回由步骤2建立的供能侧优化调度模型进行交替迭代求解，直至满足预设收敛阈值，输出低碳调度控制策略；根据低碳调度控制策略，向气电耦合配网内的供能设备、能量转换设备、储氢设备及储碳设备下发功率调节指令以控制物理运行；通过供能侧与用户侧的交替迭代优化，在满足网络安全约束和用户满意度要求的同时，兼顾物理系统运行能耗与整体碳减排效果，深度挖掘负荷侧减排潜力。

9、步骤1具体包括以下子步骤：

10、步骤1-1）作为建立协同运行关系的起始环节，构建两阶段电转气环节运行约束；首先确定电解槽(electrolyzer, el)产氢功率与输入电功率之间关联并推导电解槽产氢量，同时对输入电功率区间及产氢功率的爬坡功率施加限制；接着以分配至甲烷反应器(methanation reactor, mr)的氢气功率，确定甲烷反应器输出天然气功率并换算甲烷产生量，最后限定甲烷反应器输入氢功率范围；

11、步骤1-2）基于步骤1-1）建立的参数，构建掺氢燃气轮机运行约束；表征掺氢燃气轮机消耗天然气与氢气混合状态，计算掺氢燃气轮机发电功率，并对掺氢比范围及掺氢燃气轮机出力予以限制；

12、步骤1-3）基于步骤1-2）获得的掺氢燃气轮机发电功率，构建碳捕集设备运行约束；提取发电机组进行碳捕集消耗功率，结合固定运行功率得出碳捕集过程中实际二氧化碳捕集量，并设定二氧化碳捕集量上限；

13、步骤1-4）根据步骤1-3）得出的实际二氧化碳捕集量，构建储碳设备运行约束；更新各时刻储碳设备储碳量，同时对充放碳状态0-1变量互斥条件进行边界收紧；利用该边界收紧的储碳约束，实现对碳捕集与甲烷化用碳过程的时序解耦，提高捕集二氧化碳的利用效率；

14、步骤1-5）结合步骤1-1）推导的电解槽产氢量，构建储氢设备运行约束；追踪储氢量动态变化，设定充放氢状态互斥限制、储氢容量上下限、充放氢极值及调度周期充放平衡约束；最终汇总各项约束完成两阶段电转气环节、储氢设备、碳捕集设备、储碳设备和掺氢燃气轮机协同运行关系建立；通过加入储氢设备动态约束，使氢气能够在甲烷化、跨时储存和掺氢发电之间灵活分配，提高氢能综合利用效率。

15、步骤2具体包括以下子步骤：

16、步骤2-1）构建供能侧优化调度目标函数；所述目标函数包括上级电网购电折算能耗、上级气网购气折算能耗、弃风惩罚能耗、网损能耗、外部购碳能耗、失电负荷惩罚能耗以及失气负荷惩罚能耗，并以气电耦合配网系统综合运行能耗最小为优化目标；

17、步骤2-2）对由步骤2-1）构建的供能侧优化调度目标函数施加设备运行约束以及网络运行约束；对供能侧优化调度模型进行求解，获得各时段电力潮流、天然气潮流、多能设备出力、储氢状态及储碳状态。

18、步骤3具体包括以下子步骤：

19、步骤3-1）量化配电网节点碳势；利用步骤2获得的时段电力潮流，根据功率流入流出平衡关系计算配电网节点碳势；

20、步骤3-2）量化配气网节点碳势；利用步骤2获得的时段天然气潮流，依据天然气管道气流汇入规律计算配气网节点碳势；

21、步骤3-3）计算耦合设备碳排放流转移；结合设备能流传递路径，更新电解槽输入端至输出端、甲烷反应器输入端至输出端及燃气轮机输入端至输出端碳排放强度；通过上述步骤3-1）至步骤3-3），能够按照碳流守恒关系连续精准追踪碳责任在配电网、配气网及各耦合设备之间的传递过程；

22、步骤3-4）建立氢碳比模型追踪储氢设备中的碳排放转移；在储氢设备充氢时，根据输入氢气的碳排放强度和储氢设备当前储氢状态更新氢碳比，在储氢设备放氢时，根据当前氢碳比确定输出氢气的碳排放强度，以追踪氢气跨时储存过程中的碳排放转移；

23、步骤3-5）按照当前迭代开始时的负荷对步骤3-1）和步骤3-2）量化出的配电网节点碳势与配气网节点碳势进行空间加权，完成加权操作后获得电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子。

24、步骤4具体包括以下子步骤：

25、步骤4-1）评估需求响应行为带来的碳减排增益；对比原始负荷与响应后负荷差异，并乘以步骤3获得的动态碳排放因子，计算出用户碳减排贡献；

26、步骤4-2）将步骤4-1）得出的用户碳减排贡献与分时用能损耗融合，确立用户侧需求响应目标函数；由此使用户侧调整用能的低碳行为与分时能耗信号相结合，驱动负荷柔性调节；

27、步骤4-3）设定可转移负荷、可替代负荷边界以及用户满意度限制，将约束条件叠加至步骤4-2）构建的用户侧需求响应目标函数中，获得用户侧需求响应模型。

28、步骤5具体包括以下子步骤：

29、步骤5-1）初始化系统迭代状态；将获取的原始电负荷和原始气负荷作为初始迭代负荷，并设置迭代次数参数k=0；

30、步骤5-2）在第k次迭代负荷状态下，求解供能侧优化调度模型，得到第k次迭代对应的电力潮流、天然气潮流、多能设备出力、储氢状态及储碳状态；

31、步骤5-3）基于步骤5-2）获得的第k次迭代对应的电力潮流、天然气潮流、多能设备出力、储氢状态及储碳状态，执行步骤3所述的碳排放流计算，获得配电网节点碳势和配气网节点碳势；采用第k次迭代开始时的电负荷和气负荷，分别对所述配电网节点碳势和配气网节点碳势进行空间加权，获得第k次迭代对应的电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子；

32、步骤5-4）将第k次迭代对应的电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子输入用户侧需求响应模型中进行求解，输出更新后的响应后电负荷和响应后气负荷；

33、步骤5-5）计算更新前后的电负荷偏差和气负荷差值；判断电负荷偏差和气负荷差值是否均小于预设收敛阈值；若不满足，则令k=k+1，将更新后的响应后电负荷和响应后气负荷返回步骤5-2）作为开始时负荷继续迭代；若满足，则退出循环输出低碳调度控制策略，并由此向气电耦合配网内供能设备、能量转换设备、储氢设备及储碳设备下发出力调节、能量转换及充放能控制指令，以控制气电耦合配网的物理运行。

34、在步骤1-1）中，确定电解槽产氢功率与输入电功率之间关联采用公式表示为：

35、；

36、利用电解槽产氢功率推导电解槽产氢量的推导操作采用公式为：

37、；

38、对输入电功率区间施加限制采用公式为：

39、；

40、对产氢功率的爬坡功率施加限制采用公式为：

41、；

42、确定甲烷反应器输出天然气功率采用公式为：

43、；

44、换算甲烷反应器的甲烷产生量采用公式为：

45、；

46、换算甲烷反应器的氢气消耗量采用公式为：

47、；

48、限定甲烷反应器输入氢功率范围采用公式为：

49、；

50、式中：、分别为时刻el的产氢功率、输入电功率；为el的电转氢效率；为时刻el的产氢流量；、分别为el耗电功率最小、最大值；、分别为el产氢功率的爬坡功率上、下限；为氢气的热值；、分别为时刻mr输入氢功率、输出天然气功率；为mr的甲烷化效率；、分别为mr耗氢功率最大、最小值；、分别为时刻mr输入氢气流量、输出甲烷流量；为甲烷的热值；为能量转换系数，取3600mj/(mw·h)；

51、在步骤1-2）中，表征掺氢燃气轮机消耗天然气与氢气混合状态采用公式为：

52、；

53、；

54、混合气体总功率为：

55、；

56、计算掺氢燃气轮机发电功率采用公式为：

57、；

58、限制掺氢燃气轮机爬坡上下限采用公式为：

59、；

60、限制掺氢比范围采用公式为：

61、；

62、；

63、限制掺氢燃气轮机出力边界采用公式为：

64、；

65、式中，、分别为时刻掺氢gt消耗的天然气量、氢气量；为掺氢gt的产电效率；、分别为时刻掺氢gt的输入混合气功率、发电功率；、分别为掺氢gt输入天然气功率、输入氢气功率；、分别为掺氢gt爬坡功率上、下限；、分别为掺氢gt发电功率最大值、最小值；为时刻gt掺氢比；、分别为gt掺氢比上下限；

66、在步骤1-3）中，提取发电机组进行碳捕集消耗功率采用公式为：

67、；

68、得出实际二氧化碳捕集量采用公式为：

69、；

70、设定二氧化碳捕集量上限采用公式为：

71、；

72、式中，为时刻发电机组进行碳捕集消耗的功率；为碳捕集过程中的固定运行功率；为时刻发电机组净注入电网功率；为处理单位co2能耗系数；为时刻的捕集量；为gt消耗单位天然气所对应的碳排放量；为碳捕集效率；

73、在步骤1-4）中，更新各时刻储碳设备储碳量采用公式为：

74、；

75、储碳容量上下限约束采用公式为：

76、；

77、充放碳量极值约束采用公式为：

78、；

79、；

80、充放碳状态互斥条件采用公式为：

81、；

82、调度周期全时段存储释放平衡约束采用公式为：

83、；

84、式中，、分别为储碳设备的存储效率和释放效率；为时刻储碳设备的碳容量；、分别为储碳设备容量上、下限；、分别为时刻储碳设备co2注入量、释放量；、分别为时刻储碳设备充碳量最大、最小值；、分别为时刻储碳设备放碳量最大、最小值；、分别为表征储碳设备是否处于输入/输出状态的0-1变量；为调度周期，取值为24小时；

85、在步骤1-5）中，追踪储氢量动态变化采用公式为：

86、；

87、储氢容量上下限约束采用公式为：

88、；

89、充放氢极值约束采用公式为：

90、；

91、；

92、充放氢状态互斥限制采用公式为：

93、；

94、全时段充放平衡约束采用公式为：

95、；

96、式中，、分别为储氢设备的存储效率和释放效率；为时刻储氢设备的氢容量；、分别为储氢设备容量上、下限；、分别为时刻充、放氢功率；、分别为时刻储氢功率最大、最小值；、分别为时刻放氢功率最大、最小值；、分别为表征储氢设备是否处于输入、输出状态的0-1变量。

97、在步骤2-1）中，构建供能侧优化调度目标函数采用公式为：

98、；

99、其中：

100、；

101、；

102、；

103、；

104、；

105、；

106、；

107、式中：为时刻从上级电网购电折算能耗；为时刻从上级气网购气折算能耗；为时刻弃风惩罚能耗；为时刻网损能耗；为时刻外部购碳能耗；为时刻失电负荷惩罚能耗；为时刻失气负荷惩罚能耗；、分别为时刻配网系统向上级能源网络购电、购气量；为时刻外购碳量；、分别为从上级能源网络购电、购气能耗系数；、、分别为弃风惩罚能耗系数、网损惩罚能耗系数、外购能耗系数；、分别为时刻风电机组的预测出力、实际并网出力；为配电网支路集合；为时刻线路段流过的电流；为时刻线路段的电阻；、分别为失电、气负荷惩罚能耗系数；为时刻负荷失电功率；为时刻负荷失气功率；

108、在步骤2-2）中，加入配电网运行约束采用公式为：

109、；

110、；

111、；

112、；

113、；

114、；

115、式中：为配电网中以为支路末端节点的首段节点集合；为配电网中以为支路首端节点的末段节点集合；为时刻上级电网注入节点的有功功率；为时刻上级电网注入节点的无功功率；为时刻上负荷的无功功率；、分别为时刻线路段的有功功率和无功功率；为配电网时刻负荷的负荷需求量；为时刻负荷的功率因数；为时刻节点的电压；为时刻线路段的电抗；、分别为时刻节点电压最大值、最小值；、分别为时刻线路段电流的最大值、最小值；

116、加入配气网运行约束采用公式为：

117、；

118、；

119、；

120、；

121、；

122、式中：为以为支路末端节点的首段节点集合；为以为支路首端节点的末段节点集合；、为时刻管道段流过的天然气功率、流量；为时刻上级气网注入节点的天然气功率；为配气网时刻负荷的负荷需求量；为管道的管道系数；为管道段所能传输的最大天然气气流量；为时刻节点的气压；、为时刻节点的最大、最小气压限制；

123、加入风电出力约束采用公式为：

124、；

125、加入氢功率约束采用公式为：

126、；

127、；

128、；

129、；

130、式中：为时刻el传输给mr的氢功率；为时刻el传输给gt的氢功率；为时刻储氢设备传输给mr的氢功率；为时刻储氢设备传输给gt的氢功率；

131、加入碳流约束采用公式为：

132、；

133、式中：为mr生成单位消耗的二氧化碳量。

134、在步骤3-1）中，计算配电网节点碳势采用公式为：

135、；

136、式中：为时刻电力系统节点的碳势；为与节点相连的支路中有功潮流流入节点的支路集合；为配电网节点相连的设备集合；、分别为时刻支路流入节点的功率、支路的碳流密度；、分别为时刻与节点相连的发电机组注入电网的功率、发电机组的碳排放强度；

137、在步骤3-2）中，计算配气网节点碳势采用公式为：

138、；

139、式中：为时刻燃气管网节点的碳势；为与节点相连的管道中气流流入节点的管道集合；为燃气管网节点相连的设备集合；、分别为时刻管道的气流对应功率、碳流密度；、分别为时刻的气源流入气网的的气流功率、气源的碳排放强度；

140、在步骤3-3）中，更新碳势采用公式为：

141、；

142、；

143、；

144、式中：、分别为时刻el输入端、输出端碳排放强度；为时刻mr输出端碳排放强度；为时刻储氢设备输出端碳排放强度；为时刻gt输出端碳排放强度；为时刻与gt相连配气网节点碳势；

145、在步骤3-4）中，采用公式为：

146、；

147、式中：为氢碳比，表征时刻储氢设备中单位能量氢气所对应的碳排放量，即为时刻储氢设备输出端碳排放强度；

148、在步骤3-5）中，进行空间加权采用公式为：

149、；

150、式中：为时刻能源网络系统的碳排放因子，；为时刻节点的能量需求量；为时刻能源网络节点的碳势；为能源网络系统的节点集合。

151、步骤4-1）计算出用户碳减排贡献采用公式为：

152、；

153、;

154、式中:为时段能源网络需求响应的碳减排贡献；为时段能源网络需求响应后负荷；为时段能源网络原始负荷；

155、步骤4-2）确立用户侧需求响应目标函数采用公式为：

156、；

157、其中：

158、；

159、；

160、式中：为t时段用户侧用能损耗;为t时段用户侧碳减排贡献激励；为电网负荷在时段的需求量；为气网负荷在时段的需求量；、分别为t时段用户侧分时用电损耗系数、分时用气损耗系数；为碳减排贡献激励系数；

161、步骤4-3）设定可转移负荷、可替代负荷边界以及用户满意度限制，具体约束叠加如下：

162、（1）电、气响应后负荷更新公式：

163、；

164、；

165、（2）可转移负荷边界公式：

166、；

167、；

168、（3）可替代负荷边界公式：

169、；

170、；

171、；

172、（4）用户满意度限制包含用能方式满意度与支出满意度：

173、；

174、；

175、；

176、；

177、式中：、分别为时刻用电、气可转移负荷的转移功率；、分别为时刻用电、气可替代负荷的被替换功率；为网络可转移负荷占总负荷的比例；为网络可替代负荷占总负荷的比例；为时刻气负荷的电负荷已替代量；为时刻电负荷的气负荷已替代量；为电-气替代系数；、分别为用户用能方式满意度、用户用能支出满意度；、分别为用户用能方式满意度下限和用户用能支出满意度下限；为时刻的原始电负荷；为时刻的原始气负荷。

178、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

179、1）本发明利用储氢设备对电解制氢与甲烷化用氢、掺氢发电用氢过程进行时序解耦，利用储碳设备对碳捕集与甲烷化用碳过程进行时序解耦，使氢气能够在甲烷化、跨时储存和掺氢发电之间灵活分配，缓解制氢与用氢、捕碳与甲烷化的时序不匹配，提高氢能和捕集二氧化碳的利用效率；

180、2）本发明按照碳流守恒关系连续追踪碳责任在配电网、配气网、el、mr、储氢设备及掺氢gt之间的传递过程，并采用氢碳比记录储氢设备跨时转移的碳责任；采用当前迭代开始时的电负荷和气负荷，分别对配电网节点碳势和配气网节点碳势进行空间加权，形成电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子，既能够降低节点位置差异对用户激励的影响，又能够保证需求响应前后的碳责任量具有一致的核算基准；

181、3）本发明采用电网动态碳排放因子和气网动态碳排放因子，分别计算原始电负荷与响应后电负荷、原始气负荷与响应后气负荷对应的碳责任量差额，并利用所述碳责任量差额表征用户碳减排贡献，使正碳减排贡献形成激励、负碳减排贡献形成附加能耗，能够在分时用能损耗信号基础上引导可转移负荷向低碳时段迁移、可替代负荷向低碳能源转换；通过供能侧与用户侧循环迭代，在满足网络安全约束和用户满意度要求的同时，兼顾系统运行高效性与整体碳减排效果。