一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法与流程

1.本发明涉及电气互联系统领域，具体涉及一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法。


背景技术：

2.随着碳中和目标的提出，未来配网必然出现大量分散式、小规模的分布式能源。与此同时，各类能源在物理层面的耦合将扩展至市场层面，配网中将有大量具备独立决策能力的能源产销者参与市场竞争。然而，不同于批发市场，分布式能源交易具有参与者数量众多、单笔小额、位置分散等特点。在此背景下，如何在考虑多能源协同运行特点的基础上，构建有效的配网交易机制，引导碳减排技术与资源的优化配置，是能源系统低碳化研究不可或缺的部分。
3.现有研究对于综合能源系统低碳优化运行以及p2p交易模型的应用进行了有益的探索，但仍存在几个方面的不足：一是现有研究较少考虑通过实时碳排放控制实现电气互联系统的优化调度；二是从交易的角度来看，如何通过低碳激励机制引导低碳资源的优化配置是现有研究中缺失的；三是目前该方面的研究还是以能源交易为主，对能源交易与碳交易耦合环境下电气互联系统优化调度研究较少；四是目前该方面的研究对于系统实际物理约束及能量流约束的考虑还不够全面。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法，其设计了一种低碳激励机制，通过低碳激励信号引导系统内低碳资源的优化配置；在考虑实际物理约束及潮流约束的基础上，构建p2p交易框架，为多类型多能园区提供碳交易、能源交易的平台；根据系统的碳排放特性建立碳排放目标，研究实时碳排放控制下综合能源系统的优化调度技术；通过kkt最优性条件和线性对偶理论将模型转化为混合整数线性规划问题进行求解，最终获得全局最优的定价策略。
5.实现上述目的的一种技术方案是：
6.一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法，包括如下步骤：
7.步骤1，建立零和博弈的低碳激励机制；
8.步骤2，构建碳排放p2p交易框架；
9.步骤3，构建电气互联系统双层组合优化模型，上层模型考虑电气互联系统的实时碳排放总量控制，以电气互联系统低碳经济运行成本最小为目标建立目标函数，包括经济成本最优和碳排放控制效果最优，约束条件包括电力网络约束和天然气网络约束，下层模型以低碳激励机制下多能园区的运行成本和环境成本最低为目标，约束条件包括电、热、气功率平衡约束、电储能约束、储热约束、能源转换约束及多能园区的碳排放约束；
10.步骤4，对双层模型进行迭代运算，获取考虑p2p交易的低碳经济调度结果。
11.进一步的，步骤1建立零和博弈的低碳激励机制的具体方法如下：
12.在低碳激励机制下，设定所有多能园区碳配额的总和为定值，如下式
[0013][0014][0015][0016]
式中，ω
eh
(j)为多能园区的集合；e
h,t
为多能园区h在时刻t的碳配额；为所有多能园区的碳配额总和；为碳管理商所获碳收益；为碳市场碳交易价格；s
h,t
为多能园区h在时刻t的实际碳排放；β
t
和υ
t
分别为碳排放奖励因子以及惩罚因子。
[0017]
进一步的，步骤2构建碳排放p2p交易框架的步骤为：
[0018]
步骤2.1，数据初始化，电气互联系统给各多能园区下发初始电价、气价、碳配额信息；
[0019]
步骤2.2，内部工序平衡，具体多能园区h内部供需平衡目标函数为：
[0020][0021][0022][0023][0024]
式中，为多能园区h的成本函数；p
h,t
表示时刻t配网给多能园区h提供的有功功率；为市场上的电价；g
h,t
表示多能园区h的耗气量；为气价；和为多能园区内部自平衡优化形成的对外购售电功率、热功率、碳配额的需求；和分别为多能园区从其他多能园区购售电功率、热功率、碳配额的价格；
[0025]
步骤2.3，各多能园区以最大化预期经济效益、最小化预期经济成本为目标确定报价/投标价格，其最优竞价目标函数为：
[0026][0027]
式中，ψ
e,t
为多能园区作为卖方的收益函数，和为待优化的电、热、碳报价价格；和ρ、和h、和s分别为电、热、碳报价价格的上下限；和为卖方多能园区选择买方多能园区的预期交易电功率、热功率、碳配额；为市场上的电价、热价；
[0028]
在竞价过程中需要满足的约束条件为：
[0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]
步骤2.4，卖方和买方最佳匹配的社会福利ψ
e,f,t
可表示为：
[0036][0037]
式中，和为买方实际成交的电功率、热功率、碳配额；为卖方实际成交的电功率、热功率、碳配额；
[0038]
电功率、热功率与碳配额交易需满足的约束类似，电功率交易约束如下：
[0039][0040][0041][0042][0043]
步骤2.5，交割，作为卖方的多能园区需根据交易结果发电，配网负责将该电量配送到对应的买方处，当买方和卖方出现交易偏差时，由配网承担兜底责任。
[0044]
进一步的，步骤3构建电气互联系统双层组合优化模型的具体步骤为：
[0045]
步骤3.1，上层优化模型考虑电气互联系统低碳经济运行成本最小，包括经济成本最优和碳排放控制效果最优，关于经济成本的目标函数可表示为:
[0046][0047]
式中：右边第一项为电气互联系统在电力市场上的购电成本，ω
up
(j)表示与节点j相连的上级电网节点的集合，p
x,t
表示时刻t上级电网节点向节点j注入的有功；右边第二项为电气互联系统在天然气市场上的购气成本，ω
nw
(m)表示与节点m相连的天然气井的集合，g
w,t
表示天然气井w提供的天然气流量；右边第三项为配网向能源集成商出售电能、天然气的获取的收益，和分别为配网向能源集成商售电、售气的价格；
[0048]
系统碳排放控制效果可利用系统实时碳排放目标与实际碳排放之间的关系进行建模，可表示为：
[0049][0050]
式中：为电气互联系统的实时低碳排放目标值；为单位电功率的碳排放强度；为单位天然气的碳排放强度；
[0051]
步骤3.2，根据电气互联系统由配电网和配气网构成，建立系统约束，系统约束包括电力网络约束和天然气网络约束，具体如下：
[0052]
电力网络约束:
[0053][0054]
式中：ω
pl
表示电力网络中所有支路的集合；ω
ol
表示含有载调压变压器支路的集合；p
j,t
和p
ij,t
分别表示时刻t由节点j
→
k和节点i
→
j的有功；r
ij
表示线路ij的电阻；i
ij,t
表示时刻t流经线路ij电流i
ij,t
的平方；p
j,t
表示时刻t节点j处的有功负荷；ω
wid
(j)、ω
pv
(j)、ω
gu
(j)、ω
pg
(j)、ω
eh
(j)分别表示与节点j相连的上级电网节点、风机、光伏、燃气机组、电转气设备、eh的集合；p
a,t
、p
b,t
和p
u,t
分别表示时刻t风机a、光伏b和燃气机组u向节点j注入
的有功；p
g,t
表示时刻t电转气设备g消耗的有功；ωb表示配电网中所有节点的集合；
[0055][0056]
式中：q
j,t
和q
ij,t
分别表示时刻t从节点j
→
k和节点i
→
j的无功；x
ij
表示线路ij的电抗；q
j,t
表示时刻t节点j处的无功负荷；q
a,t
表示时刻t风机a吸收的无功；q
c,t
表示时刻t静止无功补偿装置c提供的无功；ω
sv
(j)表示与节点j相连svc装置的集合。
[0057][0058][0059][0060]
式中：vi和vj表示节点i和节点j的电压的平方；z
ij
和s
ij
表示支路ij的阻抗和视在功率；表示svc装置的可调容量上限；
[0061]
天然气网络约束：
[0062]
天然气节点m的能量平衡约束可表示为：
[0063][0064]
式中：ω
pg
表示与节点m相连的p2g设备的集合；gg′
,t
表示p2g设备g
′
提供的天然气流量；ω
eh(m)
表示与节点m相连的多能园区的集合；g
m,t
表示节点m的天然气负荷；ω
gu(m)
表示与节点m相连的燃气机组的集合；gu′
,t
表示燃气机组u
′
的耗气量；ψ
b(m)
、ψ
f(m)
分别表示与节点m相连的上游节点、下游节点的集合；g
mn
′
,t
和g
mn,t
表示由节点n
′→
m和节点m
→
n的天然气流量；g
mn,t
表示管道mn的天然气流量；ω
g(mn)
表示管道mn中的压缩机的集合；αc′
表示压缩机c
′
的燃料消耗系数；ω
gb
表示所有天然气节点的集合；
[0065]
天然气管道潮流约束可表示为：
[0066][0067]
式中：表示管道mn的流量上限。
[0068]
假定天然气管道中潮流的流向是由节点m流向节点n，则有:
[0069][0070][0071]
[0072][0073][0074]gu,t
＝p
u,t
/(ηu·igas
)
[0075]gg,t
＝p
g,t
·
ηg/i
gas
[0076]
式中：γc′
为天然气压缩机c
′
的压缩因子；ηu为gu的气转电效率；ηg为p2g的电转气效率；i
gas
为天然气的燃烧热值；
[0077]
步骤3.3，建立下层优化模型目标函数
[0078]
下层优化以能源集成商运行成本最小为目标，可表示为：
[0079][0080]
步骤3.4，设置下层优化模型约束条件；
[0081]
系统的电、热、气功率平衡约束可表示为：
[0082][0083]
式中：为风电机组出力；为光伏出力；表示eh中chp机组提供的有功功率；和分别表示电储能装置的充、放电功率；表示eh中电锅炉消耗的电功率；表示eh的电负荷需求；
[0084][0085]
式中：和分别表示chp机组、燃气锅炉、电锅炉提供的热功率；和表示储热装置的储热功率、放热功率；表示eh的热负荷需求；
[0086][0087]
式中：和表示chp机组和燃气锅炉所需的天然气量；
[0088]
电储能装置的模型及约束条件：
[0089][0090][0091]
式中：η
ec
、ηe表示电储能装置的充放电效率；表示电储能装置蓄电量的始末值；
[0092]
储热装置的模型及约束条件:
[0093][0094][0095]
式中，η
hc
、ηh表示储热装置的储热、放热效率；表示储热装置蓄热量的始末值；
[0096]
能源转换装置的模型及约束条件:
[0097][0098][0099][0100][0101]
式中：η
ce
、η
eh
和ηg分别表示chp机组的电效率、电锅炉的效率和燃气锅炉的效率；
[0102]
多能园区的碳排放模型及约束条件:
[0103][0104][0105]
本发明的特点及有益效果在于：
[0106]
1)本发明设计了低碳激励机制，通过低碳激励信号来引导系统内低碳资源的优化配置。
[0107]
2)本发明在考虑实际物理约束及潮流约束的基础上，构建了一个p2p交易框架，为所设置的多类型多能园区提供碳交易和能源交易的平台。
[0108]
3)本发明根据系统的碳排放特性建立碳排放目标，研究实时碳排放控制下综合能源系统的优化调度技术。
[0109]
4)本发明通过kkt最优性条件和线性对偶理论将模型转化为混合整数线性规划问题进行求解，最终获得全局最优的定价策略。
附图说明
[0110]
图1为含多能园区的电气互联系统双层优化调度框架示意图；
[0111]
图2为多能园区模型示意图；
[0112]
图3为为含多能园区的电气互联系统双层优化求解流程图。
具体实施方式
[0113]
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
[0114]
本发明从多能源系统安全低碳调度运行视角，考虑可再生能源、储能、多能转换等关键低碳电力技术，提出一种基于实时碳排放控制的含多类型多能园区的电气互联网系统低碳调度方法。请参阅图1为含多能园区的电气互联系统双层优化调度框架示意图。图2为应用本发明的一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法的多能园区模型示意图。
[0115]
请参阅图3，一种基于实时碳排放控制的电气互联系统低碳调度方法，包括如下步骤：
[0116]
步骤1，建立零和博弈的低碳激励机制；
[0117]
步骤2，构建碳排放p2p交易框架；
[0118]
步骤3，构建电气互联系统双层组合优化模型，上层模型考虑电气互联系统的实时碳排放总量控制，以电气互联系统低碳经济运行成本最小为目标建立目标函数，包括经济成本最优和碳排放控制效果最优，约束条件包括电力网络约束和天然气网络约束，下层模型以低碳激励机制下多能园区的运行成本和环境成本最低为目标，约束条件包括电、热、气功率平衡约束、电储能约束、储热约束、能源转换约束及多能园区的碳排放约束；
[0119]
步骤4，对双层模型进行迭代运算，获取考虑p2p交易的低碳经济调度结果。
[0120]
进一步的，步骤1建立零和博弈的低碳激励机制的具体方法如下：
[0121]
在低碳激励机制下，设定所有多能园区碳配额的总和为定值，如下式
[0122][0123][0124][0125]
式中，ω
eh
(j)为多能园区的集合；e
h,t
为多能园区h在时刻t的碳配额；为所有多能园区的碳配额总和；为碳管理商所获碳收益；为碳市场碳交易价格；s
h,t
为多能园区h在时刻t的实际碳排放；β
t
和υ
t
分别为碳排放奖励因子以及惩罚因子。
[0126]
进一步的，步骤2构建碳排放p2p交易框架的步骤为：
[0127]
步骤2.1，数据初始化，电气互联系统给各多能园区下发初始电价、气价、碳配额信息；
[0128]
步骤2.2，内部工序平衡，具体多能园区h内部供需平衡目标函数为：
[0129][0130][0131][0132][0133]
式中，为多能园区h的成本函数；p
h,t
表示时刻t配网给多能园区h提供的有功功率；为市场上的电价；g
h,t
表示多能园区h的耗气量；为气价；和为多能园区内部自平衡优化形成的对外购售电功率、热功率、碳配额的需求；
和分别为多能园区从其他多能园区购售电功率、热功率、碳配额的价格；
[0134]
步骤2.3，各多能园区以最大化预期经济效益、最小化预期经济成本为目标确定报价/投标价格，其最优竞价目标函数为：
[0135][0136]
式中，ψ
e,t
为多能园区作为卖方的收益函数，和为待优化的电、热、碳报价价格；和ρ、和h、和s分别为电、热、碳报价价格的上下限；和为卖方多能园区选择买方多能园区的预期交易电功率、热功率、碳配额；为市场上的电价、热价；
[0137]
在竞价过程中需要满足的约束条件为：
[0138][0139][0140][0141][0142][0143][0144]
步骤2.4，卖方和买方最佳匹配的社会福利ψ
e,f,t
可表示为：
[0145][0146]
式中，和为买方实际成交的电功率、热功率、碳配额；为卖方实际成交的电功率、热功率、碳配额；
[0147]
电功率、热功率与碳配额交易需满足的约束类似，电功率交易约束如下：
[0148][0149][0150]
[0151][0152]
步骤2.5，交割，作为卖方的多能园区需根据交易结果发电，配网负责将该电量配送到对应的买方处，当买方和卖方出现交易偏差时，由配网承担兜底责任。
[0153]
进一步的，步骤3构建电气互联系统双层组合优化模型的具体步骤为：
[0154]
步骤3.1，上层优化模型考虑电气互联系统低碳经济运行成本最小，包括经济成本最优和碳排放控制效果最优，关于经济成本的目标函数可表示为:
[0155][0156]
式中：右边第一项为电气互联系统在电力市场上的购电成本，ω
up
(j)表示与节点j相连的上级电网节点的集合，p
x,t
表示时刻t上级电网节点向节点j注入的有功；右边第二项为电气互联系统在天然气市场上的购气成本，ω
nw
(m)表示与节点m相连的天然气井的集合，g
w,t
表示天然气井w提供的天然气流量；右边第三项为配网向能源集成商出售电能、天然气的获取的收益，和分别为配网向能源集成商售电、售气的价格；
[0157]
系统碳排放控制效果可利用系统实时碳排放目标与实际碳排放之间的关系进行建模，可表示为：
[0158][0159]
式中：为电气互联系统的实时低碳排放目标值；为单位电功率的碳排放强度；为单位天然气的碳排放强度；
[0160]
步骤3.2，根据电气互联系统由配电网和配气网构成，建立系统约束，系统约束包括电力网络约束和天然气网络约束，具体如下：
[0161]
电力网络约束:
[0162][0163]
式中：ω
pl
表示电力网络中所有支路的集合；ω
ol
表示含有载调压变压器支路的集
合；p
j,t
和p
ij,t
分别表示时刻t由节点j
→
k和节点i
→
j的有功；r
ij
表示线路ij的电阻；i
ij,t
表示时刻t流经线路ij电流i
ij,t
的平方；p
j,t
表示时刻t节点j处的有功负荷；ω
wid
(j)、ω
pv
(j)、ω
gu
(j)、ω
pg
(j)、ω
eh
(j)分别表示与节点j相连的上级电网节点、风机、光伏、燃气机组、电转气设备、eh的集合；p
a,t
、p
b,t
和p
u,t
分别表示时刻t风机a、光伏b和燃气机组u向节点j注入的有功；p
g,t
表示时刻t电转气设备g消耗的有功；ωb表示配电网中所有节点的集合；
[0164][0165]
式中：q
j,t
和q
ij,t
分别表示时刻t从节点j
→
k和节点i
→
j的无功；x
ij
表示线路ij的电抗；q
j,t
表示时刻t节点j处的无功负荷；q
a,t
表示时刻t风机a吸收的无功；q
c,t
表示时刻t静止无功补偿装置c提供的无功；ω
sv
(j)表示与节点j相连svc装置的集合。
[0166][0167][0168][0169]
式中：vi和vj表示节点i和节点j的电压的平方；z
ij
和s
ij
表示支路ij的阻抗和视在功率；表示svc装置的可调容量上限；
[0170]
天然气网络约束：
[0171]
天然气节点m的能量平衡约束可表示为：
[0172][0173]
式中：ω
pg
表示与节点m相连的p2g设备的集合；gg′
,t
表示p2g设备g
′
提供的天然气流量；ω
eh(m)
表示与节点m相连的多能园区的集合；g
m,t
表示节点m的天然气负荷；ω
gu(m)
表示与节点m相连的燃气机组的集合；gu′
,t
表示燃气机组u
′
的耗气量；ψ
b(m)
、ψ
f(m)
分别表示与节点m相连的上游节点、下游节点的集合；g
mn
′
,t
和g
mn,t
表示由节点n
′→
m和节点m
→
n的天然气流量；g
mn,t
表示管道mn的天然气流量；ω
g(mn)
表示管道mn中的压缩机的集合；αc′
表示压缩机c
′
的燃料消耗系数；ω
gb
表示所有天然气节点的集合；
[0174]
天然气管道潮流约束可表示为：
[0175][0176]
式中：表示管道mn的流量上限。
[0177]
假定天然气管道中潮流的流向是由节点m流向节点n，则有:
[0178][0179][0180][0181][0182][0183]gu,t
＝p
u,t
/(ηu·igas
)
[0184]gg,t
＝p
g,t
·
ηg/i
gas
[0185]
式中：γc′
为天然气压缩机c
′
的压缩因子；ηu为gu的气转电效率；ηg为p2g的电转气效率；i
gas
为天然气的燃烧热值；
[0186]
步骤3.3，建立下层优化模型目标函数
[0187]
下层优化以能源集成商运行成本最小为目标，可表示为：
[0188][0189]
步骤3.4，设置下层优化模型约束条件；
[0190]
系统的电、热、气功率平衡约束可表示为：
[0191][0192]
式中：为风电机组出力；为光伏出力；表示eh中chp机组提供的有功功率；和分别表示电储能装置的充、放电功率；表示eh中电锅炉消耗的电功率；表示eh的电负荷需求；
[0193][0194]
式中：和分别表示chp机组、燃气锅炉、电锅炉提供的热功率；和表示储热装置的储热功率、放热功率；表示eh的热负荷需求；
[0195][0196]
式中：和表示chp机组和燃气锅炉所需的天然气量；
[0197]
电储能装置的模型及约束条件：
[0198][0199][0200]
式中：η
ec
、ηe表示电储能装置的充放电效率；表示电储能装置蓄电量的始末值；
[0201]
储热装置的模型及约束条件:
[0202]
[0203][0204]
式中，η
hc
、ηh表示储热装置的储热、放热效率；表示储热装置蓄热量的始末值；
[0205]
能源转换装置的模型及约束条件:
[0206][0207][0208][0209][0210]
式中：η
ce
、η
eh
和ηg分别表示chp机组的电效率、电锅炉的效率和燃气锅炉的效率；
[0211]
多能园区的碳排放模型及约束条件:
[0212][0213][0214]
步骤4，最后对双层模型进行迭代运算，获取考虑p2p交易的低碳经济调度结果。
[0215]
本发明面向电气互联系统，在低碳激励机制下研究系统多能协同低碳优化运行策略。相较于已有研究，主要贡献归纳如下：设计低碳激励机制，通过低碳激励信号引导系统内低碳资源的优化配置；在考虑实际物理约束及潮流约束的基础上，构建p2p交易框架，为多类型多能园区提供碳交易、能源交易的平台；根据系统的碳排放特性建立碳排放目标，研究实时碳排放控制下综合能源系统的优化调度技术；通过kkt最优性条件和线性对偶理论将模型转化为混合整数线性规划问题进行求解，最终获得全局最优的定价策略。
[0216]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。